碳纤维布与钢板复合加固RC梁抗震性能试验

廖绍怀,卢亦焱,陈道凡

(1.武汉大学 土木建筑工程学院,武汉 430072;2.华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074)

用碳纤维布(CFRP)或钢板对混凝土构件进行单一材料加固的技术在加固工程应用中已成熟[1-2],但二者在改善结构抗震性能上均存在不足。粘CFRP加固[3-6]构件的延性降低,同时由于纤维材料的脆性性能,其破坏具有一定的突然性,且CFRP不易锚固;而粘钢加固构件[7-8],加载至破坏过程中可以保持较好的延性,且钢板易于锚固,但是钢板的厚度和层数受限,CFRP加固材料轻而薄、易粘贴性能可改善粘钢加固的不足,故二者复合加固具有互补性。CFRP与钢板复合加固梁[10],作为一种新的加固形式,国内外对其研究很少。采用粘CFRP或粘钢板加固钢筋混凝土结构抗震性能研究,其主要集中在柱、节点和框架[9-13],对于梁的抗震性能研究见诸报道也很少,而复合加固梁的抗震性能研究尚未见报道。因此,论文对CFRP及钢板加固梁在低周反复荷载作用下进行对比试验和对比分析,以期对CFRP与钢板复合加固梁抗震性能有较全面的了解,为工程应用提供试验依据。

1 试验概况

1.1 试验材料性能

试验梁的混凝土强度设计为C35,其实测28 d立方体抗压强度的平均值为42.4 N/mm2。混凝土的配合比为C∶W∶S∶G=1∶0.48∶1.55∶3.0,水灰比为0.48。试验梁中纵筋为2Φ12,试验梁中所用材料的实测力学性能如表1所示。

表1 所用材料的力学性能

1.2 试件设计

试验梁一批成形,截面尺寸:150mm×250mm,跨度为2.1m,净跨1.95m,采用对称配筋,均为2Φ12。为确保试验梁在加固量较大的情况下仍有抗剪富余,箍筋在纯弯区段配置为Φ8@200,剪跨区段配置为 Φ8@100。试验梁截面尺寸、配筋及加固见图1、图2所示,试件设计如表2所示。

图1 试验梁

图2 钢板与CFRP钢板粘帖示意

表2 试件设计

1.3 锚固方法

大量试验和工程实际应用表明[1],采用封闭的CFRP箍和U型钢板箍可有效地防止锚固区因应力集中而产生的粘结锚固破坏[14-15]。考虑到本实验采用低周反复加载方式,对仅贴碳纤维布的试件采用封闭的CFRP箍,对外粘钢板的试件则采用封闭的钢板箍进行锚固。

1.4 加载方案

试验梁中采用分配梁三分点二集中力加载,采用荷载—位移双控制的方法[16],即:1)试件屈服前,采用荷载控制,按预计屈服荷载Q y的75%为极差分级加载,接近开裂及屈服荷载适当减少极差进行加载。2)试件屈服后采用变形控制,屈服位移δy取梁纵筋屈服或钢板屈服时构件位移,以该位移值的整数倍为极差进行加载控制。3)试件屈服后每级荷载往复3次。加载制度见图3。加载设备为300 kN机械式千斤顶,千斤顶连接YJ-X4上海新达数显静态应变仪进行读数控制,10 kN对应的应变为95με。每级荷载下通过东华DH 3816静态应变仪测试系统记录应变值,同时在试验中随时观测裂缝发展并描绘其发展情况。

1.5 测试内容及测点布置

试验的具体测量包括以下内容:1)混凝土开裂前及开裂后量测跨中纯弯区段截面各点应变。2)在试验梁底及梁顶部钢板的中部均对称粘贴2个3mm×2mm的电阻应变片,测量钢板的应变。3)在试验梁底及梁顶部CFRP(未粘钢板的两侧)纯弯区段中部均对称粘贴2个5mm×3mm的电阻应变片,测量CFRP的平均拉应变。4)试验梁内钢筋于浇注前在纯弯区段中部预埋粘贴6个3mm×2mm的电阻应变片,测量钢筋的平均拉压应变。5)在试验梁跨中放置位移计以量测跨中挠度。

