內(nèi)置鋼板預(yù)制殼加固RC柱軸壓性能試驗(yàn)研究

馬 高，曹瓊方，曾 敏

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；3.長(zhǎng)沙市裝配式建筑產(chǎn)業(yè)鏈推進(jìn)辦公室，湖南 長(zhǎng)沙 410005)

目前，RC柱加固的主要方法有增大截面法、粘貼鋼板法、FRP加固法等。這些方法在工程中已有廣泛應(yīng)用，但存在如下缺點(diǎn)：增大截面法通過(guò)增大構(gòu)件截面面積來(lái)提高結(jié)構(gòu)承載力，工藝簡(jiǎn)單，但現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)大且增加結(jié)構(gòu)自重，對(duì)生產(chǎn)、生活和結(jié)構(gòu)的外觀、凈空影響較大；粘貼鋼板法對(duì)使用空間影響小，但鋼板粘接材料對(duì)使用環(huán)境有限制，鋼板易遭受環(huán)境腐蝕和存在抗火的問(wèn)題；FRP加固法施工便捷，具有良好的耐腐蝕性能，但所用樹(shù)脂基體的耐火性與耐高溫性能不足。鑒于上述加固方法存在的問(wèn)題，本文提出了采用裝配式方法進(jìn)行加固的新理念[1]，尋求一種快捷有效加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的方式，對(duì)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)具有重要意義。

內(nèi)置鋼板預(yù)制殼(Steel Plate Prefabricated Shell， SPPS)加固方法是筆者課題組結(jié)合增大截面法和鋼板加固技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上提出的新型加固技術(shù)[2-6]。該技術(shù)施工時(shí)先安裝預(yù)制殼(由鋼骨架和高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料組成)，現(xiàn)場(chǎng)焊接后再支模澆筑高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，其優(yōu)勢(shì)在于施工快捷，加固層較薄，對(duì)原有空間影響較小。高強(qiáng)灌漿料可作為預(yù)制殼內(nèi)鋼骨架的保護(hù)層，提高其抗腐蝕和抗火災(zāi)能力。灌漿料與混凝土同為水泥基材料，且具有微膨脹、無(wú)收縮的特點(diǎn)，使得二者間有較高的相容性和工作協(xié)調(diào)性，從而保證預(yù)制殼與原柱混凝土之間粘結(jié)緊密。為研究該方法對(duì)加固既有舊建筑物和新建筑物的不同效果，本文按照新舊規(guī)范設(shè)計(jì)了2種配箍率柱和素混凝土柱，采用SPPS加固后進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，探討柱配箍率、鋼板箍配鋼率對(duì)加固柱軸壓性能的影響規(guī)律，并提出SPPS加固柱的軸壓承載力計(jì)算方法。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6根混凝土方柱，尺寸為250 mm×250 mm×625 mm，其中素混凝土柱2根，RC柱4根，其配筋信息見(jiàn)圖1。根據(jù)柱內(nèi)部配箍率不同，分為H1和H2兩組，體積配箍率分別為0.49%和0.98%。采用預(yù)制殼對(duì)其進(jìn)行加固，見(jiàn)圖2，加固后截面試件尺寸為330 mm×330 mm。殼體可提前預(yù)制，加固時(shí)，預(yù)制殼與混凝土柱之間預(yù)留縫隙，在2預(yù)制殼之間預(yù)留的鋼板處進(jìn)行疊合搭接并焊接，隨后在預(yù)留縫隙內(nèi)灌入高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，使兩者之間粘結(jié)牢靠，形成受力整體。

(a)柱縱剖面

(a) 加固柱縱剖面

1.2 預(yù)制殼制作與試件加固

鋼骨架根據(jù)橫向鋼板箍配鋼率不同分為S1和S2兩種。預(yù)制殼為槽型狀，壁厚30 mm，高度605 mm，由鋼骨架和高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料組成，鋼骨架厚度為6 mm，見(jiàn)圖3(a)。預(yù)制殼的制作工序如下：拼裝鋼模[鋼模由外立模、內(nèi)立模、側(cè)模、底模和對(duì)拉螺桿等組成，見(jiàn)圖3(b)]，將鋼骨架放入模具中；將拌合的灌漿料澆入鋼模內(nèi)成型；在室溫下靜置24 h后養(yǎng)護(hù)28 d。圖3(c)為澆筑好的預(yù)制外殼，表面光滑平整。實(shí)際應(yīng)用時(shí)該預(yù)制殼可以在工廠進(jìn)行制作，再運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝加固，能提高加固效率，縮短施工周期，具有良好的工程應(yīng)用前景。

