碳纖維布加固柱在地震力作用下抗扭性能的試驗(yàn)研究

白 禹，金英玉 ，張 敏，王四江

(1.東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021;2.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130026)

粘貼碳纖維布加固技術(shù)是一種較新的加固技術(shù)，在混凝土結(jié)構(gòu)的加固中，碳纖維布主要是分擔(dān)鋼筋的受力，即碳纖維布的主要作用是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度。碳纖維加固易于施工，降低了人工費(fèi)用，且具有良好的耐腐蝕性能，節(jié)約了維護(hù)費(fèi)用。目前，由于碳纖維加固以其出色的加固效果在國(guó)內(nèi)外得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外用碳纖維布加固鋼筋混凝土柱主要研究抗彎、抗剪性能，對(duì)抗扭方面的研究甚少，但是工程實(shí)際問(wèn)題中如結(jié)構(gòu)外形不規(guī)則、質(zhì)量分布不均的樓層四角上的柱子，在地震力的作用下主要受扭而破壞。所以，本文通過(guò)試驗(yàn)著重研究了碳纖維加固鋼混柱抗扭性能及承載力。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

模型柱采用正方形截面，截面尺寸為250 mm×250 mm，模型柱為懸臂式短柱，高h(yuǎn)分別為900 mm和400 mm，其剪跨比分別為4.89和2.67?？v筋配筋率1.14%，體積配箍率0.23%，在柱子頂端設(shè)計(jì)了剛臂梁以便對(duì)柱子施加扭矩，為了使剛臂梁達(dá)到足夠的剛度，保證加載過(guò)程中不破壞，設(shè)計(jì)的剛臂梁的截面慣性矩 I懸為柱截面慣性矩 I柱的5倍，即 I懸=5I柱，具體工況(見(jiàn)表1)，模型尺寸及配筋見(jiàn)圖1、圖2。

2 碳纖維布粘貼方案和試驗(yàn)結(jié)果

研究不同軸壓和粘貼不同層數(shù)碳纖維布對(duì)框架柱抗震性能的影響，得出不同軸壓比和不同粘貼層數(shù)的加固效果(見(jiàn)表2)，為工程應(yīng)用提供一定的借鑒。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3～表6。

表1 模型柱工況

圖1 構(gòu)件高h(yuǎn)=400 mm的懸臂柱尺寸和配筋(單位:mm)

表2 碳纖維布粘貼方案一覽

圖2 構(gòu)件懸臂柱高h(yuǎn)=900 mm的尺寸和配筋(單位:mm)

表3 400 mm高試件主要參數(shù)

表4 400 mm高試件受扭承載力

表5 900 mm高試件主要參數(shù)

表6 900 mm高試件主要受扭承載力

3 應(yīng)變分析

制作構(gòu)件時(shí)分別在構(gòu)件柱的縱筋、箍筋和碳纖維布的相應(yīng)位置粘貼應(yīng)變片，以此來(lái)監(jiān)測(cè)鋼筋、碳纖維布的實(shí)際應(yīng)變和受力情況。

3.1 縱筋應(yīng)變發(fā)展

在模型柱縱筋上粘貼應(yīng)變片，對(duì)不同荷載下縱筋應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，圖3為各柱側(cè)向力與縱筋應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 各柱上下部縱筋應(yīng)變曲線(xiàn)

圖4 各柱上下部箍筋應(yīng)變曲線(xiàn)

由圖3可以看出，構(gòu)件縱筋在水平加載前由于先進(jìn)行軸向加載，每個(gè)構(gòu)件都有一定的初始應(yīng)變;以上6個(gè)構(gòu)件上部縱筋隨著扭矩的增大發(fā)生明顯應(yīng)變，由此證明，縱筋在抗扭方面起著很大的作用;構(gòu)件下部縱筋在極限荷載范圍內(nèi)應(yīng)變較均勻，當(dāng)碳纖維布與混凝土發(fā)生剝離、斷裂時(shí)，構(gòu)件混凝土被剪碎，鋼筋和混凝土之間產(chǎn)生滑移，部分混凝土退出工作，荷載進(jìn)一步傳遞到縱向鋼筋上，使縱筋的應(yīng)變大幅增加并且產(chǎn)生了不可恢復(fù)的變形;下部縱筋的內(nèi)力由彎矩和扭矩相加而得，可以看出，下部縱筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速，構(gòu)件下部縱筋應(yīng)變都有很大變化。

