王家磊
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 武漢 430063)
隨時(shí)代的不斷發(fā)展,依據(jù)早期規(guī)范設(shè)計(jì)的混凝土結(jié)構(gòu)工程逐漸不適應(yīng)當(dāng)前的使用需求,修建已久的結(jié)構(gòu)逐漸開(kāi)裂并呈現(xiàn)老化現(xiàn)象[1],既有結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固已成為工程領(lǐng)域的重要方向。CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)由于具有高強(qiáng)度比、良好的耐腐蝕性、不增加結(jié)構(gòu)自重、施工便捷等優(yōu)點(diǎn),能夠有效提高結(jié)構(gòu)的使用期限,在土木工程加固領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-5]。
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)CFRP加固后鋼筋混凝土柱的抗震性能進(jìn)行了研究。陳俊[6]等研究了CFRP加固震損鋼筋混凝土短柱的抗震性能,分析了CFRP加固層數(shù)、軸壓比對(duì)震損鋼筋混凝土短柱加固后抗震性能的影響,結(jié)果表明采用CFRP加固震損鋼筋混凝土短柱可避免脆性破壞,加固后試件具有較好的延性與耗能能力。Ozcan[7]等通過(guò)試驗(yàn)分析了修復(fù)過(guò)程中持續(xù)軸向荷載與CFRP圓角半徑對(duì)鋼筋混凝土柱加固效果的影響,結(jié)果表明CFRP能夠有效提高試件的延性、耗能與抗剪剛度。Elsouri[8]等提出一種將內(nèi)部鋼帶與CFRP結(jié)合的混凝土柱加固方法,研究證明該方法有效降低了拼接區(qū)混凝土的損傷并提高了試件的承載能力與延性。王新玲[9]等通過(guò)試驗(yàn)研究分析CFRP布和反貼底部角鋼加固方法對(duì)震損鋼筋混凝土柱抗震性能的影響,結(jié)果表明此加固方法能夠有效提高震損試件的耗能能力,且角鋼肢長(zhǎng)增加能有效提高震損試件的承載能力。勞曉杰[10]研究了采用外包CFRP布加固的損傷鋼筋混凝土方柱的軸壓性能,分析了不同配筋率、CFRP層數(shù)以及預(yù)損傷水準(zhǔn)等因素的影響,基于試驗(yàn)結(jié)果提出CFRP約束損傷鋼筋混凝土的本構(gòu)模型。
這些研究成果為實(shí)際工程中CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)提供了指導(dǎo),但尚需要研究CFRP的加固方式對(duì)震損鋼筋混凝土柱抗震性能的影響規(guī)律。本文通過(guò)設(shè)計(jì)并進(jìn)行不同CFRP加固方式震損鋼筋混凝土柱的擬靜力試驗(yàn),分析CFRP加固對(duì)震損鋼筋混凝土柱抗震性能的恢復(fù)程度,并分析不同加固方式對(duì)試件抗震性能的影響規(guī)律。
基于現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范[11-12],設(shè)計(jì)并制作了3個(gè)鋼筋混凝土柱用于開(kāi)展前期震損試驗(yàn)與加固后試驗(yàn),3個(gè)震損試驗(yàn)試件分別命名為Z1,Z2,Z3。