持載下外包混凝土加固軸壓鋼柱的承載力分析

周　樂(lè), 聶曉梅, 伊軍偉, 萬(wàn)路霞

(1. 沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng)　110044;

2. 清華大學(xué) 土木工程系, 北京　100084)

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持載下外包混凝土加固軸壓鋼柱的承載力分析

周樂(lè)1,2, 聶曉梅1, 伊軍偉1, 萬(wàn)路霞1

(1. 沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng)110044;

2. 清華大學(xué) 土木工程系, 北京100084)

摘要:為進(jìn)一步研究初始持載大小對(duì)外包鋼筋混凝土加固后鋼柱的正截面承載力的影響,設(shè)計(jì)了6個(gè)試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn).分析了加固后組合柱的骨架曲線、滯回曲線和最終破壞形態(tài),并分析了外包鋼筋混凝土加固后SRC柱破壞的力學(xué)性能機(jī)理,基于試驗(yàn)提出其最佳初始持載應(yīng)力指標(biāo).研究結(jié)果表明:SRC柱破壞時(shí)型鋼和縱筋屈服、混凝土被壓碎,加固后組合柱承載力提高,穩(wěn)定性增強(qiáng);初始持載大小對(duì)其承載性能有顯著影響,建議初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)大小最優(yōu)為0.3～0.5.

關(guān)鍵詞:外包鋼筋混凝土; 持載; 組合柱; 軸心受壓; 承載性能

近年來(lái),隨著鋼鐵產(chǎn)量的不斷提高、鋼材性能的不斷改進(jìn)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的不斷進(jìn)步及大跨、高層、超高層建筑需求的不斷增加,鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用突飛猛進(jìn).然而,在役鋼結(jié)構(gòu)暴露的問(wèn)題也越來(lái)越多,甚至有些存在巨大安全隱患.在役鋼結(jié)構(gòu)建筑繼續(xù)使用的同時(shí),需對(duì)存在安全隱患的既有鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,以規(guī)避鋼結(jié)構(gòu)事故的發(fā)生[1-3].

外包鋼筋混凝土加固法,是傳統(tǒng)加固法增大截面法的一種,就是在原型鋼結(jié)構(gòu)的外圍綁扎鋼筋籠并澆筑混凝土來(lái)達(dá)到加固目的的方法.此加固法,一般較多應(yīng)用在梁、板、柱、墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件中,其工作原理易懂、施工方便、可塑性高,所以被廣泛應(yīng)用于工程中,但該方法加固時(shí)外包混凝土的厚度、材料強(qiáng)度和鋼筋的數(shù)量均要符合規(guī)范要求[4].我國(guó)頒發(fā)的《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》[5]是最早的關(guān)于持載下加固鋼結(jié)構(gòu)柱的規(guī)程.此規(guī)程給出了以往普通鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)柱沒(méi)有的新概念,初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)η=N/[Nu],即加固前核心型鋼軸向力與其極限承載力的比值.持載下外包鋼筋混凝土加固后的鋼-混凝土組合柱相較于純型鋼柱來(lái)說(shuō)[6],可以將兩不同材料的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái).利用組合結(jié)構(gòu)的原理和方法對(duì)普通混凝土結(jié)構(gòu)形體進(jìn)行加固早已經(jīng)成功應(yīng)用于許多的實(shí)際工程之中[7],尤其在一些橋梁工程中十分常見(jiàn),清華大學(xué)聶建國(guó)等[8]對(duì)這種組合加固形式的原理和方法進(jìn)行了較充分的研究.利用組合結(jié)構(gòu)的原理和方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固相對(duì)較少,但是從原理上來(lái)講完全可行,加固之后的構(gòu)件可按照組合構(gòu)件來(lái)計(jì)算,特別是對(duì)于存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言,組合加固具有更加明顯的效果.通過(guò)與混凝土組合,鋼柱可改善為組合柱或者勁性混凝土柱,改善后的構(gòu)件均為強(qiáng)度高、延性好、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)構(gòu)件,能夠大大地彌補(bǔ)鋼結(jié)構(gòu)材料的不足.

