碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件的性能研究

高翔

摘要：文章對碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本研究以鋼筋混凝土柱為研究對象，采用碳纖維布包裹柱，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，以確定碳纖維布對柱性能的影響。本文還利用混凝土抗壓強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度和碳纖維布性能的幾何特征和試驗(yàn)參數(shù)，對碳纖維布約束的細(xì)長鋼筋混凝土柱進(jìn)行了分析，以預(yù)測其結(jié)構(gòu)性能。結(jié)果表明，碳纖維布對鋼筋混凝土柱的強(qiáng)度、延性和約束性能有顯著的提高。

關(guān)鍵詞：碳纖維布;鋼筋混凝土;柱;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TQ327.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）07-0090-05

約束效應(yīng)和強(qiáng)度能力是鋼筋混凝土柱構(gòu)件的關(guān)鍵問題。隨著混凝土強(qiáng)度的增加，鋼筋混凝土柱的脆性更加明顯。因此，柱需要額外的改進(jìn)以改善限制和可變形特征。最近，越來越多地使用通過碳纖維布纏繞和粘合來改造鋼筋混凝土柱。特別是在地震區(qū)域，可以看到使用碳纖維布的有效性。碳纖維布可以很容易地應(yīng)用在鋼筋混凝土柱上，并提供成本經(jīng)濟(jì)和快速施工。碳纖維布的力學(xué)性能對鋼筋混凝土柱的性能有效。碳纖維布加固鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)最有效參數(shù)是材料的模量和強(qiáng)度、纖維聚合物的厚度、碳纖維布的層數(shù)量。

碳纖維布材料的應(yīng)用提高了細(xì)柱鋼筋混凝土芯的約束性能。此外，碳纖維布對于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度容量、延展性和剛度非常有效。因此，碳纖維布包裹到鋼筋混凝土柱中在土木工程應(yīng)用和建筑領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢。因此，了解受碳纖維增強(qiáng)聚合物約束的鋼筋混凝土柱的結(jié)構(gòu)行為非常重要。本研究的主要目的是探討碳纖維布約束的雙軸向受力的普通鋼筋混凝土細(xì)柱的受力性能。

1 實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)研究的目的是研究碳纖維布對普通鋼筋混凝土柱性能的影響。試驗(yàn)參數(shù)為混凝土抗壓強(qiáng)度、荷載偏心率、鋼筋屈服強(qiáng)度、碳纖維布性能、鋼筋和細(xì)長效應(yīng)。研究了柱強(qiáng)度、載荷一撓度特性以及碳纖維布對普通鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)性能的影響。

1.1樣本柱信息

實(shí)驗(yàn)工作包括十六平方的普通鋼筋混凝土柱。所有柱的長度均為1300mm。柱試樣的橫截面尺寸為125mm×125mm。根據(jù)ACI標(biāo)準(zhǔn)318-08確定柱試樣的長細(xì)比（橫截面回轉(zhuǎn)半徑的有效長度）為34.67。為了提供雙軸加載應(yīng)用，在兩端的柱子上設(shè)計(jì)了兩個(gè)200mm×200mm×200mm的高強(qiáng)度鋼筋混凝土支架。變形鋼筋用于測試柱的縱向和橫向加固布置?？v向加強(qiáng)件是位于截面每個(gè)角落的8mm直徑的變形桿。側(cè)向加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)有6mm直徑的變形鋼筋，在末端彎曲成135個(gè)鉤子。橫向拉桿間距分別在柱部分和支架上為100mm和50mm?？v向和橫向增強(qiáng)件的屈服強(qiáng)度分別為550MPa和630MPa。

使用CEM 142.5R型波特蘭水泥，干燥且清潔的天然砂礫骨料構(gòu)建柱樣品。最大粗骨料尺寸為20mm。在混凝土混合物中使用自來水和超級增塑劑。柱樣品的混凝土混合物組合物的量在表1中給出。在實(shí)驗(yàn)研究中，使用雙向碳纖維布即SikaWrapHex 300C 0/90來加強(qiáng)柱樣品。對于這種類型的片材，纖維在縱向和橫向兩個(gè)方向上設(shè)計(jì)。碳纖維布材料用Sikadur-330粘合劑涂在柱表面上。

1.2樣本柱的準(zhǔn)備

在結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中，將鋼筋混凝土柱試樣水平澆鑄在鋼模中。使用機(jī)械振動(dòng)器壓實(shí)試樣。為確定鋼筋混凝土的抗壓強(qiáng)度和性能，從每個(gè)混凝土批次中澆鑄至少三個(gè)混凝土圓筒試樣（直徑150mm，長度300mm）。用制備的柱樣品對圓筒進(jìn)行相同的固化條件。