采用內(nèi)置鋼板預(yù)制殼(Steel Plate Prefabricated Shell， SPPS)對(duì)RC柱進(jìn)行加固。加固施工順序?yàn)椋簶?gòu)件表面處理(混凝土柱表面和預(yù)制殼內(nèi)側(cè)鑿毛)，安裝2側(cè)預(yù)制殼并焊接預(yù)留鋼板，支模澆筑高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后拆模。預(yù)制殼與混凝土柱之間預(yù)留縫隙各邊為10 mm，預(yù)留鋼板搭接長(zhǎng)度為40 mm。圖3(d)為采用SPPS加固后的混凝土柱模樣。

(a)鋼骨架

1.3 材料性能與加載測(cè)量裝置

試驗(yàn)中混凝土的水、水泥、細(xì)砂和粗骨料的質(zhì)量配合比為0.53∶1∶1.45∶2.25，28 d測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)圓柱體抗壓強(qiáng)度f(wàn)co=27.8 MPa。試件的縱筋和箍筋分別選用HRB400和HPB300級(jí)鋼筋，縱筋配筋率為1.45%，其屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為417 MPa和606 MPa。箍筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為321 MPa和457 MPa，Q235鋼板的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為330 MPa和465 MPa。預(yù)制殼和現(xiàn)澆縫隙處均采用高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，實(shí)測(cè)同條件養(yǎng)護(hù)下的標(biāo)準(zhǔn)試件(40 mm×40 mm×160 mm)28 d抗壓強(qiáng)度為51.4 MPa。所有試件采用SPPS加固后加載至破壞，加載采用10 000 kN電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)，采用位移控制對(duì)試件進(jìn)行單調(diào)加載。在試件4個(gè)側(cè)面安裝位移計(jì)量測(cè)試件軸向位移，并在箍筋、縱筋和橫向鋼板箍上布置應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變，加載裝置見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞過(guò)程與失效模式

所有加固柱的破壞過(guò)程相似，典型破壞形態(tài)見(jiàn)圖5。加載初期，試件無(wú)明顯開(kāi)裂。達(dá)到峰值荷載后，預(yù)制殼四周角部出現(xiàn)裂縫，隨后表面出現(xiàn)多條微小縱向裂縫，試件的軸向和橫向變形增大，承載力逐漸下降。此后，縱向裂縫逐漸增多并延伸擴(kuò)展。當(dāng)承載力下降一定值后，核心混凝土受到的壓力通過(guò)灌漿料沿界面方向傳遞給加固層，使得加固層的灌漿料和鋼骨架共同承擔(dān)荷載，承載力再次上升。此時(shí)，預(yù)制殼四周角部裂縫明顯，并出現(xiàn)部分剝離。隨后，預(yù)制殼內(nèi)置鋼板的外側(cè)灌漿料出現(xiàn)片狀開(kāi)裂和剝落，鋼骨架露出，部分縱向短筋屈曲，加固層的承載能力和對(duì)內(nèi)部混凝土的約束能力下降，出現(xiàn)第2個(gè)承載力下降段。之后，縱向短筋不斷壓屈，橫向短筋向外鼓出，上下鋼板箍間的灌漿料不斷壓碎剝落，鋼板箍進(jìn)入強(qiáng)化階段，提供的側(cè)向約束力增加，試件承載力再次上升。當(dāng)試件中部或其附近的角部鋼板箍發(fā)生斷裂時(shí)，試驗(yàn)停止，鋼板斷裂截面見(jiàn)圖5(b)。試件破壞后整體變形嚴(yán)重，橫截面向外鼓出并趨于圓形，高強(qiáng)灌漿料壓碎，原柱保護(hù)層剝落嚴(yán)重，露出箍筋和屈曲縱筋。為安全起見(jiàn)，大部分試件在鋼板外側(cè)灌漿料剝落階段時(shí)已停止加載，故試件破壞后整體性較好，側(cè)向變形較小。

從圖5各破壞試件的對(duì)比中可以看出，橫向鋼板箍間距對(duì)破壞模式?jīng)]有顯著影響。PSH1S1加載至鋼板箍外側(cè)灌漿料幾乎完全剝落，露出鋼骨架，部分縱向短筋屈曲。PSH1S2加載至鋼板拉斷，縱向短筋嚴(yán)重屈曲，鋼板箍?jī)?nèi)側(cè)灌漿料和混凝土保護(hù)層壓碎剝落，整體變形大。PSH2S2加載至鋼板箍外側(cè)灌漿料剝落階段，此時(shí)加固柱較完整。

