碳纖維布加固方鋼管混凝土柱恢復(fù)力模型研究

趙斌,楊炳,盧夢瀟,查昕峰 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434023)

碳纖維布加固方鋼管混凝土柱恢復(fù)力模型研究

趙斌,楊炳,盧夢瀟,查昕峰 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434023)

通過對3根方鋼管混凝土柱低周反復(fù)荷載試驗,得到了碳纖維布加固柱的滯回曲線和強度退化規(guī)律,分析了軸壓比對碳纖維布加固試件抗震性能的影響。試驗結(jié)果表明,碳纖維布加固能增強方鋼管混凝土柱的抗震性能,是一種有效的加固方法?；谠囼灲Y(jié)果,采用回歸分析的方法建立了碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的恢復(fù)力模型,并詳細(xì)描述了該模型的滯回規(guī)則。該模型的骨架曲線由彈性段、硬化段、退化段組成三折線骨架曲線,給出了骨架曲線各階段剛度計算公式。比較試驗骨架曲線與計算值可知,兩者較為符合,所提出的恢復(fù)力模型能較全面的反映試件的實際受力性能,可供碳纖維布加固鋼管混凝土柱及其結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析及抗震加固應(yīng)用。

方鋼管混凝土柱;碳纖維布加固;軸壓比;恢復(fù)力模型;抗震性能

框架柱既是鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分,又是其主要的抗側(cè)力構(gòu)件。實際工程中,因抗震設(shè)防等級調(diào)整或者抗震設(shè)計變更后造成現(xiàn)有建筑不能滿足使用要求時,此時則需要對框架柱進行額外加固補強,使其具備足夠的抗震能力后方能投入使用[1～3]。碳纖維布因其輕質(zhì)、高強和施工便捷等優(yōu)點,已成為很多加固工程中青睞的加固材料。

近來,國內(nèi)一些學(xué)者[4～6]進行了纖維布加固混凝土柱的試驗研究,并提出了相應(yīng)的恢復(fù)力模型?；謴?fù)力模型是根據(jù)大量恢復(fù)力與變形曲線,經(jīng)過一定方法得到的便于使用的數(shù)學(xué)模型,是進行彈塑性反應(yīng)分析的基礎(chǔ)。雖然有學(xué)者[7,8]對加固情況下的恢復(fù)力模型做過研究,但都均未涉及碳纖維布加固鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。因此,有必要對碳纖維布加固鋼管混凝土柱恢復(fù)力模型進行研究。

筆者擬依據(jù)碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的擬靜力試驗結(jié)果,分析柱的滯回特性,提出碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的三折線恢復(fù)力模型,為進行結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析提供依據(jù)。同時也有利于正確認(rèn)識局部加固對整體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,正確指導(dǎo)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計。

1 試驗研究

1.1 試驗概況

表1 試件柱加固參數(shù)

試驗共制作了3根試件,試件設(shè)計制作、材料性能、布置情況及加載裝置和文獻(xiàn) [3]相同。采用CJ200-Ⅱ碳纖維布,其計算厚度為0.111mm,抗拉強度為3209.4MPa,彈性模量為2.5×105MPa,伸長率為1.5。結(jié)構(gòu)膠選用環(huán)氧樹脂,廠家提供的結(jié)構(gòu)膠的抗拉強度為50MPa,抗壓強度為81.3MPa,抗剪強度為16.4MPa,各試件加固參數(shù)見表1。加固設(shè)計參照《碳纖維布片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)及《碳纖維加固規(guī)程》,在柱加勁肋板頂端處向上560mm的范圍內(nèi)環(huán)箍3層碳纖維布,碳纖維布加固如圖1所示。

圖1 柱碳纖維布加固示意(單位:mm)

1.2 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

3根柱均發(fā)生了典型的壓彎破壞,是理想中的破壞形態(tài),各試件的破壞形態(tài)如圖2所示。在低周水平反復(fù)荷載作用下,未加固柱和加固柱首先在柱前側(cè)發(fā)生微小鼓曲,繼而后側(cè)發(fā)生鼓曲。持續(xù)加載,試件前后側(cè)鼓曲程度加大,再轉(zhuǎn)向左右側(cè)鼓曲,直至試件破壞,破壞過程中伴隨著管內(nèi)混凝土碎裂聲和碳纖維布膠體脆裂聲。軸壓比對加固試件破壞形態(tài)有一定影響,軸壓比越大,越能延緩鋼管的鼓曲,但高軸壓比試件后期承載力下降迅速,表現(xiàn)出的延性小于低軸壓比加固試件。