試件Z1,Z2,Z3的幾何尺寸、材料參數(shù)、配筋等均保持一致,以試件Z1為例(圖1),其柱截面尺寸為400mm×400mm,基礎(chǔ)梁截面尺寸為400mm×600mm,柱頂加載梁截面尺寸為400mm×400mm,縱筋采用HRB400級(jí)熱軋帶肋鋼筋,截面配筋率為1.86%,箍筋采用HPB235級(jí)鋼筋,配箍率為1.11%,試件采用的鋼筋及鋼板的力學(xué)性能實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。試件Z1采用C30混凝土,實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為28.3MPa,試件Z2與試件Z3采用C40混凝土,實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為43.91MPa,混凝土保護(hù)層厚度為20mm,所有試件同批次澆筑。
圖1 試件尺寸及配筋圖
震損試件加固過(guò)程中使用的高強(qiáng)灌漿料力學(xué)性能測(cè)試方法參照混凝土材料,實(shí)測(cè)灌漿料立方體抗壓強(qiáng)度為68.41MPa。用于加固試件的CFRP材料力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2,用于加固的CFRP浸漬膠材料力學(xué)性能以及裂縫修補(bǔ)膠材料力學(xué)性能分別見(jiàn)表3與表4。
鋼材力學(xué)性能實(shí)測(cè)值 表1
CFRP材料力學(xué)性能 表2
CFRP浸漬膠材料力學(xué)性能 表3
裂縫修補(bǔ)膠材料力學(xué)性能 表4
試件預(yù)損即為模擬遭遇多遇地震作用下框架柱的震損,試驗(yàn)中,通過(guò)對(duì)框架柱試件預(yù)先進(jìn)行低周反復(fù)預(yù)損加載來(lái)實(shí)現(xiàn)[13]。對(duì)各試件先進(jìn)行低周反復(fù)加載至破壞,模擬地震作用形成預(yù)損。各試件卸載后經(jīng)修復(fù)與加固后,再加載至破壞,試件Z1,Z2,Z3加固后分別命名為Z1-R,Z2-R,Z3-R,各試件的加固參數(shù)見(jiàn)表5。
試件Z1-R僅使用高強(qiáng)灌漿料修復(fù)塑性鉸區(qū)域裂縫,未采用CFRP加固,該試件為試驗(yàn)對(duì)比柱。試件Z2-R在Z1-R加固形式基礎(chǔ)上,在柱身距梁柱交界處600mm內(nèi)橫向粘貼兩層CFRP套箍進(jìn)行加固。試件Z3-R在Z2-R加固形式基礎(chǔ)上,沿縱向粘貼兩層600mm長(zhǎng)CFRP,其底部延伸至底部梁作端部錨固,并使用槽形鋼板進(jìn)行錨固,然后在柱底部橫向粘貼兩層CFRP進(jìn)行加固。試件Z2-R與Z3-R的加固示意圖如圖2所示。為便于說(shuō)明,分別將試件Z1-R,Z2-R,Z3-R的加固方式命名為方式1、方式2、方式3。
預(yù)損試件加固參數(shù) 表5
圖2 試件Z2-R與Z3-R加固示意圖
試件基礎(chǔ)梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓與地面剛性錨固。試驗(yàn)開(kāi)展時(shí),豎向荷載通過(guò)2個(gè)100t液壓千斤頂施加在柱頂,設(shè)計(jì)軸壓比為0.2,在試件Z1頂施加400kN豎向荷載,在試件Z2與Z3頂施加560kN豎向荷載。試件頂部低周反復(fù)水平荷載由電液伺服作動(dòng)器施加,試驗(yàn)加載裝置與加載現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。
圖3 試驗(yàn)加載裝置和加載現(xiàn)場(chǎng)
本試驗(yàn)中試件預(yù)損階段與加固后兩階段均采用力-位移控制方法[14],柱端加載在縱筋屈服前采用荷載控制,每級(jí)循環(huán)1次,確定試件的屈服位移Δy;試件屈服后采用位移控制,每級(jí)增加1Δy,每級(jí)循環(huán)3次,當(dāng)試件的水平承載力下降至峰值荷載的85%以下或試件出現(xiàn)明顯破壞特征時(shí),停止試驗(yàn),試驗(yàn)加載制度如圖4所示。
