应用碳纤维布增强钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究

1、应用碳纤维布增强钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究 天津大学硕士学位论文应用碳纤维布增强钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究姓名:刘明国申请学位级别:硕士专业:结构工程指导教师:赵彤一钿?要摘本论文主要包括两部分内容。第一部分通过根普通强度钢筋混凝土柱在周期反复荷载作用下受力性能的试验研究,验证了在较高轴压比情况下使用碳纤维布包裹钢筋混凝土柱来提高其延性这种补强加固方法的有效性,分析了碳纤维布包裹层数、轴压比、碳纤维布拉伸强度及混凝土强度等级等因素对补强加固效果的影响白阔时,对碳纤维布加固钢筋混凝土柱使其延性提高的机理进行了分析。最后,还编制了钢筋混凝土压弯构件延性的计算机全过程计算分析程序,对影响构件

2、延性的因素,诸如轴压比、碳纤维布粘贴层数、混凝土强度等级、荷裁角等作了进一步分析,构件承载力和延性的试验结果与电算结果吻合较好。第二部分进行了根高强混凝土柱在周期反复荷载作用下的试验,验证了使用碳纤维布横向包裹高强混凝土柱来提高其延性这种加固方法的有效性,研究了碳纤维布横向包裹高强混凝土柱的受力特性,分析了加荷角度、碳纤维布拉伸强度以及碳纤维布的包裹层数等因素对构件抗震加固效果的影响,提出了碳纤维布加固高强混凝土柱位移延性系数的计算公式,并对碳纤维布加固高强混凝土柱使其延性提高的机理进行了探讨。式验结果表明,横向缠裹碳纤维布可显著提高高强混凝土柱的延性。最后,还编制了关于高强混凝土压弯构件延性

3、的计算机全过程分析程序,对影响构件延性的因素,诸如轴压比、碳纤维粘贴层数、荷载角等作进一步分析,构件承载力和延性的试验结果与电算结果吻合较好。丫/关键词:碳纤维布,补强加固。钢筋混凝土柱,延性,高强混凝土、., , ,. ,. , 、树 . ., . ,.,. .:, ,论第一幸绪论绪第一章第一节概速建国以来,特别是改革开放以来,为配合经济建设的迅速发展,我国的建筑业也开始有飞速发展。同时,随着钢筋混凝土结构在基本理论和设计方法等方面研究的不断发展,钢筋混凝土建筑物的结构设计和施工水平也有了很大的发展。近年来,人们对建筑物的安全性、适用性和耐久性的不断提高,越来越多的新型结构随之发展起来,尤其

4、是高层建筑的兴起更给设计者们以广阔的设计空间。在建筑结构类型不断翻新的同时,各种新型建筑材料也不断发展以适应建筑业的发展要求。大量新型建筑结构的出现,使得一些新的问题也随之出现。例如:现代建筑由于楼层和设计荷载的不断增加,往往要求框架结构中的底层柱提供更大的承载力。这种要求使得柱截面越做越大,但由于层高的限制,柱的设计长度不可能任意加大,这样就会在结构中出现大量剪跨比小于的短柱。短柱延性很差,易发生脆性的剪切破坏,尤其在地震中,短柱往往会成为结构的薄弱环节。因此抗震设计中要求对短柱进行局部加固,以使其满足规定的延性要求。在新建结构不断增加的同时,对现有结构的维护和补强加固也引起了工程界的广泛重

5、视。众所周知,建筑物都有一定的设计基准期,一般为年左右,我国在建国后建设的大量建筑物有的已经接近年。由于多年的使用,钢筋混凝土结构会由于侵蚀性介质的腐蚀、钢筋锈蚀等出现耐久性问题;有时因为改建或扩建的原因,要求结构构件具有更高的承载力;或者由于地震作用的影响,结构构件出现了局部损坏等现象。在这些情况下,为了节省人力物力,就必须对有关的结构构件进行补强加固,使其仍能满足安全性、适用性和耐久性的要求。而且,我国是一个地震多发国家,地震活动频繁,建筑物的抗震加固技术也是我国工程抗震领域研究的一个重点。另外,随着高层建筑以及大跨度、超重载等结构的增多,推广采用高强混凝土在我国也成为一项迫切的任务。在结

6、构设计中采用高强混凝土具有以下优点:论第一章绪利用其高强、早强和高变形模量的特点,可以大幅度缩减高层建筑底层柱的截面并增加建筑使用面积;可以扩大建筑物的柱网间距并改善建筑使用功能:可以统一柱子的模板规格,减少模板材料用量。加快模板周转并缩短施工工期;可以增加结构刚度,减少房屋在水平荷载下的横向侧移。然而,高强混凝土也有其缺点,那就是脆性大,构件延性较差。如何改善高强混凝土结构构件的延性,也是工程抗震领域普遍关心的关键问题,直接影响到它在工程实践中的推广和应用。而采用抗震加固的方法对高强混凝土结构构件进行处理以改善其延性,是最行之有效的方法之一。由此可见,建筑物的补强加固技术是非常重要的,对此项

