鄧 宇, 孫 飛, 張 鵬, 趙曉冬, 桂金洋

(廣西科技大學 土木建筑工程學院, 廣西 柳州 545006)

0 引 言

在環(huán)境因素影響下, 普通混凝土結構的內部鋼筋極易受到碳化和腐蝕, 導致鋼筋強度和結構承載力降低, 還會對結構耐久性和安全性造成不利影響, 因此學者提出利用碳纖維布在混凝土柱表面進行包裹加固[1-2]。 對于普通混凝土柱, 在軸向壓力作用下, 箍筋約束的存在會對核心區(qū)混凝土產生良好的約束效果, 對提高構件的承載力擁有關鍵作用。

關于軸壓柱的箍筋約束類型研究逐漸增多： 王剛[3]提出高強箍筋約束, 惠寬堂等[4]將碳纖維約束與箍筋約束的軸壓性能進行對比, 魏洋等[5]提出玄武巖纖維-箍筋復合約束, 邱紅利等[6]提出復材網格箍筋, 還有一些學者從配箍形式出發(fā)展開了大量研究[7-10]。 由此可以看出， 非傳統箍筋對于混凝土柱的約束性能在研究中越來越被重視。從增強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、 質量輕、 強度高、 抗疲勞性能好、 方便施工和耐腐蝕等優(yōu)點, 以其來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CFRP開展了大量試驗研究[11-14]： 由CFRP筋制成復合筋配置在梁中研究其受力性能； 隨后將CFRP布對柱表面進行包裹, 研究其偏心加載下的受力性能； 而對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CFRP條帶環(huán)向包裹, 可以在簡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的環(huán)境適應性能與綠色環(huán)保等特點, 本文分別對配置普通箍筋和CFRP條帶約束的混凝土短柱進行軸壓試驗, 對其受力全過程、 破壞形式、 承載力等進行研究分析。

1 試驗設計

1.1 試件的設計與制作

本次試驗柱的截面尺寸均為200 mm×200 mm, 柱高600 mm, 試驗短柱的主要設計參數為約束類型、 約束的配置間距和混凝土強度等級。為防止柱頭過早破壞, 試驗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), 制作時裁剪出長740 mm、 寬60 mm的CFRP布, 將CFRP布沿著寬度方向對折兩次, 之后將其沿著長度方向對縱向鋼筋進行綁扎, 碳纖維布形成的箍筋搭接長度為10 cm[15], 搭接處的粘結劑采用碳纖維底膠。試驗柱具體設計見圖1, 主要設計參數見表1， 共制作了12組短柱試件, 其中PZ6、 CZ6用于觀察試件內部混凝土的破壞狀況。

圖1 短柱設計圖(單位:mm)

表1 短柱的設計參數

1.2 材料的力學性能

CFPR條帶HM-20與粘結劑材料HM-180性能具體參數見表2。混凝土和鋼筋的力學性能具體參數見表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性能

1.3 加載方案與測點布置

采用500 t液壓伺服壓力試驗機進行軸向加載, 通過多功能靜態(tài)應變測試系統來采集應力應變數據, 軸向壓縮位移由安裝在試件上的位移計適時采集。位移計的布置見圖2、 試驗加載裝置見圖3。

圖2 軸向加載位移計布置圖

圖3 試驗加載裝置

試驗正式開始前, 對試件進行幾何對中和預加載, 預加荷載取預估極限荷載的10%, 待檢查加載系統和各測點工作運行正常后卸載。通過力控制方式進行正式加載, 開裂前每級荷載增量為20 kN, 開裂后至預估屈服荷載階段, 荷載增量取10%預估極限荷載值; 屈服后荷載增量取5%的預估極限荷載值。各級加載持荷2 min, 觀察裂縫, 臨近破壞時緩慢加載, 當試件承載力降至0.8Pu(峰值荷載值)時構件破壞, 停止加載。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象及破壞形態(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行。 加載初期, 所有試驗柱表面基本沒有明顯變化, 處于線彈性階段； 當加載到0.2～0.25Pu時, 柱頂或者柱底的角部出現裂縫, 長度在20～25 mm, 且混凝土表面有少量起皮； 繼續(xù)加載, 各側面角部新增少量豎向裂縫, 增加速度緩慢, 裂縫長度100～200 mm, 伴有輕微的噼啪聲； 接近極限荷載時, 角部區(qū)域的混凝土被壓酥, 各側面豎向裂縫急劇增多縱向貫通并不斷發(fā)出脆響, 達到極限荷載以后, 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度等級對試驗柱的破壞過程影響較小。

圖4 短柱破壞與核心混凝土典型破壞(f, l)形態(tài)

加載結束后對未完全脫落的混凝土進行剝離。 對于普通箍筋柱, 隨著箍筋配置間距增大和混凝土強度等級降低, 核心區(qū)混凝土有少量裂紋, 破壞情況逐漸嚴重(圖4f); 對于CFRP約束短柱, 縱向鋼筋有壓彎現象, 所有的CFRP箍筋均未拉斷, 只有部分試驗柱中部的CFRP條帶搭接處存在松動現象, 混凝土保護層在柱中部脫落嚴重, 角部的混凝土被壓酥, 核心區(qū)混凝土沒有出現明顯裂紋, 主要原因是混凝土受CFRP條帶約束和箍筋作用, 其本身的強度和塑性得到提高, 整體性提升, 混凝土強度等級對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

