預(yù)應(yīng)力鋼帶加固混凝土圓柱軸壓性能試驗

張 波，楊 勇，夏澤宇,3

(1.陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，漢中 723001；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055； 3.周口市發(fā)展和改革委員會，周口 466000)

0 引 言

對混凝土柱進(jìn)行橫向約束，可使其處于三向受壓狀態(tài)，充分發(fā)揮混凝土材料的力學(xué)性能，有效克服應(yīng)力、應(yīng)變滯后問題，從而提高混凝土柱的承載能力和變形性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者提出了預(yù)應(yīng)力鋼絞線[1-2]、預(yù)應(yīng)力鋼板箍[3-4]、形狀記憶合金[5-6]和預(yù)應(yīng)力纖維布[7]等主動預(yù)應(yīng)力約束加固技術(shù)。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，楊勇等[8]創(chuàng)新開發(fā)了預(yù)應(yīng)力鋼帶加固方法。該方法在構(gòu)件外表面沿橫向等間距布置鋼帶，通過拉緊鋼帶，使鋼帶對混凝土構(gòu)件產(chǎn)生非常大的橫向約束預(yù)應(yīng)力，從而使構(gòu)件中混凝土受到主動橫向約束，混凝土受到橫向約束后，混凝土的強(qiáng)度和變形能力均可以得到有效提高，并且開裂也可以得到很好的限制或延緩，從而在整體上改善混凝土構(gòu)件的受力性能。而且施工過程為干作業(yè)，快捷方便；采用機(jī)械錨固，避免使用膠黏劑產(chǎn)生老化。本文對預(yù)應(yīng)力鋼帶加固混凝土圓柱軸壓性能進(jìn)行了試驗研究，研究了鋼帶間距、鋼帶層數(shù)等因素對混凝土圓柱承載力及變形性能的影響，并在試驗研究的基礎(chǔ)上，建立了預(yù)應(yīng)力鋼帶加固混凝土圓柱極限強(qiáng)度模型。

1 實 驗

1.1 試件設(shè)計

試件共設(shè)計C20、C30兩種類型36根混凝土圓柱，其中4根未加固對比試件，32根加固試件，重點考察鋼帶間距和鋼帶層數(shù)對試件承載力和變形能力的影響。鋼帶設(shè)計預(yù)拉應(yīng)變?yōu)?.5×10-3。鋼帶間距、鋼帶層數(shù)等具體設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 試件設(shè)計參數(shù)Table 1 Test parameters of specimens

在試件端部增設(shè)鋼帶以防止受壓破壞，其中直徑300 mm、400 mm的試件分別增設(shè)兩道和三道。加固方案如圖1所示(D為試件直徑，H為試件高度)。

圖1 試件加固方案Fig.1 Reinforcement scheme of specimens

1.2 預(yù)應(yīng)力鋼帶加固施工步驟

(1)表面處理：利用角磨機(jī)等工具將試件表面打磨平整，保證鋼帶能與混凝土表面良好接觸，避免受力過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)放線、下料：根據(jù)所設(shè)計的鋼帶間距，在試件表面放線標(biāo)出鋼帶位置，通過計算試件橫截面的周長從而確定鋼帶的長度，下料長度約比周長長15～20 cm。

(3)扎捆機(jī)打包加固：將打包扣穿入已裁剪好的鋼帶，在距鋼帶端部大約80 mm處彎折，將鎖扣移動至該彎折處，將鋼帶的另一端繞柱一周然后插入鎖扣，并拉出少量距離，便于鋼帶能夠通過拉緊器拉緊。施加預(yù)應(yīng)力的大小可通過測量事先粘貼在鋼帶表面的應(yīng)變片的應(yīng)變值來進(jìn)行控制。當(dāng)達(dá)到設(shè)計初始應(yīng)力值時，停止張拉鋼帶，進(jìn)行鎖扣錨固，然后折斷鋼帶，完成打包加固[9]。

1.3 材料性能

采用商品混凝土，分次澆筑C20和C30混凝土。分次澆筑時均參考現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[10]，各預(yù)留6個150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，并與試件相同條件下養(yǎng)護(hù)。試塊按《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[11]進(jìn)行材料力學(xué)性能試驗，測試結(jié)果如表2所示。

