UHPC加固钢筋混凝土柱轴压承载力研究

王 勃，周家宇

吉林建筑大学 土木工程学院，长春 130118

0 引言

近年来,既有建筑物在使用过程中受到建造施工质量、设计年限即将到期、不合理使用等影响,会出现部分结构损伤,影响其使用安全及使用寿命.基于这种情况,结构加固技术是一项亟待深入研究的应对办法.超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)是具有极低的水灰比与紧密的微观结构的新型结构材料,与普通混凝土相比,UHPC具有超高强度、低孔隙率、高耐久性、耐磨抗爆、快硬早强的特点.因此,UHPC在高层建筑、大跨桥梁、核电工程、海洋工程、市政工程等方面具有较为广泛的应用,其在建筑结构加固与改造具有重大应用价值.UHPC加固是近年来国内外学者研究热点.Prem P R等[1]人研究了使用UHPC加固梁的抗弯性能；Bahraq等[2]人研究了UHPC加固梁抗剪性能；Hasgul等[3]人考虑在UHPC梁中使用钢纤维来代替受剪钢筋；Lam L等[4]人对FRP约束UHPC受压性能进行了研究.位三栋[5]、房明超等[6]人研究了使用UHPC加固砌体墙；党祺[7]研究了UHPC加固损伤板的受弯性能；施路遥[8]研究了UHPC加固混凝土桥墩；邓宗才等[9-10]人对CFRP-UHPC-钢管组合短柱轴压性能进行了研究；常亚峰等[11]人进行了箍筋约束超高性能混凝土短柱轴压承载力试验研究.

为进一步研究UHPC加固柱承载力,对UHPC加固钢筋混凝土短柱的受压性能进行模拟,研究加固层厚度、加固层纵筋、箍筋类型对轴压承载力的影响.

1 有限元模型验证

1.1 材料本构选取

混凝土、钢筋本构关系参考《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[12],混凝土受压、受拉本构关系如图1、图2所示.钢筋受压、受拉本构关系如图3、图4所示.

图1 混凝土受压本构关系Fig.1 Constitutive relation of concrete under compression

图2 混凝土受拉本构关系Fig.2 Tensile constitutive relation of concrete

图3 钢筋受压本构关系Fig.3 Constitutive relation of steel bar under compression

图4 钢筋受拉本构关系Fig.4 Tensile constitutive relation of steel bar

UHPC本构关系采用文献[13]的结果,UHPC受压、受拉本构关系如图5、图6所示.

图5 UHPC受压本构关系 图6 UHPC受拉本构关系 图7 柱极限承载力试验值与模拟值比较Fig.5 Compression constitutiverelation of UHPC Fig.6 Tensile constitutiverelation of UHPC Fig.7 Comparison of experimentaland simulated values of columnsultimate bearing capacity

1.2 有限元模型验证

对文献[13]中6根UHPC加固柱进行有限元模拟,极限承载力模拟值与试验值比值为0.81～1.052,有限元模拟值与试验值吻合较好,如图7及表1所示.

表1 试验柱参数Table 1 Test column parameters

2 UHPC加固柱有限元分析

共模拟10根钢筋混凝土短柱,被加固柱混凝土强度等级为C20,C35,C50，加固层厚度为20 mm,25 mm,30 mm,40 mm,被加固柱横截面尺寸为150 mm×150 mm,高为550 mm,被加固柱纵筋为4C16,箍筋为A8@100 mm,Z1-Z10试件配筋如图8所示.试验柱参数详情见表1,混凝土材料力学性能见表2,钢筋材料力学性能见表3,UHPC材料力学性能见表4.

(a) Z1 (b) Z2-Z7 (c) Z8

(d) Z9 (e) Z10图8 Z1-Z10配筋Fig.8 Reinforcement of Z1-Z10

表2 混凝土材料力学性能Table 2 Mechanical properties of concrete

表3 钢筋材料力学性能Table 3 Mechanical properties of steel bar

表4 UHPC材料力学性能Table 4 Mechanical properties of UHPC

图9 Z7,Z9加固柱网格划分 图10 Z8,Z10加固柱网格划分Fig.9 Meshing of Z7 and Z9strengthened columns Fig.10 Meshing of Z8 and Z10strengthened columns