2 性能退化規(guī)律

2.1 滯回曲線特征

試件在低周反復(fù)荷載作用下,呈現(xiàn)出一些相似的滯回規(guī)律,如圖2、圖3所示。在鋼管鼓曲之前,試件處于彈性工作階段,加、卸載時均沿著直線進行,基本無殘余變形。鋼管鼓曲后,試件進入彈塑性工作階段,剛度開始逐步退化,卸載后存在明顯的殘余變形,試件前后側(cè)鋼管鼓曲程度逐漸加大,滯回環(huán)面積也逐漸加大。試件達(dá)到極限荷載后,位移明顯滯后于荷載的衰減,隨著管內(nèi)核心混凝土的壓碎,混凝土與鋼管壁黏結(jié)作用減弱以及鋼管鼓曲程度的加大,試件表現(xiàn)出明顯的剛度退化和承載力退化,滯回環(huán)包圍的面積越來越大,這和試驗現(xiàn)象相符,反映在試件上就是塑性鉸的不斷發(fā)展,說明試件的極限變形比較大。軸壓比影響碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的加固效果,軸壓比越大,水平荷載極限值增大,骨架曲線的下降段變陡,延性性能和耗能能力下降。

圖2 試件破壞形態(tài)

圖3 試件荷載-位移滯回曲線

2.2 強度衰減

在等位移幅值加載工況下,強度隨著循環(huán)次數(shù)增加而降低的現(xiàn)象稱為強度衰減。筆者對強度衰減采用某一加載位移下,第n次循環(huán)的最大荷載(Pn)與該級位移下第1次循環(huán)時的最大荷載P1之比Pn/P1來表示。試件的強度衰減如圖4所示。

圖4 試件強度衰減

由圖4可知,未加固直接破壞試件C-0最后一級位移下強度衰減0.2左右,而碳纖維布加固試件C-1、C-2最后一級位移下強度衰減0.1、0.15左右。上述現(xiàn)象表明碳纖維布加固后試件衰減滯后,未加固試件衰減更加明顯。這主要是因為碳纖維布在加載過程中充分發(fā)揮了約束作用,延緩了試件的強度衰減。對比圖4(b)、圖4(c)可知,碳纖維布加固后加載初期強度衰減較小,加載后期強度衰減速度明顯加快,而高軸壓比試件表現(xiàn)更為明顯,說明軸壓比越大,加載后期衰減越快。因此,在工程中運用碳纖維布加固時,要避免加固高軸壓比柱,以防地震作用下加固結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的強度衰減而產(chǎn)生的脆性破壞。

3 恢復(fù)力模型

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實際恢復(fù)力曲線十分復(fù)雜,很難直接用于結(jié)構(gòu)的彈塑性時程分析。故需尋求一種簡單實用的恢復(fù)力曲線模型,以便于使用。折線型恢復(fù)力模型因其便于計算,在工程實際中得到了廣泛的認(rèn)可。因此,建立基于實際恢復(fù)力特征,并能通過數(shù)學(xué)方法予以描述的恢復(fù)力模型來進行地震反應(yīng)分析和抗震加固設(shè)計,顯得尤為迫切和重要。

3.1 假設(shè)條件

在建立碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的恢復(fù)力模型前,需做以下假設(shè):①屈服荷載點即為最大彈性荷載點;②在彈性工作階段,加、卸載剛度是初始剛度,彈塑性工作階段之后,剛度隨著加載位移的持續(xù)增加而逐步退化;③反復(fù)加載符合定點指向規(guī)律。

3.2 骨架曲線模型

表2 骨架曲線模型各線段回歸方程

恢復(fù)力模型的各特征點需要從骨架曲線中確定,它是1/4滯回環(huán)內(nèi)各特征點的連線[9]。試驗中,用無量綱化來處理骨架曲線數(shù)據(jù),即P/Pu和Δ/Δu進行處理。筆者采用考慮柱屈服后剛度退化的三折線模型,對加固柱C-1、C-2的無量綱化骨架曲線進行回歸分析,得到統(tǒng)一的骨架曲線模型,如圖5所示,骨架曲線各階段線段方程見表2。式中,P、Δ分別表示最大荷載和最大位移;Pu、Δu分別表示實測極限荷載和其對應(yīng)的極限位移;“+”、“-”分別表示正負(fù)向。

3.3 剛度退化規(guī)律

加載過程中,試件的卸載剛度均存在不同程度退化,圖6給出在水平低周反復(fù)荷載下卸載剛度的退化規(guī)律。如圖6所示,1、2、3、4點分別表示正向卸載點、反向加載點、反向卸載點和正向加載點。K12、K34分別表示正向卸載剛度、反向卸載剛度。通過對實測滯回曲線數(shù)據(jù)進行回歸分析,可得到各剛度數(shù)值。

圖5 骨架曲線模型

圖6 剛度退化規(guī)律

1)正向卸載剛度K12。通過對各級循環(huán)加載位移下線段12中間的點線性回歸,可得到正向卸載剛度K12。再對數(shù)據(jù)進行非線性擬合,可得到的關(guān)系,如圖7所示。式中,為柱的正向初始剛度;Δ1為1點對應(yīng)的位移,其回歸方程如下:

