碳纤维增强塑料条带约束短柱轴压性能试验

邓 宇, 孙 飞, 张 鹏, 赵晓冬, 桂金洋

(广西科技大学 土木建筑工程学院, 广西 柳州 545006)

0 引 言

在环境因素影响下, 普通混凝土结构的内部钢筋极易受到碳化和腐蚀, 导致钢筋强度和结构承载力降低, 还会对结构耐久性和安全性造成不利影响, 因此学者提出利用碳纤维布在混凝土柱表面进行包裹加固[1-2]。 对于普通混凝土柱, 在轴向压力作用下, 箍筋约束的存在会对核心区混凝土产生良好的约束效果, 对提高构件的承载力拥有关键作用。

关于轴压柱的箍筋约束类型研究逐渐增多： 王刚[3]提出高强箍筋约束, 惠宽堂等[4]将碳纤维约束与箍筋约束的轴压性能进行对比, 魏洋等[5]提出玄武岩纤维-箍筋复合约束, 邱红利等[6]提出复材网格箍筋, 还有一些学者从配箍形式出发展开了大量研究[7-10]。 由此可以看出， 非传统箍筋对于混凝土柱的约束性能在研究中越来越被重视。从增强箍筋约束效果和解决钢筋易碳化锈蚀出发, CFRP布具有污染小、 质量轻、 强度高、 抗疲劳性能好、 方便施工和耐腐蚀等优点, 以其来代替或部分代替普通钢筋能很好地发挥其特性。

课题组前期对CFRP开展了大量试验研究[11-14]： 由CFRP筋制成复合筋配置在梁中研究其受力性能； 随后将CFRP布对柱表面进行包裹, 研究其偏心加载下的受力性能； 而对于承受轴心受压荷载的混凝土短柱, 提出CFRP条带约束, 将竖向钢筋通过CFRP条带环向包裹, 可以在简化纤维的锚固措施情况下让其抗拉性能充分发挥。 与用传统钢筋作为箍筋的混凝土短柱相比, CFRP不仅具有重量轻而且有较强的环境适应性能与绿色环保等特点, 本文分别对配置普通箍筋和CFRP条带约束的混凝土短柱进行轴压试验, 对其受力全过程、 破坏形式、 承载力等进行研究分析。

1 试验设计

1.1 试件的设计与制作

本次试验柱的截面尺寸均为200 mm×200 mm, 柱高600 mm, 试验短柱的主要设计参数为约束类型、 约束的配置间距和混凝土强度等级。为防止柱头过早破坏, 试验柱柱端的箍筋加密布置。碳纤维布采用HM-20卷材(厚0.111 mm、 宽100 mm), 制作时裁剪出长740 mm、 宽60 mm的CFRP布, 将CFRP布沿着宽度方向对折两次, 之后将其沿着长度方向对纵向钢筋进行绑扎, 碳纤维布形成的箍筋搭接长度为10 cm[15], 搭接处的粘结剂采用碳纤维底胶。试验柱具体设计见图1, 主要设计参数见表1， 共制作了12组短柱试件, 其中PZ6、 CZ6用于观察试件内部混凝土的破坏状况。

图1 短柱设计图(单位:mm)

表1 短柱的设计参数

1.2 材料的力学性能

CFPR条带HM-20与粘结剂材料HM-180性能具体参数见表2。混凝土和钢筋的力学性能具体参数见表3。

表2 CFRP条带与碳纤维底胶材料性能

表3 混凝土和钢筋的力学性能

1.3 加载方案与测点布置

采用500 t液压伺服压力试验机进行轴向加载, 通过多功能静态应变测试系统来采集应力应变数据, 轴向压缩位移由安装在试件上的位移计适时采集。位移计的布置见图2、 试验加载装置见图3。

图2 轴向加载位移计布置图

图3 试验加载装置

试验正式开始前, 对试件进行几何对中和预加载, 预加荷载取预估极限荷载的10%, 待检查加载系统和各测点工作运行正常后卸载。通过力控制方式进行正式加载, 开裂前每级荷载增量为20 kN, 开裂后至预估屈服荷载阶段, 荷载增量取10%预估极限荷载值; 屈服后荷载增量取5%的预估极限荷载值。各级加载持荷2 min, 观察裂缝, 临近破坏时缓慢加载, 当试件承载力降至0.8Pu(峰值荷载值)时构件破坏, 停止加载。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象及破坏形态