图3 加载制度

2 试验结果分析

2.1 试验结果

各试验梁的试验结果如表3所示。

2.2 破坏形态

2.2.1 破坏过程 试验结果表明,在低周反复荷载作用下,未加固梁(LA-1)从加荷到破坏经历3个受力阶段即开裂前弹性工作、带裂缝工作、钢筋屈服后混凝土裂缝达到限值1.5mm而破坏。仅采用碳纤维布加固梁(LA-2、LA-3)从加荷到破坏经历4个受力阶段即开裂前弹性工作、带裂缝工作、钢筋屈服、碳纤维布与混凝土剥离拉断而破坏。仅采用钢板加固梁(LA-4)从加荷到破坏经历4个受力阶段即开裂前弹性工作、带裂缝工作、钢板屈服、钢筋屈服、钢板与混凝土剥离且混凝土裂缝达到限值1.5mm而破坏。采用碳纤维布(CFRP)与钢板复合加固梁(LA-5、LA-6)从加荷到破坏经历4个受力阶段即开裂前弹性工作、带裂缝工作、钢板屈服、钢筋屈服、碳纤维布剥离且混凝土裂缝达到限值1.5mm而破坏。在实验加载过程中,复合加固梁在破坏前碳纤维布与钢板能很好的协同工作。

表3 试验结果

2.2.2 破坏形态 试验过程中,试验梁始于受拉区首先屈服而进入破坏阶段,破坏前挠度增加较快,裂缝迅速开展,破坏前有明显的预兆,表现了较好的承受变形的能力,属于延续破坏。这是因为试验梁采用对称配筋和对称加固的型式,混凝土相对受压区高度均在界限相对受压区高度之内,故具有适筋梁受力破坏形态特点。

2.3 滞回特性与分析

2.3.1 滞回曲线 结构在低周反复荷载作用下的荷载-位移滞回曲线能够较全面地反映构件受力性能的变化,如裂缝的开闭、钢筋的屈服和强化、局部混凝土的剥落、压碎以及破坏等;并且可以反映强度、刚度和延性等方面的力学特征。此次试验各试件的滞回曲线见图4至图9。

在低周反复荷载作用下,钢筋混凝土受弯构件滞回性能取决于构件的破坏特征。钢筋混凝土梁发生弯曲破坏时,在钢筋屈服前,其滞回曲线呈稳定的梭形,刚度退化较小,强度没有降低,骨架曲线与循环加载的荷载-变形曲线基本重合。钢筋屈服后,刚度开始退化,滞回曲线有所捏拢。从以上各试件的滞回曲线可以看出,未加固试件 LA-1呈典型的弯曲破坏状态,滞回曲线形状比较饱满。对比各加固试件可发现,各加固梁均表现出较好的变形能力和耗能能力,试件刚度衰减较慢。比较LA-1和LA-2知,梁的承载能力有较大的提高,刚度退化减缓很多,变形能力也有所改善;比较LA-2和 LA-3知,梁的承载能力有所提高但不明显,且随着CFRP加固量的增加,试件的滞回环变得略为扁平;比较LA-1和LA-4知,随着钢板加固量的增加,梁的承载力有很大幅度的提高,并且梁的变形能力和刚度退化均有较大的改善;比较 LA-2和 LA-5以及 LA-4和LA-5知,复合加固较单一材料加固无论在承载力提高上还是变形能力上均有较大的改善,且刚度退化有所减缓 ;比较梁LA-4、LA-5、LA-6知,随着 CFRP加固量的增加,梁的承载力提高但随着CFRP量的进一步增多时承载力提高的幅度减缓。总之,从定性角度来看,对比梁单一材料加固,2种材料的复合能更显著改善梁的抗震性能。

图4 LA-1的滞回曲线

图5 LA-2的滞回曲

图6 LA-3的滞回曲线

2.3.2 骨架曲线与承载力比较分析 骨架曲线是将荷载—位移滞回曲线的所有峰值点连接起来所得的包络线,骨架曲线的形状与单调加载时的荷载—位移曲线非常相似,而极限荷载值比单调加载时略低。

图7 LA-4的滞回曲线

图8 LA-5的滞回曲线

图9 LA-6的滞回曲线

骨架曲线可以用来定性地比较和衡量结构构件的抗震性能。试验中各试件的骨架曲线见图10至图14。

图10 LA-1、LA-2、LA-3 骨架曲线

图11 LA-1、LA-4骨架曲线

图12 LA-2、LA-5骨架曲线

从图10至图14可看出,加固梁与未加固梁相比,屈服荷载、极限荷载均有较大幅度的提高,并且极限位移与屈服位移的比值即延性系数均提高。由图10知,随着CFRP加固量增加,试件的极限荷载提高,前者破坏态为CFRP拉断,而后者为CFRP剥离,CFRP的作用没得到充分利用而使承载力提高的幅度有所下降;并且在屈服前三者刚度基本相同,这说明CFRP对梁弹性刚度的提高作用有限。由图11、图12知,用钢板加固梁既可以较大幅度提高梁的极限承载能力和刚度,又可增加其变形能力。由图13、图14知,复合加固较单一材料加固其加固效果更显著,既可以大幅度提高梁的极限承载能力,又能改善构件的延性和增强试件的抗震性能。由表3知,CFRP或钢板或复合加固既能提高试件的开裂荷载(依次提高28.6%、42.9%、19.0%、57.1%、66.7%),又能提高极限承载力(依次提高55.6%、88.9%、77.8%、155.6%、166.7%)。而复合加固更显著提高梁开裂荷载和极限承载能力。