試驗柱的荷載-位移關系曲線如圖5所示。 1)每個試件都經歷了彈性和塑性發(fā)展兩個階段, CFRP條帶約束短柱和普通箍筋短柱在加載值為0.7～0.75Pu時呈現彈性受壓狀態(tài), 此后進入塑性發(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-位移曲線達到峰值荷載后出現平緩的下降段, 配箍間距越小, 下降段越平緩, 表現出較好的延性(圖5a)。3)CFRP條帶約束短柱在配箍約束間距為35 mm時有較高的極限荷載, 說明此時核心區(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, 但是當達到極限荷載后, 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, 當約束混凝土的強度等級采用C30時, 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, 且隨著加載進行, 兩者的軸向位移差值逐漸增大, 在達到極限荷載附近時達到最大值, 體現了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, 說明CFRP條帶約束短柱在軸壓荷載下擁有高承載、 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柱荷載-位移曲線

3 承載力影響因素分析

整理試驗中采集到的數據, 各試件極限荷載值如表4所示, 可以得出: 1)對于第1組普通箍筋短柱, 試驗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, 曲線走勢逐漸趨于水平, 說明箍筋間距對極限承載力的影響減弱, 原因是當箍筋間距增大到一定程度, 試驗柱的配箍率降低, 接近配箍限值, 箍筋對縱筋和核心區(qū)混凝土的約束作用迅速減弱。

表4 各試件主要試驗數據

2)對于第2組CFRP條帶約束短柱, 隨著箍筋間距的增大, 試驗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[4], 見圖6。 當箍筋間距較小時沿柱高方向都是強約束區(qū), 側向受到極大的約束, 在軸向壓力不大時近似處于軸心受壓狀態(tài)。當軸向壓力達到較高水平時, 位移增長速率加快, 柱中受拉區(qū)CFRP條帶易產生脫落甚至崩斷現象, 延性不理想, 但是隨著箍筋間距增大, 強約束區(qū)拱效應減弱, 上下相鄰的CFRP條帶約束拱效應相疊合區(qū)域減小, 既減小弱約束區(qū)的高度, 又提高試驗柱的延性; 當箍筋間距繼續(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

3)對于普通箍筋短柱, 隨著約束混凝土強度等級的提高, 極限承載力增大7%; 對于CFRP約束短柱, 混凝土強度等級對約束短柱的影響有限, 基本可以忽略不計, 原因是CFRP包裹的層數較少, 提供的環(huán)向約束力和剛度有限, 當試驗柱采用C30混凝土時, 核心區(qū)的約束混凝土抗壓強度還未達到最大值, 便由于環(huán)向約束不足而較早發(fā)生破壞, 說明CFRP環(huán)向約束強度不足時, 增大約束混凝土強度的作用有限; 通過比較試件PZ6和CZ6可知, 盡管普通箍筋的剛度遠遠大于CFRP條帶, 對核心區(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, 說明當混凝土強度等級較低時, 即使CFRP包裹的層數少, 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 承載力計算

通過分析可知, CFRP條帶約束混凝土的機理與其他單一材料約束混凝土相似, CFRP條帶對混凝土施加側向約束, 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向約束是均勻分布的, 由靜力平衡條件可以求得側向約束力

圖7 計算簡圖

(1)

同理可推得普通箍筋約束的側向力為

(2)

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

同時參考了Pellegrino等[16]基于其試驗數據的分析給出的適用于FRP約束的矩形截面的混凝土強度計算公式, 對施加CFRP條帶約束和普通箍筋約束的混凝土強度fcc、fcs進行修正, 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度。

參考我國《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)鋼筋混凝土軸壓構件正截面承載力計算公式, 對該試驗的約束混凝土短柱承載力進行計算, 則有

N=0.9φ(fbAb+fc0Ab0+fyAs),

(5)

式中:N為約束混凝土短柱承載力計算值;φ為考慮長細比的穩(wěn)定系數, 考慮到該試驗構件為短柱, 取值為1;fb、fc0分別為約束后和未約束的混凝土強度;Ab、Ab0為受約束和未約束混凝土截面面積。

通過對比表5試驗柱承載力的計算值與試驗值發(fā)現, 誤差率在8%以內, 吻合良好。

表5 試驗柱承載力計算值和試驗值的對比

5 結 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程和最終形態(tài)類似, 均表現為明顯的剪切型破壞特征, 約束間距和混凝土強度等級對破壞形態(tài)無明顯影響。

(2)普通箍筋約束短柱的極限承載力與箍筋間距成反比, 與混凝土強度等級成正比, 后者的影響更明顯; CFRP條帶約束短柱的承載力與混凝土強度等級關聯不大, 隨著約束間距的減小而增大, 但是約束間距過小會降低試驗短柱的延性, 說明選擇合適的約束間距對于CFRP條帶約束混凝土短柱的約束效果和極限承載力至關重要。

(3)當采用C30混凝土時, 兩種約束短柱的承載力基本保持同一水平, 但是采用C35時, 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CFRP條帶包裹層數較少時, 宜適量降低約束混凝土強度等級, 以發(fā)揮CFRP條帶良好的約束效果, 提高構件的延性。

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