竹材再生混凝土加固RC柱的軸壓試驗研究

陳 溪 許清風 陳玲珠 冷予冰

(上海市建筑科學研究院,上海市工程結構安全重點實驗室,上海 200032)

0 引 言

增大截面加固法是一種常用的混凝土結構加固方法,已在加固工程中得到了廣泛的應用[1],多采用普通的鋼筋和混凝土。近年來,再生混凝土技術在新建工程中的應用已得到很大發展。大量研究表明,再生骨料的性能具有較大的隨機性和變異性,從而導致再生混凝土和普通混凝土結構性能存在一定差異[2]。肖建莊等[3]完成了12根再生混凝土柱軸心和偏心受壓試驗,研究結果顯示再生混凝土柱的受力過程和破壞機理與普通混凝土柱相似,在實際工程中應用是可行的。周靜海等[4]完成了9根再生混凝土柱和3根普通混凝土柱的軸心受壓試驗,研究結果顯示混凝土柱的承載力隨著再生骨料摻入量的增加逐漸降低;再生混凝土柱與普通混凝土柱的破壞模式相似;將再生混凝土柱應用于工程中的前提是摻入適量的再生骨料。Choi等[5]研究了17根再生混凝土柱的軸壓性能,研究結果顯示隨著再生粗骨料摻入量的增加,柱體的抗壓能力有所下降,再生細骨料的比例則不影響柱體的軸壓承載力;分析表明現行美國混凝土規范ACI 318可用于再生混凝土柱在軸壓作用下的設計。

與鋼材、混凝土、砌體等相比,竹材具有抗拉強度高、材質均勻、高強重比、穩定性好、耐磨等突出優點,在建筑領域一直有所應用[6]。用竹材替代其他高能耗建材,對推動我國既有建筑的可持續發展具有重要意義[7]。從20世紀50年代起,各國學者開始進行竹筋混凝土構件(竹筋混凝土梁、柱、板、墻)的研究。研究表明采用有效的防水措施后,竹筋能夠使混凝土構件的承載力顯著提高[8-9]。李向民[10]和許清風等[11]分別進行了粘貼膠合竹板和原竹片加固木梁的試驗研究,結果表明,加固木梁的受彎承載力分別提高71%～93%和48%～83%。朱雷等[12-13]分別進行了粘貼竹片和膠合竹板加固鋼筋混凝土梁的試驗研究,結果表明,粘貼竹片加固混凝土梁的受彎承載力和初始彎曲剛度分別提高22%～25%和33%～49%;粘貼膠合竹板加固混凝土梁的受彎承載力和延性系數分別提高16%～118%和68%～109%。許清風等[14]進行了粘貼膠合竹板加固預應力混凝土空心板的試驗研究,結果表明,粘貼竹片加固空心板的受彎承載力提高83%～184%。本文開展了竹材再生混凝土增大截面法加固鋼筋混凝土柱的試驗研究,并提出相應的建議。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

本次試驗共設計7根鋼筋混凝土柱,所有試件高度均為1 200 mm,未加固對比柱截面尺寸為300 mm×300 mm,混凝土設計強度為C25,沿截面四周布置了8根12縱筋,在柱頂端和底端各150 mm范圍內布置了4根φ6箍筋,在柱中間段共布置了4根φ6箍筋,詳見圖1。試件C1和C2為未加固對比柱,C3～C7采用再生混凝土增大截面法加固,加固后截面尺寸均為400 mm×400 mm,再生混凝土設計強度為C40。C3在原混凝土柱四個角處各布置一根16的豎向鋼筋,箍筋為φ8@100 mm;C4和C5均在原混凝土柱四個角處各布置一根20 mm×20 mm的膠合竹筋,竹箍截面尺寸為20 mm×2 mm、規格為360 mm×360 mm,C4竹箍間距50 mm,C5竹箍間距100 mm;C6在原混凝土柱四個角各布置一根1/4瓣原竹筒,箍筋采用寬10 mm厚0.1 mm的竹篾螺旋纏繞在加固竹筋四周,間距50 mm,纏繞兩層;C7沿原混凝土柱四周布置了8根20 mm×20 mm的膠合竹筋,竹箍截面尺寸為20 mm×2 mm、規格為360 mm×360 mm、間距為50 mm。試件尺寸和加固方案詳見圖1所示。