有限元模型包括6种材料属性,分别为被加固柱混凝土、被加固柱纵筋、被加固柱箍筋、UHPC加固层、加固层纵筋和加固层箍筋.材料的本构关系如图1～图6所示.将钢筋屈服时对应的荷载设定为屈服荷载，网格划分对钢筋、混凝土和UHPC均为20 mm,如图9、图10所示,并将钢筋、箍筋单元类型指派为桁架.模型上下表面均装配刚体,钢筋与混凝土的相互作用为内置区域,被加固柱和加固层间相互作用设置为绑定,耦合柱上表面进行位移加载,耦合下表面创建完全固定约束边界条件,进行模拟.

3 有限元分析结果讨论

由表1可知，与控制试件Z1相比,加固层厚度为20 mm,25 mm,30 mm,40 mm加固柱(Z3,Z5,Z6,Z7)承载力提高分别为116.6 %,142.2 %,236.6 %,243 %,表明利用UHPC加固柱可以较大提高承载力,随着加固层厚度增加承载力增加,加固层厚度达到40 mm后,承载力增加不明显.被加固柱混凝土强度不同Z3(C35),Z4(C50)的承载力比Z2(C20)分别提高9.8 %和26.1 %,说明加固柱承载力随被加固柱混凝土强度等级的提高而提高.

由图11可以看出,当加固面积相同,加固截面为圆形截面(Z8),方形截面(Z7)对承载力影响不大.图11中Z7,图12中Z9加固截面均为方形，Z7加固层未配筋，Z9加固层配置8C14纵筋,A8@40箍筋,承载力分别为3 424.41 kN和4 183.06 kN,加固层中配纵筋比加固层中未配筋柱承载力提高22.2 %.图12中,Z10(螺旋箍筋)比Z9(方箍筋)承载力提高11.4 %,变形能力有所提高.

图11 Z7,Z8柱荷载-位移曲线Fig.11 Load-displacement curves of Z7 and Z8 columns

图12 Z9,Z10柱荷载-位移曲线Fig.12 Load-displacement curves of Z9 and Z10 columns

4 试验结果及讨论

4.1 试验概况

现有文献中UHPC加固层中未配钢筋,缺少UHPC加固层中配有纵筋、螺旋箍筋的试验数据,因此本文进行了6根配有纵筋、螺旋箍筋的UHPC加固柱试验研究.试件参数及试验承载力见表5.Z11-Z16配筋如图13所示,尺寸如图14所示.

表5 试验柱详情Table 5 Detail of test column

(a) Z11 (b) Z12 (c) Z13

(d) Z14 (e) Z15 (f) Z16图13 Z11-Z16配筋Fig.13 Reinforcement of Z11-Z16

(a) Z11 (b) Z12-Z13 (c) Z14-Z16图14 Z11-Z16尺寸Fig.14 Dimensional of Z11-Z16

未加固圆柱高度为300 mm,直径为150 mm,混凝土强度等级为C35,纵筋配置为6C12 mm,箍筋配置为ø 6@60 mm,混凝土保护层厚度为15 mm.混凝土立方体抗压强度为37.3 MPa,根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[15]计算出混凝土轴心抗压强度为28.4 MPa.直径为12 mm的HRB400钢筋屈服强度为468 MPa抗拉强度为630 MPa.直径为14 mm的HRB400钢筋屈服强度为456 MPa抗拉强度为609 MPa.UHPC立方体抗压强度为124 MPa,根据文献[16]计算得出,UHPC轴心抗压强度为109.1 MPa.试验采用吉林建筑大学5 000 kN微机控制液压式压力试验机以0.3 mm/min的速率单调加载,试验前用细沙对柱面找平,先预加载至试验柱承载力计算值10 %,检查设备正常工作后开始试验.

各试验柱加载初期处于弹性阶段,荷载与轴向变形成线性关系.随着荷载增大,轴向变形增加速率超过荷载增大速率,接近峰值荷载，UHPC发出“嘶啦嘶啦”声,竖向裂缝不断发展,到达峰值荷载,发出“砰”的一声,裂缝贯通,承载力下降.荷载继续增加,可以听见螺旋箍筋断裂的声音,此时承载力会陡降但随后承载力会再次上升,直至箍筋再次断裂(据观察箍筋断裂顺序为先中部后两端如图15所示),承载力再次下降.试件破坏现象如图15所示.