本試驗(yàn)對(duì)不同初始持載大小的6根鋼柱進(jìn)行加固,待混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)預(yù)期強(qiáng)度后進(jìn)行低周反復(fù)載荷試驗(yàn),分析了持載下四周包裹鋼筋混凝土加固后的鋼-混凝土柱的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線以及延性系數(shù)的變化特征,從而得出各參數(shù)與構(gòu)件抗震性能之間的關(guān)系,并得到型鋼最佳初始持載應(yīng)力的水平指標(biāo).

1試驗(yàn)研究

1.1試件的設(shè)計(jì)及制作

試驗(yàn)主要是為進(jìn)一步研究初始持載水平對(duì)外包鋼筋混凝土加固后鋼柱的極限承載能力的影響.構(gòu)件為兩端鉸支的軸壓Q235B鋼柱,試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1.鋼柱截面為國(guó)標(biāo)工10,加固后的組合柱截面尺寸為200mm×200mm,組合柱試件總高度為1m,型鋼四周配有Φ14縱筋和Φ6@100的箍筋,表2中為其材性試驗(yàn)結(jié)果.加固后組合準(zhǔn)構(gòu)件的示意圖如圖1～圖2.

圖1　組合構(gòu)件截面尺寸示意圖及加載簡(jiǎn)圖

圖2　加載圖

構(gòu)件混凝土初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)ηSRC-1C300SRC-2C300.1SRC-3C300.2SRC-4C300.3SRC-5C300.4SRC-6C300.5

表2　材性試驗(yàn)結(jié)果

1.2加荷方案及加載裝置

本次試驗(yàn)主要是改變持載水平指標(biāo),來(lái)分析加固后組合柱承載力變化.型鋼的應(yīng)力水平指標(biāo)η=N/[Nu],其中N1為加固前型鋼構(gòu)件上的軸向載荷值,[Nu]為型鋼構(gòu)件的軸向極限載荷值[9].在實(shí)際加固工程中,加固時(shí)構(gòu)件初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)需求較高,是因?yàn)樾枰庸痰臉?gòu)件一般都是不能承受更大的載荷, 或加固時(shí)不可能完全卸載,本文所取η值見(jiàn)表1.

本次實(shí)驗(yàn)由于存在二次受力的問(wèn)題,采用兩階段加載方案.第一階段先對(duì)核心型鋼施壓一期豎向載荷,等到加載至預(yù)定值后,綁扎鋼筋,澆注混凝土[10].第二階段,將達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的外包混凝土組合柱,置于最大可承受5 000 kN的試驗(yàn)機(jī)上加固找平后采用勻速分級(jí)進(jìn)行加載[11].

第1步預(yù)加載.三次預(yù)載值分別為1/20Pu依次加載,分兩次卸載,中間歇10 min后再開(kāi)始正式加載.

第2步在5 000 kN伺服式液壓試驗(yàn)機(jī)上施加軸向載荷至預(yù)期值,保持此載荷大小不變,施加水平往復(fù)載荷.在加載初始階段,采用變幅加載措施, 先讓水平載荷在一個(gè)方向加載,每一控制位移下循環(huán)加載2次,等到試件出現(xiàn)橫向裂縫后,再在試件另一個(gè)方向加載直至出現(xiàn)裂縫.

2試驗(yàn)現(xiàn)象分析

2.1破壞形態(tài)

當(dāng)壓力、彎矩、剪力共同作用于普通鋼筋混凝土柱時(shí),柱主要呈現(xiàn)為彎曲破壞、剪切斜壓破壞和剪切粘結(jié)破壞三種典型破壞形態(tài)[12].

混凝土柱在軸向壓力作用下,型鋼翼緣附近、鋼筋以內(nèi)的混凝土,處于三個(gè)方向都受力的狀態(tài),承受拉應(yīng)力.構(gòu)件繼續(xù)加載,混凝土受拉部分達(dá)到橫向抗拉極限,緊接著鋼筋屈服,加固柱表面沿縱向在柱中部先出現(xiàn)裂縫,隨后裂縫逐漸增多并且延伸,最終構(gòu)件破壞.

