CFRP組合加固改善高強(qiáng)混凝土方柱抗剪性能試驗(yàn)研究

王 蘇 巖, 曹 懷 超, 魯 偉, 王 澤 源, 梁 金 永

( 1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024;2.遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院, 遼寧 沈陽 110179 )

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土木工程

CFRP組合加固改善高強(qiáng)混凝土方柱抗剪性能試驗(yàn)研究

王 蘇 巖*1, 曹 懷 超2, 魯 偉1, 王 澤 源1, 梁 金 永1

( 1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024;2.遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院, 遼寧 沈陽 110179 )

利用低周反復(fù)荷載試驗(yàn)手段,研究了4種不同CFRP(carbon fiber reinforced polymer)布加固方式(橫向包裹CFRP布、橫向包裹CFRP布和植螺栓桿組合,以及橫向包裹CFRP布和寬、窄夾板組合)對高強(qiáng)混凝土柱抗剪性能的作用．通過分析以上4種不同加固方式對試件的延性、塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力,以及剛度退化等方面的影響,得到如下結(jié)論:4種加固方式均可改善抗剪不足高強(qiáng)混凝土方柱的抗剪性能,有效提高試件的變形能力,其中橫向包裹CFRP布和窄夾板組合加固方式加固效果最好；同時(shí),在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出適用于高強(qiáng)鋼筋混凝土柱的剛度退化模型,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與模型吻合較好．

加固；延性；抗剪性能; 碳纖維布；高強(qiáng)混凝土；方柱

0 引 言

根據(jù)“強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則,在地震發(fā)生時(shí),混凝土柱構(gòu)件應(yīng)避免發(fā)生剪切破壞,因?yàn)榛炷林鶚?gòu)件的剪切破壞表現(xiàn)為突然的脆性破壞,這勢必導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌,引發(fā)災(zāi)害．混凝土隨著強(qiáng)度等級的提高其延性會越來越差,所以說高強(qiáng)混凝土柱構(gòu)件的剪切破壞更需要引起足夠的重視．在抗震維修加固時(shí),需要對抗剪強(qiáng)度不足的柱構(gòu)件進(jìn)行抗剪加固,從而使其不會發(fā)生剪切破壞[1-3]．

FRP(fiber reinforced polymer)因具有抗拉強(qiáng)度高、自重輕、施工便捷、抗腐蝕性和耐久性好、熱膨脹系數(shù)與混凝土相近、可塑性好等優(yōu)點(diǎn)[1,4-7]而被應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)加固中．關(guān)于利用FRP加固混凝土柱的研究國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量工作,對于利用FRP加固后混凝土柱的剪切性能研究中,Anggawidjaja等[8]發(fā)現(xiàn)纖維復(fù)合材料可有效提高彎剪強(qiáng)度,同時(shí)可增大柱子的延性；Nanni等[9]進(jìn)行了26個(gè)構(gòu)件的低周反復(fù)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)加固后的構(gòu)件破壞形式由斜向剪切破壞變?yōu)閺澢茐?；李忠獻(xiàn)等[10]通過利用CFRP(carbon fiber reinforced polymer)布加固鋼筋混凝土短柱,發(fā)現(xiàn)隨著碳纖維布用量的增加,柱的抗剪承載力顯著提高,同時(shí)短柱的破壞模式由剪切型破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕粜推茐纳踔磷優(yōu)閺澢推茐?；張智梅等[11]利用FRP組合加固技術(shù)加固抗剪強(qiáng)度不足的混凝土柱,發(fā)現(xiàn)可以有效提高柱的抗剪能力．

由于FRP約束矩形柱時(shí)所提供的約束是不均勻的,FRP對矩形柱約束存在非有效約束區(qū)域[12],鑒于此,Wu等[13]提出了利用橫向包裹CFRP布和植筋組合的加固方式．而余文華[14]在此基礎(chǔ)上又提出了一種主動(dòng)組合加固方式:利用橫向包裹CFRP布和夾板組合的加固方式．該加固方式提供的有效約束區(qū)面積更大,加固后柱的延性更好．本文專門對這種CFRP布與夾板組合的加固方式加固抗剪不足的高強(qiáng)混凝土方柱進(jìn)行試驗(yàn)研究．

1 試驗(yàn)概況

一般的剪切破壞都是由箍筋不足或箍筋構(gòu)造有缺陷造成的,試驗(yàn)中通過減少柱構(gòu)件塑性鉸區(qū)的箍筋配箍率來模擬造成柱構(gòu)件剪切破壞的原因．本試驗(yàn)共有5個(gè)試件,其中1個(gè)試件作為對比試件不做加固處理,另外4個(gè)試件分別采用橫向包裹CFRP布、橫向包裹CFRP布與植螺栓桿(簡稱植筋)、橫向包裹CFRP布與寬夾板和橫向包裹CFRP布與窄夾板4種方式進(jìn)行加固處理．具體分組情況見表1．