(a) 钢纤维拔出 (b) 竖向裂缝贯通 (c) 箍筋断裂 (d) 加固层失效图15 试验柱破坏Fig.15 Failure mode of test column

4.2 承载力计算及验证

由《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2013)[14],加固柱轴心受压承载力计算公式：

(1)

式中,N为构件加固后的轴向压力设计值,kN;φ为构件稳定系数,根据加固后的截面尺寸,按《混凝土结构设计规范》(GB-50010-2010)[12]确定;fc,fc0分别为加固层混凝土与原柱混凝土轴心抗压强度设计值,N/mm2;Ac0,Ac分别为构件加固前混凝土截面面积和加固后新增部分混凝土截面面积,mm2;fy′,fy0′分别为新增纵筋和原纵筋的抗压强度设计值,N/mm2;AS′,AS0′分别为新增纵筋和原纵筋截面面积,mm2;αcs为综合考虑新增混凝土和钢筋强度利用程度的修正系数取0.8.

由《混凝土结构设计规范》(GB-50010-2010)[12],螺旋箍筋轴心受压柱承载力计算公式：

(2)

式中,Acor为构件的核心截面面积,mm2;α为间接钢筋对混凝土约束的折减系数,当混凝土强度等级不超过C50时取1.0;当混凝土强度等级为C80时取0.85;Ass0为间接钢筋的换算面积,mm2.

(3)

式中,dcor为构件的核心直径,mm,按间接钢筋内表面确定;Ass1为单根间接钢筋的截面面积,mm2;S为沿构件轴线方向间接钢筋的间距,mm.

将式(2)中螺旋箍筋的贡献引入式(1)，得到配有螺旋箍筋的UHPC加固柱承载力计算公式：

(4)

由式(1)～式(4)计算UHPC加固柱极限承载力,计算值如表1所示，模拟值与计算值比值平均值为0.96,标准差为0.08,计算值与模拟值吻合较好.

由表5可知,Z11-Z16试验承载力与计算承载力的比值在0.91～0.98之间,平均值为0.95,标准差为0.02.由图16可以看出,各试验柱的极限承载力试验值均高于理论值.通过试验值与理论值对比，表明前文提出的公式(4)可以较为准确地计算加固层中使用纵筋和螺旋箍筋的UHPC加固柱的承载力,且使用该计算公式还具有一定的安全空间.从图17可以看出,相对于未加固柱Z11,各加固柱承载力有较大提升.随着加固层厚度增大,承载力提升幅度也增大,通过表5计算可得加固层厚度为45 mm的Z14,Z15承载力是Z1的4.75倍和4.54倍,加固层厚度为35 mm的Z12,Z13承载力是Z1的3.96倍和3.95倍.Z14,Z16变量为加固层配筋率,试验承载力分别是3 259.46 kN和3 357.31 kN,表明增大加固层配筋率会对承载力有小幅提升,但总体影响较小.Z12和Z13,Z14和Z15之间的变量是箍筋间距也对承载力提升影响较小,承载力提升分别为7 kN,56 kN.相对于未加固柱,各加固柱延性(剩余承载力85 %对应位移与峰值荷载位移之比DI)有所增加,Z11-Z15的DI值分别为1.00,1.10,1.41,1.30,1.32,1.40，表明在加固层中配筋的UHPC加固柱不但承载力有较大提升而且变形能力也有很大提升.

图16 Z11-Z16极限承载力对比Fig.16 Comparison values of Z11-Z16 columns ultimate bearing capacity

图17 Z11-Z16荷载-位移曲线Fig.17 Load-displacement curves of Z11-Z16 columns

5 结论

通过有限元模拟和试验分析了UHPC加固混凝土柱轴心受压承载力,得出以下结论:

(1) UHPC加固钢筋混凝土柱能较大地提高承载力,当加固层厚度较大时在加固层中配置钢筋能较大地提高承载力,相比于普通箍筋,采用螺旋箍筋能提高加固柱承载力和变形能力.

(2) 采用不同加固截面对承载力提升影响不大.

(3) 提出加固柱承载力计算方法能准确地计算出不同类型的UHPC加固轴心受压柱承载力,为相关工程应用提供参考.