7、技术的研究具有重要的理论和实践意义。第二节国内外研究概况、现有的加固方法近些年来,随着人们对补强加固这一新兴研究课题投入的增多,相应的成果也越来越多。目前,工程上对钢筋混凝土柱补强加固的方法主要有:.粘钢加固粘钢加固是在混凝土构件表面用特制的建筑结构胶粘结钢板,以提高结构承载力和变形能力的一种加固方法,其优点是简单,快速,施工时对生产和生活影响较小。.预应力加固预应力加固是通过预应力钢筋对构件施加预应力,来承担梁、屋架和柱所承受的部分荷载,从而提高构件的承载力。.玻璃钢加固玻璃钢是一种复合材料,它具有与混凝土的线膨胀系数相近、比强度高、优良的电磁绝缘性等特点。可在通过在构件表面粘贴玻璃钢来增强

8、钢筋混凝土构件的承载力,并改善其变形性能。.喷射混凝土技术苎主竺丝一一?喷射混凝土是借助喷射机械,利用压缩空气或其它动力,将一定比例配合的拌合料,通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种混凝土。喷射混凝土不是依赖振动来捣实混凝土,而是在高速喷射时,由水泥与集料的反复连续撞击而使混凝土压密,同时又可采用较小的水灰比常为.,因而它具有较高的力学性能和良好的耐久性。特别是与混凝土、砖石、钢材有很高的粘结强度,可以在结合面上传递拉应力和剪应力。.钢筋混凝土外套加固即在构件外侧增加混凝土层,加固层里面再配一些钢筋,可同时增大构件的刚度、承载力和变形能力,有时也加强连接的可靠性。对上述的加固方

9、法,国内外的很多科研机构都已做了大量的研究工作,并且大都已应用于实际工程。、然而,这些加固方法都有一些缺点,例如都存在化学腐蚀问题外,象粘钢加固和钢筋混凝土外套加固法,还具有会增加构件自重、节点不易处理、施工困难等不足。而且,随着补强加固技术的不断发展,单纯讲求加固方法有效已经不再是对建筑物补强加固的唯一标准。在对建筑物进行补强加固的同时,人们更加注重加固方法要省时、省力和加固后建筑物的美观及适用性。为此,就需要有一种新兴的,科技含量高的加固技术。随着碳纤维这种高科技材料被应用于建筑业,碳纤维补强加固技术随之出现。二、碳纤维加固混凝土结构的技术特点近年来,纤维材料在土木工程中的应用一直是国内外

10、土木工程界研究的一个热点。在所有的这些纤维材料中,碳纤维材料是迄今为止应用于土木工程领域最早,技术最成熟,也是用量最大的一种高科技材料。碳纤维最早主要用于航空等高科技领域,后来逐步发展到飞机制造业、船舶、汽车、体育娱乐用品等领域。根据其生产原料的不同,碳纤维有很多种类,其中基碳纤维具有优异的物理力学性能、良好的粘合性、耐热性及耐腐蚀性,非常适用于土木工程领域。用于结构补强加固的碳纤维材料,其强度一般为建筑用钢材的十几倍,弹性模量与建筑钢材在同一水平上并略有提高,是一种绝好的结构加固用材料。相对于原有的加固方法,碳纤维补强加固技术具有明显的技术优势,主要表现在:.高强高效苎主二?一由于碳纤维材料

11、优异的物理力学性能,在对混凝土结构进行加固补强过程中可以充分利用其高强度、商模量的特点来提高结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能。达到高效加固的目的。.具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能碳纤维材料的化学性质稳定,不与酸碱盐等化学物质发生反应,因而用碳纤维材料加固后混凝土构件有良好的耐腐蚀性及耐久性,解决了其它加固方法所遇到的化学腐蚀问题。.不增加构件的自重及体积碳纤维材料质量轻且薄,其密度为.尼肌本文所用碳纤维材料的数据,粘贴一层厚度仅为.左右,加固修补后,基本不增加原结构自重及原构件的尺寸,也就不会减少建筑物的使用空间。.施工简便将碳纤维用于加固混凝土结构,在旌工现场不需要大型的施工机械,占

12、用施工场地少,而且没有湿作业,因而工效很高。成品的碳纤维加固材料是一种织物,卷成卷,现场使用时可以根据需要用剪刀或刀片任意裁剪,不象钢板一样需要专门的切割工具。根据有关统计资料,同为粘贴加固方法,粘贴碳纤维布是粘贴钢板施工工效的倍。.适用面广粘贴碳纤维材料补强加固混凝土结构可广泛地应用于各种结构类型、各种结构形状和结构中的各种部位,且不改变结构形状及不影响结构外观。同时,对于其它加固方法无法实施的结构和构件,诸如大型桥梁的桥墩、桥梁和桥板,以及隧道、大型简体及壳体结构工程等,碳纤维加固技术都能顺利地解决。三、碳纤维加固技术的发展概况碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究开始于年代的美、日等发达