表1 試件分組

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中柱模型設(shè)計(jì)為倒T形懸臂受力構(gòu)件,具體尺寸及配筋詳圖見圖1,其中箍筋間距在加固區(qū)域?yàn)?50 mm,非加固區(qū)域?yàn)?00 mm,箍筋加密區(qū)為50 mm．為了保證試驗(yàn)時(shí)試件底座不發(fā)生破壞,在設(shè)計(jì)時(shí)對底座進(jìn)行了加強(qiáng)．

圖1 試件截面尺寸及配筋圖

1.2 材料性能

試驗(yàn)采用的混凝土為C60高強(qiáng)商品混凝土,箍筋為Ⅰ級熱軋光面鋼筋,縱筋為Ⅱ級熱軋螺紋鋼筋,纖維布型號為HITEX-C300(南京),延伸率為1.7%,粘貼纖維布采用廣東泛達(dá)化工有限公司生產(chǎn)的愛牢達(dá)結(jié)構(gòu)膠,包括底膠(XH180A/B)和浸漬膠(XH7307A/B)．具體的材料力學(xué)性能見表2．

1.3 試件加固

試件的加固范圍為距離柱底端500 mm,全包加固,纖維布層數(shù)均為3層,搭接長度為150 mm．在粘貼纖維布之前試件要做倒角處理,倒角半徑為20 mm．對于另外3根組合加固的試件,夾板采用厚度為6 mm的普通鋼板,為了進(jìn)行效果對比,植筋組合加固方式與夾板組合加固方式均采用直徑為8 mm的碳鋼4.8級螺栓,兩種加固方式的植筋數(shù)量與位置均相同,具體的尺寸及植筋的位置見圖2．植筋位置處鉆孔直徑為10 mm,采用Hilti HIT-RE 500膠進(jìn)行植筋,對于夾板組合加固方式在粘貼完CFRP布后要立即將螺帽擰上,采用扭矩扳手對其施加一定的壓力(5 N·m),以防止纖維布結(jié)構(gòu)膠固化后造成表面不平整導(dǎo)致夾板的錨固效果不好,在試驗(yàn)加載之前再將試件螺帽壓力調(diào)整到預(yù)設(shè)值(25 N·m)．為了更為有效地傳遞壓力,夾板采用了面積逐漸增大的形式,并在螺帽與夾板間放入了墊片．

表2 材料力學(xué)性能

(a) 植筋尺寸及布置圖

(b) 夾板尺寸及布置圖

圖2 植筋和夾板加固方式布置詳圖

Fig.2 Location of embedding bars and clamping plates

1.4 試驗(yàn)裝置及加載規(guī)則

試驗(yàn)裝置如圖3所示,每個(gè)試件都承受恒定的豎向力和周期性的水平力作用,由油壓千斤頂來施加,分別采用300 kN和2 000 kN量程的傳感器量測水平力和豎向力,鋼筋應(yīng)變和纖維布應(yīng)變由電阻應(yīng)變片量測,試件的水平側(cè)移采用位移計(jì)量測,以上所有數(shù)據(jù)均由IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)采集．

圖3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)過程中豎向荷載恒定,數(shù)值為720 kN．水平荷載采用力和位移混合控制的加載制度,即開始時(shí)采用力控制,分兩級加載,每級加載1次,大小約為屈服荷載理論值的1/2和3/4,分別取為50 kN和75 kN；屈服后采用位移控制,每級加載3次,直到試件水平荷載下降到最大值的85%時(shí)試驗(yàn)停止．

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

對比試件C-1柱發(fā)生了明顯的剪壓破壞,在力的控制階段變形很小,當(dāng)荷載達(dá)到73 kN時(shí),出現(xiàn)兩條水平裂縫,隨著荷載增加水平裂縫開始向斜下方發(fā)展為斜裂縫,傾斜角約為45°．2倍的屈服位移時(shí),出現(xiàn)了多條斜裂縫,其中左右兩個(gè)方向各有一條主斜裂縫為臨界斜裂縫,與水平線約成60°,之后裂縫繼續(xù)開展,寬度增加,混凝土保護(hù)層開始脫落,最后角部混凝土大面積脫落,試件因不能承受豎向荷載而試驗(yàn)終止．此時(shí)臨界斜裂縫寬度已經(jīng)達(dá)到3.5 mm左右,角部混凝土脫落高度約400 mm,試件縱筋已經(jīng)露出．