表2 混凝土力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of concrete

加固鋼帶采用寶鋼生產(chǎn)的ULT1000型不銹鋼鋼帶，試驗試件按照《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[12]進(jìn)行制作，其材料性能試驗結(jié)果如表3所示。

表3 鋼帶幾何尺寸及材料性能Table 3 Dimensions and properties of steel strip

1.4 試驗過程

1.4.1 加載裝置

試驗在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室進(jìn)行，采用5 000 kN和20 000 kN液壓試驗機(jī)進(jìn)行加載，如圖2所示。

圖2 試驗加載裝置圖Fig.2 Diagrams of test setup

1.4.2 加載方法和測量

試驗過程采用位移控制進(jìn)行單調(diào)加載，參照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[13]的要求，在正式加載前，預(yù)加載50 kN左右檢查上、下壓板接觸情況。正式加載采用位移控制，初期按0.5 mm/min速率進(jìn)行加載，后期按0.2 mm/min速率進(jìn)行加載，當(dāng)荷載下降到峰值荷載的85%時停止并卸載。

在加載過程中，試件在柱子周圍對稱布置四個拉線式位移計測量軸向位移，通過制作的圓形套箍固定拉線式位移計的底座和上部磁鐵，螺桿插入到孔內(nèi)防止鋼帶斷裂損傷位移計，如圖3所示。

圖3 位移計布置圖Fig.3 Layout diagram of displacement meter

在靠近試件中部的3條鋼帶上布置2個應(yīng)變片，當(dāng)多層加固時，只在最外層布置應(yīng)變片，應(yīng)變片布置如圖4所示。

圖4 應(yīng)變片布置示意圖Fig.4 Layout diagram of strain gauges

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 受力機(jī)理與破壞過程

預(yù)應(yīng)力鋼帶加固系列試件和對比柱SC系列試件的荷載-位移(P-d)曲線如圖5所示。

圖5 試件的荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of specimens

2.1.1 未加固試件

軸壓應(yīng)力較低的初期，圓柱承載力和豎向位移呈線性增加，表面無明顯現(xiàn)象。在約極限荷載的70%時，柱子內(nèi)部的混凝土有開裂聲響，然后中間出現(xiàn)多處斜裂縫和豎向裂縫，豎向裂縫很快貫通。隨后，柱子表面開始剝落，當(dāng)達(dá)到峰值荷載時，柱子表面出現(xiàn)大量斜裂縫，承載力急劇下降，不存在持荷階段。

2.1.2 加固試件

加固試件的P-d曲線(見圖5)可分為三個階段。

以C30/1000/150/1試件為例，其P-d曲線及變形示意圖見圖6。第一階段為彈性階段：從開始加載直至荷載達(dá)到峰值荷載的60%～70%，荷載-位移曲線呈線性增長，沒有明顯的變化，和對比試件相同。

圖6 C30/1000/150/1試件荷載-位移曲線及變形示意圖Fig.6 Load-displacement curve and deformation diagram of C30/1000/150/1

第二階段為帶裂縫工作階段：荷載繼續(xù)增大，柱子表面許多地方出現(xiàn)豎向裂縫，可以聽到混凝土內(nèi)部開裂的聲音；繼續(xù)加載，達(dá)到峰值荷載的80%時，試件有外鼓現(xiàn)象，鋼帶的應(yīng)變值明顯增加，表面混凝土脫落起皮；隨后，混凝土柱表面裂縫貫通。

第三階段為屈服階段：峰值荷載之后，鋼帶已基本達(dá)到屈服，裂縫繼續(xù)發(fā)展，試件進(jìn)一步發(fā)生側(cè)向膨脹，混凝土剝落嚴(yán)重，當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的85%左右時，加載停止。部分試件最終破壞照片如圖7所示。

圖7 部分加固試件破壞形態(tài)Fig.7 Failure modes of partially reinforced specimens

由圖5可以得到如下結(jié)論：

(1)在加載過程中，鋼帶主動橫向約束使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，核心混凝土得到“約束剛度”，抗壓強(qiáng)度得到提高，混凝土中裂縫的發(fā)育受到有效抑制，隨著鋼帶層數(shù)的增加以及間距的減小，第Ⅰ、Ⅱ階段的分界點越高，曲線上升斜率越大，極限承載力也越大。