為了確定碳纖維布對鋼筋混凝土柱性能的影響，設(shè)計(jì)了無碳纖維布包裹的鋼筋混凝土柱、一層碳纖維布包裹的鋼筋混凝土柱和兩層包裹的碳纖維鋼筋混凝土柱。如圖表2所示。為了消除應(yīng)力集中，在施加碳纖維布之前，柱試樣的尖角是圓形的。

無側(cè)限混凝土的圓柱抗壓強(qiáng)度（f_c），柱試樣的偏心率（e_x，e_y），碳纖維布設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)見如表2所示。研究中柱試樣的平均混凝土抗壓強(qiáng)度在53.13～76.76MPa之間變化。

1.3測試設(shè)置和程序

使用結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中的萬能試驗(yàn)機(jī)垂直測試柱樣品。柱樣品裝有釘扎終止條件。建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以記錄測試期間的數(shù)字測量。用四個(gè)線性可變差動(dòng)傳感器記錄柱試樣的橫向變形，所述四個(gè)線性可變差動(dòng)傳感器應(yīng)用于x和y方向的中間高度柱。用500kN容量的測力傳感器測量雙軸施加的軸向載荷。在用于測試研究之前校準(zhǔn)換能器和測力傳感器。

用不同的載荷偏心率測試制備的柱試樣（表2）以小增量（1kN/s）對試樣施加載荷，以獲得試驗(yàn)柱的完整載荷一撓度曲線。在測試期間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量并記錄x和y方向上的負(fù)載增量和相應(yīng)的橫向變形。

1.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

研究了碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)性能。在試驗(yàn)中單軸施加軸向載荷。由于C1-0和C2-0的鋼筋混凝土試件的力學(xué)性能，沒有碳纖維布的普通鋼筋混凝土柱表現(xiàn)出脆性。觀察到柱失效和混凝土破碎發(fā)生在測試柱的中間高度或接近中間高度。由于橫向板材，用碳纖維布加固的鋼筋混凝土柱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了橫向剛度。在張力側(cè)觀察到拉伸裂縫，并且在柱試樣的壓縮區(qū)域中發(fā)生混凝土破碎?？梢钥闯觯芟薜碾p向碳纖維布延遲了彎曲裂縫。在柱樣品的中間高度附近觀察到失效。在失效時(shí)，在柱的壓縮側(cè)發(fā)生混凝土破碎之后，一些縱向板在張力側(cè)斷裂。圖1顯示了經(jīng)測試的碳纖維布約束細(xì)長鋼筋混凝土柱試樣的典型破壞機(jī)理。

柱的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果已在表3中給出。通過比較控制柱試樣和碳纖維布限制柱，碳纖維布增加了鋼筋混凝土柱的強(qiáng)度。柱試樣的對比實(shí)驗(yàn)軸向載荷-橫向撓度圖如圖2（a-b）所示。圖表表明，碳纖維布纏繞對細(xì)長鋼筋混凝土柱的荷載-撓度特性有很大影響。碳纖維布改善了鋼筋混凝土柱的延展性和可變形性。從圖中可以看出，鋼筋混凝土柱的極限荷載和撓曲能力隨著碳纖維布層數(shù)的增加而增加（圖2（a-b））。此外，鋼筋混凝土柱試件的極限承載力受荷載偏心、混凝土抗壓強(qiáng)度和細(xì)長效應(yīng)的顯著影響。

在目前的工作中已經(jīng)觀察到用碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的完整實(shí)驗(yàn)。所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為描述碳纖維布增強(qiáng)細(xì)長鋼筋混凝土柱的結(jié)構(gòu)行為提供了重要的知識(shí)。

2 分析研究

先前在Tokgoz和Dundar等人中提出了一種分析軸壓和雙軸彎曲混凝土柱的理論方法。該方法已在此處進(jìn)行了擴(kuò)展和修改，以確定碳纖維布約束細(xì)長鋼筋混凝土柱的性能。在提出的程序中，混凝土截面的壓縮區(qū)域被分成小元素，用于計(jì)算每個(gè)元素的應(yīng)力合力。認(rèn)為碳纖維布不能承受任何壓縮力。另一方面，碳纖維布在縱向?qū)嵤┑那闆r下提供拉力。因此，碳纖維布在張力側(cè)被分成小元件，以使用材料應(yīng)力一應(yīng)變定律確定拉伸應(yīng)力。