圖4 試驗(yàn)加載制度
加固后對(duì)各試件首先施加豎向荷載,檢查各儀表是否正常工作,后進(jìn)入水平加載階段。為便于描述,規(guī)定作動(dòng)器加載方向拉為正,推為負(fù)。
試件Z1-R使用方式1進(jìn)行加固,即使用高強(qiáng)灌漿料修補(bǔ)裂縫后加載至破壞。在加載初期,試件Z1-R處于彈性階段,殘余變形較小,當(dāng)負(fù)向水平加載至60kN時(shí),柱右側(cè)根部距底部地基梁100mm處出現(xiàn)初始裂縫;當(dāng)負(fù)向加載至80kN時(shí),柱腳右側(cè)兩根鋼筋受拉屈服,此時(shí)加載由力控制轉(zhuǎn)為位移控制,試件Z1-R屈服位移Δy=12mm。當(dāng)位移加載至1Δy第2循環(huán)時(shí),距柱腳200mm截面出現(xiàn)一條沿45°斜向下發(fā)展的裂縫,隨著位移的不斷增大,原有裂縫不斷延伸貫通;當(dāng)位移加載至5Δy時(shí),柱腳出現(xiàn)較多豎向裂縫,受壓區(qū)灌漿料開(kāi)始?jí)核?,混凝土大面積剝落,柱腳箍筋、主筋外露;當(dāng)位移加載至7Δy第2循環(huán)時(shí),加固區(qū)域混凝土灌漿料嚴(yán)重壓潰,鋼筋壓屈并出現(xiàn)較大外鼓變形,試件的承載力下降至峰值荷載的85%以下,停止加載,試件最終呈現(xiàn)彎曲型破壞。試件Z1-R破壞形態(tài)及破壞時(shí)裂縫分布如圖5所示。
圖5 試件Z1-R破壞形態(tài)及破壞時(shí)裂縫分布
試件Z2-R使用方式2進(jìn)行加固,即經(jīng)高強(qiáng)灌漿料修補(bǔ)裂縫后,在距柱腳600mm內(nèi)橫向粘貼兩層CFRP套箍。在加載初期,試件Z2-R處于彈性狀態(tài),殘余變形較小,當(dāng)水平加載至90kN時(shí),柱腳出現(xiàn)水平初始裂縫;當(dāng)水平加載至120kN時(shí),柱腳受拉鋼筋屈服,在CFRP包裹范圍內(nèi)敲擊未發(fā)現(xiàn)有空洞聲,CFRP上也無(wú)裂縫產(chǎn)生,此時(shí)加載由力控制轉(zhuǎn)為位移控制,試件Z2-R屈服位移Δy=14mm。當(dāng)位移加載至1Δy第3循環(huán)時(shí),柱左側(cè)距柱底7cm處拐角處CFRP出現(xiàn)第一條裂縫并向兩側(cè)面延伸;當(dāng)位移加載至3Δy時(shí),柱左側(cè)距柱底6cm處CFRP受壓鼓曲,敲擊有空洞聲;當(dāng)位移加載至4Δy時(shí),柱右側(cè)距柱底35cm處,即CFRP與混凝土交界處,CFRP壓屈鼓曲,敲擊伴隨空洞聲,當(dāng)加載位移繼續(xù)增大,柱4個(gè)側(cè)面出現(xiàn)多條水平裂縫,柱腳部分CFRP由于鼓曲嚴(yán)重被撐裂,裂縫寬度3mm左右;當(dāng)位移加載至8Δy第3循環(huán)時(shí),柱腳地梁裂縫溢出大量灌漿料碎末,試件承載力下降至峰值荷載的85%以下,停止加載,試件最終呈現(xiàn)彎曲型破壞。試件Z2-R破壞形態(tài)及破壞時(shí)裂縫分布如圖6所示。
圖6 試件Z2-R破壞形態(tài)及破壞時(shí)裂縫分布
