碳纤维布加固钢筋混凝土柱试验研究与分析_图文

1、华东交通大学硕士学位论文碳纤维布加固钢筋混凝土柱试验研究与分析 姓名:卜少磊申请学位级别:硕士专业:结构工程指导教师:朱成九20080410摘要碳纤维布加固钢筋混凝土柱试验研究与分析摘要碳纤维加固技术作为一种新型的、技术含量高的加固方法,已经在土木工程结构加 固中开始得到大量的应用,尤其在加固柱、桥墩方面,通过有效约束混凝土的侧向膨胀 变形来改善其受压性能,具有很大的研究推广价值和社会经济效益。目前,对纤维约束 圆形截面混凝土柱的性能已有较多的研究, 我国用纤维加固的混凝土柱大多为方形和矩 形截面的,而对纤维加固钢筋混凝土(RC 方柱承压性能的研究相对较少。本文对现有的加固技术进行了综述,介绍

2、了碳纤维增强塑料(CFRP 在结构加固 中应用现状与发展趋势,探讨了碳纤维增强塑料加固结构的优缺点,制作了四组(加固 一层的 CFRP 全包柱、 CFRP 间距 100mm 柱、 CFRP 间距 60mm 柱以及未加固的对比柱 箍筋 150mm的 RC方柱和一组箍筋 75mm(包裹一层 CFRP 的 RC 方柱,共计 15根方柱。通过对方柱的轴压试验,考虑了纤维布间距和箍筋间距的变化对加固后 RC 柱 破坏形态以及加固效果的影响,结果表明:加固 CFRP 布可以一定程度上限制 RC 柱裂 缝的发展,改善裂缝的分布,且使裂缝的宽度相对较小;加固 CFRP 布后 RC 柱的轴压承 载力和极限应变都

3、有明显的提高,延性得到改善,其轴压承载力随纤维布加固净间距和 箍筋间距的减小而增加,箍筋 75mm(包裹一层 CFRP 的 RC 柱的延性最好。针对纤维布约束混凝土方柱约束原理,通过对比分析纤维约束后的强度模型,对 Lam and Teng32抗压强度公式进行了修正,其中重点考虑了倒角半径、纤维布不连续包 裹对公式的影响,并与他人文献中 144根混凝土方柱的试验数据对比分析,发现其有较 高的精度;在此修正公式的基础上,理论分析提出了纤维布和箍筋共同约束下钢筋混凝 土轴压柱正截面承载力的建议公式,理论计算与本文以及他人文献中 13根 RC 方柱结 果对比,发现该公式较偏于安全和精确,为以后施工设

4、计做参考。最后,建立了纤维布加固 RC 柱的有限元模型、单元类型和材料本构模型,对本文 试验用 ANSYS 进行了模拟分析,发现模拟计算结果与试验结果较为接近,验证了所建模 型的正确性;进而分析纤维加固间距、层数、柱的截面尺寸以及长细比的变化对加固 RC 柱承载力的影响,分析发现:本文的 CFRP 布最优加固间距为 50mm ,极限加固层数 为 5层,超过极限加固层数, FRP 材料利用率较低,应采用其他加固方法;在短柱范围 内,柱的长细比对约束后承载力的影响不大,但柱约束后的承载力随着柱截面尺寸的增 大而减小,且两者并非线性关系;同时发现用有限元软件对加固构件受力性能的分析, 可减少试验工作

5、量和资金费用,对试验的深入研究等都具有重要意义。关键词 :钢筋混凝土柱,试验,碳纤维布,承载力公式, ANSYSEXPERIMENTAL STUDY AND ANALYSIS OF REINFORCED RC COLUMNS CONFINED WITH Carbon FIBER REINFORCED PLASTICSABSTRACTCarbon fiber reinforced plastics(CFRP has been widely used as a new and high technology material for strengthening existing civil inf

6、rastructures. Especiall in the aspects of upgrading columns and piers, FRP can effective improve their compressive performances by restricting the lateral dilation of confined concrete, so, they have much more generalizing-val- lue of research and benefit of societal economy. Now, much research conc

7、entrate at the externally bonded FRP materials for circle concrete columns, but the square and rectangle concrete columns have much more applied for in our country, and the research of square RC columns confining with FRP were comparatively few.The paper introduced current efforts into strengthening

8、 and repairing technologies, and summarized the recent application and development of CFRP in the future, discussed the advantages and disadvantages of strengthening and repairing structure using CFRP. Through axially compressed tests of 15 concrete prisms, mechanical behavior of concrete prisms con

9、fined with carbon fiber composite sheets was investigated, including the influence of destruct phenomenon and reinforced effcect changing with the space of FRP and transverse steel were taking into account. The results indicated that the confinement of fiber sheet could restrict the development of c