C-2柱在水平荷載達(dá)到120 kN時(shí)底部出現(xiàn)裂縫,當(dāng)在2倍屈服位移時(shí)在距離基礎(chǔ)頂面200 mm處纖維布出現(xiàn)白色通長裂縫,同時(shí)發(fā)出噼啪的響聲,發(fā)現(xiàn)纖維布底部有混凝土碎片掉出,此時(shí)碳纖維布已經(jīng)發(fā)揮作用；當(dāng)達(dá)到4倍屈服位移時(shí)底部開始有大量的混凝土剝落,纖維布開始連續(xù)發(fā)出更大的聲響,此時(shí)承載力已下降至85%,停止加載．試驗(yàn)結(jié)束后剝掉纖維布,去除松散的混凝土,發(fā)現(xiàn)混凝土脫落情況較C-1柱輕．如圖4(a)和(b)所示．

利用CFRP布和植筋組合加固的C-3試件在試件屈服時(shí),纖維布開始發(fā)出響聲,纖維布在距離根部130 mm處產(chǎn)生水平白色裂縫,3倍屈服位移時(shí)柱根部產(chǎn)生裂縫,5倍屈服位移時(shí)荷載下降到85%以下,試驗(yàn)停止．而利用夾板和CFRP布組合加固C-4和C-5試件試驗(yàn)現(xiàn)象基本同C-3,而當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后拆除這3個(gè)試件外包的纖維布發(fā)現(xiàn)C-4和C-5混凝土破壞脫落程度要小于C-3,說明夾板的錨固約束作用效果好于植筋．

試驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)除了C-1為剪壓破壞以外,其余4個(gè)加固后的試件破壞形式均為彎曲破壞,表明這4種加固方式均可以有效提高試件的抗剪承載力,使抗剪峰值荷載高于抗彎峰值荷載,從而使試件實(shí)現(xiàn)了由剪壓破壞到彎曲破壞的轉(zhuǎn)變．觀察試件破壞形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)混凝土剝落主要集中在試件的塑性鉸區(qū)域,C-1混凝土脫落高度最大,C-2至C-5依次減?。唧w試件破壞形態(tài)見圖4．

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 滯回曲線分析 各試件的滯回曲線如圖5所示．對比試件的滯回曲線發(fā)現(xiàn)未加固試件C-1的變形能力較低,延性很差,后期強(qiáng)度退化較快；而經(jīng)過加固后的試件變形能力明顯得到了大幅度提高．從圖5可以看出采用3種組合加固方式的試件的變形能力要高于僅采用CFRP布包裹的試件,而3種組合加固方式中采用CFRP布與窄夾板的組合方式變形能力最好,最終變形甚至達(dá)到了6倍的屈服位移．可以證明這4種加固方式均可有效參與試件的抗剪,以彌補(bǔ)箍筋不足所引起的抗剪承載力不足,改善破壞形態(tài),增加試件的變形能力．

觀察發(fā)現(xiàn)加固后試件的滯回曲線隨著水平側(cè)移的增加開始呈現(xiàn)捏縮現(xiàn)象,水平側(cè)移越大,捏縮有越嚴(yán)重的趨勢．作者分析認(rèn)為,這是由于隨著試件水平側(cè)移的增加,試件內(nèi)部裂縫越來越多、裂縫寬度越來越大,而裂縫在張開到閉合的過程中荷載的變化很小而位移的變化較大,因此導(dǎo)致滯回曲線中出現(xiàn)了位移變化很大而荷載變化很小的捏縮段,且位移越大,裂縫開展越充分,捏縮現(xiàn)象越嚴(yán)重．

圖4 試件破壞形態(tài)

圖5 試件滯回曲線
Fig.5 Hysteretic curves of specimens

2.2.2 延性分析 本文采用位移延性系數(shù)μΔ、能量延性系數(shù)μA、累計(jì)耗能Esum和塑性鉸轉(zhuǎn)角θp這4個(gè)參數(shù)[14]作為評價(jià)試件延性性能的指標(biāo)．各參數(shù)計(jì)算方法如下:

μΔ=Δu/Δy

(1)

μA=Au/Ay

(2)

(3)

θp=(Δu-Δy)/h

(4)