試件Z3-R采用方式3進(jìn)行加固,即經(jīng)高強(qiáng)灌漿料修補(bǔ)裂縫后,在距柱腳600mm內(nèi)橫向粘貼兩層CFRP套箍,并沿縱向粘貼兩層CFRP,其底部延伸至底部梁作端部錨固,然后橫向粘貼兩層CFRP加固。在加載初期,試件Z3-R處于彈性狀態(tài),殘余變形較小,當(dāng)水平加載至100kN時(shí),柱腳出現(xiàn)第一條裂縫;當(dāng)水平加載至140kN時(shí),柱腳受拉鋼筋屈服,CFRP上無(wú)裂縫產(chǎn)生,此時(shí)加載由力控制轉(zhuǎn)移為位移控制。當(dāng)位移加載至2Δy時(shí),柱右側(cè)距底部14cm拐角處出現(xiàn)第一條CFRP裂縫,并向兩側(cè)面延伸;當(dāng)位移加載至3Δy時(shí),柱左側(cè)面距底部35cm處(即灌漿料與原混凝土交界處)CFRP受壓鼓曲;當(dāng)位移加載至5Δy時(shí),CFRP出現(xiàn)清脆的開(kāi)裂聲,裂縫中外溢出灌漿料碎末;當(dāng)位移加載至7Δy時(shí),柱腳地梁裂縫中大量灌漿料碎末滲出,承載力下降至峰值荷載的85%以下,停止加載,試件最終呈現(xiàn)彎曲型破壞。試件Z3-R破壞形態(tài)及破壞時(shí)裂縫分布如圖7所示。
圖7 試件Z3-R破壞形態(tài)及破壞時(shí)裂縫分布
試件Z1-R,Z2-R,Z3-R雖然采用了不同的修復(fù)加固方式,但在柱頂水平低周反復(fù)荷載作用下均呈現(xiàn)彎曲型破壞,采用CFRP加固的試件符合“強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)計(jì)要求。
試件Z1與Z1-R,Z2與Z2-R,Z3與Z3-R的實(shí)測(cè)滯回曲線(xiàn)如圖8所示,從圖中曲線(xiàn)可以看出:
圖8 各試件實(shí)測(cè)滯回曲線(xiàn)
圖9 各試件實(shí)測(cè)骨架曲線(xiàn)
(1)各試件具有部分共同的滯回特征,在水平荷載加載初期,試件處于彈性階段,試件總體變形較小,卸載后的殘余應(yīng)力也較小,加載時(shí)滯回曲線(xiàn)斜率變化較小,正向和反向加卸載循環(huán)一周形成的滯回環(huán)不明顯。彈塑性工作階段,加載時(shí)滯回曲線(xiàn)的斜率隨水平加載位移的增大而減小,卸載后的殘余變形不斷增大。在同一級(jí)位移控制加載階段的3個(gè)循環(huán)中,后一次循環(huán)曲線(xiàn)的斜率和最大荷載均小于前一次循環(huán),試件的承載力和剛度隨加載位移增大而不斷退化。隨水平位移進(jìn)一步增大,試件進(jìn)入塑性階段,位移迅速增大,卸載曲線(xiàn)陡峭,變形恢復(fù)較小,位移滯后明顯。
(2)試件加固后捏攏現(xiàn)象相對(duì)較小,試件出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象的原因在于裂縫在閉合過(guò)程中不需要外力做功,試件卸載時(shí)恢復(fù)力有指向原點(diǎn)的趨勢(shì),試件加固后灌漿料與環(huán)氧樹(shù)脂的添加提高了柱的抗拉變形能力,減小了裂縫的寬度,從而減小了試件的捏攏現(xiàn)象。
(3)加固后各試件的承載力相對(duì)于原框架柱都有所降低,說(shuō)明試件損傷后,修復(fù)加固只能部分恢復(fù)損傷,修復(fù)后各柱仍存在殘余損傷。
(4)加固后各試件的延性均得到不同程度的提高,原因在于高強(qiáng)灌漿料強(qiáng)度高于混凝土,且外包CFRP會(huì)使核心區(qū)混凝土處于三向受壓狀態(tài),因此各柱縱向受力鋼筋受力性能充分發(fā)揮,提高了加固后試件的抗震性能。
試件Z1與Z1-R,Z2與Z2-R,Z3與Z3-R的實(shí)測(cè)骨架曲線(xiàn)及對(duì)比如圖9,10所示,試件在柱恒定軸力和水平反復(fù)荷載作用下經(jīng)歷了彈性、彈塑性、屈服和破壞四個(gè)階段,從圖中曲線(xiàn)可以看出:
圖10 各修復(fù)后試件骨架曲線(xiàn)對(duì)比