图13 LA-4、LA-5、LA-6 骨架曲线

图14 LA-2、LA-4、LA-5 骨架曲线

2.4 刚度退化及刚度变化分析

2.4.1 刚度退化分析 在位移幅值不变的情况下,结构构件的刚度随反复加载的次数的增加而降低的特性为刚度退化,每施加一循环荷载后刚度降低的速率为刚度退化率。一般用同一级变形下的环线刚度来反映刚度退化的特性,环线刚度按下式计算:

根据试验,由试1计算出所有时间的环线刚度Kn见表4所示。

表4 梁的环线刚度

续表4

定义刚度退化率T为:

根据试验,所有试件的刚度退化率T计算结果如表5所示。

表5 梁的刚度退化率(%)

从表4、表5可看出,随着循环次数的增加,梁的刚度减小即刚度退化,且随着位移的增加,退化率增大,耗能能力下降。相比未加固试件,试件破坏前,加固试件的刚度退化率小,这说明用碳纤维布或钢板加固可以减缓刚度的退化。比较LA-2、LA-4、LA-5、LA-6知,复合加固的试件的刚度退化率更小,且复合加固试件在各级控制位移下,刚度随循环次数的增加退化现象不明显,说明复合加固效果更好。

2.4.2 刚度变化分析 从荷载—位移滞回曲线图看出,随着往复荷载的不断增大,试件的刚度逐渐减小。可用相对刚度Ki/K0来描述,其中Ki表示骨架曲线第i个峰值点与原点连线的斜率,在计算初始刚度k0时取原点与0.75倍屈服荷载点连线的斜率。

各试件的初始刚度值K0,各级位移下刚度Ki及相对刚度ki/k0见表6至表7。其中屈服时刚度为K1,2倍屈服位移时刚度为K2,3倍屈服位移时刚度为k3。

表6 K0及Ki(kN/mm)

表7 相对刚度Ki/K0

由表6知,钢板加固可显著提高梁的初始刚度k0,而碳纤维布对梁的初始刚度影响不及钢板大,且随着位移的增加,各试件的刚度均有大幅度的减小。

由表7知,加固试件的相对刚度均比未加固试件要高,钢板加固时,梁的相对刚度比碳纤维布加固时的相对刚度大,说明钢板对梁刚度的衰减可以起到更好的抑制作用。比较复合加固和粘钢加固,复合加固试件的相对刚度大于粘钢加固试件的相对刚度,这是由于碳纤维布的使用,试件的刚度衰减受到了抑制。

2.5 变形能力分析

2.5.1 变形恢复能力 梁的变形恢复能力大小可以用残余变形率n(残余变形Δe与极限变形Δu的比值)表示,残余变形率越低,变形恢复能力越强。所有试件的变形恢复性能指标见表8。

表8 试件的变形恢复能力

由表8可知,各梁的残余变形率在 0.65～0.72,均表现出一定的变形恢复能力;碳纤维布加固和钢板加固均能提高梁的变形恢复能力,而复合加固梁的变形残余率较单一材料加固小,表明复合加固梁梁的变形恢复能力更高。

2.5.2 延性分析 根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101-96)[10],试件的延性系数μ,应根据极限位移Δu和屈服位移 Δy之比计算,各试件的延性系数见表9。

表9 梁的延性系数

从表9可以看出,各梁的延性系数都大于3,均表现出较好的延性。加固试件的延性系数均大于未加固试件,延性系数依次提高11.8%、4.53%、13.6%、36.8%、24.4%。单一材料加固时,钢板加固提高的幅度最大,其次为一层布加固;复合加固试件的延性系数较单一材料加固提高,说明复合加固对构件的抗震性能有明显的改善;而当增加碳纤维布层数时,其延性系数提高幅度降低,原因在于其加固破坏形式为碳纤维布剥离或拉断。

3 结论

通过对6根钢筋混凝土梁(5根加固)在低周反复荷载作用下的试验研究,对各试件的破坏形态、滞回特性、刚度退化、变形恢复能力、延性、承载能力等进行了对比分析,得到如下结论:

1)试验梁始于受拉区首先屈服而进入破坏阶段,破坏前有明显的预兆,表现了较好的承受变形的能力,属于延续破坏。碳纤维布与钢板能较好地协同工作。

2)复合加固能进一步提高梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载。

3)相比单一材料加固,复合加固进一步减缓梁的刚度退化,进一步提高梁的变形恢复能力和延性系数;表明复合加固能更有效地改善梁的抗震性能。

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