70刘航-碳纤维片材环绕包裹钢筋混凝土柱试验研究及延性分析.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 碳纤维片材环绕包裹钢筋混凝土柱 试验研究及延性分析 刘航刘航，男，1971.1出生，工学博士，教授级高工 张工文2 李晨光1 蔡晓萌1 1.北京市建筑工程研究院，北京 100039；2.中国纺织工业设计院，北京100037 提 要 进行了6根钢筋混凝土柱在水平低周反复荷载作用下的全过程试验，研究了碳纤维布环绕包裹钢筋混凝土柱对柱延性的提高作用。分析了轴压比以及碳纤维布的包裹层数等因素对构件抗震性能的影响，并对碳纤维布加固钢筋混凝土柱使其延性提高的机理进行了探讨。 关键词 碳纤维布,加固,延性,钢筋混凝土,柱 1 引言 钢筋混凝土结构在正常使用过程中，由于用途改变、设计失误、施工质量差、环境侵蚀及维护不善等，可能出现承载力不足或使用功能不满足要求等问题。为了改善钢筋混凝土结构的使用功能，提高其承载力，延长使用年限，常常需要对其进行加固处理。在众多的结构加固方法中，碳纤维加固法由于适用范围广、加固效率高、质量易保证、附加荷载轻、应用时效长等优点而得到广泛应用。 碳纤维布材对钢筋混凝土结构的最有效加固方法之一，就是对钢筋混凝土柱进行环绕包裹加固。由于碳纤维具有高抗拉强度和弹性模量，当混凝土柱受压产生横向变形时，碳纤维布可以约束混凝土变形，加大混凝土的极限压应变。因而推迟了受压区混凝土的破碎，充分发挥了纵筋的塑性变形能力，改善钢筋棍凝土柱的延性，这与箍筋的作用基本相同。因此，这种加固方法广泛用于钢筋混凝土框架柱的抗震加固。 本文进行了6根钢筋混凝土柱在水平低周反复荷载下的试验，并对碳纤维布加固钢筋混凝土柱对柱延性的提高作用进行了分析和研究。 2 试验概况 2.1 试件设计与制作 试验共设计了6根钢筋混凝土柱,柱高900mm,截面尺寸为200mm200mm。混凝土强度设计等级为C20,柱纵筋采用HRB335钢筋，4φ14，纵筋配筋率ρv 1.54,并伸入到底座底部;箍筋采用HPB235钢筋,双肢φ8，间距100mm，ρsv0.505,混凝土保护层厚度15mm。 试件的主要变化参数为碳纤维用量和轴压比。碳纤维采用沿柱高全包的方式，纤维方向与柱轴线方向垂直,包裹方式如图1所示。各试件主要变化参数列于表1。 图1 碳纤维包裹方式 图2 加载装置示意图 表 1 各试件主要变化参数 试件编号 剪跨比 加固方式 体积配箍率 轴压比n Z－1 3.4 未加固 0.000594 0.31 Z－2 3.4 全包一层 0.03099 0.31 Z－3 3.4 全包二层 0.05604 0.31 Z－4 3.4 全包三层 0.08109 0.31 Z－5 3.4 全包一层 0.03099 0.48 Z－6 3.4 全包一层 0.03099 0.63 试验用钢筋、混凝土和碳纤维布的材料性能试验结果分别列于表2和表3。 表2 钢筋和混凝土力学性能表 材料 直径 （mm） 面积 （mm2） 屈服强度 （N/mm2） 极限强度 （N/mm2） 弹性模量 （N/mm2） 主筋 14 153.9 345 530 172000 箍筋 6 28.3 320 460 214000 混凝土 第一批fcu（N/mm2） 第二批fcu（N/mm2） C20 27.5 17.4 表3 碳纤维布的性能指标 材料名称 抗拉强度（Mpa） 弹性模量（Mpa） 延伸率（） CFRP 3.2103 2.1105 1.7 2.2 试验加载方案 试验采用MTS液压伺服设备进行加载，加载装置如图2所示。竖向油压千斤顶安装在横梁的滚动支撑上，试验中施加水平荷载时，竖向千斤顶可随柱顶的移动而作水平移动，从而保证竖向荷载方向始终垂直于柱顶横断面，不发生偏移。 试验时先施加竖向荷载至设计值，并保持恒定，然后施加水平荷载。水平荷载的施加采用位移控制的方法。屈服前，每级荷载循环一次；屈服后，水平位移值取试件屈服位移值的整数倍，每级循环两次。