(1)由圖9可知,加固后試件Z1-R,Z2-R,Z3-R與試件Z-1,Z-2,Z-3相比,承載能力與剛度有較大的降低,說(shuō)明采用上述3種方式進(jìn)行震損柱的加固不能完全恢復(fù)結(jié)構(gòu)原有的承載能力與剛度。
(2)由圖10對(duì)比各加固后試件的骨架曲線(xiàn)可知,加固后試件Z2-R與Z3-R的初始剛度均大于試件Z1-R,說(shuō)明與僅采用高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行修復(fù)相比,采用CFRP加固能夠有效提高震損柱的初始剛度,同時(shí)試件Z3-R的剛度大于試件Z2-R,說(shuō)明采用方式3加固與采用方式2加固相比能夠更為有效地提高震損柱的剛度。
(3)由圖10對(duì)比各加固后試件的骨架曲線(xiàn)可知,試件Z2-R的承載力高于試件Z1-R,原因在于采用橫向CFRP套箍加固能夠使核心區(qū)灌漿料處于三向應(yīng)力狀態(tài)。試件Z3-R的承載力高于試件Z2-R,原因在于加固方式3在橫向粘貼CFRP套箍的基礎(chǔ)上再沿縱向粘結(jié)CFRP,提高了修復(fù)后試件的承載能力。
各試件位移延性使用延性系數(shù)Δu度量[15],延性系數(shù)按照式(1)計(jì)算:
(1)
式中:Δx為試件屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的加載位移;Δy為試件滯回曲線(xiàn)中荷載下降至峰值承載力的85%所對(duì)應(yīng)的加載位移。
各試件加固前后延性系數(shù)及耗能指標(biāo)見(jiàn)表6,由表6可以看出:
(1)加固后試件Z1-R,Z2-R,Z3-R延性系數(shù)較加固前試件Z1,Z2,Z3分別提升了15.3%,58.8%,29.6%,說(shuō)明3種加固方式均能夠提升試件的延性。
(2)試件Z2-R與Z3-R延性的提升高于試件Z1-R,說(shuō)明采用CFRP加固能夠更有效地提升試件的變形能力,有利于提高柱的抗震性能。
圖11 各試件承載力退化曲線(xiàn)對(duì)比
各試件位移延性系數(shù)表6
試件的承載力恢復(fù)系數(shù)βi按式(2)計(jì)算:
(2)
式中:Fra為加固后試件峰值承載力平均值;Fura為加固前試件峰值承載力平均值。
各試件加固前后的峰值承載力對(duì)比見(jiàn)表7,由表7可以看出:
(1)各試件加固后的承載力能均低于原框架柱,試件Z1-R,Z2-R,Z3-R的承載力恢復(fù)程度分別為55.2%,68.3%和60.8%,加固后各試件承載力不能恢復(fù)到原有水平。
(2)試件Z2-R,Z3-R的承載力恢復(fù)程度高于試件Z1-R,說(shuō)明采用橫向CFRP套箍加固能夠有效約束核心區(qū)混凝土,提高試件受損后的承載力恢復(fù)程度。
各試件峰值承載力對(duì)比 表7
承載力退化反映結(jié)構(gòu)的累積損傷,是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)。本文采用承載力退化系數(shù)αi來(lái)反映試件在加載過(guò)程中的荷載整體退化特征,承載力退化系數(shù)αi按式(3)[16]計(jì)算:
(3)
式中:Vi為第i次加載循環(huán)時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值荷載;Vmax為試件整個(gè)加載過(guò)程中所得到的最大荷載。
根據(jù)試驗(yàn)得到各試件承載力退化曲線(xiàn)及對(duì)比如圖11,12所示,由圖可知:
(1)隨加載位移的增大,各試件的承載力總體呈退化的趨勢(shì),這主要是因?yàn)樵嚰鄯e的損傷導(dǎo)致的,宏觀(guān)表現(xiàn)為試件縱筋的屈服以及塑性鉸的產(chǎn)生。
