碳纖維增強(qiáng)塑料條帶約束短柱軸壓性能試驗(yàn)

鄧 宇, 孫 飛, 張 鵬, 趙曉冬, 桂金洋

(廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006)

0 引 言

在環(huán)境因素影響下, 普通混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部鋼筋極易受到碳化和腐蝕, 導(dǎo)致鋼筋強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)承載力降低, 還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性和安全性造成不利影響, 因此學(xué)者提出利用碳纖維布在混凝土柱表面進(jìn)行包裹加固[1-2]。 對(duì)于普通混凝土柱, 在軸向壓力作用下, 箍筋約束的存在會(huì)對(duì)核心區(qū)混凝土產(chǎn)生良好的約束效果, 對(duì)提高構(gòu)件的承載力擁有關(guān)鍵作用。

關(guān)于軸壓柱的箍筋約束類型研究逐漸增多： 王剛[3]提出高強(qiáng)箍筋約束, 惠寬堂等[4]將碳纖維約束與箍筋約束的軸壓性能進(jìn)行對(duì)比, 魏洋等[5]提出玄武巖纖維-箍筋復(fù)合約束, 邱紅利等[6]提出復(fù)材網(wǎng)格箍筋, 還有一些學(xué)者從配箍形式出發(fā)展開(kāi)了大量研究[7-10]。 由此可以看出， 非傳統(tǒng)箍筋對(duì)于混凝土柱的約束性能在研究中越來(lái)越被重視。從增強(qiáng)箍筋約束效果和解決鋼筋易碳化銹蝕出發(fā), CFRP布具有污染小、 質(zhì)量輕、 強(qiáng)度高、 抗疲勞性能好、 方便施工和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn), 以其來(lái)代替或部分代替普通鋼筋能很好地發(fā)揮其特性。

課題組前期對(duì)CFRP開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究[11-14]： 由CFRP筋制成復(fù)合筋配置在梁中研究其受力性能； 隨后將CFRP布對(duì)柱表面進(jìn)行包裹, 研究其偏心加載下的受力性能； 而對(duì)于承受軸心受壓荷載的混凝土短柱, 提出CFRP條帶約束, 將豎向鋼筋通過(guò)CFRP條帶環(huán)向包裹, 可以在簡(jiǎn)化纖維的錨固措施情況下讓其抗拉性能充分發(fā)揮。 與用傳統(tǒng)鋼筋作為箍筋的混凝土短柱相比, CFRP不僅具有重量輕而且有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性能與綠色環(huán)保等特點(diǎn), 本文分別對(duì)配置普通箍筋和CFRP條帶約束的混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn), 對(duì)其受力全過(guò)程、 破壞形式、 承載力等進(jìn)行研究分析。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)柱的截面尺寸均為200 mm×200 mm, 柱高600 mm, 試驗(yàn)短柱的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為約束類型、 約束的配置間距和混凝土強(qiáng)度等級(jí)。為防止柱頭過(guò)早破壞, 試驗(yàn)柱柱端的箍筋加密布置。碳纖維布采用HM-20卷材(厚0.111 mm、 寬100 mm), 制作時(shí)裁剪出長(zhǎng)740 mm、 寬60 mm的CFRP布, 將CFRP布沿著寬度方向?qū)φ蹆纱? 之后將其沿著長(zhǎng)度方向?qū)v向鋼筋進(jìn)行綁扎, 碳纖維布形成的箍筋搭接長(zhǎng)度為10 cm[15], 搭接處的粘結(jié)劑采用碳纖維底膠。試驗(yàn)柱具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1, 主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1， 共制作了12組短柱試件, 其中PZ6、 CZ6用于觀察試件內(nèi)部混凝土的破壞狀況。

圖1 短柱設(shè)計(jì)圖(單位:mm)

表1 短柱的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 材料的力學(xué)性能

CFPR條帶HM-20與粘結(jié)劑材料HM-180性能具體參數(shù)見(jiàn)表2?；炷梁弯摻畹牧W(xué)性能具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 CFRP條帶與碳纖維底膠材料性能