13、国家。自年代末至今,日本、美国、新加坡以及欧洲的部分国家和地区的众多大学、科研机构、材料生产厂家等都相继进行了大量碳纤维材料用于结构补强加固的研究尤其是在日本的阪神大地震之后,用碳纤维材料加固修补混凝土结构,特别是对建筑物的抗震加固技术在日本、韩国、美国、欧洲、台湾等国家和地区得到了迅速的发展和应用。目前,国外科研机构和高等院校已对碳纤维材料苎二主竺丝?加固修补混凝土结构,尤其是抗震加固的性能和效果进行了大量的研究?并在此基础上已编制形成了自己国家的技术标准、应用规程与施工指南。该项加固技术在美国和日本等国家已达到了完全产业化的程度,在土木工程领域的应用非常广泛,概括起来主要有以下几种途径:、

14、在搅拌混凝土时加入短纤维制成碳纤维混凝土用于新建结构,并已有一定的工程应用。在这方面,国内也曾做过类似的研究,但大多是玻璃纤维和钢纤维,而且也仅仅是处于研究阶段,并未发现有工程应用的记载。、长丝制成束状在现浇混凝土中代替钢筋用于新建结构,主要用于海洋结构及对电磁波有特殊要求的结构,现已有研究并开始应用于实际工程。、将碳纤维制成织物,粘贴到混凝土表面用于结构的补强与加固,是重点研究的一个方面,也是在实际工程中应用最多的一条途径。本文主要以这种加固方式作为研究内容。然丽在国内,对碳纤维材料加固钢筋混凝土结构技术的研究起步较晚。但随着人们对这种加固技术优势认识的逐渐提高,现在国内已有越来越多的高校和

15、科研机构,开始重视这一新兴加固技术的科学研究和开发利用工作,并投入了大量的资金和人力,来发展和完善这一技术。天津大学土木工程系是最早对碳纤维加固技术进行系统研究的单位之一,近几年来,在这一领域始终保持较大的人力物力投入,对这一技术做了深入细致的试验研究,并取得了一批很有价值的试验数据和研究成果。从目前国内外的发展情况来看,碳纤维材料应用于建筑业的研究开发活动正呈积极活跃的态势。中国拥有巨大的建筑市场,大量的钢筋混凝土结构急需补强与加固,碳纤维加固技术作为一种新兴的,技术含量高的加固方法。具有很大的研究推广价值和巨大的社会经济效益。随着研究的不断深入,这种加固方法在我国也将得到广泛的应用,同时也

16、必将对我国的社会主义现代化建设事业产生积极的推动作用。四、碳纤维布加固钢筋混凝土柱的研究现状虽然碳纤维布加固钢筋混凝土柱在国外已有大量的工程应用,但在国内仍处于试验研究的起步阶段,远未达到工程应用的地步。现有的国内文献,关于碳纤维布加固钢筋混凝土柱的研究论文为数不多,有些论文是本课题组的研究成果。苎量苎?立?一在这【】【】文献中,作者基于碳纤维布加固混凝土柱的试验,初步定性地研究了碳纤维布对钢筋混凝土柱抗剪承载力的加固效果。除此之外的其它研究领域,在国内仍属空白,特别是高强混凝土柱的抗震加固方面,更是一个急待研究的课题。第三节本文研究内容针对以上问题,本文的主要工作是通过试验和理论研究,对碳纤

17、维布补强加固钢筋混凝土柱这一技术在实际工程中的应用提供技术支持,并对今后进一步的分析研究提供试验数据,其具体内容如下:一、碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究,主要内容包括:.在较高轴压比情况下碳纤维布加固钢筋混凝土柱正截面承载力和延性的改善程度;.碳纤维布粘贴层数对补强加固效果的影响:.轴压比对补强加固效果的影响;.采用不同强度碳纤维布对补强加固效果的影响:.混凝土强度不同对补强加固效果的影响;.加固后柱破坏形态的变化;.试验结果的理论分析。二、碳纤维布增强高强混凝土柱抗震能力的试验研究,主要内容包括:.碳纤维布加固高强混凝土柱正截面承载力和延性的改善程度;.碳纤维布粘贴层数对补强

18、加固效果的影响;.采用不同强度碳纤维布对补强加固效果的影响;.荷载角不同对补强加固效果的影响;.加固后柱破坏形态的变化;.试验结果的理论分析。三、编制钢筋混凝土压弯构件全过程受力分析电算程序,对碳纤维布加固钢筋混凝土压弯构件的延性进行理论分析。碳纤堆布增强瞢通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究第二章第一节试验研究的主要内容正是由于碳纤维布补强加固混凝土结构新技术具有前述诸多优点,对此项技术的开发研究具有重要的工程应用价值。本章通过根钢筋混凝土柱在周期反复荷载作用下受力性能的试验研究,主要目的是进一步验证在较高轴压比情况下用碳纤维布包裹钢筋混凝土柱来提高其延性这种补强加固方法的有效性,为理论分析奠定