采用竹材再生混凝土加固時,按以下順序操作:原柱表面鑿毛;所有竹縱筋和C4、C5、C7柱中的竹箍筋表面涂刷環氧樹脂膠,干燥后綁扎;C6中的竹篾在綁扎前先在水中浸透;澆筑再生混凝土后澆水養護28天。加固過程詳見圖2。

本次試驗量測了加載過程中原鋼筋混凝土柱縱筋、加固縱筋和加固箍筋的應變變化,應變片粘貼位置見圖1。本試驗還在每個柱四個側面中心粘貼豎向與橫向的混凝土應變片用于測量柱體表面混凝土的應變變化。試驗過程中利用VIC-3D非接觸全場應變測量系統對試件表面的應變場進行了測試。

1.2 加載制度

在正式加載前均預加荷載300 kN,用以測試加載設備和采集系統是否正常工作并減少系統誤差。本試驗正式加載采用位移控制,加載速率為0.2 mm/min。

圖1 試件尺寸及特征Fig.1 Size and characteristic of specimens

圖2 加固工藝Fig.2 Strengthening technique

1.3 試驗材料

試驗時,原鋼筋混凝土柱預留混凝土試塊的實測平均抗壓強度為25.88 MPa。

加固用再生混凝土配合比為水泥∶再生細骨料∶31.5規格再生粗骨料∶水∶聚羧酸減水劑=1∶1.6∶2.1∶0.42∶0.002 5,每個試件預留3個混凝土立方體試塊,試驗當天抗壓強度實測結果如表1所示。每拌再生混凝土預留3個棱柱體試塊,試驗當天實測彈性模量為20.28 GPa,平均泊松比為0.22。

表1再生混凝土立方體抗壓強度試驗結果

Table 1 Compressive strength of recycled concrete

加固用φ8箍筋實測屈服強度402.7 MPa、抗拉強度551.3 MPa,C16縱筋實測屈服強度420 MPa、抗拉強度605 MPa。

原竹筒選自浙江嵊州4～6年生毛竹,選用中段采用機械切割制作1/4瓣原竹筒;竹箍筋采用機械切割,寬度和厚度可以按試件需要設置;在需彎折處加熱后便可將竹筋彎折至設計角度。依據《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》(JGT 199—2007)[15],預留6根狗骨形原竹抗拉強度試件,測試截面為5 mm×5 mm,測得原竹平均抗拉強度為141.7 MPa。C6試件中螺旋竹篾箍選用當年生新竹,將竹青劈成厚0.1 mm、寬10 mm的竹篾,并用生石灰腌制1個月而成。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象描述

未加固對比試件C1和C2在加載至2 000 kN時,柱體下半段沿縱筋的位置出現豎向裂縫并逐漸擴大,在頂部加載端有局部混凝土逐漸被壓碎。破壞時,柱體下半段出現較寬的豎向裂縫和少量的水平裂縫,在水平裂縫處混凝土出現輕微的鼓出現象,但并未暴露出箍筋,如圖3(a)和圖3(b)所示。

采用再生混凝土加固的試件C3～C7,由于澆筑再生混凝土時天氣十分炎熱,柱體表面沿加固縱筋位置出現了一些初始微裂縫。加固試件在加載初期,原有少量微裂縫逐漸變寬,個別未貫通豎向裂縫逐漸貫通。

鋼筋再生混凝土加固試件C3在破壞時,在柱體下半段沿加固縱筋形成較寬的豎向裂縫,并有部分混凝土脫落暴露出加固縱筋,如圖3(c)和圖3(d)所示。

膠合竹縱筋加固試件C4、C5和C7在破壞時,沿竹縱筋形成較長甚至貫通的豎向裂縫,部分位置裂縫較寬。在僅配4根膠合竹筋的C4和C5柱體的中上部,再生混凝土出現嚴重的剝落,暴露出斷裂的竹箍筋;1/4瓣原竹筒加固的試件C6在破壞時,沿竹筒邊緣形成較寬的貫通豎向裂縫,柱體中間段表面再生混凝土出現輕微的鼓出現象,竹箍未露出;在配有8根膠合竹筋的C7柱體的中上部,再生混凝土鼓出較為嚴重但未有明顯的剝落現象,竹筋也未露出,如圖3(e)-圖3(j)所示。

