程?hào)|輝,高佩罡,曹佳麗

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

在結(jié)構(gòu)縱橫墻交接處、平面轉(zhuǎn)折處等部位采用T形、L形等異形截面柱[1-6]，相較于矩形截面柱具有減輕結(jié)構(gòu)自重、使室內(nèi)空間更加整潔、提高空間布置靈活性等優(yōu)勢,在滿足廣大人民群眾實(shí)際需求的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的目的。但隨著時(shí)間的增長,部分既有建筑在使用過程中逐漸出現(xiàn)了一系列問題。早期建筑物的使用功能可能發(fā)生改變,實(shí)際使用荷載增加,導(dǎo)致原有體系不能滿足新的承載力要求。由于新舊設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不同,導(dǎo)致一些既有建筑不能滿足當(dāng)前規(guī)范的功能要求,難以繼續(xù)使用。長期使用過程中材料老化、腐蝕性介質(zhì)侵蝕等因素也會(huì)導(dǎo)致建筑物使用壽命縮短或承載力降低。M.N.Youssef[7]通過對(duì)纖維增強(qiáng)聚合物(Fiber Reinforced Polymer,FRP)約束下的軸心受壓混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)受壓柱存在FRP約束強(qiáng)、弱之分,并依據(jù)試驗(yàn)給出了關(guān)于強(qiáng)、弱約束臨界點(diǎn)的判斷公式。朱俊濤等[8]采用CFRP布帶面積占圓柱表面積的30%和50%的兩種加固率加固不同損傷程度的混凝土圓柱,并對(duì)其進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)研究,損傷程度相同的試件,當(dāng)增加CFRP布用量時(shí),其極限承載力和延性隨之增大;當(dāng)CFRP布帶面積一定時(shí),混凝土柱損傷程度越大其極限承載力越低,且當(dāng)損傷程度超過0.6時(shí),此時(shí)混凝土柱出現(xiàn)豎向微裂縫,極限承載力下降較快。熊進(jìn)剛等[9]進(jìn)行了8根CFRP布加固混凝土方形截面柱的軸心受壓試驗(yàn),分析了CFRP布不同凈間距、不同幅寬、不同轉(zhuǎn)角曲率半徑等因素對(duì)加固效果的影響。CFRP布凈間距越小,混凝土柱極限承載力提高越大;CFRP布幅寬越大,混凝土柱極限承載力提高越明顯、變形能力越好;此外,柱承載能力的提高與柱轉(zhuǎn)角曲率半徑的增大并不呈線性增長關(guān)系,曲率半徑低于20mm時(shí),CFRP布易在轉(zhuǎn)角處撕裂;曲率半徑超過50 mm時(shí),對(duì)混凝土截面面積有所削弱,承載能力受到一定影響。薛鵬娜[10]研究了在軸心壓力作用下,矩形截面混凝土柱采用CFRP布和角鋼共同加固方法后柱的力學(xué)性能。得到了當(dāng)采用角鋼、CFRP布單一加固以及CFRP布、角鋼復(fù)合加固方法時(shí),試驗(yàn)柱的極限承載力、破壞形態(tài)以及延性等。當(dāng)混凝土柱采用角鋼、CFRP布共同加固時(shí),其破壞形式屬于延性破壞,加固混凝土柱的承載力顯著提高,受力性能得到明顯改善。盧亦焱等[11]進(jìn)行了22根CFRP布與角鋼復(fù)合加固軸心受壓混凝土方形截面短柱的試驗(yàn),復(fù)合加固混凝土方形截面柱充分發(fā)揮了CFRP布和角鋼加固混凝土柱的各自優(yōu)勢,二者能協(xié)調(diào)工作、共同作用,獲得良好的力學(xué)性能。目前,在結(jié)構(gòu)加固中,CFRP布加固、外包角鋼加固是其中較為常見的加固方法。由于CFRP布具備輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、施工方便、不增加混凝土構(gòu)件截面尺寸以及方便剪裁等優(yōu)點(diǎn)[12-18],因此被廣泛地應(yīng)用在實(shí)際工程中。但是,利用CFRP布對(duì)受壓構(gòu)件加固的研究多針對(duì)于規(guī)則形混凝土受壓構(gòu)件,如矩形、圓形截面柱等,而且在《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367—2013)利用復(fù)合材料對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行約束加固的規(guī)定中,尚無異形截面柱的加固設(shè)計(jì)方法及加固構(gòu)造措施。為了探究采用CFRP布加固對(duì)T形截面柱力學(xué)性能的影響,筆者提出了對(duì)T形截面柱采用CFRP布帶加固方式,并依據(jù)CFRP布用量相同但幅寬和凈距不同的狀況,設(shè)計(jì)制作了一定數(shù)量的試驗(yàn)柱,對(duì)CFRP布帶加固混凝土T形截面柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn),CFRP布帶加固T形柱,能夠在節(jié)約材料的基礎(chǔ)上獲得良好的加固效果。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