19、基础。主要内容包括:.在较高轴压比情况下碳纤维布加固钢筋混凝土柱正截面承载力和延性的改善程度;.碳纤维布粘贴层数对补强加固效果的影响;.轴压比对补强加固效果的影响;.采用不同强度碳纤维布对补强加固效果的影响:.混凝土强度不同对补强加固效果的影响;.加固后柱破坏形态的变化;.试验结果的理论分析。第二节试件设计与制作共设计制作了根矩形截面柱。采用倒型试件,混凝土强度设计等级分别为和,柱子的水平力加荷点位于柱子反弯点处,倒型柱墩起到固定柱子的作用。柱截面尺寸,剪跨比为.,柱纵筋为级;箍筋级,采用普通巾方箍,间距。体积配箍率为.%。柱端部由于要承受较大轴力,为防止柱端发生局部受压破坏,在柱端范围内增设

20、了一些钢筋网片。试件尺寸及配筋见图。试件编号及轴压比见表.。第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究表试件编号 试件编号 轴力. . . . .轴压比从柱顶以下范围/尘、 巾三片,焊网墨垒兰一、富中量,虫亟鹰塑尘尘鱼中间三片巾,焊网?蚪?烨图试件尺寸及配筋图第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试罢蔓堕试件在天津建筑构件公司第二构件厂制作,现场卧式浇筑,振动台振捣,钢模成型,在蒸养坑内养护小时后出坑拆模,天后运回天津大学土木系结构实验室继续养护。混凝土配合比及混凝土设计强度等级见表.。混凝土实测力学性能指标见表.。表混凝土配合比及设计强度等级水混凝土设计强度等级砂 石子水泥.

21、 . . .表棍凝土实测力学指标, ,试件编号. .立方抗压强度厶. .棱柱抗压强度正.矿.弹性模量丘钢筋实测力学性能指标见表。表钢筋实测力学指标钢筋规格 屈服强度 极限强度 弹性模量.出. 由在天津大学材料力学实验室电子万能实验机上测定的钢筋应力?应变全曲线见图。第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土拄抗震能力的试验研究口舭./.壬.了尘纵筋胁.口护.巾箍筋图钢筋实测应力应变曲线第三节试件加固方案试件加固步骤如下:首先,将试件加固区段混凝土表面打磨平整,去掉的表面疏松层,并将浮灰清除干净:其次,用丙酮清洗混凝土表面以消除油脂,并风干小时:在正式粘贴碳纤维布之前,先对混凝土表面作干燥处理,随后在混凝

22、土表面均匀涂抹一层饱满的粘接剂,再将已裁剪好的碳纤维布粘贴上去,粘贴时沿碳纤维受拉方向按压赶出气泡,以使碳纤维布与混凝土表面紧密粘结。当粘贴层数多于一层时,重复上述过程,碳纤维布高,端部搭接:最后,在外层碳纤维布表面再涂抹一层粘接剂,上覆塑料薄膜,并用木模板夹紧,一周后待粘接剂完全固化,方可拆模试验。图?是加固过程示意图。试件补强加固情况见图和表。为叙述方便,本文中将试件补强加固使用的碳纤维布按其抗拉强度高低分为普通强度碳纤维布文中简称“普通布”和高强碳纤维布简称“高强布”两种,其性能指标分别见表.及表.。碳纤维布与混凝土之间的粘接剂也采用两种不同的环氧树脂类建筑结构胶,其性能指标分别见表.和

23、表。表普通强度碳纤维布的性能指标单丝直径抗拉强度纤维柬密度 计算厚度 弹性模量 断裂伸长率 密度,尸口 伽 %柬/. . . .。.计算厚度:兰丝里墨:竺:堑墨塞堕?/单位宽度表普通强度布用粘接剂的性能指标抗压强度 抗拉强度 剪切强度弹性模量对混凝士:混凝土破坏计算厚度抗拉强度 弹性模量断裂伸长率单位面积质量朋 %擘/一. .土第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究表高强布用粘接剂的性能指标抗压强度脱口 抗拉强度 剪切强度 .原柱用碳纤维布缠裹裹好的柱子表面处理紧密粘贴?图加固过程示意一卞引斗比较柱加固柱画回,图试件加固情况第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究表试

24、件加固方案一览表试件编号 补强加同情况未加固对比柱粘贴普通布三层粘贴高强布层未加固对比柱粘贴普通布三层注:碳纤维布高,端部搭接。第四节试验数据量测根据前面提到的试验目的,所要测定的主要数据有:.纵筋及箍筋应变为得到纵筋和箍筋在试验加载过程中的变形情况,在柱根部纵筋及箍筋上都贴有应变片,编号,应变片粘贴位置见图.。应变片采用胶基片,在钢筋骨架绑扎完成后将应变片贴于相应部位,并作防水处理。待防水层完全固化后再浇筑混凝土。一为测量较柱未粘贴碳纤维布柱混凝土在加载过程中的变形情况,在柱根部混凝土表面贴有纸基应变片,编号,贴片位置见图。.碳纤维布的应变为测量加固柱表面粘贴的碳纤维布在试验加载过程中的变形