加固前型鋼柱承受一期軸力,沒(méi)有鼓曲和失穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生.施加二期軸力前,將水平澆筑混凝土后,進(jìn)行為期28 d的自然養(yǎng)護(hù),確?；炷翉?qiáng)度達(dá)到要求、表面沒(méi)有裂縫.SRC-1、SRC-2、SRC-3和SRC-4四個(gè)試件破壞形態(tài)類似:加固柱型鋼翼緣側(cè)首先出現(xiàn)一條水平裂縫,繼續(xù)加載,裂縫逐步向柱中部延伸,但裂縫不貫通且較細(xì);當(dāng)水平裂縫出現(xiàn)后,載荷繼續(xù)增加,柱面出現(xiàn)了剪切斜裂縫,同樣,這些斜裂縫寬度也不大;當(dāng)加載至構(gòu)件極限載荷時(shí),柱端混凝土出現(xiàn)起皮現(xiàn)象,另外在受拉區(qū)出現(xiàn)兩到三條水平裂縫,裂縫的發(fā)展趨勢(shì)與第一條裂縫相近;在柱即將被破壞時(shí),其兩端鋼筋之外的混凝土層被壓碎掉落,退出工作,縱筋屈服,混凝土受拉區(qū)裂縫較長(zhǎng)較寬,但無(wú)新的水平裂縫.當(dāng)SRC-5試件的第一條水平裂縫出現(xiàn)時(shí),現(xiàn)象與其他試件類似,但不同的是,當(dāng)水平載荷達(dá)到試件極限承載力后,在受拉區(qū)不再出現(xiàn)其他水平裂縫,第一水平裂縫繼續(xù)發(fā)展,伴隨壓區(qū)混凝土開(kāi)裂起皮脫落時(shí),不斷向壓區(qū)延伸開(kāi)裂,進(jìn)入界限壞階段.與之前5根柱相比,SRC-6柱在沒(méi)有預(yù)兆情況下突然發(fā)生剪切破壞,其破壞形態(tài)為一條斜裂縫.

本試驗(yàn)共有6個(gè)試件,從破壞形態(tài)來(lái)分析,第5、6個(gè)試件的破壞形態(tài),型鋼初始持載大小對(duì)破壞形態(tài)是有一定影響的,型鋼初始持載應(yīng)力指標(biāo)η在0.1～0.3之間,破壞形態(tài)與鋼-混凝土柱相比變化不大;試驗(yàn)初始加載到破壞,加固前型鋼單獨(dú)受力承擔(dān)載荷,待加固混凝土養(yǎng)護(hù)完成后再加載時(shí),型鋼與混凝土共同受力.在水平載荷作用下,柱中受拉鋼筋先開(kāi)始屈服,此時(shí)混凝土和型鋼也進(jìn)入塑性工作階段,若繼續(xù)加載,受壓鋼筋屈服,受壓混凝土壓碎不再承擔(dān)載荷,此后,型鋼翼緣開(kāi)始屈服,構(gòu)件破壞.SRC-6柱的破壞相比其他柱破壞時(shí)間要短,是因?yàn)楹诵男弯撛缙诔惺艽蟛糠州S向載荷,剛度降低,當(dāng)受拉鋼筋屈服時(shí),不再能與混凝土共同工作,受壓側(cè)混凝土壓碎、受壓型鋼翼緣屈曲,構(gòu)件破壞.每根柱的最后破壞形態(tài)如圖3所示.

圖3　試件SRC1～SRC6破壞形態(tài)

2.2滯回曲線

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用低周往復(fù)載荷作用型鋼柱,由試驗(yàn)得出的SRC柱端水平載荷P與水平位移Δ的關(guān)系曲線,見(jiàn)圖4.滯回曲線越豐滿,反映出的構(gòu)件耗能性能越強(qiáng),抗震性能也就越好.

對(duì)比此6個(gè)鋼-混凝土組合柱構(gòu)件的滯回曲線[13-14],分析后能夠得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 加載初期,加固柱受拉縱筋未屈服,混凝土抗壓強(qiáng)度滯回曲線呈線性增長(zhǎng),試件處于彈性變形階段;繼續(xù)加載后,構(gòu)件剛度有所下降,滯回曲線開(kāi)始輕微彎曲,滯回環(huán)的面積開(kāi)始輕微變大.構(gòu)件受壓縱筋達(dá)到屈服后,構(gòu)件的剛度顯著下降,型鋼和外圍混凝土受壓側(cè)進(jìn)入塑性工作階段.載荷加載至承載力達(dá)到最大值時(shí),構(gòu)件受壓側(cè)混凝土被壓碎,失去承載能力,型鋼的承載力也大大減弱,其受壓側(cè)翼緣和部分腹板進(jìn)入塑性工作階段.但由于型鋼的延性,構(gòu)件承載力下降到一定值后速度逐漸減慢,滯回曲線也慢慢趨向穩(wěn)定.