表3 混凝土和鋼筋的力學(xué)性能

1.3 加載方案與測(cè)點(diǎn)布置

采用500 t液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向加載, 通過(guò)多功能靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)來(lái)采集應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù), 軸向壓縮位移由安裝在試件上的位移計(jì)適時(shí)采集。位移計(jì)的布置見(jiàn)圖2、 試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖3。

圖2 軸向加載位移計(jì)布置圖

圖3 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)正式開(kāi)始前, 對(duì)試件進(jìn)行幾何對(duì)中和預(yù)加載, 預(yù)加荷載取預(yù)估極限荷載的10%, 待檢查加載系統(tǒng)和各測(cè)點(diǎn)工作運(yùn)行正常后卸載。通過(guò)力控制方式進(jìn)行正式加載, 開(kāi)裂前每級(jí)荷載增量為20 kN, 開(kāi)裂后至預(yù)估屈服荷載階段, 荷載增量取10%預(yù)估極限荷載值; 屈服后荷載增量取5%的預(yù)估極限荷載值。各級(jí)加載持荷2 min, 觀察裂縫, 臨近破壞時(shí)緩慢加載, 當(dāng)試件承載力降至0.8Pu(峰值荷載值)時(shí)構(gòu)件破壞, 停止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

短柱的破壞形態(tài)如圖4所示, 所有短柱的加載均按照加載方案進(jìn)行。 加載初期, 所有試驗(yàn)柱表面基本沒(méi)有明顯變化, 處于線彈性階段； 當(dāng)加載到0.2～0.25Pu時(shí), 柱頂或者柱底的角部出現(xiàn)裂縫, 長(zhǎng)度在20～25 mm, 且混凝土表面有少量起皮； 繼續(xù)加載, 各側(cè)面角部新增少量豎向裂縫, 增加速度緩慢, 裂縫長(zhǎng)度100～200 mm, 伴有輕微的噼啪聲； 接近極限荷載時(shí), 角部區(qū)域的混凝土被壓酥, 各側(cè)面豎向裂縫急劇增多縱向貫通并不斷發(fā)出脆響, 達(dá)到極限荷載以后, 承載力下降迅速, 混凝土大面積鼓起并脫落, CFRP條帶約束短柱最終為剪切型破壞, 與普通箍筋混凝土短柱相似, 配置間距和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)試驗(yàn)柱的破壞過(guò)程影響較小。

圖4 短柱破壞與核心混凝土典型破壞(f, l)形態(tài)

加載結(jié)束后對(duì)未完全脫落的混凝土進(jìn)行剝離。 對(duì)于普通箍筋柱, 隨著箍筋配置間距增大和混凝土強(qiáng)度等級(jí)降低, 核心區(qū)混凝土有少量裂紋, 破壞情況逐漸嚴(yán)重(圖4f); 對(duì)于CFRP約束短柱, 縱向鋼筋有壓彎現(xiàn)象, 所有的CFRP箍筋均未拉斷, 只有部分試驗(yàn)柱中部的CFRP條帶搭接處存在松動(dòng)現(xiàn)象, 混凝土保護(hù)層在柱中部脫落嚴(yán)重, 角部的混凝土被壓酥, 核心區(qū)混凝土沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂紋, 主要原因是混凝土受CFRP條帶約束和箍筋作用, 其本身的強(qiáng)度和塑性得到提高, 整體性提升, 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)CFRP條帶約束短柱的破壞形態(tài)影響不明顯(圖4l)。