短柱的破坏形态如图4所示, 所有短柱的加载均按照加载方案进行。 加载初期, 所有试验柱表面基本没有明显变化, 处于线弹性阶段； 当加载到0.2～0.25Pu时, 柱顶或者柱底的角部出现裂缝, 长度在20～25 mm, 且混凝土表面有少量起皮； 继续加载, 各侧面角部新增少量竖向裂缝, 增加速度缓慢, 裂缝长度100～200 mm, 伴有轻微的噼啪声； 接近极限荷载时, 角部区域的混凝土被压酥, 各侧面竖向裂缝急剧增多纵向贯通并不断发出脆响, 达到极限荷载以后, 承载力下降迅速, 混凝土大面积鼓起并脱落, CFRP条带约束短柱最终为剪切型破坏, 与普通箍筋混凝土短柱相似, 配置间距和混凝土强度等级对试验柱的破坏过程影响较小。

图4 短柱破坏与核心混凝土典型破坏(f, l)形态

加载结束后对未完全脱落的混凝土进行剥离。 对于普通箍筋柱, 随着箍筋配置间距增大和混凝土强度等级降低, 核心区混凝土有少量裂纹, 破坏情况逐渐严重(图4f); 对于CFRP约束短柱, 纵向钢筋有压弯现象, 所有的CFRP箍筋均未拉断, 只有部分试验柱中部的CFRP条带搭接处存在松动现象, 混凝土保护层在柱中部脱落严重, 角部的混凝土被压酥, 核心区混凝土没有出现明显裂纹, 主要原因是混凝土受CFRP条带约束和箍筋作用, 其本身的强度和塑性得到提高, 整体性提升, 混凝土强度等级对CFRP条带约束短柱的破坏形态影响不明显(图4l)。

2.2 荷载-位移曲线

试验柱的荷载-位移关系曲线如图5所示。 1)每个试件都经历了弹性和塑性发展两个阶段, CFRP条带约束短柱和普通箍筋短柱在加载值为0.7～0.75Pu时呈现弹性受压状态, 此后进入塑性发展阶段。2)普通箍筋短柱的配箍间距越小, 其峰值荷载越大, 并且在试件荷载-位移曲线达到峰值荷载后出现平缓的下降段, 配箍间距越小, 下降段越平缓, 表现出较好的延性(图5a)。3)CFRP条带约束短柱在配箍约束间距为35 mm时有较高的极限荷载, 说明此时核心区混凝土约束效果比其他配箍间距较好, 提高了短柱的承载力, 但是当达到极限荷载后, 随着加载的继续, 试件CZ1的承载能力退化迅速(图5b)。4)由图5c可知, 当约束混凝土的强度等级采用C30时, CFRP条带约束短柱与普通箍筋短柱的极限承载力基本保持在同一水平, 体现了CFRP条带约束良好的约束效果, 但是同一荷载条件下, 普通箍筋短柱的轴向位移明显大于CFRP条带约束短柱, 且随着加载进行, 两者的轴向位移差值逐渐增大, 在达到极限荷载附近时达到最大值, 体现了CFRP条带良好的约束效果。 CFRP条带约束的核心区混凝土和纵筋在较大的轴向压力作用下的整体性优异, 横截面在加载过程中的抗弯刚度下降缓慢, 即使是试件中部的薄弱部位, 破坏前的刚度仍保持在较高水平, 说明CFRP条带约束短柱在轴压荷载下拥有高承载、 小变形的受力特性, 具有较好的工程适用性。

图5 不同箍筋形式的试验柱荷载-位移曲线

3 承载力影响因素分析

整理试验中采集到的数据, 各试件极限荷载值如表4所示, 可以得出: 1)对于第1组普通箍筋短柱, 试验柱极限承载力与箍筋间距成反比, 但是随着箍筋间距的增大, 曲线走势逐渐趋于水平, 说明箍筋间距对极限承载力的影响减弱, 原因是当箍筋间距增大到一定程度, 试验柱的配箍率降低, 接近配箍限值, 箍筋对纵筋和核心区混凝土的约束作用迅速减弱。