(2) 在相同情況下,持載加固后鋼-混凝土柱與普通型鋼混凝土柱相比,滯回曲線要飽滿得多,所以,抗震滯回性能也較好.若構(gòu)件持載初始應(yīng)力比較大,其滯回性能會(huì)比較差些.因?yàn)樵谝黄谳d荷作用下型鋼受壓太大的話,應(yīng)變?cè)龃?隨著后期所受軸力和彎矩的增大,型鋼構(gòu)件因承受過(guò)重的負(fù)荷,承載力在達(dá)到最大承載力以后會(huì)快速下降 (如圖4中SRC-6 ).

圖4　加固后鋼混凝土組合柱在持載下反映出的滯回曲線

(3) 由圖4中構(gòu)件的滯回曲線看出,增大型鋼初始持載的大小對(duì)構(gòu)件的承載力有一定作用,繼續(xù)增加型鋼初始持載,抗震性能提高,但持載比不宜大于0.4.當(dāng)初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)達(dá)到0.4～0.5時(shí),抗震性能下降.

(4) 由圖4中SRC-1到SRC-5的滯回曲線可以看出,隨著持載水平的增大,構(gòu)件的位移也不斷增加.對(duì)比普通型鋼混凝土柱,因鋼-混凝土組合柱的型鋼代混凝土承擔(dān)了一期載荷,持載加固后的鋼混組合柱構(gòu)件位移不斷增大,后期外圍混凝土有了更大的抵抗變形的能力.

2.3骨架曲線

構(gòu)件的骨架曲線是指第一次加載曲線和之后的每個(gè)第一循環(huán)的載荷-位移曲線峰值點(diǎn)連接起來(lái)的曲線[13-14].任意一次加載過(guò)程,最大載荷都要保證在骨架曲線之下,并且要求在達(dá)到骨架曲線后,只能繼續(xù)沿著骨架曲線向前發(fā)展.可以從骨架曲線中看出構(gòu)件的變形能力、極限強(qiáng)度以及開(kāi)裂強(qiáng)度.試驗(yàn)的正反向加載此類鋼柱的骨架曲線如圖5所示.

圖5　持載加固后鋼混凝土柱的骨架線

由圖5可以看出: 載荷沒(méi)有達(dá)到屈服載荷前骨架曲線為直線,基本上為彈性變形; 繼續(xù)加載曲線變彎, 且變形較快,明顯大于載荷增長(zhǎng)速度,至屈服時(shí), 骨架曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn);再進(jìn)一步加載, 位移增大, 承載能力下降, 構(gòu)件隨之破壞;當(dāng)與初始剛度基本相同、初始持載不同的構(gòu)件相比較時(shí),持載加固后鋼-混凝土柱的最大水平承載力, 要稍大于普通柱, 且前者骨架曲線的下降段明顯比后者平緩, 水平載荷降為85%的極限載荷時(shí)的位移也大于后者.

圖5中曲線包圍范圍的大小能反映其耗能能力,面積越大,構(gòu)件耗能能力就越強(qiáng),反之,耗能能力越弱.由于鋼材本身存在的初始缺陷以及混凝土抗拉強(qiáng)度低、易開(kāi)裂剝落等不可避免的不足,在反復(fù)加載過(guò)程中,鋼材屈服前,其剛度就有降低,骨架曲線開(kāi)始出現(xiàn)圓弧狀,形成梭形滯回環(huán).實(shí)際上,型鋼與混凝土的相對(duì)滑移、混凝土受拉裂縫的開(kāi)展等,使滯回曲線出現(xiàn)不同程度的捏攏現(xiàn)象.