10、racks, and meliorate the place of cracks; the confinement of fiber sheet could increase the compressive strength and ultimate strain of reinforced concrete column remarkably with the decrease of spaces of FRP and transverse steel; the ductibility of columns was improved, and the RC columns with spac

11、e 75mm was the best.According to the confining mechanism for the externally bonded FRP materials and analysing the equations for the concrete confined with FRP, the equation of Lam and Teng32 was amended, in which the corner radius of sction and the space of FRP have been taked into account, through

12、 compraing the 114 experimental results of other literature discovered they have the good accuracy. On the base of this equation, the FRP-confined RC columns axial compression load calculation formula also attempted to be predicted in this paper. The formula results and 13 experimental data was comp

13、ared, and it found that the formula results is in good agreement with the experimental results, tend to safety and convenience, so the formula mentioned in this paper can be used for engineers in the design of concrete columns confined with FRP.At last, finite element model, element type, material c

14、onstitutive model of the reinforced concrete columns were set up, and found the finite element models were reasonable and the behaviors of the columns can be better predicted through comparing the experimental data.then, the ultimate compressive strength of the reinforced columns wrapped with FRP un

15、der axial loads in different strengthen parameters of FRP and the size of column was done by ANSYS, indicating that the optimization of FRP space is 50mm, utmost of FRP layers are 5 layers; if the FRP layers are more than the utmost of FRP layers, we shall adopt with other reinforced technique, beca

16、use the use ratio of FRP was lower; the columns axial compression load changed little with the slenderness ratio of columns, and increased with the size of column decreased, but they were not linearity. At the same time, through analysis to the strength performance and the mechanism of the strengthe

17、ned members using the analysis results of FEM, it showed that it had significance in reducing the experiment work and the charge of money, furthering the research and so on.Key Words: Fiber reinforced plastics, Strengthening, RC columns, ANSYS, Finite element analysis.独创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进

18、行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果,也不包含为获得华 东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本人签名 _日期 _关于论文使用授权的说明本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学 校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论 文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定,本论文无保密内容。本人签名 _导师签名 _日期 _第一章

19、绪论1.1 研究课题的提出目前,钢筋混凝土结构己是工业与民用建筑、桥梁工程、海港码头和各类水工结构 及其他构筑物最常用的结构形式,成为我国乃至世界各国占主导地位的建筑结构,在我 国社会主义经济建设中发挥着不可代替的作用 1;因此,确保混凝土结构安全使用具有 重大的现实意义。但是,大量的钢筋混凝土结构,由于地理环境、自然灾害、年久失修 以及人为因素、老化病害、荷载等级提高和设计规范修订等原因导致承载力不足,影响 结构正常使用和安全运行,工程结构的功能将逐渐地被削弱,甚至丧失;因而国际工程 界已经开始把注意力转向已建成结构的可靠性评估及加固技术方面, 如美国国家基金会 (NSF 从 1986年开始

20、把这一方向作为土木工程主要资助方向,国际桥梁与结构协会 (IABSE 也把结构的耐久性、加固放在非常突出的地位。加之一些结构工程中混凝土 的质量不尽理想,致使加固维修问题更为突出,己成为经济建设的沉重负担并制约了进 一步的发展 2。目前许多建筑结构需要进行检查、维修、加固及改造,维修改造能够以经济的技术 手段保证已有建筑物,包括老旧建筑物,不断适应人类社会发展的需要;与新建建筑物 相比,维修改造具有三个突出的优点:投资少、工期短、省空间,这些都会带来显著的 经济效益,特别是时间和空间的节省,对工业生产和商业活动来讲,在效益方面往往起 着决定性的作用。对承载力不足的工程结构进行修复加固,不仅可以

21、使人民的生命及财 产得到保障, 还可以尽可能地发挥既有结构的作用, 缓解人力、 物力、 资金紧张的情况, 使资金投到最需要的地方,符合健康、稳定、持续、快速发展的思路。因此,可持续发 展的维修、加固、改造、新技术的开发和研究,是 21世纪结构工程工作者的重大课题。 传统的加固补强方法, 诸如增大截面法、 外包钢法等常受到工艺复杂、 施工周期长、 抗腐蚀性和耐久性差、须改变结构物形状等因素的束缚。各国政府和相关部门都在寻求 经济有效的和新的结构补强技术, 这在很大程度上推动了对在用建筑物进行有效加固技 术方面的课题研究。碳纤维增强复合材料在航空航天等领域已有多年的应用历史,其加 固技术与传统的结