(2)如圖11(b)所示,試件Z2-R承載力達(dá)到峰值后,隨水平位移的增加,承載力表現(xiàn)較為穩(wěn)定,承載力退化曲線(xiàn)較為平穩(wěn),表現(xiàn)出良好的延性,說(shuō)明在較大側(cè)移條件下,橫向CFRP套箍加固對(duì)試件起到良好的加固作用。
(3)如圖11(c)所示,試件Z3-R達(dá)到峰值荷載后承載力不夠穩(wěn)定,主要原因?yàn)榧虞d至峰值荷載后,試件Z3-R縱向CFRP受拉撕裂,端部荷載轉(zhuǎn)由縱筋承擔(dān),此時(shí)縱筋處于二次損傷狀態(tài),導(dǎo)致試件承載力退化曲線(xiàn)不穩(wěn)定。
(4)如圖12所示,各試件加載至第27循環(huán)時(shí),試件Z1-R,Z2-R,Z3-R的承載力分別下降至峰值承載力的76.2%,96%,88.8%,說(shuō)明CFRP加固能夠有效約束混凝土,延緩試件側(cè)向剛度的降低。
圖12 各修復(fù)后試件承載力退化曲線(xiàn)對(duì)比
圖13 各試件剛度退化曲線(xiàn)對(duì)比
剛度退化采用不同加載位移下滯回曲線(xiàn)的割線(xiàn)剛度ki表征[17],ki按照式(4)計(jì)算:
(4)
式中:±Fi為第i次循環(huán)正、反方向加載時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)荷載;±Δi為第i次循環(huán)正、反加載時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)位移。
根據(jù)試驗(yàn)曲線(xiàn)得到的各試件割線(xiàn)剛度ki如圖13所示,由圖可知:
(1)各試件剛度退化曲線(xiàn)呈傾斜的階梯狀,隨加載循環(huán)次數(shù)的增多,試件割線(xiàn)剛度逐漸降低,且退化速度隨加載位移增大逐漸降低。
(2)各試件加固后的初始剛度較加固前有明顯降低,試件Z1-R,Z2-R,Z3-R的初始剛度分別為試件Z1,Z2,Z3的52%,65%,75%,說(shuō)明震損柱內(nèi)部的殘余變形和裂縫對(duì)加固后柱的初始剛度影響較大,CFRP加固不能修復(fù)震損柱的初始剛度。
(3)對(duì)比各加固后試件的剛度,試件Z2-R的剛度大于試件Z1-R,說(shuō)明方式2加固與方式1加固相比,能夠有效地提高震損柱的剛度。試件Z3-R的剛度大于試件Z2-R,說(shuō)明方式3加固與方式2加固相比能夠更為有效地提高震損柱的剛度。
(1)經(jīng)過(guò)3種加固方式加固后的試件在水平低周反復(fù)荷載作用下經(jīng)歷了彈性、屈服、極限、破壞等階段,最終因柱底產(chǎn)生塑性鉸破壞,各加固后試件均呈現(xiàn)彎曲型破壞特征,說(shuō)明采用CFRP對(duì)震損混凝土柱進(jìn)行加固能夠滿(mǎn)足“強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)計(jì)要求。
(2)采用3種方式進(jìn)行加固后的試件,其承載能力與剛度均低于原框架柱,但延性均高于震損試件,同時(shí)荷載退化水平與剛度退化水平有顯著降低,說(shuō)明采用CFRP進(jìn)行加固不能完全修復(fù)因柱內(nèi)殘余變形與裂縫導(dǎo)致的承載力與剛度損失,但CFRP材料良好的抗拉性能與變形能力能夠提高震損試件的延性以及試件的承載力穩(wěn)定性。
(3)本文采用的3種加固方式均能夠有效恢復(fù)震損柱的抗震性能,其中采用方式2進(jìn)行加固的試件具有較高的延性與承載力恢復(fù)水平,采用方式3加固的試件具有較高的承載力與剛度。