2.4試件延性

本文采用能量等效法,確定持載加固柱的屈服點(diǎn)、屈服位移ΔY,并取0.85極限載荷時(shí)相應(yīng)的位移為極限位移Δu,延性系數(shù)為μ=Δμ/ΔY,結(jié)果見(jiàn)表3.取極限載荷的0.85時(shí)對(duì)應(yīng)的位移作為極限位移,主要是因?yàn)?當(dāng)載荷下降至極限載荷的85%時(shí),構(gòu)件的滯回環(huán)不再穩(wěn)定,構(gòu)件不能再承受設(shè)計(jì)地震載荷值;當(dāng)載荷降至0.85極限載荷時(shí),構(gòu)件仍能穩(wěn)定承受軸向載荷,沒(méi)有明顯的下降現(xiàn)象.

表3　持載加固后鋼混凝土柱位移延性系數(shù)

分析表3中型鋼初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)的變化,可知型鋼持載η≤0.4時(shí),持載加固對(duì)型鋼混凝土構(gòu)件的延性做出較大貢獻(xiàn),延性系數(shù)增加了19.35%.型鋼持載η=0.2時(shí),其延性較普通型鋼混凝土柱竟提高了9.68%.隨型鋼初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)繼續(xù)增加,趨于0.4時(shí),構(gòu)件延性趨向穩(wěn)定.初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)繼續(xù)增大到0.5時(shí),構(gòu)件延性系數(shù)急劇減小,當(dāng)型鋼初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)處在0.1～0.4期間,在型鋼的影響下,大部分軸向載荷由型鋼分擔(dān),外圍混凝土只承受了很小一部分軸壓力.當(dāng)型鋼η繼續(xù)增大,型鋼腹板和翼緣開(kāi)始大面積進(jìn)入塑性狀態(tài),是由型鋼在一期軸向力作用下的變形,加上后期載荷作用的變形及型鋼承擔(dān)過(guò)重的載荷多種因素導(dǎo)致.型鋼受壓側(cè)屈曲、混凝土被壓壞,加固后鋼-混凝土柱破壞,實(shí)際上是因?yàn)樾弯撛诔袚?dān)外圍混凝土軸向壓力時(shí),其本身的部分延性儲(chǔ)備被消耗掉.

3初始持載大小的影響

3.1平截面假定驗(yàn)證

水平載荷作用于型鋼混凝土柱時(shí), 柱截面非加載側(cè)受壓, 加載側(cè)受拉. 隨著載荷的增大, 裂縫首先出現(xiàn)在柱端部截面受拉側(cè), 且為水平裂縫,隨位移繼續(xù)增加, 水平裂縫繼續(xù)開(kāi)裂, 并沿柱身向上發(fā)展, 但現(xiàn)象并不顯著需仔細(xì)觀察, 沒(méi)有形成明顯的主裂縫; 繼續(xù)加載, 在受壓側(cè)出現(xiàn)豎向裂縫, 并向構(gòu)件中部延伸, 至型鋼混凝土柱最終的破壞.

柱根部受到約束時(shí),柱的控制截面在根部,易引起集中應(yīng)力,造成柱子局部破壞,為避免這類現(xiàn)象發(fā)生,在這里規(guī)定將控制截面取柱根部向上10 mm處,適用于全文.取SRC-3柱控制截面上的曲線.

本試驗(yàn)將沿柱中截面橫向均分為5個(gè)測(cè)點(diǎn),標(biāo)距為50 mm布置電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)試SRC軸壓柱截面的應(yīng)變,如圖6所示,為實(shí)際測(cè)得的沿柱截面高度方向的平均應(yīng)力分布規(guī)律.其中,橫坐標(biāo)表示柱中部橫向截面上節(jié)點(diǎn)位置處的應(yīng)變,縱坐標(biāo)表示此節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo).由試驗(yàn)知,SRC柱承受載荷大小在0.8倍的極限載荷之前,柱截面應(yīng)變基本符合平截面假定,這時(shí)候,再將載荷繼續(xù)增大,型鋼和混凝土接觸面產(chǎn)生裂縫,出現(xiàn)粘結(jié)滑移現(xiàn)象,裂縫逐漸開(kāi)展,數(shù)量也增多,三者變形不再協(xié)調(diào),不再符合平截面假定.由圖6可知,加載至0.6倍極限載荷之前,構(gòu)件處于彈性工作階段,截面應(yīng)變基本符合平截面假定;在載荷加載至0.85倍極限載荷時(shí),構(gòu)件即將破壞,此時(shí)受拉邊緣混凝土進(jìn)入帶裂縫工作狀態(tài),部分混凝土破壞退出工作,鋼筋和型鋼承擔(dān)大部分拉力,中性軸沿橫截面上移,基本符合平截面假定.實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與國(guó)內(nèi)研究人員的實(shí)驗(yàn)[15]分析相近.