3.2 箍筋應(yīng)變發(fā)展

在模型柱箍筋上粘貼應(yīng)變片，對(duì)不同荷載下箍筋應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，圖4為各柱側(cè)向力與箍筋應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖4可以看出，構(gòu)件1上部箍筋較下部箍筋有更大的變形，變化幅度較平緩，這是因?yàn)闃?gòu)件1上部扭轉(zhuǎn)大而下部扭轉(zhuǎn)微小的原因，構(gòu)件1下部開(kāi)始階段應(yīng)變十分微小，在后期稍有增大的趨勢(shì)，但因構(gòu)件上部過(guò)早屈服導(dǎo)致應(yīng)變不能進(jìn)一步發(fā)展;構(gòu)件2和構(gòu)件3由于柱子中部剪斷，上下箍筋應(yīng)變發(fā)展較小;構(gòu)件4上下箍筋應(yīng)變都有較大發(fā)展，且應(yīng)變量很接近，這說(shuō)明碳纖維布與混凝土剝離，斜裂縫開(kāi)展，構(gòu)件上下變形一致;構(gòu)件5由于節(jié)點(diǎn)處過(guò)早的破壞，上部連接處混凝土與箍筋過(guò)早的剝離，箍筋應(yīng)變沒(méi)有太大發(fā)展，底部箍筋由于上部剛臂梁的破壞而失去受力點(diǎn)，故應(yīng)變也沒(méi)有太大的發(fā)展;構(gòu)件6由于上部節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行了碳纖維布加固，上部節(jié)點(diǎn)變?yōu)閯傂裕拷顟?yīng)變十分微小，在柱的下部雖然在連接點(diǎn)處柱子有明顯的扭轉(zhuǎn)，外層碳纖維布也有開(kāi)裂現(xiàn)象，但由于包裹層數(shù)多，碳纖維布對(duì)內(nèi)部混凝土有著巨大的約束作用，箍筋應(yīng)變較大但沒(méi)有急劇發(fā)展。

3.3 碳纖維應(yīng)變發(fā)展

在模型柱碳纖維布上粘貼應(yīng)變片，對(duì)不同荷載下碳纖維應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，圖5為各柱側(cè)向力與碳纖維應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 各柱碳纖維應(yīng)變曲線(xiàn)

由各柱碳纖維應(yīng)變曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)加固后的構(gòu)件，在碳纖維布與混凝土之間發(fā)生剝離以前，碳纖維布在構(gòu)件的抗扭和約束構(gòu)件方面起著巨大的作用，構(gòu)件開(kāi)裂后碳纖維應(yīng)變迅速增大。構(gòu)件1和構(gòu)件5上部節(jié)點(diǎn)的過(guò)早破壞使下部碳纖維的應(yīng)變不能充分的發(fā)展。構(gòu)件2、構(gòu)件3、構(gòu)件4、構(gòu)件6破壞面在柱子本身上，構(gòu)件碎裂混凝土退出工作，碳纖維布對(duì)構(gòu)件抵抗外荷載及約束混凝土起主要作用，因此碳纖維應(yīng)變有很大發(fā)展。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)400 mm高、不同軸壓比下相同碳纖維加固層數(shù)的試驗(yàn)研究，得出軸壓比越大加固柱抗扭性能越好，柱頂與剛臂梁節(jié)點(diǎn)加固越牢，剪扭破壞面越接近柱底，且滯回環(huán)越飽滿(mǎn)，耗能能力越強(qiáng)，延性也越好。

2)通過(guò)對(duì)900 mm高、相同軸壓比下不同碳纖維加固層數(shù)的試驗(yàn)研究得出，在軸壓比相同的情況下，包3層碳纖維布比包1層柱的剛度要大，柱的節(jié)點(diǎn)部位也需要多層加固;試驗(yàn)還得出，柱的上下節(jié)點(diǎn)有相同的加固形式和加固量，那么受扭破壞一定發(fā)生在柱底部的復(fù)雜受力區(qū)，對(duì)柱進(jìn)行受扭加固時(shí)一定要對(duì)柱根部進(jìn)行著重加固。

3)通過(guò)對(duì)兩組不同長(zhǎng)度的鋼筋混凝土短柱的抗扭性能研究，得出柱子長(zhǎng)度越短，加固后極限承載力越高，柱子長(zhǎng)度越長(zhǎng)，極限承載力越小，但極限扭轉(zhuǎn)角增大，加固后延性增加。

4)通過(guò)對(duì)柱中鋼筋應(yīng)變進(jìn)行研究，得出在柱頂部區(qū)域，位于柱內(nèi)四角上的縱筋在抗扭方面起著很大作用，較短的一組加固柱上下部縱筋與箍筋應(yīng)變相反，當(dāng)縱筋應(yīng)變較小時(shí)箍筋應(yīng)變較大，縱筋應(yīng)變較大時(shí)箍筋應(yīng)變較小;較長(zhǎng)一組柱上下鋼筋應(yīng)變變化較一致;這種現(xiàn)象表明，柱子長(zhǎng)度越長(zhǎng)，鋼筋與混凝土之間協(xié)同工作性能越好;通過(guò)對(duì)碳纖維布應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，可以看出，當(dāng)破壞面接近碳纖維布應(yīng)變片粘貼處時(shí)，碳纖維布應(yīng)變片的應(yīng)變有較大的發(fā)展，這表明，碳纖維布在構(gòu)件抗扭方面起了很大作用。

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