分析方法基于以下假設(shè)：①平面截面在彎曲前后保持平面，②考慮材料的非線性行為，③提出混凝土的約束應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，④彈性-假設(shè)鋼筋材料具有完美的塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，⑤碳纖維布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系假定為線性彈性直至破裂，⑥混凝土拉伸強(qiáng)度忽略不計(jì)，⑦不包括收縮和蠕變效應(yīng)，鋼筋混凝土和碳纖維布之間存在完美的粘結(jié)，⑧軸向和剪切變形被忽略。

在Tokgoz和Dundar等報(bào)道的配套文件中已經(jīng)提出了分析程序的全面測定。軸向載荷N的基本平衡方程，以及碳纖維布約束鋼筋混凝土柱的彎矩M_x和M_y

其中A_c、A_s和A_fp分別為混凝土的構(gòu)件面積、鋼筋的面積和碳纖維布的單元面積;S_x、S_s和S_fp分別為混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力和碳纖維布應(yīng)力;（x_c，y_c），（x_s，y_s）和（x_fp，y_fp）分別表示混凝土的元素區(qū)域的中心、鋼筋和碳纖維布元素的元素區(qū)域的中心之間的距離，以及幾何中心x-y平面。在將板材作為縱向?qū)嵤┓绞桨戒摻罨炷林鶚?gòu)件的情況下，考慮碳纖維布元件力的貢獻(xiàn)。有關(guān)鋼筋混凝土柱分析程序的更多細(xì)節(jié)可以在Tokgoz和Dundadr等人的文章中找到。

基于所提出的分析方法的開發(fā)的軟件程序分析了測試的柱長、混凝土抗壓強(qiáng)度、軸向載荷偏心率和碳纖維布設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)性能如表2所示。碳纖維布的厚度為0.166mm，拉伸強(qiáng)度為3900MPa，彈性模量為230GPa，由制造商規(guī)定。

在這項(xiàng)研究中，碳纖維布約束細(xì)長鋼筋混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析。除此之外，分析了沒有碳纖維布的對照柱樣品。實(shí)驗(yàn)載荷（N_rest）、分析柱強(qiáng)度結(jié)果（N_u）和柱試樣的比較結(jié)果如表3所示。柱試樣的軸向載荷-橫向偏差圖比較如圖3所示（a-b））。

分析結(jié)果表明，碳纖維布約束細(xì)長鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)和分析結(jié)果之間達(dá)到了很好的精度。預(yù)測的極限強(qiáng)度容量（Nu）與受碳纖維布約束的細(xì)長鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)結(jié)果相比較，受到雙軸彎曲和軸向載荷（表3）。已經(jīng)獲得了對測試負(fù)載的預(yù)測負(fù)載的平均值為1.034。在分析中，使用針對碳纖維布加固鋼筋混凝土和碳纖維布提出的應(yīng)力一應(yīng)變模型提供了良好的相關(guān)性。結(jié)論是縱向和橫向定向板都提供了顯著的結(jié)構(gòu)能力。分析研究表明，碳纖維布增加了細(xì)長鋼筋混凝土柱的約束力、延性和強(qiáng)度。

3 結(jié)語

文章對碳纖維布約束的鋼筋混凝土細(xì)柱在軸壓和雙向彎曲共同作用下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)參數(shù)主要有混凝土抗壓強(qiáng)度、荷載偏心率、長細(xì)比和碳纖維布數(shù)量?？紤]到材料的非線性特性，采用一種理論方法對試件進(jìn)行了分析。雙向（即橫向和縱向）碳纖維布的使用增加了細(xì)長鋼筋混凝土柱的約束性、延性和極限承載力。此外，碳纖維布層數(shù)的增加顯著增加了柱試件的約束和承載力。結(jié)果表明，混凝土抗壓強(qiáng)度、荷載偏心距和長細(xì)比對碳纖維布約束的鋼筋混凝土柱性能有較大影響。

碳纖維布約束混凝土的假定應(yīng)力一應(yīng)變圖在預(yù)測碳纖維布包裹的細(xì)長鋼筋混凝土柱的極限承載力和荷載-橫向變形行為方面具有合理的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果的比較表明，碳纖維布約束的鋼筋混凝土雙向加載柱具有較好的精度。試驗(yàn)和分析結(jié)果表明，在雙向彎曲和軸向荷載作用下，橫向和縱向兩種包裹方式均能顯著改善鋼筋混凝土細(xì)柱的結(jié)構(gòu)性能。