25、情况,在碳纤维布表面贴有纸基应变片,编号,贴片位置见图。、霾蓊砼片 碳纤维片图应变片位置砼及碳纤维试验过程中,通过静态电阻应变仪记录以上各项应变值。.荷载一位移曲线在倒型试件的顶端及低部各布置一个位移计如图.,用来测量柱顶相对于柱低的位移。水平荷载和位移信号分别通过压力传感器、位移计及动态电阻应变仪输入一函数记录仪,绘出最终的荷载位移曲线。苎三童壁堑丝塑塑塑苎堕塑堑望鳖圭壁垫苎堕垄盟蔓墼堕塑?一图位移传感器布置图笫五节试验加载方案试验加载装置示意图见图.。竖向液压千斤顶选用油压千斤顶,安装在特制的滑动小车上,在试验过程中可随柱顶端移动,以保持荷载垂直作用。水平液压千斤项选用拉压千斤顶。轴向荷载

26、通过压力表读出;水平荷载值和柱顶位移值通过函数记录仪读出。试验时,首先施加轴力至给定值,之后,保持轴力值不变,循环加卸水平力。水平力加载方案为:试件屈服前用水平荷载来控制,分两级加载至试件屈服先加载至理论预测极限荷载的%,再加载至纵筋屈服应变,并记录试件屈服位移。试件屈服后,以屈服位移,为增量反复循环。不断增大试件位移,直至试件水平荷载下降至峰值荷载的%为止,加载制度如图所示。篁三童壁堑竺查望堡兰望塑堑望鳖圭壁苎篓些垄堕苎壁受塞?顶.压粱.地锚螺栓.支座千斤顶.支座反力粱.位移计,加载架。的倍数入/ .加荷毒.图加载制度示意图第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究第六节试件的破坏

27、特征偏心受压构件随着偏心距的大小、受拉纵筋的屈服强度及配筋率、混凝土强度等的不同,通常分为三种破坏形态:受拉破坏、界限破坏和受压破坏。.受拉破坏:当相对偏心距较大,而且受拉区纵筋配筋率适中时,发生弯曲受拉破坏。此时,在荷载作用下靠近纵向力的一侧受压,另一侧受拉。随着荷载的增加,首先在受拉区产生横向水平裂缝;荷载不断增加,拉区的裂缝随之不断地开展,在破坏前主裂缝逐渐明显,受拉钢筋的应力达到屈服强度,进入流幅阶段,受拉变形的发展大于受压变形,中和轴上升,然后使混凝土受压区高度迅速减小,最后受压区出现纵向裂缝而混凝土被压碎,试件即告破坏。.受压破坏:在相对偏心距较小或很小时,或者虽然相对偏心距较大,

28、但此时配置了很多的受拉钢筋就可能发生这种破坏情况,试件截面全部受压或大部分受压。当荷载逐渐增大,在靠近纵向力的一侧的受压钢筋应力达到抗压屈服强度,而离纵向力较远一侧的钢筋可能受拉而不屈服或受压。当一侧受拉时,拉区横向裂缝发展也不显著,无明显的主裂缝,受压变形的发展大于受拉变形的发展。临破坏前,中和轴略有后座现象,破坏无明显征兆,压碎区段较长。.界限破坏:是界于受拉破坏和受压破坏之间的一种破坏形态。它不仅有横向主裂缝,而且比较明显。它在受拉钢筋应力达到屈服强度的时候,受压区混凝土出现纵向裂缝并被压碎。本次试验中的根钢筋混凝土柱均属于受拉破坏类型。.试件轴压比.,未粘贴碳纤维布,图.为实测的荷载.

29、位移曲线。有关过程和现象描述如下:在受拉纵筋屈服前,加荷至预测极限荷载的%寸/,受拉区纵筋应变由初加轴力时的压应变逐渐转变为拉应变,但拉应变发展缓慢。受压区纵筋压应变则继续增加,混凝土应变及纵筋应变与水平荷载呈线形增长关系,滞回曲线基本呈直线上升,受拉区砼出现横向微裂缝,但数量很少,而且没有展苎三童壁堑丝变丝塑苎望塑堕塑鳖主壁垫篓丝垄塑墼堑壅?一开。加荷至纵筋受拉屈服这一阶段内丘,屈服位移,随着荷载的不断增加,纵筋应变增长很快。混凝土受拉区横向裂缝不断发展,互相贯通,并逐渐形成几条主裂缝,此时新的微裂缝仍在不断出现,分布在两倍柱宽范围内。构件屈服后,以位移控制。随着位移不断增大,微裂缝也不再大