2)反向卸載剛度K34。通過對各級循環(huán)加載位移下線段34中間的點線性回歸,可得到反向卸載剛度K34。再對數(shù)據(jù)進行非線性擬合,可得到的關(guān)系,如圖8所示。式中,為柱的反向初始剛度;Δ3為3點對應(yīng)的位移,其回歸方程如下:

圖7 K12退化規(guī)律

圖8 K34退化規(guī)律

3.4 恢復(fù)力模型的描述

從2個加固試件的滯回曲線可以得出以下規(guī)律:在試件接近屈服或屈服以后,正向和反向加載時均指向一個 “定點”,通過試驗數(shù)據(jù)分析可知,該定點基本在0.75Py附近波動,且波動幅度較小,故可直接定義該點為 “定點”。建議的恢復(fù)力模型如圖9所示,滯回規(guī)則如下:

1)試件未達(dá)到屈服之前,加、卸載路線均沿著骨架曲線彈性段進行,加、卸載剛度即為試件的初始剛度。

2)試件達(dá)到屈服后,卸載剛度隨著加載位移的增加而逐漸下降,加載沿著2→4→8進行;在4點時卸載,卸載至荷載為零的5點,此時的正向卸載剛度K12按式(1)計算。繼續(xù)反向加載,過定點1,再指向6點。繼續(xù)反向卸載,至荷載為零的7點,此時的反向卸載剛度K34按式 (2)計算。繼續(xù)正向加載,指向定點1,再指向4點。至此,一個循環(huán)路徑得出,即為4→5→1→6→7→1→4。

圖9 建議的恢復(fù)力模型

3)當(dāng)試件在峰值點卸載,即在8點處卸載,卸載至零荷載點9,正向卸載剛度K12按式(1)計算。繼續(xù)卸載至10點,此時剛度發(fā)生突變,然后指向1點,再指向反向峰值點。反向卸載,指向13點,13點坐標(biāo)與10點坐標(biāo)關(guān)于原點對稱,再過定點1,指向8點。循環(huán)路徑為:8→9→10→1→11→12→13→1→8。峰值點過后,加載沿著8→14進行,在14點卸載時,循環(huán)路徑為14→15→16→1→17→18→19→1→14。同樣,該循環(huán)路徑下在16點時剛度發(fā)生突變, 19點的坐標(biāo)與16點關(guān)于原點對稱。此時,在峰值荷載及下降段卸載時,剛度突變點 (如10、16點)的縱坐標(biāo)P'按式(3)計算,繼續(xù)加載,直至試件破壞停止。

3.5 結(jié)果比較

將骨架曲線模型與恢復(fù)力模型的結(jié)果進行比較,如圖10所示?？梢钥闯?恢復(fù)力模型能較好地反映加固試件荷載和位移的關(guān)系,驗證了筆者提出的模型的正確性,說明該模型可用于碳纖維布加固方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的彈塑性地震反應(yīng)分析及抗震加固設(shè)計。

圖10 骨架曲線模型與恢復(fù)力模型的結(jié)果比較

4 結(jié)論

1)通過對碳纖維布加固試件的滯回曲線和強度退化規(guī)律的分析,證明了碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的有效性。軸壓比對加固效果有一定影響,低軸壓比柱經(jīng)加固后的抗震性能要優(yōu)于高軸壓比柱加固后的抗震性能。

2)通過對實測滯回曲線的統(tǒng)計分析,提出了適合碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的 “定點指向”三折線恢復(fù)力模型,給出了剛度退化計算公式,描述了滯回規(guī)則,用折線段代替正、反向加卸載曲線,較為簡單實用。將筆者提出的模型與實測值進行對比,兩者比較相符,證明了提出的恢復(fù)力模型是合理的。

3)試驗的試件較少,只研究了軸壓比這單一因素對碳纖維布加固效果的影響。碳纖維布用量、核心混凝土強度等級、套箍率及實際地震作用等都會影響恢復(fù)力模型的準(zhǔn)確性,故需要繼續(xù)開展更加深入細(xì)致的研究,方能建立更加合理、實用的恢復(fù)力模型。

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[編輯]計飛翔

TU398

A

1673-1409(2015)25-0052-06

[引著格式]趙斌,楊炳,盧夢瀟,等.碳纖維布加固方鋼管混凝土柱恢復(fù)力模型研究 [J].長江大學(xué)學(xué)報 (自科版),2015,12(25): 52～57.

2015-05-10

國家自然科學(xué)基金項目(51178057);湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃項目(T201303)。

趙斌(1990-),男,碩士生,現(xiàn)主要從事鋼管混凝土方面的研究工作;通信作者:楊炳,yangb8548@qq.com。