表4 各试件主要试验数据

2)对于第2组CFRP条带约束短柱, 随着箍筋间距的增大, 试验柱的极限承载力随着约束间距的减小而减小, 原因是CFRP条带约束在横截面和沿柱高方向都存在拱效应[4], 见图6。 当箍筋间距较小时沿柱高方向都是强约束区, 侧向受到极大的约束, 在轴向压力不大时近似处于轴心受压状态。当轴向压力达到较高水平时, 位移增长速率加快, 柱中受拉区CFRP条带易产生脱落甚至崩断现象, 延性不理想, 但是随着箍筋间距增大, 强约束区拱效应减弱, 上下相邻的CFRP条带约束拱效应相叠合区域减小, 既减小弱约束区的高度, 又提高试验柱的延性; 当箍筋间距继续增大, 相邻CFRP条带间距不断增大, 弱约束区高度不断增大, 两CFRP条带的中部截面约束效果基本丧失, 成为薄弱部位, 承载力也随之减弱。

图6 CFRP条带约束效应

3)对于普通箍筋短柱, 随着约束混凝土强度等级的提高, 极限承载力增大7%; 对于CFRP约束短柱, 混凝土强度等级对约束短柱的影响有限, 基本可以忽略不计, 原因是CFRP包裹的层数较少, 提供的环向约束力和刚度有限, 当试验柱采用C30混凝土时, 核心区的约束混凝土抗压强度还未达到最大值, 便由于环向约束不足而较早发生破坏, 说明CFRP环向约束强度不足时, 增大约束混凝土强度的作用有限; 通过比较试件PZ6和CZ6可知, 尽管普通箍筋的刚度远远大于CFRP条带, 对核心区混凝土的约束效果高于条带CFRP约束, 但是两种约束短柱的极限承载力是很接近的, 说明当混凝土强度等级较低时, 即使CFRP包裹的层数少, CFRP条带约束短柱的极限承载力也能满足受力要求, 约束效果较理想。

4 承载力计算

通过分析可知, CFRP条带约束混凝土的机理与其他单一材料约束混凝土相似, CFRP条带对混凝土施加侧向约束, 使得混凝土处于三向受压状态, 其承载能力和变形能力得到有效地提高, 随着CFRP条带布置间距的减小, 提高效果显著。如图7所示, 首先假定每条边上提供的侧向约束是均匀分布的, 由静力平衡条件可以求得侧向约束力

图7 计算简图

(1)

同理可推得普通箍筋约束的侧向力为

(2)

式中:AC为CFRP条带截面面积;As为钢筋截面面积;fy为钢筋的抗拉强度;fCFRP为CFRP条带的抗拉强度;dc为约束宽度;s为配置间距。

同时参考了Pellegrino等[16]基于其试验数据的分析给出的适用于FRP约束的矩形截面的混凝土强度计算公式, 对施加CFRP条带约束和普通箍筋约束的混凝土强度fcc、fcs进行修正, 则有

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

(3)

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

(4)

式中:fc0为未约束的混凝土强度。

参考我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)钢筋混凝土轴压构件正截面承载力计算公式, 对该试验的约束混凝土短柱承载力进行计算, 则有

N=0.9φ(fbAb+fc0Ab0+fyAs),

(5)

式中:N为约束混凝土短柱承载力计算值;φ为考虑长细比的稳定系数, 考虑到该试验构件为短柱, 取值为1;fb、fc0分别为约束后和未约束的混凝土强度;Ab、Ab0为受约束和未约束混凝土截面面积。

通过对比表5试验柱承载力的计算值与试验值发现, 误差率在8%以内, 吻合良好。

表5 试验柱承载力计算值和试验值的对比

5 结 论

(1)CFRP条带约束混凝土短柱与普通箍筋混凝土短柱的破坏过程和最终形态类似, 均表现为明显的剪切型破坏特征, 约束间距和混凝土强度等级对破坏形态无明显影响。

(2)普通箍筋约束短柱的极限承载力与箍筋间距成反比, 与混凝土强度等级成正比, 后者的影响更明显; CFRP条带约束短柱的承载力与混凝土强度等级关联不大, 随着约束间距的减小而增大, 但是约束间距过小会降低试验短柱的延性, 说明选择合适的约束间距对于CFRP条带约束混凝土短柱的约束效果和极限承载力至关重要。

(3)当采用C30混凝土时, 两种约束短柱的承载力基本保持同一水平, 但是采用C35时, CFRP条带约束混凝土短柱的极限承载力和延性小于普通箍筋混凝土短柱, 当CFRP条带包裹层数较少时, 宜适量降低约束混凝土强度等级, 以发挥CFRP条带良好的约束效果, 提高构件的延性。

(4)基于混凝土强度等级为C35的短柱, 提出其受约束后混凝土强度的修正公式和承载力计算公式, 与试验值比较, 吻合度较好。