(2)在峰值荷載后，鋼帶層數(shù)增加以及鋼帶間距減小均可使加固試件的曲線下降段逐漸趨緩，變形能力良好，這是由于鋼帶可有效約束混凝土中裂縫的擴(kuò)展以及剝落。

(3)在約束較強(qiáng)的試件中，試件外鼓和脫落現(xiàn)象明顯，混凝土普遍被壓碎，導(dǎo)致柱的破壞。隨著鋼帶層數(shù)增加以及間距減小，混凝土柱的破壞也越嚴(yán)重。并且鋼帶應(yīng)力急劇增大，導(dǎo)致部分試件鋼帶有發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

2.2 承載力分析

表4給出了試件主要階段的試驗數(shù)據(jù)，分析可得到如下結(jié)論：

表4 主要試驗結(jié)果Table 4 Main test results

(1)通過預(yù)應(yīng)力鋼帶加固，柱子峰值承載力得到顯著提高。C20類型試件最大提高了224.5%，C30類型試件最大提高了208.5%。

(2)隨著鋼帶層數(shù)的增多，其他參數(shù)不變，試件峰值承載力隨之增大。如試件C30/750/50/1、C30/750/50/2、C30/750/50/3峰值承載力提高幅度分別為89.6%、135.5%、208.5%。試件C20/1000/50/1、C20/1000/50/2、C20/1000/50/3峰值承載力提高幅度分別為57.6%、126.0%、156.0%。

(3)隨著鋼帶間距的減小，其他參數(shù)不變，試件峰值承載力隨之增大。如試件C20/750/150/3、C20/750/100/3、C20/750/50/3峰值承載力提高幅度分別為52.0%、129.1%、224.5%。試件C30/750/150/2、C30/750/100/2、C30/750/75/2和C30/750/50/2峰值承載力提高幅度分別為66.8%、74.9%、102.1%和135.5%。

(4)試件尺寸越小，其他參數(shù)不變，試件峰值承載力隨之增大。如試件C30/1000/50/3和C30/750/50/3承載力提高幅度分別為172.1%和208.5%。試件C20/1000/50/3和C30/750/50/3承載力提高幅度分別為156.0%和224.5%。說明試件尺寸越小，鋼帶對核心混凝土區(qū)域的橫向約束作用越強(qiáng)。

3 預(yù)應(yīng)力鋼帶加固混凝土圓柱軸壓承載力分析

3.1 基本假定

為簡化計算并保證預(yù)應(yīng)力鋼帶橫向約束混凝土柱受力性能的準(zhǔn)確分析，提出如下基本假定：

(1)僅考慮預(yù)應(yīng)力鋼帶對混凝土的環(huán)向約束作用，即只有拉應(yīng)力，忽略其承擔(dān)的豎向荷載。

(2)變形前后橫截面始終保持平面，橫截面上各點應(yīng)力均勻分布,應(yīng)變相等。

(3)鋼帶與混凝土之間變形協(xié)調(diào)，共同工作，無相對滑移。

3.2 等效約束應(yīng)力計算

鋼帶提供給核心混凝土的是沿一周不均勻的側(cè)向約束力，假設(shè)鋼帶在S范圍內(nèi)提供給混凝土的等效側(cè)向約束應(yīng)力fel沿柱縱向均勻分布，受力情況如圖8所示。

圖8 柱截面?zhèn)认蚣s束應(yīng)力的分布Fig.8 Distribution of lateral constraint stress of column section

根據(jù)力的平衡關(guān)系可以得到fel的計算表達(dá)式：

(1)

簡化得：

(2)

式中：fel為等效側(cè)向約束應(yīng)力；S為鋼帶間距；α為微元與指定起始半徑的夾角；As為鋼帶截面面積，As=tsws；n為鋼帶層數(shù)；ts為鋼帶的計算寬度；ws為鋼帶的計算厚度；fss為鋼帶在峰值時的有效拉應(yīng)力；D為混凝土柱直徑。

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[14]，借鑒螺旋箍筋的體積配箍率，給出鋼帶約束混凝土的體積配帶率ρss：

(3)

式中：Ac為混凝土截面面積。

因此，式(2)進(jìn)一步簡化為:

