不同初始應(yīng)力下自密實(shí)混凝土加固柱的抗剪承載力研究

范 煒

（福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建福州，350108）

工程技術(shù)

不同初始應(yīng)力下自密實(shí)混凝土加固柱的抗剪承載力研究

范 煒

（福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建福州，350108）

在自密實(shí)混凝土加固柱的擬靜力試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究初始軸向應(yīng)力水平對增大截面加固柱抗剪承載力的影響規(guī)律。同時，基于剪切粘結(jié)破壞和彎曲型破壞的的抗剪機(jī)理，分別提出抗剪承載力計算的理論公式。將理論值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，驗(yàn)證文中提出公式的有效性。

初始應(yīng)力水平；加固；自密實(shí)混凝土；剪切破環(huán)；抗剪承載力

自密實(shí)混凝土由于其優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于增大截面加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程。增大截面加固柱的承載力與新舊材料的應(yīng)力應(yīng)變差直接相關(guān)，因此，在加固設(shè)計中，初始軸向應(yīng)力水平是影響框架柱延性和抗剪承載力的一個主要因素。在地震荷載作用下，加固柱由于軸向及橫向力的共同作用，通常會發(fā)生因斜截面抗剪承載力不足的剪切破壞，國內(nèi)外的多次地震已證實(shí)這種破壞現(xiàn)象。［1］本文以自密實(shí)混凝土加固柱的擬靜力試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析初始軸向應(yīng)力水平、自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等因素對加固柱抗剪承載能力的影響?；诩羟姓辰Y(jié)破壞和彎曲型破壞的的抗剪機(jī)理，分別提出抗剪承載力計算的理論公式。

一、試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)進(jìn)行3組加固柱的擬靜力試驗(yàn)，各試件的參數(shù)情況與初始應(yīng)力水平見表1。加固柱水平荷載采用MTS液壓伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行低周反復(fù)加載，初始應(yīng)力施加裝置、二次加載裝置及加載制度如圖1所示：

表1 Wald檢驗(yàn)

圖1 加載示意圖

試驗(yàn)加載過程中，初始軸向應(yīng)力水平為0.35的試件。加載初期，裂縫率先出現(xiàn)在加固混凝土表面，隨后逐漸向新老混凝土粘結(jié)界面發(fā)展。當(dāng)加載到荷載曲線峰值后，裂縫開始向核心構(gòu)件延伸。水平位移達(dá)到5～7倍屈服位移時，主裂縫貫通，跨中混凝土壓碎區(qū)域擴(kuò)大。伴隨水平位移值進(jìn)一步增加，斜裂縫不斷發(fā)展，構(gòu)件承載力逐漸下降。構(gòu)件失去承載力時，加固構(gòu)件的新舊混凝土粘結(jié)界面沒有開裂。該加載試驗(yàn)說明新老混凝土能夠協(xié)同工作。

初始軸向應(yīng)力水平為0.5的試件。循環(huán)加載初期，裂縫開展現(xiàn)象基本與JGZ-s1相似，在位移加載幅值為3倍屈服位移的循環(huán)過程中，加固混凝土與老混凝土的粘結(jié)界面有裂縫開展現(xiàn)象。加固柱失去承載力后，新老混凝土粘結(jié)界面基本未出現(xiàn)相對滑移現(xiàn)象。該加載試驗(yàn)說明新老混凝土能夠協(xié)同工作。

隨著初始軸向應(yīng)力的增加，構(gòu)件的抗剪承載力不斷增大。當(dāng)初始應(yīng)力水平為0.75時，柱底彎曲裂縫出現(xiàn)得較晚。當(dāng)水平荷載幅值超過加固柱的峰值荷載后，新老混凝土界面發(fā)生明顯的粘結(jié)滑移。隨著控制位移幅值的增加，加固混凝土的斜裂縫與粘結(jié)界面的水平裂縫貫通，新老混凝土發(fā)生粘結(jié)破壞，試件迅速破壞。破壞過程同時出現(xiàn)斜壓和小偏壓的破壞特征，屬于典型的壓剪破壞。

二、自密實(shí)混凝土加固柱抗剪機(jī)理分析

圖2為自密實(shí)混凝土加固柱在不同初始應(yīng)力水平下的骨架曲線。

圖2 初始應(yīng)力對抗剪承載力的影響

可以看出，在加載初期，隨著初始軸應(yīng)力水平的增加，老混凝土的受壓區(qū)高度不斷增大，抗剪承載力也逐漸增加。因此，加固柱的初始軸向應(yīng)力水平與其抗剪承載力成正比關(guān)系。當(dāng)初始軸應(yīng)力達(dá)到一定水平，老混凝土?xí)a(chǎn)生較大的初始應(yīng)變，二次受力后，加固混凝土與原有構(gòu)件的應(yīng)變不協(xié)調(diào)，由新舊混凝土界面的應(yīng)變差引起的粘結(jié)破壞將會使加固失效，構(gòu)件迅速破壞。