圖3 試件的典型破壞特征Fig.3 Failure mode of specimens

2.2 荷載—位移曲線

主要試驗結果匯總見如表2所示。

試件的荷載—位移曲線對比見圖4所示。

由表2和圖4可知:

(1) 兩個對比柱的極限受壓承載力和變形能力均比較相近,C1僅比C2的極限承載力高出6.0%,未加固試件平均受壓承載力為2 436.4 kN;C2柱的極限位移于高出C1柱11.8%,平均極限位移6.27 mm。

(2) 鋼筋再生混凝土加固柱C3的受壓承載力提高達114.0%,極限位移則減小了14.7%。

表2主要試驗結果

Table 2 Main experimental results

注：Pu為極限承載力,Δm為試件達到Pu時的位移,Δy為名義屈服位移,Δu為荷載下降至0.85Pu時的極限位移,μΔ為延性系數μΔ=Δu/Δy。

圖4 荷載—位移曲線對比圖Fig.4 Loading-displacement curves of specimens

(3) 膠合竹筋加固試件C4、C5和C7的極限承載力分別提高了66.2%、87.3%和61.7%,極限位移則分別提高了-19.1%、3.7%和5.6%。三個試件之中,C7試件所配縱筋和箍筋均最多,其變形能力最好,但極限承載力提高相對較少;C4和C5試件所配縱筋相同,C5試件的配箍率為C4試件的一半,然而C5試件的極限荷載和極限位移均大于C4試件。可見配竹筋加固鋼筋混凝土柱具有一個最佳配筋率和配箍率。

(4) 1/4瓣原竹筒和生石灰腌制的原竹篾加固試件C6提高承載力57.3%,極限位移則降低19.3%。

2.3 初始剛度

取0.4Pu時的割線剛度為試件的初始剛度,各試件的初始剛度對比如圖5所示。

圖5 初始剛度對比圖Fig.5 Initial stiffness of specimens

從圖5可知:① 加固試件初始剛度均大于對比試件的平均初始剛度;② 加固試件初始剛度基本隨配筋率和配箍率的增加而增大。

2.4 延性系數

根據實測的荷載-位移曲線,用能量等效面積法計算試件的名義屈服位移Δy[16],再用荷載下降至0.85Pu的極限位移Δu來計算各試件的延性系數μΔ,計算結果見表2和圖6。

由表2和圖6可知:① 鋼筋再生混凝土加固RC柱的延性系數明顯小于對比試件。② 竹材再生混凝土加固RC柱的延性系數略小于對比試件,且隨著配筋率和配箍率增加降低幅度變小。

圖6 試件極限荷載與延性系數對比圖Fig.6 Ductility factor and bearing capacity of specimens

2.5 應變分析

量測了試件各面中心混凝土的豎向應變和水平應變,各試件四個面的平均豎向應變和平均水平應變對比見圖7所示。本試驗利用VIC-3D非接觸全場應變測量系統量測了試驗過程中柱體西面應變的變化,在構件達到極限荷載時各試件的應變如圖8和圖9所示。

圖7 柱表面豎向和水平平均應變對比Fig.7 Mean vertical and horizontal strain curves of specimens

由圖7-圖9可知:① 當荷載達到峰值時,未加固對比柱和加固柱的豎向平均壓應變均在2 000 με左右,水平向平均拉應變均在500 με左右;② 豎向荷載相同時,加固柱的豎向壓應變和水平向拉應變均明顯小于未加固對比試件。

從應變云圖中可看出:在構件的頂部加載端和底部易產生豎向裂縫,豎向裂縫沿構件所配縱筋方向開展;VIC-3D觀測C4-C7試件的豎向裂縫較寬,在破壞時肉眼可見,如圖3所示。