圖6　柱底截面平均應(yīng)變規(guī)律

3.2組合柱中型鋼與鋼筋的應(yīng)變

(1) 鋼筋的應(yīng)變狀態(tài).試件SRC-3的型鋼從初期加載到受拉鋼筋屈服,鋼筋應(yīng)變的關(guān)鍵狀態(tài)如表4所示.

表4　鋼筋應(yīng)變發(fā)展中關(guān)鍵狀態(tài)

由于型鋼承擔(dān)了大部分載荷,而受壓縱筋只承擔(dān)了一部分彎曲壓應(yīng)力,故受壓鋼筋屈服時(shí),水平載荷比較大.

(2) 型鋼的應(yīng)變狀態(tài).試件SRC-3在該受力過(guò)程中,型鋼應(yīng)變發(fā)展中的關(guān)鍵狀態(tài)如表5所示.

表5　型鋼應(yīng)變發(fā)展中的關(guān)鍵狀態(tài)

型鋼與受壓筋一起屈服后構(gòu)件破壞,但普通鋼-混組合柱的受壓筋會(huì)先屈服,提前退出工作,這表明持載加固后組合柱充分利用了各材料的特性.

試驗(yàn)表明,加固柱與新構(gòu)件受力的不同主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

二次受力.加固前,原構(gòu)件就已經(jīng)受力,存在應(yīng)力,加固后重新施加載荷時(shí),新增構(gòu)件才開(kāi)始受力,因此若忽略原柱表面的應(yīng)力重分布,可能會(huì)出現(xiàn)新增構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變滯后現(xiàn)象,從而當(dāng)柱子破壞時(shí),新增部分的強(qiáng)度可能不能達(dá)到預(yù)期效果.另外,如果在施工時(shí)原來(lái)的柱子就己經(jīng)處于較大變形和高應(yīng)力狀態(tài),可能會(huì)導(dǎo)致新增部分在應(yīng)力應(yīng)變較小時(shí),柱子就破壞掉,沒(méi)有將其強(qiáng)度和加固作用充分利用.

二次組合結(jié)構(gòu).粘結(jié)面?zhèn)鬟f剪力的能力,在很大程度上影響著型鋼與混凝土一起作用時(shí)的受力性能.由類似試驗(yàn)結(jié)果知,加固柱子的裂紋首先出現(xiàn)在粘結(jié)面,使混凝土與型鋼分離,型鋼和混凝土單獨(dú)受力,這時(shí)混凝土的變形能力將不足以抵抗新的變形.

4型鋼η的研究

從本文所作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析可以看出,初始持載大小對(duì)加固柱承載力的影響很大,隨著初始持載的提高,軸力大部分被型鋼承擔(dān),在混凝土上消耗的軸壓力減小,該類組合柱的延性也將增強(qiáng).文獻(xiàn)[16]提到用初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)來(lái)確定型鋼第一期軸力的大小,所以將型鋼初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)η定義為:

式中:N1為型鋼第一期軸力;fss為型鋼的屈服強(qiáng)度;Ass為型鋼面積.

通過(guò)ABAQUS軟件來(lái)分析型鋼初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)和持載柱承載力及延性的關(guān)系.在其他參數(shù)相同情況下,即混凝土等級(jí)為C40,含鋼率a=5.03%,縱筋配筋率ρ=0.89%,只是改變型鋼初始持載應(yīng)力水平指標(biāo),變化范圍為0～0.8.