30、量增加,而是几条横向主裂缝不断加宽,根部形成一条最宽、最大的主裂缝,压区的砼保护层出现竖向裂缝,并开始剥落。两倍屈服位移时,在柱的两侧面出现弯剪斜裂缝。此时由于混凝土横向变形较大,箍筋应变发展较快。三倍屈服位移时,构件达到极限承载力/.,构件位移再继续增大时,压区混凝土不断被压酥,承载力不断下降,此时个别箍筋应变达到肛。由于正向循环加载和反向循环加载现象基本相同,因此只叙述正向循环加载现象,反向从略。 。试件呈受拉破坏形态,图.为试件的最终破坏现象。.试件曲线。有关过程和现象描述如下:在受拉纵筋屈服前,加荷至预测极限荷载的%时,七,没有发现砼开裂现象,纵筋应力与水平荷载基本呈线性变化。箍筋应变

31、变化不大。当构件屈服/.,屈服位移后,碳纤维布上部与砼交界第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究处出现微裂缝,但未发现受拉区砼开裂。箍筋应变发展缓慢。用位移控制加载后,两倍屈服位移时,碳纤维布上方非加固区段受拉区混凝土出现横向微裂缝,碳纤维布上部与砼交界处微裂缝也继续发展。三倍屈服位移时,构件达到最大承载力/.盘,拉区混凝土又出现新的横向微裂缝,在柱的两侧面开始出现弯剪斜裂缝,侧面碳纤维布上部与砼交界处也出现微裂缝。此时箍筋应变增加与比较柱相比仍较缓慢。随位移不断增大,柱根部压区混凝土横向变形增大,碳纤维布的应变增加较快,四倍屈服位移时,水平荷载下降,五倍屈服位移时,柱根部受压区

32、包裹的碳纤维布轻微外鼓,用手敲击此处碳纤维布能听见“空洞”音。这说明根部很小范围内碳纤维布已经与混凝土表面脱开。继续增大位移,拉区砼横向微裂缝及侧面弯剪斜裂缝都继续增加,均分布在碳纤维布上方两倍柱宽范围内,根部碳纤维布外鼓现象也越来越严重,构件承载力不断下降,碳纤维布的最大应变。试验后去掉碳纤维布,发现除柱根部小段混凝土压酥外,没有混凝土大量剥落的现象。箍筋最大应变值加。试件呈受拉破坏形态,图.为试件的最终破坏现象。图试件的破坏现象.试件线。有关过程和现象描述如下:在受拉纵筋屈服前,加荷至预测极限荷载的%时,没有发现砼开裂现象,纵筋应力与水平荷载基本呈线性变化。箍筋应变变化不大。第二章碳纤维布

33、增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究当构件屈服.,屈服位移后,碳纤维布上部与砼交界处未出现微裂缝,也未发现受拉区砼开裂。箍筋应变发展缓慢。用位移控制加载后,两倍屈服位移时,碳纤维布上方非加固区段受拉,拉区混凝土又出现新的横向微裂缝,碳纤维布上部与砼交界处也出现微裂缝,在柱的两侧面开始出现弯剪斜裂缝,此时箍筋应变增加与比较柱相比仍较缓慢。而且在这载过程中不断听见碳纤维被绷紧的“劈啪”声,碳纤维布的应变增加较快,柱根部受压区包裹的碳纤维布轻微外鼓。之后随着位移不断增大,柱根部压区混凝土横向变形增大,四倍屈服位移时,水平荷载下降,侧面碳纤维布上部与砼交界处也出现微裂缝,拉区横向微裂缝继续增加,根部

34、包裹的碳纤维布外鼓处逐渐被绷开一条缝隙?。继续增大位移,拉区砼横向微裂缝及侧面弯剪斜裂缝都继续增加,均分布在碳纤维布上方两倍柱宽范围内,根部碳纤维布外鼓处被绷开的缝隙也越来越长,构件承载力不断下降,碳纤维布的最大应变/。试验后去掉碳纤维布,发现除柱根部段混凝土压酥外,没有混凝土大量剥落的现象。箍筋最大应变值埘。试件呈受拉破坏形态,图?为试件的最终破坏现象。?注:原因在以后分析章节中详述。图试件的破坏现象.试件轴压比.,未粘贴碳纤维布,图.为实测的荷载.位移曲线。有关第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究过程和现象描述如下:在受拉纵筋屈服前,加荷至预测极限荷载的%时,受拉区纵筋应变

35、由初加轴力时的压应变逐渐转变为拉应变,受压区纵筋压应变则继续增加,混凝土应变及纵筋应变与水平荷载呈线形增长关系,滞回曲线基本呈直线上升,受拉区砼出现横向微裂缝,但数量很少,而且没有展开。加荷至纵筋受拉屈服这一阶段内.,屈服位移,随着荷载的不断增加,纵筋应变增长很快。混凝土受拉区横向裂缝不断发展,互相贯通,并逐渐形成几条主裂缝,此时新的微裂缝仍在不断出现,分布在两倍柱宽范围内。构件屈服后,以位移控制。随着位移不断增大,微裂缝也不再大量增加,而是几条横向主裂缝不断加宽,根部形成一条最宽、最大的主裂缝,压区的砼保护层出现竖向裂缝,并开始剥落。两倍屈服位移时,构件达到最大承载力.,在柱的两侧面出现弯剪