(4)

3.3 鋼帶間距影響系數(shù)

本試驗中鋼帶并不是全包裹，而是采用等間距包裹。這樣，鋼帶的約束就不同于完全包裹。無鋼帶纏繞部分是試件最薄弱的部分，該截面面積作為鋼帶的有效約束面積[15]，并引入鋼帶間距影響系數(shù)βs。

鋼帶約束混凝土的受力機(jī)理類似于箍筋和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer, FRP)約束混凝土，當(dāng)鋼帶纏繞時，側(cè)向約束力通過拱效應(yīng)施加到核心混凝土上，假設(shè)拱效應(yīng)初始角為45°拋物線[16]，示意圖如圖9所示。

圖9 約束混凝土圓柱有效約束面積模型Fig.9 Effective constrained area model of confined concrete column

薄弱截面1-1處的有效約束面積Ae為：

(5)

混凝土截面面積Ac為：

(6)

則鋼帶的間距影響系數(shù)βs為：

(7)

式中：Ae為有效約束面積；Ac為混凝土截面面積；Ss為鋼帶凈距；D為混凝土圓柱直徑。

根據(jù)3種間距試件的加固方式，可由式(7)計算出間距影響系數(shù)值，見表5～表6。

表5 間距影響系數(shù)(直徑300)Table 5 Spacing influence coefficients (diameter 300)

表6 間距影響系數(shù)(直徑400)Table 6 Spacing influence coefficients (diameter 400)

3.4 計算模型的提出

預(yù)應(yīng)力鋼帶約束混凝土柱的力學(xué)機(jī)理與螺旋箍筋柱和FRP約束混凝土柱相似，均是受壓混凝土側(cè)向變形受到約束，混凝土核心區(qū)處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)[17]，抗壓強(qiáng)度提高。故假設(shè)鋼帶約束圓形混凝土柱的極限強(qiáng)度計算模型為：

(8)

式中：f′co為素混凝土極限抗壓強(qiáng)度；f′cc為預(yù)應(yīng)力鋼帶約束混凝土極限抗壓強(qiáng)度；k1為應(yīng)力提高系數(shù)。

結(jié)合文獻(xiàn)[18]，定義f′cc/f′co和βsfel/f′co分別為強(qiáng)度比和修正后約束比，對式(8)中的k1進(jìn)行數(shù)值回歸，約束后應(yīng)力提高系數(shù)k1為6.316 8，可近似取為6.5，因此預(yù)應(yīng)力鋼帶約束混凝土柱極限強(qiáng)度的計算模型為：

(9)

擬合結(jié)果見圖10，計算值與試驗值的對比見表7。表中σm,t為極限強(qiáng)度試驗值，即試驗所得峰值荷載Pm與試件截面積Ac的比值，σm,c為公式(9)計算所得極限強(qiáng)度計算值。總體看來，計算值與試驗值吻合程度較好，利用本文所提出的極限強(qiáng)度計算模型計算精度較高。

圖10 強(qiáng)度比-修正約束比關(guān)系曲線Fig.10 Strength ratio-modified constraint ratio curve

表7 計算值與試驗值對比Table 7 Comparison of calculation value and experimental value

4 結(jié) 論

(1)通過預(yù)應(yīng)力鋼帶可對混凝土柱施加橫向側(cè)向力，對混凝土起到有效的約束作用，試件在軸心壓力下處于三向受壓狀態(tài)，從而延緩裂縫的開展及發(fā)育，充分發(fā)揮了混凝土材料的力學(xué)性能，大大提高了構(gòu)件的承載力和變形能力。

(2)在鋼帶間距相同條件下，隨著鋼帶層數(shù)的增加,混凝土柱承載力和變形能力隨之大幅度提高；鋼帶層數(shù)相同條件下，隨著鋼帶間距的減小，混凝土柱承載力和變形能力隨之大幅度提高。

(3)在試驗研究的基礎(chǔ)上，探討了預(yù)應(yīng)力鋼帶加固混凝土柱軸壓受力機(jī)理，給出了預(yù)應(yīng)力鋼帶約束混凝土圓柱的極限強(qiáng)度計算模型，試驗結(jié)果和計算結(jié)果吻合較好。