對于普通混凝土框架柱，在較小的初始應(yīng)力水平和反復(fù)水平荷載作用下，破壞形態(tài)一般為彎剪破壞。［2］當(dāng)柱中間截面的縱向受拉鋼筋開始屈服后，受壓區(qū)截面高度逐漸減??；應(yīng)力水平達(dá)到混凝土的破壞強(qiáng)度時，同時出現(xiàn)剪切破壞和彎曲破壞的特征?？v筋屈服決定了柱的抗剪承載力和柱的側(cè)向變形能力，具有一定的延性。

對于自密實(shí)混凝土加固柱，由試驗(yàn)分析可知，在壓、彎、剪共同作用下，自密實(shí)混凝土加固柱會出現(xiàn)兩種不同的破壞形式，即較小初始應(yīng)力狀態(tài)下的彎剪破壞以及較大初始應(yīng)力下的剪切粘結(jié)破壞。在往復(fù)荷載作用下，對于初始應(yīng)力水平較高的構(gòu)件，在加載初期可認(rèn)為剪切應(yīng)力在粘結(jié)界面的傳遞是連續(xù)的，新老混凝土可以作為整體協(xié)同工作。隨著荷載的往復(fù)循環(huán)和增加，加固層的應(yīng)變明顯滯后于老混凝土構(gòu)件，二者之間發(fā)生相對滑移。當(dāng)主拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度后，粘結(jié)界面開裂，且與加固層的主裂縫貫通，導(dǎo)致加固層的混凝土逐漸退出工作，進(jìn)而發(fā)生破壞。

三、自密實(shí)混凝土加固柱抗剪承載力計算

（一）加固柱發(fā)生彎剪破壞的承載力計算

發(fā)生彎剪破壞的加固柱的受力機(jī)理類似于偏壓柱，偏壓構(gòu)件與壓彎構(gòu)件的不同在于，前者定義初始偏心距e0為常數(shù)，軸力N為變量；而壓彎構(gòu)件定義軸力N不變，水平力P為變量，其水平方向承載力取決于加固柱的正截面抗彎承載力。可采用正截面計算原理進(jìn)行壓彎構(gòu)件承載能力計算。［3，4］根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在考慮應(yīng)變滯后的基礎(chǔ)上對壓彎構(gòu)件承載能力計算成果進(jìn)行的相應(yīng)的調(diào)整。

已知材料本構(gòu)關(guān)系和構(gòu)件截面變形，在重復(fù)加載情況下，對增大截面加固鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件進(jìn)行非線性分析時，采用修正的平截面假定，即新舊兩部分的應(yīng)變增量近似地符合平截面假定。與整澆構(gòu)件不同，二次受力下，增大截面加固構(gòu)件的新老混凝土?xí)a(chǎn)生應(yīng)變滯后，截面應(yīng)變不再符合平截面假定。計算時，假設(shè)一個修正平截面，認(rèn)為新老混凝土的應(yīng)變協(xié)調(diào)。修正平截面的選擇應(yīng)保證混凝土受壓區(qū)高度不變，直線連接中和軸與新混凝土的極限壓應(yīng)變，此截面即為修正后的平截面，如圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)初始應(yīng)力水平小于0.5時，自密實(shí)混凝土加固層與老混凝土表面粘結(jié)良好，沒有發(fā)生界面錯動或粘結(jié)剝離現(xiàn)象。

圖3 修正后的平均應(yīng)變

進(jìn)行加固柱的承載力計算時，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2002取混凝土極限壓應(yīng)變值采用混凝土的等效矩形應(yīng)力圖計算，等效矩形應(yīng)力圖的折算高度x與中和軸高度x0的比值β、折算強(qiáng)度fcm可由極限壓應(yīng)力圖和極限壓應(yīng)變推導(dǎo)得出。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級≤C50時，等于混凝土最大應(yīng)力。［5］

根據(jù)以上假定，對于以正截面破壞控制的構(gòu)件，可通過下列公式計算截面承載力：

1.界限破壞的相對受壓區(qū)高度

根據(jù)修正平截面可得：

則混凝土的界限受壓區(qū)高度為：

界限相對受壓區(qū)高度為：

2.承載力計算公式：

對圖示截面，分別建立水平向平衡方程和對截面形心點(diǎn)取矩的力矩平衡方程，得：

式中：xb為混凝土界面受壓區(qū)高度；fc、fcm分別為混凝土抗壓強(qiáng)度值和自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度值；fs、fsm分別為原有鋼筋和加固鋼筋的強(qiáng)度等級；、分別為自密實(shí)混凝土和加固鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)，取t為一側(cè)加固層的厚度。

3.計算值與試驗(yàn)值的比較分析

按式（4）、式（5）計算出加固柱的正截面承載力后，根據(jù)式（6）將得到的極限彎矩?fù)Q算成剪力，可得到本試驗(yàn)的水平承載力：

將計算得到的水平抗剪承載力與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，見表2所示：

表2 彎剪破壞承載力計算值與試驗(yàn)值比較

根據(jù)計算結(jié)果可知，在初始軸向應(yīng)力水平小于0.5的情況下，試驗(yàn)值與計算值之比的均值為1.06，誤差控制在5%以內(nèi)?？梢姡撚嬎惴椒ㄖ贿m用于發(fā)生彎剪破壞情況，不適用于較高軸壓比。