圖8 VIC-3D觀測構件西面豎向應變云圖Fig.8 Vertical strain distribution observed and calculated by VIC-3D

圖9 VIC-3D觀測構件西面橫向應變云圖Fig.9 Horizontal strain distribution observed and calculated by VIC-3D

量測了每根原混凝土柱中縱筋和加固縱筋中間高度處的應變變化,在極限荷載前各試件的原始8根縱筋和加固縱筋(C3-C6試件4根,C7試件8根)平均應變對比如圖10所示。

由圖10可知:① 原柱內縱筋和加固縱筋在加荷初期應變基本呈線性增加;在接近極限荷載時,加固縱筋應變增加較快,而原柱內縱筋應變增長緩慢甚至有所降低。② 加固縱筋的應變較原柱內縱筋大許多;在接近極限荷載時,原柱內縱筋壓應變均在500 με左右,而加固縱筋的壓應變則高達2 500～3 500 με,說明了加固縱筋與原柱內縱筋受力的不同步。③ 所有加固鋼筋和竹筋的應變增加速率幾乎相同;在接近極限荷載時,C5柱和C3柱中縱筋應變較大,說明其縱筋發揮的作用大、其極限承載力也相對較大。

圖10 原柱內縱筋和加固縱筋平均應變對比Fig.10 Mean strain curves of original longitudinal bars and strengthening longitudinal bars

量測了加固柱中間高度處每側箍筋中間位置的應變,各試件四處箍筋應變平均值對比如圖11所示。

圖11 加固箍筋平均應變對比Fig.11 Mean strain curves of strengthening stirrups

由圖11可知:① 在加荷初期,除C7柱外其余加固柱箍筋的拉應變增速幾乎相同;C7柱中箍筋的增速較快,但荷載達到1 500 kN后箍筋上的四個應變片相繼損壞,丟失數據。② 接近極限荷載時,C4～C6柱竹箍拉應變迅速增加,特別是配箍率較小的C5柱竹箍筋拉應變增加最快;C3柱鋼箍拉應變隨增速較快,但小于竹箍的應變增速;C3、C4和C6柱箍筋拉應變約為500 με左右,而C5柱的箍筋拉應變則高達為1 800 με。③ 所有加固試件箍筋拉應變均遠小于其極限拉應變,說明加固試件接近破壞時其箍筋仍未發揮完全的約束作用。

3 理論分析

參考《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367—2013)[1],本文提出再生混凝土增大截面法加固混凝土柱承載力簡便計算式,如式(1)所示。

(1)

參考《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367—2013)[1]條文5.4.1,鋼筋再生混凝土加固柱αcs取0.8。根據竹筋在柱體達到極限承載力時實測的應變可知竹筋距極限應變差距較大[19],本文建議竹筋再生混凝土加固柱的利用折減系數αcs取0.5。

計算值與試驗值對比如表3所示。

表3柱體抗壓強度計算結果

Table 3 Calculation results of proposed model

由表3可知,本文建議計算公式的計算結果與試驗結果符合較好。

4 結 論

(1) 鋼筋再生混凝土和竹材再生混凝土均能顯著提高鋼筋混凝土柱的極限承載力,竹材再生混凝土的加固效果略遜于鋼筋再生混凝土。

(2) 竹材再生混凝土加固試件中,所配縱筋和箍筋最多柱體的變形能力最好;所配縱筋和箍筋最少的柱體的極限荷載最高。在今后的研究中,需研究合理的配竹筋率和配竹箍率。

(3) 鋼筋再生混凝土加固試件的延性系數明顯小于對比試件;竹材再生混凝土加固試件的延性系數略優,但仍小于對比試件,且隨著配筋率和配箍率增加降低幅度變小。

(4) VIC-3D測試結果能很好地預測加固柱的豎向裂縫開展,可用于復雜構件應變場的測試。

(5) 本文提出的再生混凝土增大截面法計算方法能很好地預測試驗結果,可用于加固設計。