2.2 荷載-位移曲線

試驗(yàn)柱的荷載-位移關(guān)系曲線如圖5所示。 1)每個(gè)試件都經(jīng)歷了彈性和塑性發(fā)展兩個(gè)階段, CFRP條帶約束短柱和普通箍筋短柱在加載值為0.7～0.75Pu時(shí)呈現(xiàn)彈性受壓狀態(tài), 此后進(jìn)入塑性發(fā)展階段。2)普通箍筋短柱的配箍間距越小, 其峰值荷載越大, 并且在試件荷載-位移曲線達(dá)到峰值荷載后出現(xiàn)平緩的下降段, 配箍間距越小, 下降段越平緩, 表現(xiàn)出較好的延性(圖5a)。3)CFRP條帶約束短柱在配箍約束間距為35 mm時(shí)有較高的極限荷載, 說(shuō)明此時(shí)核心區(qū)混凝土約束效果比其他配箍間距較好, 提高了短柱的承載力, 但是當(dāng)達(dá)到極限荷載后, 隨著加載的繼續(xù), 試件CZ1的承載能力退化迅速(圖5b)。4)由圖5c可知, 當(dāng)約束混凝土的強(qiáng)度等級(jí)采用C30時(shí), CFRP條帶約束短柱與普通箍筋短柱的極限承載力基本保持在同一水平, 體現(xiàn)了CFRP條帶約束良好的約束效果, 但是同一荷載條件下, 普通箍筋短柱的軸向位移明顯大于CFRP條帶約束短柱, 且隨著加載進(jìn)行, 兩者的軸向位移差值逐漸增大, 在達(dá)到極限荷載附近時(shí)達(dá)到最大值, 體現(xiàn)了CFRP條帶良好的約束效果。 CFRP條帶約束的核心區(qū)混凝土和縱筋在較大的軸向壓力作用下的整體性優(yōu)異, 橫截面在加載過(guò)程中的抗彎剛度下降緩慢, 即使是試件中部的薄弱部位, 破壞前的剛度仍保持在較高水平, 說(shuō)明CFRP條帶約束短柱在軸壓荷載下?lián)碛懈叱休d、 小變形的受力特性, 具有較好的工程適用性。

圖5 不同箍筋形式的試驗(yàn)柱荷載-位移曲線

3 承載力影響因素分析

整理試驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù), 各試件極限荷載值如表4所示, 可以得出: 1)對(duì)于第1組普通箍筋短柱, 試驗(yàn)柱極限承載力與箍筋間距成反比, 但是隨著箍筋間距的增大, 曲線走勢(shì)逐漸趨于水平, 說(shuō)明箍筋間距對(duì)極限承載力的影響減弱, 原因是當(dāng)箍筋間距增大到一定程度, 試驗(yàn)柱的配箍率降低, 接近配箍限值, 箍筋對(duì)縱筋和核心區(qū)混凝土的約束作用迅速減弱。

表4 各試件主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2)對(duì)于第2組CFRP條帶約束短柱, 隨著箍筋間距的增大, 試驗(yàn)柱的極限承載力隨著約束間距的減小而減小, 原因是CFRP條帶約束在橫截面和沿柱高方向都存在拱效應(yīng)[4], 見(jiàn)圖6。 當(dāng)箍筋間距較小時(shí)沿柱高方向都是強(qiáng)約束區(qū), 側(cè)向受到極大的約束, 在軸向壓力不大時(shí)近似處于軸心受壓狀態(tài)。當(dāng)軸向壓力達(dá)到較高水平時(shí), 位移增長(zhǎng)速率加快, 柱中受拉區(qū)CFRP條帶易產(chǎn)生脫落甚至崩斷現(xiàn)象, 延性不理想, 但是隨著箍筋間距增大, 強(qiáng)約束區(qū)拱效應(yīng)減弱, 上下相鄰的CFRP條帶約束拱效應(yīng)相疊合區(qū)域減小, 既減小弱約束區(qū)的高度, 又提高試驗(yàn)柱的延性; 當(dāng)箍筋間距繼續(xù)增大, 相鄰CFRP條帶間距不斷增大, 弱約束區(qū)高度不斷增大, 兩CFRP條帶的中部截面約束效果基本喪失, 成為薄弱部位, 承載力也隨之減弱。

圖6 CFRP條帶約束效應(yīng)

3)對(duì)于普通箍筋短柱, 隨著約束混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高, 極限承載力增大7%; 對(duì)于CFRP約束短柱, 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)約束短柱的影響有限, 基本可以忽略不計(jì), 原因是CFRP包裹的層數(shù)較少, 提供的環(huán)向約束力和剛度有限, 當(dāng)試驗(yàn)柱采用C30混凝土?xí)r, 核心區(qū)的約束混凝土抗壓強(qiáng)度還未達(dá)到最大值, 便由于環(huán)向約束不足而較早發(fā)生破壞, 說(shuō)明CFRP環(huán)向約束強(qiáng)度不足時(shí), 增大約束混凝土強(qiáng)度的作用有限; 通過(guò)比較試件PZ6和CZ6可知, 盡管普通箍筋的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CFRP條帶, 對(duì)核心區(qū)混凝土的約束效果高于條帶CFRP約束, 但是兩種約束短柱的極限承載力是很接近的, 說(shuō)明當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低時(shí), 即使CFRP包裹的層數(shù)少, CFRP條帶約束短柱的極限承載力也能滿足受力要求, 約束效果較理想。