（二）加固柱剪切粘結(jié)破壞承載力計算

根據(jù)新老混凝土粘結(jié)機(jī)理分析，結(jié)合有關(guān)設(shè)計規(guī)范，對新老混凝土界面的剪切強(qiáng)度設(shè)計值進(jìn)行研究，給出新老混凝土界面剪力作用設(shè)計值計算公式，該成果可為類似構(gòu)件設(shè)計提供參考。本次試驗(yàn)表明，發(fā)生剪切粘結(jié)破壞時，主要是由于加固混凝土與老混凝土之間粘結(jié)作用喪失而導(dǎo)致加固層混凝土的剝離，因而此時加固柱的抗剪承載力認(rèn)為由界面處抗剪承載力與通過粘結(jié)面的箍筋的抗剪作用相疊加，即：

1.粘結(jié)界面的抗剪承載力

從試驗(yàn)結(jié)果看，粘結(jié)界面劈裂首先出現(xiàn)在靠近柱端處，為便于計算，從柱中取出一微段進(jìn)行分析，如圖4所示：

圖4 粘結(jié)界面破壞時的微段受力

試驗(yàn)過程中出現(xiàn)粘結(jié)破壞現(xiàn)象的構(gòu)件，破壞時箍筋應(yīng)變均未達(dá)到極限應(yīng)變，在此取其應(yīng)力為屈服應(yīng)力的倍，即，因此有：

圖5 單元的受力狀態(tài)

有：

上式是針對單調(diào)加載時的情況。對于循環(huán)加載，根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，可在上式基礎(chǔ)上引入粘結(jié)應(yīng)力退化系數(shù)，即：

2.箍筋的抗剪承載力計算

加固柱的箍筋抗剪承載力可按以下計算：

綜上所述，發(fā)生粘結(jié)剪切破壞的承載力計算式為：

3.計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

分析表明，加固試件發(fā)生剪切粘結(jié)破壞的承載力試驗(yàn)值與計算值的誤差在2%以內(nèi)。因此，在進(jìn)行抗震加固設(shè)計時，為了保證新老混凝土粘結(jié)界面在結(jié)構(gòu)使用過程中不發(fā)生剪切粘結(jié)破壞，在較高初始應(yīng)力情況下，需要對加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，以保證荷載作用下界面剪力作用設(shè)計值小于新老混凝土界面粘結(jié)抗剪力。

四、結(jié)論

本文根據(jù)自密實(shí)混凝土加固柱的試驗(yàn)結(jié)果，分析初始軸向應(yīng)力水平對加固柱抗剪承載力的影響，并對壓彎剪構(gòu)件的抗剪機(jī)理進(jìn)行研究。基于剪切粘結(jié)破壞和彎曲型破壞的的抗剪機(jī)理，分別提出抗剪承載力計算的理論公式。對比理論值與試驗(yàn)值，驗(yàn)證了文中提出公式的有效性。可作為自密實(shí)混凝土增大截面加固柱的設(shè)計計算的參考。

［1］ 鐘善桐.高層建筑中鋼管混凝土柱的軸壓比［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，1996，29（3）：18-21.

［2］ 于清，陶忠.FRP約束混凝土壓彎構(gòu)件力學(xué)性能的理論分析［J］.工業(yè)建筑，2001，31（4）：9-11.

［3］ 樊華，顧瑞南，宋啟根.噴射混凝土加固小偏心受壓柱的二次受力研究［J］.工業(yè)建筑，1997，27（10）：10-14.

［4］ 肖建莊，朱伯龍.鋼筋混凝土框架柱軸壓比限值試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1998，19（5）：2-7.

［5］ 鄭建嵐，范煒.自密實(shí)混凝土加固柱的抗震性能試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2013，35（5）：164-168.

［6］ 陳峰，鄭建嵐.自密實(shí)混凝土與老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的直剪試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28（1）：59-63.

（責(zé)任編輯 王 瓏）

The Shear Capacity Analysis of the Columns Strengthened by Self-compacting Concrete under Different Initial Stress

FAN Wei
（College of Engineering，F(xiàn)ujian Jiangxia University，F(xiàn)uzhou，350108，China）

Based on the quasi-static test of the columns strengthened by self-compacting concrete（scc），The effect rule on RC column strengthened by SCC under different initial stress was analyzed.the shear capacity of RC column strengthened by SCC under twice-loading is simulated and analyzed，The calculation formula of shear capacity under shear adhesive failure and flexural mode failure was put forward.The calculation results coincide well with the test results.

different initial stress；strengthen；self-compacting concrete；shear behavior；shear capacity

TU528

A

2095-2082（2016）04-0106-07

2015-12-11

福建省科技廳項(xiàng)目（2016J0101）；福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA13359）

范 煒（1971—），女，河南焦作人，福建江夏學(xué)院工程學(xué)院講師，博士研究生。