為了能夠準(zhǔn)確預(yù)測T形柱在軸心壓力作用下截面應(yīng)力分布、以期能夠采用正確的加固方式,在確定加固方案前利用有限元分析軟件對(duì)T形截面柱開展了軸心壓力作用下的應(yīng)力分析(見圖1)。

圖1 T形截面柱軸心壓力作用下的應(yīng)力云圖Fig.1 Stress nephogram of T column under axial pressure

在軸心壓力作用下,T形截面柱腹板處、翼緣下邊緣遠(yuǎn)離腹板處受壓且壓應(yīng)力較大,而翼緣與腹板交界處混凝土受壓較小。針對(duì)T形截面柱的應(yīng)力分布特點(diǎn),為了充分發(fā)揮CFRP布的抗拉強(qiáng)度,可以考慮利用CFRP布沿T形截面環(huán)繞粘貼,在翼緣與腹板交接處利用角鋼對(duì)CFRP布進(jìn)行錨固,防止加載過程中該處CFRP布與混凝土首先發(fā)生剝離。

圖2 混凝土加固示意圖Fig.2 Concrete reinforcement diagram

表1 試件參數(shù)及CFRP布用量Table 1 Test piece parameters and CFRP cloth usage

加固時(shí)所用CFRP布采用上海牛固建筑科技有限公司產(chǎn)品,其力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。浸漬膠采用上海牛固建筑科技有限公司生產(chǎn)的A、B雙組份無溶劑高強(qiáng)度環(huán)氧類膠黏劑按體積比為2∶1配制,其性能指標(biāo)如表3所示。鋼筋材料性能如表4所示。

表2 碳纖維布材料性能Table 2 CFRP cloth material properties

表3 碳纖維浸漬膠材料性能Table 3 Carbon fiber impregnated rubber material performance

表4 鋼筋材料性能Table 4 Rebar material performance

1.2 試驗(yàn)加載與數(shù)據(jù)量測

在5 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載。試驗(yàn)采用分級(jí)加載,前期每級(jí)荷載控制在計(jì)算極限荷載值的10%,每級(jí)加載間隔約為2 min。當(dāng)荷載達(dá)到計(jì)算極限荷載的90%后,以柱軸向位移1 mm/min進(jìn)行加載,當(dāng)承載力下降到極限荷載的60%時(shí)停止加載。在CFRP布帶之間的混凝土表面及CFRP布包裹處的混凝土表面均粘貼應(yīng)變片,在CFRP布各表面以及柱的縱向受力鋼筋表面粘貼應(yīng)變片,用以監(jiān)測各種材料的應(yīng)力變化。在柱兩端設(shè)置位移計(jì),用以監(jiān)測試驗(yàn)試件軸向變形。試驗(yàn)加載及量測裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載及量測裝置圖Fig.3 Test loading and measuring device

2 破壞現(xiàn)象

普通混凝土柱JGZ-1在加載過程中,當(dāng)加載至極限荷載的70%左右時(shí),試件腹板中部表面首先出現(xiàn)裂縫。繼續(xù)加載,混凝土柱各表面縱向裂縫不斷增多,裂縫高度不斷發(fā)展,當(dāng)達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí),柱的腹板底面混凝土被壓碎,試件宣告破壞。

第Ⅰ組試件中,當(dāng)JGZ-A1接近極限荷載時(shí),腹板中部、CFRP布帶之間的混凝土表面首先出現(xiàn)裂縫并開展迅速,當(dāng)試件達(dá)到極限承載力時(shí),縱向受力鋼筋率先屈服,腹板處混凝土被壓碎,試件破壞,破壞時(shí)CFRP布帶并未與混凝土發(fā)生剝離,破壞是由于CFRP布帶之間的混凝土被壓碎引起的。JGZ-A2和JGZ-A3兩根試件破壞過程大致相同:加載前期試件無明顯變化,繼續(xù)加載,部分環(huán)氧樹脂膠由于應(yīng)力過大而開裂,發(fā)出“啪啪啪”的響聲。臨近破壞時(shí),柱下方翼緣、腹板處混凝土外鼓,引起翼緣與腹板轉(zhuǎn)角處CFRP布帶逐漸發(fā)生剝離,混凝土失去約束,加固柱破壞。JGZ-A4在接近極限荷載時(shí),可以聽到間斷的碳纖維斷裂聲,此時(shí)腹板兩側(cè)混凝土發(fā)生明顯橫向變形,部分CFRP布發(fā)生剝離,最終伴隨著下方翼緣與腹板轉(zhuǎn)角處CFRP布的撕裂,試件宣布破壞。