(a)PSH1S1

2.2 荷載-位移曲線與承載力分析

圖6為加固柱的軸向荷載-位移曲線。圖中RCH1和RCH2分別表示不同配箍率的RC柱，在達(dá)到峰值荷載后，荷載下降20%左右的荷載-位移曲線。加固柱的軸壓曲線可分為5個(gè)階段：① 上升段，達(dá)到峰值荷載前，荷載-位移基本保持線性；② 下降段I，預(yù)制殼表面和混凝土柱內(nèi)部產(chǎn)生裂縫并擴(kuò)展，承載力下降。對(duì)于加固素混凝土柱，承載力下降至峰值荷載的50%左右，隨著箍筋配箍率的增加，承載力下降幅度明顯減??；③ 恢復(fù)段I，核心混凝土受到的壓力通過(guò)灌漿料沿界面方向傳遞給加固層，導(dǎo)致承載力小幅提高；④ 下降段II，當(dāng)加固柱軸向位移接近20 mm左右時(shí)，加固層開(kāi)始接觸到加載面，加速了裂縫的發(fā)展和預(yù)制殼表面的剝落，加固層的承載和約束能力下降；⑤ 恢復(fù)段II，由于鋼板箍的應(yīng)變硬化性能，對(duì)內(nèi)部混凝土提供的側(cè)向約束力增加，承載力再次提高直至鋼板箍斷裂。

圖6 荷載-位移曲線

為研究箍筋配箍率對(duì)加固柱的影響規(guī)律，對(duì)比了圖6中的PSH0S1、PSH1S1和PSH2S1的荷載-位移曲線，結(jié)果表明：隨著配箍率的增加，峰值承載力得到提高，同時(shí)下降段I的承載力退化幅度減小。當(dāng)鋼板箍配鋼率相同時(shí)，配箍率對(duì)加固柱峰值承載力的影響很小，但提高配箍率能減緩下降段I的承載力退化。當(dāng)配箍率相同時(shí)，提高預(yù)制殼配鋼率可以有效提高峰值承載力。表1比較了加固柱的峰值承載力Ntu。隨著鋼板箍配鋼率的增加，H0，H1、H2系列柱的承載力提高幅度分別從30.2%、24.6%和20.8%提高到了43.0%、40.4%和34.3%。隨著RC柱配箍率的增加，S1和S2系列柱的承載力提高幅度從24.6%和40.4%下降到20.8%和34.3%，且相比素混凝土柱，加固柱H0S1和H0S2的峰值承載力提高了30.2%和43.0%，加固效果更為顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明，SPPS加固能有效提高混凝土柱的峰值承載力。隨著鋼板箍配鋼率的增加，加固效果顯著提高，且SPPS加固對(duì)素混凝土柱和低配箍率的RC柱更有效，更適用于既有舊建筑的加固改造。

表1 試件參數(shù)與主要試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Specimen details and main test results試件編號(hào)配箍率/%鋼板箍配鋼率/%hg×sg/mm承載力試驗(yàn)值Ntu/kN承載力提高幅度/%承載力計(jì)算值Ncu/kNNcu/NtuPSH0S1—2.760×1802 26130.22 0740.92 PSH0S2—3.660×1352 48543.02 2240.89 PSH1S10.492.760×1802 54624.62 4620.97 PSH1S20.493.660×1352 86940.42 6120.91 PSH2S10.982.760×1802 61320.82 5700.98 PSH2S20.983.660×1352 90734.3 2 7190.94 注:PS表示內(nèi)置鋼板預(yù)制殼加固柱;H1、H2分別代表體積配箍率為0.49%和0.98%;S1、S2分別代表鋼板箍配鋼率為2.7%和3.6%;hg和sg分別為鋼板箍的寬度和豎向中心間距。承載力提高幅度為加固柱峰值承載力與其對(duì)應(yīng)配箍的未加固柱峰值承載力相比。