36、斜裂缝。此时由于混凝土横向变形较大,箍筋应变发展较快。构件位移再继续增大时,压区混凝土不断被压酥,承载力不断下降,此时个别箍筋应变达到雎。试件呈受拉破坏形态,图?为试件的最终破坏现象。图试件的破坏现象.试件曲线。有关过程和现象描述如下:第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究在受拉纵筋屈服前,加荷至预测极限荷载的%时七,没有发现砼开裂现象,纵筋应力与水平荷载基本呈线性变化。箍筋应变变化不大。当构件屈服.,屈服位移后,碳纤维布上部与砼交界处出现微裂缝,但未发现受拉区砼开裂。箍筋应变发展缓慢。用位移控制加载后,两倍屈服位移时,碳纤维布上方非加固区段受拉区混凝土出现横向微裂缝,碳纤维布上

37、部与砼交界处微裂缝也继续发展。三倍屈服位移时,构件达到最大承载力.,拉区混凝土又出现新的横向微裂缝,在柱的两侧面开始出现弯剪斜裂缝,侧面碳纤维布上部与砼交界处也出现微裂缝。此时箍筋应变增加与比较柱相比仍较缓慢。随位移不断增大,柱根部压区混凝土横向变形增大,碳纤维布的应变增加较快,四倍屈服位移时,水平荷载下降,柱根部受压区包裹的碳纤维布轻微外鼓,用手敲击此处碳纤维布能听见“空洞”音。继续增大位移,拉区砼横向微裂缝及侧面弯剪斜裂缝都继续增加,均分布在碳纤维布上方两倍柱宽范围内,根部碳纤维布外鼓现象也越来越严重,构件承载力不断下降,碳纤维布的最大应变.。试验后去掉碳纤维布,发现除柱根部一小段混凝土压

38、酥外,没有混凝土大量剥落的现象。箍筋最大应变值只有。试件呈受拉破坏形态,图为试件的最终破坏现象。图试件的破坏现象第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究/砺物。妙置蟊.够.柱试验,.滞回曲线,【删.锄一珍少函璐柱试验,滞回曲线墨三兰壁堑丝塑堕垡篁望塑塑塑燮圭壁苎苎些垄竺堕墼堕塞.彩、砀妙”氨.坳.柱试验滞回曲线。胍.。乃。面柱试验滞回曲线第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究,【删。研./././乏髟九.?.?/柱试验只滞回曲线图?试验柱滞回曲线第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究第七节试验结果及分析主要试验结果见表.。试件 补强加固 厶 工 轴压比

39、水平力峰值位移延性;/。编号 情况试验值 提高程度 试验值 提高程度. . . .未加固. . . . .% . %普通布三层. . . .% . .%高强布一层 . .未加固. . . .% .普通布三层 .%. . .未加固 . . .% .%普通布三层 . . . .% .%普通布三层 .?注:符号说明:厶一混凝土立方体强度;正一混凝土轴心抗压强度.提高程度是各试件相对同砼强度等级未补强加固试件而言;试件、的数据摘自文献.考虑到混凝土是一种非匀质材料,柱受力正反两向的力学性能不可能完全相同,因此采用正、反向最大承载力或最大荷载的平均值作为试件极限承载力以看出,构件正截面承载力有提高,但并

40、不显著。这说明采用这种碳纤维布横向包裹的方式在柱轴压比较大时对柱的正截面承载力也没有明显的提高作用。这与文献”得出的结论类似。产生上述情况的原因是,当柱发生弯曲受拉破坏时,影响正截面承载力的主要因素是受拉纵筋,虽然横向包裹碳纤维布能使受约束的混凝土应力应变曲线的峰值点提高,从而在一定程度上提高混凝土强度,但对正截面承载力的影响却不大,这是正截面承载力难以提高的根本原因。第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震垫盟望墼里堕尸七图.是试验柱箍筋及碳纤维应变比较图。由图.可以看出,比较柱的箍筋应变发展较快,其最大应变值也较大;加固柱箍筋应变发展较缓慢,所达到的最大应变值较小。在构件屈服以后,碳纤维的应

41、变值?明显高于箍筋的应变值。这说明在构件屈服后,箍筋的作用逐渐被碳纤维布分担,亦即构件屈服以后,横向包裹的碳纤维布对其内部混凝土起到了明显的约束作用,从而使箍筋所起的约束作用减少,箍筋应变发展减缓。?注:此处碳纤维应变值均在柱正向或反向受拉侧根部的中部如图的、点处达到,而受拉侧柱角部碳纤维应变值未测,故碳纤应变最大值可能较低。这一点在后续第三章第七节还有阐述。应变/ 加荷循环次数 加荷循环次数试验柱的比较蔓三童壁堑丝查塑翌苎堕塑堑望鳖圭堡垫篓熊查塑垫丝堕窒一构件的延性是指构件超过弹性段后,其承载力没有显著下降时承受塑性变形的能力。本文在确定构件的位移延性比时,采用如下的定义:盱鲁式中:?位移延