第Ⅱ組試件中,JGZ-B1在臨近極限狀態(tài)時(shí),翼緣處混凝土裂縫快速發(fā)展、腹板中下部區(qū)域混凝土外鼓,當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),混凝土被壓碎。JGZ-B2和JGZ-B3兩根試件破壞過程大致相同:當(dāng)接近極限荷載時(shí),裂縫貫穿試件中下部區(qū)域,柱表面混凝土剝落,翼緣與腹板相交處角鋼均發(fā)生一定程度的彎曲,但CFRP布帶未被拉斷。JGZ-B4加載至極限荷載的80%時(shí),可以聽到環(huán)氧樹脂開裂產(chǎn)生的聲音,臨近極限荷載時(shí),由于腹板中上部混凝土的橫向變形,角鋼發(fā)生明顯彎曲。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),試件上方未被角鋼固定的CFRP布發(fā)生剝離,混凝土柱被壓碎。試件最終破壞現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 試件破壞現(xiàn)象Fig.4 The destruction of each specimen

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 承載力分析

混凝土柱的屈服荷載及極限荷載實(shí)測值如表5所示。

表5 試件承載力Table 5 Bearing capacity of each specimen

3.1.1 CFRP布對(duì)承載力的影響

相較于普通混凝土柱JGZ-1,利用CFRP布帶加固T形截面混凝土柱能夠有效地提高極限承載力,主要是因?yàn)镃FRP布帶能夠?qū)佑|部分的混凝土起到約束作用。構(gòu)件受荷過程中,隨著荷載的增加,混凝土內(nèi)部裂縫逐漸發(fā)展,構(gòu)件橫向變形增大,引起CFRP布帶環(huán)向約束應(yīng)力的增加,該約束應(yīng)力反作用于構(gòu)件的混凝土中,使混凝土承受環(huán)向壓應(yīng)力,限制了混凝土裂縫的發(fā)展,使混凝土的極限壓應(yīng)變得到提高、進(jìn)而提升了混凝土柱的極限承載力。

3.1.2 翼緣與腹板處角鋼的間接作用

翼緣與腹板交接處利用角鋼對(duì)CFRP布進(jìn)行錨固的第Ⅱ組試件,其實(shí)測承載力明顯高于同等情況下的第Ⅰ組試件承載力。其主要原因在于:前期的應(yīng)力分析表明,在軸心壓力作用下,T形構(gòu)件的腹板處混凝土及翼緣處混凝土的壓應(yīng)力較大,而翼緣與腹板轉(zhuǎn)角處承受的應(yīng)力較小。在軸向壓力下,翼緣及腹板的混凝土橫向變形容易使轉(zhuǎn)角處CFRP布承受法向拉力,該拉力易使CFRP布與混凝土剝離,從而導(dǎo)致CFRP布的加固失效。第Ⅱ組試件在翼緣與腹板轉(zhuǎn)角處設(shè)置角鋼,對(duì)CFRP布起到一定錨固作用,使腹板處的混凝土在荷載作用下發(fā)生較大橫向變形時(shí),CFRP布能夠充分發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度,更好地約束了混凝土的橫向變形和縱向裂縫的開展,因此第Ⅱ組試件實(shí)測極限承載力較第Ⅰ組試件承載力有較大幅度的提升。

3.1.3 CFRP布的帶寬與凈間距對(duì)承載力的影響

從表5可以看出,當(dāng)CFRP布用量相同時(shí),CFRP布帶之間的凈間距越小,加固后的極限承載力越大,主要原因在于:在軸向壓力作用下,混凝土的橫向變形受到CFRP布的約束作用,使混凝土處于三向壓力作用,CFRP布對(duì)混凝土的環(huán)向壓力作用隨著CFRP布距離的增加而逐漸減弱直至消失,因此,在CFRP布用量相同時(shí),若CFRP布帶寬度大而CFRP布帶凈距較遠(yuǎn)時(shí),布帶中間部分的混凝土受到的約束作用不明顯,在軸心壓力作用下,該處混凝土的橫向變形受到的約束小,形成破壞截面,最終該處的混凝土被壓碎。反之,若加固時(shí)CFRP布帶間距較小,布帶中間的混凝土也受到CFRP布帶的約束影響,延緩了混凝土裂縫的開展,提高了混凝土極限壓應(yīng)變,進(jìn)而提高了極限承載力。這也進(jìn)一步說明兩組試件中CFRP布沿構(gòu)件高度方向全部粘貼時(shí)的試件承載力最大的原因。