3 加固柱軸壓承載力計(jì)算

3.1 側(cè)向約束機(jī)理

SPPS采用鋼板、灌漿料作為加固層，為原柱混凝土提供有效約束，提高了加固柱的承載能力。根據(jù)已有研究[7]可知，在側(cè)向約束作用下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨約束鋼筋體積配筋率的增大而增大。因此，提高鋼板箍的體積配鋼率可以有效提高加固構(gòu)件的承載力?？紤]到鋼板箍約束作用的不均勻性，截面可分為有效約束區(qū)和非有效約束區(qū)，并且約束作用在相鄰鋼板箍中部的混凝土截面最弱。鋼板箍約束方柱的貢獻(xiàn)可類比箍筋約束混凝土平面內(nèi)與箍筋之間存在拱作用模式[8]，約束應(yīng)力以拱的形式作用在有效約束區(qū)混凝土上，拱作用形狀為初始角度45°的二次拋物線[9-10]，見(jiàn)圖7。

(a)

令鋼板箍中心線內(nèi)側(cè)截面面積為Ae=bh-(4r2-πr2)，非有效約束區(qū)面積Ar和有效約束區(qū)面積Aq為

(1)

(2)

式中：b，h為鋼板箍沿x和y方向中心線間距;r為鋼板箍?jī)?nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角半徑。

核心區(qū)混凝土在軸壓力作用下產(chǎn)生橫向膨脹變形，這是由于鋼板箍直線段抗彎剛度較小，而轉(zhuǎn)角部位剛度較大，混凝土截面的側(cè)向應(yīng)力沿邊長(zhǎng)變化，越靠近角部約束作用越大。根據(jù)力的平衡條件，求得鋼板箍有效側(cè)向約束應(yīng)力fl為:

(3)

(4)

鋼板箍約束混凝土的抗壓強(qiáng)度可以寫為：

fcc=fco+5.1fl

(5)

式中：fco為非約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；fcc為鋼板箍約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。

3.2 軸壓承載力計(jì)算

(6)

未約束混凝土承擔(dān)的荷載為Nco=fcoAc，Ac為混凝土柱凈截面面積，縱筋承擔(dān)的荷載Ns=fysAs，As為RC柱縱筋截面面積，fys為縱筋屈服強(qiáng)度。

(7)

式中：flh為箍筋有效側(cè)向約束應(yīng)力；Ah為箍筋有效約束區(qū)面積?？蓞⒖糓ander等[8]針對(duì)箍筋約束混凝土柱提出的計(jì)算模型。

(8)

根據(jù)上述公式對(duì)加固柱進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)表1)，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好，且計(jì)算結(jié)果偏于安全。

4 加固工程實(shí)例分析

長(zhǎng)沙一棟待加固6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋，架空層③軸框架柱原混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，而實(shí)際檢測(cè)時(shí)的強(qiáng)度僅為C20，采用本文提出的內(nèi)置鋼板預(yù)制殼加固方法進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)。擬加固柱高2.0 m，截面尺寸為400 mm×400 mm，四周均勻布置8根直徑20 mm的HRB400縱筋，箍筋采用直徑8 mm，間距200 mm的HPB300光圓鋼筋，混凝土保護(hù)層厚度為30 mm。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)柱軸壓承載力設(shè)計(jì)值為2 840 kN，以C20混凝土強(qiáng)度計(jì)算得到的承載力為2 174 kN，因此，加固提高的承載力需大于666 kN。預(yù)制殼設(shè)計(jì)時(shí)，其厚度、灌漿料層縫隙寬度、鋼板厚度、寬度和材性均采用本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅對(duì)鋼板箍的凈間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，使加固方案更可靠。根據(jù)式(3)、 式(4)和式(8)計(jì)算得到凈間距為100 mm時(shí)，鋼板箍約束混凝土強(qiáng)度提高貢獻(xiàn)為682 kN，滿足加固要求，此時(shí)加固柱承載力比原柱提高31%。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)工程具體情況，通過(guò)改變鋼板箍間距、厚度對(duì)預(yù)制殼進(jìn)行設(shè)計(jì)，使加固方案更加合理。

5 結(jié)論

a.內(nèi)置鋼板預(yù)制殼加固可以有效改善混凝土柱的軸壓力學(xué)性能，峰值承載力提高了20.8%～43.0%，加固效果隨鋼板箍配鋼率增大和箍筋配箍率減小而提高。

b.持續(xù)加載至下降段Ⅱ時(shí)，加固試件的變形仍不明顯，整體性較好；當(dāng)加載至鋼板箍斷裂時(shí)，試件整體變形嚴(yán)重，橫截面向外鼓出并趨向于圓形，高強(qiáng)灌漿料壓潰，原柱保護(hù)層剝落嚴(yán)重，露出屈曲縱筋和箍筋。

c.提出了考慮箍筋和鋼板箍共同約束的軸壓承載力計(jì)算模型，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好，且計(jì)算結(jié)果偏于安全。