4 承載力計(jì)算

通過(guò)分析可知, CFRP條帶約束混凝土的機(jī)理與其他單一材料約束混凝土相似, CFRP條帶對(duì)混凝土施加側(cè)向約束, 使得混凝土處于三向受壓狀態(tài), 其承載能力和變形能力得到有效地提高, 隨著CFRP條帶布置間距的減小, 提高效果顯著。如圖7所示, 首先假定每條邊上提供的側(cè)向約束是均勻分布的, 由靜力平衡條件可以求得側(cè)向約束力

圖7 計(jì)算簡(jiǎn)圖

(1)

同理可推得普通箍筋約束的側(cè)向力為

(2)

式中:AC為CFRP條帶截面面積;As為鋼筋截面面積;fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度;fCFRP為CFRP條帶的抗拉強(qiáng)度;dc為約束寬度;s為配置間距。

同時(shí)參考了Pellegrino等[16]基于其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析給出的適用于FRP約束的矩形截面的混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式, 對(duì)施加CFRP條帶約束和普通箍筋約束的混凝土強(qiáng)度f(wàn)cc、fcs進(jìn)行修正, 則有

fcc/fc0=1+2.95(flx/fc0)0.6,

(3)

fcs/fc0=1+2.95(fls/fc0)0.4,

(4)

式中:fc0為未約束的混凝土強(qiáng)度。

參考我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)鋼筋混凝土軸壓構(gòu)件正截面承載力計(jì)算公式, 對(duì)該試驗(yàn)的約束混凝土短柱承載力進(jìn)行計(jì)算, 則有

N=0.9φ(fbAb+fc0Ab0+fyAs),

(5)

式中:N為約束混凝土短柱承載力計(jì)算值;φ為考慮長(zhǎng)細(xì)比的穩(wěn)定系數(shù), 考慮到該試驗(yàn)構(gòu)件為短柱, 取值為1;fb、fc0分別為約束后和未約束的混凝土強(qiáng)度;Ab、Ab0為受約束和未約束混凝土截面面積。

通過(guò)對(duì)比表5試驗(yàn)柱承載力的計(jì)算值與試驗(yàn)值發(fā)現(xiàn), 誤差率在8%以內(nèi), 吻合良好。

表5 試驗(yàn)柱承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值的對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)CFRP條帶約束混凝土短柱與普通箍筋混凝土短柱的破壞過(guò)程和最終形態(tài)類似, 均表現(xiàn)為明顯的剪切型破壞特征, 約束間距和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)破壞形態(tài)無(wú)明顯影響。

(2)普通箍筋約束短柱的極限承載力與箍筋間距成反比, 與混凝土強(qiáng)度等級(jí)成正比, 后者的影響更明顯; CFRP條帶約束短柱的承載力與混凝土強(qiáng)度等級(jí)關(guān)聯(lián)不大, 隨著約束間距的減小而增大, 但是約束間距過(guò)小會(huì)降低試驗(yàn)短柱的延性, 說(shuō)明選擇合適的約束間距對(duì)于CFRP條帶約束混凝土短柱的約束效果和極限承載力至關(guān)重要。

(3)當(dāng)采用C30混凝土?xí)r, 兩種約束短柱的承載力基本保持同一水平, 但是采用C35時(shí), CFRP條帶約束混凝土短柱的極限承載力和延性小于普通箍筋混凝土短柱, 當(dāng)CFRP條帶包裹層數(shù)較少時(shí), 宜適量降低約束混凝土強(qiáng)度等級(jí), 以發(fā)揮CFRP條帶良好的約束效果, 提高構(gòu)件的延性。

(4)基于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35的短柱, 提出其受約束后混凝土強(qiáng)度的修正公式和承載力計(jì)算公式, 與試驗(yàn)值比較, 吻合度較好。