3.2 荷載-軸向位移分析

試驗(yàn)柱的軸向變形可以通過布置在柱上下兩端的位移計(jì)獲得。圖5為各試件的荷載-位移實(shí)測曲線。表6為試件實(shí)測的屈服位移和極限位移,以及由此計(jì)算得到的延性系數(shù)。試驗(yàn)過程中各試件的縱向受力鋼筋屈服時(shí)刻位移值相差不多,之所以第Ⅱ組試件的延性系數(shù)比第Ⅰ組延性系數(shù)高,就是因?yàn)橐砭壟c腹板轉(zhuǎn)角處設(shè)置的角鋼起到了很好的錨固作用,使CFRP布較好地發(fā)揮了抗拉強(qiáng)度,極限承載力提高幅度較大,因此延性系數(shù)較高。

圖5 荷載-軸向位移曲線Fig.5 Load-displacement curve

表6 試件位移Table 6 Displacement of each specimen

注:延性系數(shù)為試驗(yàn)柱極限位移與屈服位移的比值。

3.3 荷載作用下CFRP布與鋼筋應(yīng)力變化

加載過程中CFRP布以及鋼筋應(yīng)力變化情況如圖6所示,正值、負(fù)值分別表示鋼筋應(yīng)力增量和CFRP布應(yīng)力增量。從圖6可以看出,加載初期,兩組試件中CFRP布與鋼筋應(yīng)力增量呈線性關(guān)系且CFRP布應(yīng)力增量明顯小于鋼筋應(yīng)力增量,這是因?yàn)榧虞d初期柱的橫向變形不大,CFRP布拉應(yīng)力較小,荷載主要是由鋼筋及混凝土承擔(dān)。當(dāng)縱向受力鋼筋屈服時(shí)繼續(xù)加載,混凝土的橫向變形顯著增大,導(dǎo)致CFRP布的拉應(yīng)力增加較快,此后所增加的荷載主要是CFRP布的環(huán)向約束引起混凝土極限壓應(yīng)變的提高、來承擔(dān)增加的荷載。

圖6 荷載-CFRP布、鋼筋應(yīng)力變化Fig.6 Load-CFRP cloth,steel bar stress change

3.4 混凝土應(yīng)變曲線

圖7為在荷載作用下,混凝土軸向應(yīng)力變化的實(shí)測曲線?？梢钥闯?加載初期,CFRP布約束處以及未約束處混凝土應(yīng)變曲線基本呈線性變化,且在鋼筋屈服后混凝土應(yīng)變值迅速增大,對(duì)于同一根試驗(yàn)柱,CFRP布約束處的混凝土應(yīng)變值明顯高于未約束處混凝土應(yīng)變值,以JGZ-B2為例,當(dāng)達(dá)到極限承載力時(shí),CFRP布約束處的混凝土極限壓應(yīng)變達(dá)到4×10-3,未約束處混凝土應(yīng)變接近2.4×10-3,這說明軸向壓力作用引起的混凝土壓應(yīng)變,在CFRP布約束處大而在CFRP布帶之間小,說明CFRP布的約束能夠有效提高混凝土的極限壓應(yīng)變,改善混凝土柱在軸心壓力作用下的力學(xué)性能。

圖7 荷載-混凝土應(yīng)變曲線Fig.7 Load-concrete strain curve

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)CFRP布用量相同時(shí),同等情況下T形截面柱的極限承載力提高幅度與CFRP布帶凈間距有關(guān):凈間距越小,提高幅度越大。

(2)試驗(yàn)過程中,CFRP布帶、混凝土以及縱向受力鋼筋體現(xiàn)了較好的協(xié)同受力性能。

(3)在軸心壓力作用下,在翼緣與腹板轉(zhuǎn)角處設(shè)置一定的CFRP布錨固措施,能夠較好發(fā)揮CFRP布的抗拉強(qiáng)度,提高構(gòu)件的極限承載力。

(4)采用CFRP布帶加固T形截面柱,不但具有良好的加固效果,而且提高了加固效果的穩(wěn)定性,降低加固成本。