直到水平荷载下降到峰值荷载的85％为止。具体加载制度见图3。 图3 加载制度 2.3 试验量测内容 试验主要量测内容包括纵筋应变、箍筋应变、碳纤维布的应变、竖向荷载与水平荷载、水平位移等。MTS液压伺服器自动记录加荷点水平荷载，位移传感器测量加荷点水平位移，水平荷载和位移传感器通过IMP量测系统采集数据并实时绘制荷载位移关系曲线。 3 试验结果分析 3.1 试件的主要破坏特征 本次试验中各试件均按“强剪弱弯”的原则设计，破坏特征均为弯曲受压破坏。 图4 Z-1柱破坏照片 图5 Z-6柱破坏照片 1未加固柱Z-1开始施加水平荷载后，混凝土及纵筋应变呈线形增长，当荷载达22.4kN时，柱开裂，第一条裂缝出现在柱根部，沿水平方向；纵筋受拉屈服前，柱根部混凝土只出现少量水平微裂缝；当纵筋受拉屈服后，应变增长较快，混凝上受拉区微裂缝不断发展、贯通，并有新的微裂缝出现，裂缝主要分布在柱根部以上100mm范围内。当构件达到最大承载力时，柱根部形成一条最宽的主裂缝，延伸到柱侧面形成弯剪斜裂缝，箍筋应变发展较快，受压区混凝土保护层出现竖向裂缝；当水平位移继续增大时，荷载开始下降，受压区混凝土开始剥落，部分箍筋屈服。试验进行到构件承载力下降到85时止。Z-1的破坏形态见图4。 2加固柱Z-2Z-6由于包裹了碳纤维，开裂点无法准确观测。在纵筋受拉屈服前，纵筋应力与水平荷载基本呈线形变化，箍筋应变变化不大；当纵筋屈服时，透过碳纤维缝隙可看出，柱根部受拉区混凝土出现水平裂缝；随着构件侧移的增加，柱根部裂缝不断发展、贯通，形成一条主裂缝，受压区混凝土横向变形增大，柱根部受压区包裹的碳纤维布外鼓，其横向应变增加较快，箍筋应变发展稳定；当达到最大承载力时，柱根部受压区混凝土开始出现竖向裂缝，碳纤维布外鼓现象也越来越严重，箍筋屈服，碳纤维布的约束作用不断增强；随后构件承载力开始下降。在整个试验过程中，未发现碳纤维布出现脱落撕开等现象。试验结束后剥掉碳纤维布，发现混凝土酥裂段高度比未加固柱低，但酥裂程度更加严重。其中高轴压比的Z-6柱，进入下降段后，碳纤维布被拉断。Z-6的破坏形态见图5。 3.2 滞回曲线 部分试验柱的荷载--位移滞回曲线见图6-图10。 图6 Z-1荷载位移滞回曲线 图7 Z-2荷载位移滞回曲线 由图中可以看出，当轴压比相同时，柱采用碳纤维布加固后，柱的滞回环更加饱满，延性和能量耗散能力得到明显改善，且其改善效果随碳纤维包裹层数的增加而提高。但当轴压比增大时，柱的延性和耗能能力将显著降低。未加固柱在达到屈服之后，试件的加载与卸荷刚度退化明显，相比之下加固柱的刚度退化则不显著。反向加载阶段，由于钢筋的粘结滑移，位移增长较荷载增长要快，加载曲线出现滑移段。但随着荷载的继续增加，原来处于受拉区的混凝土裂缝逐渐闭合，试件刚度有明显的提高，加载曲线的走向基本上达到相应的最大位移点，然后再沿骨架线发展。 图8 Z-3荷载位移滞回曲线 图9 Z-4荷载位移滞回曲线 图10 Z-6荷载位移滞回曲线 3.3 主要试验结果 试验测得各试件的主要受力特征值列于表4。 表4 试件主要受力特征值 试件编号 屈服荷载kN 极限荷载kN 屈服位移mm 极限位移mm 位移延性系数 Z-1 38.23 46.03 4.57 23.10 5.05 Z-2 34.97 41.08 6.31 36.88 5.85 Z-3 32.64 39.12 5.59 38.95 6.96 Z-4 35.45 42.51 5.62 39.08 6.95 Z-6 49.92 59.62 4.83 21.49 4.45 从表4可以看出，对按“强剪弱弯”原则设计的构件，碳纤维对受剪承载力的提高效果并不明显，但可以明显改善构件的变形性能和延性。Z-2柱比Z-1柱的延性提高16，Z-3和Z-4柱比Z-1柱的延性提高38。但Z-4与Z-3相比，柱延性提高并不明显。可见，加固柱延性的改善与碳纤维用量之间并非简单的线形增长关系。