式中:Δu為試件的極限位移,取水平荷載下降到最大值的85%時(shí)對應(yīng)的水平側(cè)移；Δy為屈服位移,按照能量法[14]計(jì)算,兩者均取試件兩側(cè)計(jì)算結(jié)果的平均值．Au為試件荷載位移骨架曲線中極限位移所對應(yīng)的骨架曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成的面積；Ay為屈服位移對應(yīng)骨架曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成的面積,Ay和Au分別稱為骨架曲線中屈服能量和極限能量,各試件骨架曲線見圖6；Ei為單周滯回耗能,i為加載周數(shù),n為總加載周數(shù)；h為剪跨區(qū)長度,取600 mm．具體的計(jì)算結(jié)果見表3．

從圖6和表3同時(shí)可以看出加固對試件承載力的影響很小,對比試件C-1承載力達(dá)到極值后迅速下降,很快達(dá)到破壞,這反映出高強(qiáng)混凝土柱剪切破壞時(shí)延性很差,結(jié)構(gòu)破壞時(shí)留給人們逃離的時(shí)間較短,容易造成災(zāi)難性后果．加固后試件承載力達(dá)到最大值后下降比較平緩,延性較好．表3中加固后試件的屈服位移和屈服能量變化不大,而位移延性系數(shù)、能量延性系數(shù)、累計(jì)耗能和塑性鉸轉(zhuǎn)角的提高非常顯著,4個(gè)參數(shù)顯示出不同加固方式的加固效果是一致的,從能量角度衡量延性性能的兩個(gè)參數(shù)能量延性系數(shù)和累計(jì)耗能較位移延性系數(shù)提高明顯,尤其累計(jì)耗能提高幅度已達(dá)到了1 231%．從計(jì)算結(jié)果可以得出:組合加固方式優(yōu)于僅用CFRP布加固方式；夾板組合加固方式優(yōu)于植筋組合加固方式；窄夾板組合加固方式優(yōu)于寬夾板組合加固方式,利用窄夾板組合加固試件的位移延性系數(shù)和塑性鉸轉(zhuǎn)角已經(jīng)分別達(dá)到了加固前的3倍和4倍,試件的延性性能得到大幅度的改善．分析認(rèn)為組合加固方式相對于僅用CFRP布加固方式能更好地增大混凝土柱的有效約束面積,加固后延性性能較好；由于通過螺帽提前對試件施加了一定的預(yù)壓力,夾板組合加固方式相當(dāng)于一種主動(dòng)的約束方式,相對于被動(dòng)的植筋加固方式,這種組合加固方式不僅擴(kuò)大了有效約束區(qū)域而且還能使約束作用更早地發(fā)揮出來,所以約束效果更好；由于窄夾板的面積僅為寬夾板的1/2,在相同的螺帽預(yù)壓力下,窄夾板的平均預(yù)壓應(yīng)力要大于寬夾板,導(dǎo)致約束作用更強(qiáng),因此窄夾板組合加固方式效果要優(yōu)于寬夾板組合加固方式．

圖6 試件骨架曲線

表3 試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

以上結(jié)果充分說明夾板組合加固方式可以用于加固抗剪不足的高強(qiáng)混凝土方柱,而加固后的試件完全可以改善原試件破壞時(shí)脆性大、延性差的缺點(diǎn),以達(dá)到延性破壞的理想破壞模式．

2.2.3 剛度退化分析 為了反映試件的剛度退化情況,采用Ki與K0[14]的比值作為評價(jià)剛度的參數(shù)．其中Ki為某級加載水平荷載峰值點(diǎn)處對應(yīng)的剛度,取正負(fù)兩個(gè)方向的平均值；K0為初始剛度,定義為在骨架曲線中當(dāng)水平荷載達(dá)到峰值荷載的1/3時(shí)對應(yīng)的剛度．

根據(jù)上面的定義及試件的骨架曲線可以得到加載試件的剛度退化情況,如圖7所示．從圖中可以看出:在加載初期,試件處于彈性階段,剛度退化比較迅速,加固后的試件剛度略高于對比試件；隨著位移和荷載的增加,其下降均趨于平緩,進(jìn)入屈服階段后,C-2和C-3的退化曲線基本重合,而C-4和C-5基本重合,采用夾板組合加固方式的C-4與C-5兩個(gè)試件的剛度退化更緩慢一些,整體上位于C-2和C-3兩個(gè)試件的上方,這是由于夾板的主動(dòng)約束作用使試件的剛度略有提高而導(dǎo)致試件在屈服后剛度下降相對緩慢一些；在試驗(yàn)后期加固后試件剛度退化曲線逐漸趨于平行水平軸的直線,說明試件在試驗(yàn)后期剛度基本維持一個(gè)恒定值,仍然可以保持一定的承載力不降低,從而增加試件的延性；采用夾板組合加固后試件的剛度退化曲線與其他加固方式的剛度退化曲線相差不大,所以夾板組合加固不會過大地改變試件的剛度．