如圖7所示,型鋼初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)對(duì)極限承載力的影響不大,極限承載力在水平指標(biāo)為0.58時(shí)取得最大值.如圖8所示,初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)η顯著影響構(gòu)件的極限位移,當(dāng)η達(dá)到0.6時(shí),極限位移大小急劇減小,主要原因是在第一期軸力作用時(shí),型鋼承受較大力,導(dǎo)致屈服過(guò)早;構(gòu)件突然破壞時(shí),計(jì)算結(jié)果不收斂,η為0.52時(shí),極限位移取得最大值.因此,型鋼η從區(qū)間0.3～0.5內(nèi)取值比較合適.當(dāng)型鋼與受壓縱筋屈服后,外包鋼筋混凝土加固組合柱呈現(xiàn)較好的承載力狀態(tài),且有很大變形,說(shuō)明持載下該類柱的延性較好.

圖7　型鋼η對(duì)水平極限承載力的影響

圖8　型鋼η對(duì)極限位移的影響

初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)影響持載加固后鋼-混凝土柱的軸力分配關(guān)系,對(duì)于同一截面位移,混凝土實(shí)際軸壓比隨η的增加而明顯減小;當(dāng)η較大時(shí),混凝土實(shí)際軸力比要比未持載或持載較小時(shí)增幅小,因此構(gòu)件的延性、抗震性能也得到改善;隨初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)的增大,水平載荷作用時(shí),混凝土破壞位移明顯增加,說(shuō)明混凝土實(shí)際軸壓比較小時(shí),構(gòu)件延性得到改善.持載型鋼混凝土柱的變形能力,隨著持載比的增大,明顯增大,曲線下降段變慢,但是柱的強(qiáng)度和剛度退化基本沒(méi)變化.之上表示,持載比的增大能夠提高和改善持載型鋼混凝土柱的抗震性能.

5結(jié)論

(1) 持載下外包鋼筋混凝土加固后鋼-混凝土柱能充分利用組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),加固后組合柱相較于純鋼柱承載力、延性和抗震性能明顯增強(qiáng),且施工方便.

(2) 當(dāng)η一定范圍內(nèi)初始持載大小對(duì)加固柱最終承載力的影響不明顯,η為0.6時(shí)極限承載力達(dá)最大值;極限位移受初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)的影響顯著,當(dāng)初始持載應(yīng)力水平指標(biāo)達(dá)到0.6之后,極限位移開(kāi)始迅速下降.結(jié)合加固柱抗震性,建議取η為0.3～0.5比較適合.

(3) 當(dāng)η一定范圍內(nèi)初剛度基本相同時(shí),持載下加固柱與普通鋼混-凝土柱相比,構(gòu)件破壞后極限水平承載力增大,骨架曲線的下降段明顯平緩.

(4) 當(dāng)η一定范圍內(nèi)持載比越大,持載加固柱抵抗變形的能力明顯增強(qiáng),骨架曲線下降趨勢(shì)變緩,并且構(gòu)件強(qiáng)度、剛度沒(méi)有明顯縮減.由此可知,可以通過(guò)改變持載比,改善加固柱的抗震情況.

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【責(zé)任編輯: 祝穎】

Capacity onAxial Compression of Steel Columns Strengthened by Enclosed Concrete under Sustained Load

ZhouLe1,2,NieXiaomei1,YiJunwei1,WanLuxia1

(1. Architectural and Civil Engineering College, Shenyang University, Shenyang 110044, China; 2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:In order to further study the effect of the initial sustained load on axially steel columns strengthened by enclosed reinforced concrete under sustained load, six specimens are designed for axial compression test. The skeleton curve of reinforced combination column, the hysteretic curve, and the final failure mode are analyzed, as well as the mechanical property mechanism of SRC column damage of outsourcing RC after reinforcement, and the optimal initial sustained load stress index is put forward based on test. The results show that: when the SRC column is destroyed, the structural steel and the longitudinal bar yield and the concrete is crushed, the bearing capacity of combination column is improved after reinforcement, and the stability is enhanced; the initial sustained load has a remarkable effect on bearing performance, it suggests that the optimal initial sustained load index is 0.3～0.5.

Key words:outsourcing reinforced concrete; sustained load; combination column; axial compression; bearing performance

中圖分類號(hào):TU 375.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095-5456(2016)01-0061-08

作者簡(jiǎn)介:周樂(lè)(1978-),女,遼寧營(yíng)口人,沈陽(yáng)大學(xué)副教授,清華大學(xué)博士后研究人員.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408371); 遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014020098); 遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2012230005); 沈陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃資助項(xiàng)目(F14-196-4-00).

收稿日期:2015-05-15