42、性比。一构件的水平荷载下降到峰值荷载的%时的位移。一构件的屈服位移,本文取受拉区主筋达到屈服应变对的构件位移由于水平加载方式为低周循环加载,分别取骨架曲线上正反两个方向水平屈服位移和最大位移的平均值计算构件位移延性比,即;.。/,.,式中:“”表示正方向加荷:“.”表示反方向加荷。图?及分别是、与及与的骨架曲线的比较图。由图一及表.可以看出,加固柱骨架曲线下降段较平缓,粘贴三层普通布的柱比柱的延性提高了%,粘贴一层高强布的柱也比柱的延性提高.%,粘贴三层普通布的柱比柱的延性提高了.%,加固效果都非常显著。由此可见,在较高轴压比情况下,这种在局部沿柱的横向缠裹碳纤维布的加固方式对提高柱的延性是非

43、常有效的。而且,不难发现以下规律:加固柱延性的提高程度是随着碳纤维布用量的增长而增大的,粘贴三层的效果比粘贴一层的效果好;轴压比是影响碳纤维布横向包裹柱延性的重要因素。随着轴压比的增大,试验柱位移延性系数明显降低,而使用碳纤维布加固后,轴玉较小时加固效果较好,图是轴压比与位移延性系数岸的关系图,该图也反映了上述规律:混凝土强度低时加固效果较好,同为粘贴普通布三层,较延性提高.%,较只提高了.%;相同用量时,高强碳纤维布加固效果好,粘贴一层高强布的柱就比柱的延性提高.%。值得注意的是,应用碳纤维布时存在一个使用效率问题,加固柱延性的提高与碳纤维布用量之问并非简单的线性增长关系。当所用的碳纤维布粘

44、贴层数较少时,碳纤维布使用效率较高,加固柱延性提高幅度较大:当碳纤维布粘贴层数相对较多时,各层碳纤维布难以很好地协同工作,外层碳纤维布的作用不能充分发挥,加固柱延性提高幅度较小。因此,碳纤维布用于钢筋混凝土柱的补强加固时,应根据工程实际需要合理使用,避免造成资源的浪费。小州、柱的骨架曲线、柱的骨架曲线田。一关系另外,高强度碳纤维布由于其强度高、弹性模量大,在用量相同的情况下,应当具有更好的加固效果。然而,本次试验中实测的碳纤维受拉应变值均远小于其极限应变值,因此若非是为了减少碳纤维布的用量,使用高强碳纤维布是不必要的,因为普通强度碳纤维布完全可以满足工程实际的需要。试验中还发现,包裹一层高强布

45、的柱,当加荷至四倍屈服位移时,柱根部受压区的碳纤维布沿受拉方向被绷开一条缝隙,这条缝隙的出现加快了构件承载力的降低。这是因为试验中使用的高强碳纤维布是单向布,没有纬向纤维,当压区混凝土外鼓时,经向纤维丝之间形成薄弱面,导致了缝隙的出现。可见,粘贴一层布时,不宜使用仅有单向丝的织物。而且,采用何种措施防止压区混凝土第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究可见,粘贴一层布时,不宜使用仅有单向丝的织物。而且,采用何种措施防止压区混凝土外鼓以使碳纤维布能持续不断地对混凝土提供环向约束力,提高碳纤维布应力水平,改善加固效果,是尚待研究的关键问题。由试验现象可以看出,用碳纤维布横向包裹钢筋混凝

46、土柱来提高其延性时,碳纤维布的主要作用就是对其内部混凝土起到了约束作用。碳纤维布约束混凝土是一种被动约束,随着混凝土轴向压力的增大,横向膨胀促使外包碳纤维布产生环向伸长,从而提供侧向约束力。约束机制取决于两个因素:混凝土横向膨胀性能和外包碳纤维布的环向约束能力。碳纤维布约束混凝土表现出两阶段受力过程:第一阶段,混凝土处于类似素混凝土的线弹性阶段,横向膨胀变形小,故碳纤维横向应变也很小,分界点在素混凝土峰值应力.丘附近;第二阶段,构件达到极限承载力后,混凝土横向膨胀变形急剧增加,碳纤维环向应变显著增长,环向约束力增加,混凝土的极限压应变得以提高,因而推迟了受压区混凝土的压碎,充分发挥了纵向钢筋的塑性变形性能,显著改善了构件的延性。如图?所示,内核芯混凝土受到箍筋与外包碳纤维布的双重约束作用,当其应力达到峰值应力后,混凝土仍可表现出较好的变形性能。碳纤维布与箍筋的作用相似,但由于碳纤维布直接约束最外层混凝土,它的作用比箍筋更为直接、有效。试验时发现,用碳纤维布包裹后,柱中箍筋应变发展缓慢,箍筋最终达到的应变值也较低。从而证实了这一点。图约束机制示意图试验中发现,加固柱的裂缝分布范围较大,约四倍柱宽,而未加固柱裂缝第二章碳纤维布增强普通钢筋混凝土柱抗震能力的试验研究.至图.的构件最终破坏现象图中也能清楚的看到。虽然均为受拉破坏,但加固柱的破