圖7 試件剛度退化比較

根據(jù)5個(gè)試件的剛度退化曲線的整體趨勢,作者在常鵬等[15]的墻體剛度退化模型基礎(chǔ)上通過數(shù)值擬合提出了高強(qiáng)混凝土柱的雙段剛度退化模型如下:

K/K0=1； 0≤Δ<Δe

(5)

K/K0=0.006(Δ/h)-0.825；Δe≤Δ≤Δu

(6)

式中:K0為初始剛度；Δ為試件水平側(cè)移值；Δe和Δu分別為試件開裂荷載和荷載降低至最大值的85%時(shí)對應(yīng)的水平側(cè)移值；h為剪跨區(qū)長度,取600 mm．

將擬合后的雙段模型曲線和5個(gè)試件的剛度退化數(shù)據(jù)點(diǎn)繪于同一圖中,如圖8所示．模型曲線的測定系數(shù)R2=0.947 7,擬合程度較好．5個(gè)試件開裂時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角Δe/h的平均值為1/613 rad,因此可以認(rèn)為試件的轉(zhuǎn)角在1/613 rad 之前為彈性階段,剛度不變,當(dāng)轉(zhuǎn)角超過1/613 rad 之后試件剛度按冪函數(shù)規(guī)律變化．

圖8 剛度退化非線性擬合曲線

3 結(jié) 論

(1)采用橫向包裹CFRP布、橫向包裹CFRP布和植螺栓桿組合方式,以及橫向包裹CFRP布和寬、窄夾板組合方式4種加固方式均可改變抗剪不足高強(qiáng)混凝土方柱的破壞形態(tài),有效提高試件的抗剪承載力,使試件由原來的剪切破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)檠有暂^好的彎曲破壞模式．

(2)采用窄夾板組合方式改善抗剪不足高強(qiáng)混凝土柱試件的效果最好,對試件的延性性能提高較明顯,這與文獻(xiàn)[15]中所得出的結(jié)論是一致的,夾板組合加固方式中夾板使僅植螺栓桿的被動(dòng)加固變?yōu)閵A板組合的主動(dòng)加固,所以發(fā)揮效果更好,建議優(yōu)先采用．

(3)本文中各種加固方式對試件的剛度影響不大,加固前后的試件剛度變化趨勢基本一致,基于此,文中提出了適用于高強(qiáng)混凝土柱的雙段剛度退化模型,模型與本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好．但由于受試件數(shù)量所限,文中僅考慮了水平側(cè)移和柱高度兩個(gè)參數(shù),至于剛度退化是否還與其他參數(shù)有關(guān),還需進(jìn)一步研究．

(4)采用夾板組合加固方式植螺栓桿時(shí),應(yīng)注意保證膠水充滿孔洞且不溢出,以免膠水固化后造成試件的表面不平整,使夾板不能有效地傳遞預(yù)壓力,導(dǎo)致約束效果不好．在施工時(shí)為了達(dá)到上述要求,可按膠水占滿孔洞的2/3左右的標(biāo)準(zhǔn)使用膠槍進(jìn)行灌膠,然后采用旋入方式放入螺栓,再用膠帶進(jìn)行封口處理．

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ExperimentalinvestigationonshearbehaviorofhighstrengthconcretesquarecolumnsretrofittedwithCFRPhybridmethods

WANG Su-yan*1, CAO Huai-chao2, LU Wei1, WANG Ze-yuan1, LIANG Jin-yong1

( 1.Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2.Liaoning Electric Power Survey and Design Institute, Shenyang 110179, China )

In order to investigate the effects of these four retrofitting CFRP hybrid methods (wrapped CFRP sheets method, embedded bolt bar combining with wrapped CFRP sheets hybrid method and wide or narrow clamping plates with wrapped CFRP sheets hybrid method) on the shear behavior of high strength concrete square columns, low reversed cyclic loading test is used to systematically analyze the ductility, rotation capacity of the plastic hinge and stiffness degradation. The experimental results show that all the retrofitting methods mentioned above can effectively improve the shear behavior and deformation of specimens. Meanwhile, the narrow clamping plates with wrapped CFRP sheets hybrid method is the best one among the four methods. In addition, a subsection model of stiffness degradation is proposed, and the calculated results are also in good agreement with experimental data.

retrofitting; ductility; shear behavior; CFRP sheet; high strength concrete; square column

1000-8608(2014)01-0064-07

2013-05-06；

: 2013-11-28．

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50878035).

王蘇巖*(1958-),女,教授,E-mail:suyanwang1958@yahoo.com.cn.

TU375.3

：A

10.7511/dllgxb201401011