当所用的碳纤维布粘贴层数较少时，碳纤维布的使用效率较高，加固柱延性提高幅度较大；而当碳纤维布粘贴层数相对较多时，各层碳纤维布难以完全共同工作，部分碳纤维布的作用不能充发发挥，加固柱延性提高的程度较小。因此，碳纤维布用于钢筋混凝土柱的抗震加固时，应根据工程实际需要合理使用。 3.4 等效粘滞阻尼系数 结构构件的能量耗散能力通常用等效粘滞阻尼系数来衡量。试验各试件的等效粘滞阻尼系数β与试件水平位移δ关系曲线如图11所示。 由图11可见，等效粘滞阻尼系数随构件位移的增大而增大。达极限位移时，Z-1的等效粘滞阻尼系数为0.18，而Z-2、Z-3、Z-4分别达到了0.28、0.30、0.35。可见与不包裹碳纤维的Z-1相比，Z-2Z-4的等效粘滞阻尼系数显著提高，达到极限状态时，裂缝开展更为均匀充分，能量耗散能力显著提高。即使对于高轴压比的Z-6，其等效粘滞阻尼系数也达到了，高于Z-1，可见碳纤维环绕包裹柱对提高柱的耗能能力效果显著。 图11 βδ关系曲线 4延性分析 影响钢筋混凝土框架柱的因素较多，包括混凝土和钢筋的强度、剪跨比、轴压比、横向钢筋等，对于碳纤维加固柱，还应包括碳纤维用量等。 钢筋混凝土框架柱延性系数的计算公式[7]中主要考虑了轴压比和箍筋配筋特征值的影响，而对于碳纤维包裹钢筋混凝土柱对于延性的提高作用，还没有统一的定量计算方法。 图12 μλ关系曲线 图13 μn关系曲线 为得到碳纤维包裹钢筋混凝土柱位移延性系数的计算方法，用ANSYS通用有限元软件对试件进行了大量变参数分析，图12和图13分别为参数分析得到的位移延性系数μ随碳纤维特征值λ和轴压比n的变化曲线。由图12中可以看出，延性系数随碳纤维特征值的提高而提高，但两者不是线性关系，随碳纤维用量的增加，其对延性的提高作用递减。从图13可以看出，延性系数随轴压比的增加而降低，两者也不是线性关系。 参考钢筋混凝土框架柱的延性系数计算方法[7]，用回归分析的方法得到延性系数可按下式计算 1 式中，λv为箍筋配箍特征值，α为修正系数[7]。 5结论 本文进行了碳纤维环绕包裹混凝土柱在水平低周反复荷载下的试验，并用ANSYS有限元分析软件进行了变参数分析，提出了延性系数的建议计算公式，可以得到如下结论 碳纤维布加固钢筋混凝土柱，可以显著地改善其延性。 对于按“强剪弱弯”原则设计的框架柱，碳纤维环绕包裹加固对柱极限承载能力的提高不大。 随着碳纤维布层数的增加，构件的延性系数也有较大的提高，但包裹二层与三层间相差不大，这与碳纤维布约束作用的发挥效率有关，碳纤维布层数越多，其发挥效率越低。 碳纤维布对混凝土的约束作用机理与箍筋基本相同，但由于碳纤维布在其包裹范围内的连续使用，且直接约束最外层混凝土，所以它比箍筋的作用更直接，所起的作用也更大。 参考文献 [1] 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 CECS 1462003. 中国计划出版社. 2003 [2] 刘明国. 应用碳纤维布增强钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究. 2001 [3] 赵彤 谢剑. 碳纤维布补强加固混凝土结构新技术. 天津大学出版社 [4] Shuenn-Yih Chang,Yeou-Fong Li, Chin-Hsiung Loh. Experimental Study of Seismic Behaviors of As-Built and Carbon Fiber Reinforced Plastics Repaired Reinforced Concrete Bridge Columns. Journal of Bridge Engineering. ASCE. 2004.8 [5] 沈观林. 复合材料力学. 清华大学出版社. 1996.2 [6] 刘航，宗海，碳纤维布加固混凝土构件轴压性能试验研究，工业建筑，2004增刊 [7] 包世华，方鄂华，高层建筑结构设计，清华大学出版社，1990