22、构加固技术相比具有明显的优越性:高强高效、施工便捷、耐腐蚀、 自重轻、不增加结构构件尺寸和改变结构的刚度等特点;但由于价格昂贵而限制了它在 土木工程领域的应用。近年来,随着此材料价格的大幅下降,它在土木工程中的应用得 到迅速发展,因此,对此项技术的研究、开发具有重要的工程应用价值。1.2 碳纤维增强材料加固技术研究现状混凝土结构的加固技术也越来越受到人们的重视,人们在长期研究与实践过程中, 形成了许多种加固方法,传统的加固方法有以下几种 3-4:1增大截面法采用同种材料增大原结构的截面面积,其优点是不仅可以提高原构件的承载力,还 可加大截面刚度,增强结构的稳定性和抗震能力,工艺简单,适用面广,

23、可广泛应用于 梁、板、柱、墙等结构。缺点是现场湿作业多,施工周期长,对原结构影响较大,如:减小使用空间,增加结构自重等。2外包钢法以型钢(角钢包裹于结构的四角或两角的加固方法,优点是对构件的截面尺寸和 外观影响较小,较大幅度地提高其承载力,施工简单,工作量小,增大刚度和延性,适 用于加固混凝土的柱、梁等结构;缺点是用钢量较大,抗腐蚀性和耐久性差,加固维修 费用高。3预应力加固法采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆对构件或整体进行加固的方法。 其优点是可在几 乎不改变使用空间的条件下,改变原结构的内力分布并降低原结构的应力水平,使构件 的承载力得到提高。缺点是对火、腐蚀和破坏行为存在易损性,而且对施工

24、设备、工序 及施工队伍的素质要求较高。4增设支点法增设支点是用减少构件计算跨度以达到减少结构内力和提高承载力的加固方法。 其 优点是提高结构构件的承载力,减小挠度,缩小裂缝宽度效果明显,可适用与梁、板、 网架等水平结构的加固。缺点是影响原结构布局,使用功能受到一定限制。5托梁拔柱法是一种托屋架拔柱、托墙拔柱及托梁拔柱的加固方法。优点是改造时间短、对生产 生活影响较小及费用低,缺点是技术要求高、安全隐患大。适用于因使用功能改变及生 产工艺更新要求改变布局、增大使用空间的旧厂房和老厂房的改造。6粘钢加固法粘钢加固法是将钢板用结构胶粘贴在混凝土构件的外部, 以提高结构承载能力的一 种方法。其优点是几

25、乎不改变构件外形和使用空间,施工简单、快速,湿作业量小。但 对加固构件工作环境有要求,环境温度不高于 60,相对湿度不大于 70%,无化学腐 蚀,否则应采取相应措施,适用于承受静力作用且处于正常环境下的受弯、受拉构件的 加固。传统加固方法虽方法种类较多,且每种加固方法都有各自的优点,但每种方法加固 的综合效果都不尽如人意。这迫使人们努力寻求一种新工艺、新材料以解决混凝土结构增强加固问题。随着碳纤维增强塑料的出现及对其增强加固混凝土结构效果研究的深 入,这种加固技术越来越受到土木工程师们的青睐,其应用也越来越广。碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics ,

26、以下简称 CFRP ,具有优异的 物理力学性能、良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀等特点,非常适用于土木工程领域。与 原有的加固方法比较,碳纤维增强塑料加固技术具有明显的技术优势,主要体现在: 1高强高效碳纤维布具有优异的物理力学性质,抗拉强度 2500-4500MPa (是普通钢材的 10倍左右 ,弹性模量是普通钢材的 1-2倍。在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高 强度,高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能, 从而达到加固修补的目的。2良好的耐久性及耐腐蚀性碳纤维布加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性及耐久性, 可以抗拒建筑物经常遇 到的各种酸、碱、盐对结构的腐蚀

27、。使用该种加固修补方法对结构进行处理之后,不仅 不需如外包钢加固法所需的定期防锈维护, 而且其本身可以起到对内部混凝土结构的保 护作用,达到加固修补的双重目的。3不增加构件的自重及体积碳纤维布质量轻且薄,加固粘贴后基本不增加结构自重和尺寸,不影响建筑物的有 效使用空间和外观。4适用面广由于碳纤维布是一种柔性材料,而且可以任意地裁剪,所以这种加固技术可以广泛 适用于各种结构类型(如桥梁、隧道、涵洞、烟囱等 、各种结构形状(如矩形、圆形、 曲面结构等 、各种结构部位(梁、板、柱、节点、拱、壳等 ,且不改变结构形状及不 影响结构外观,这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其重要的是,对于一 些

28、大型土木工程结构,如大型桥梁的桥墩、桥梁及桥板、隧道、大型筒体及壳体结构工 程等,采用旧有的加固手段几乎无法实施,而采用该项加固技术却能很好地解决。 5施工便捷高效不需要大型机具, 没有湿作业, 无需其它固定措施, 施工占用场地少。 施工工效高, 同为粘贴加固法,粘贴碳纤维法是粘贴钢板施工工效的 45倍。施工质量易保证,碳纤 维预浸料轻质柔软,易贴附,即使被加固的结构表面不是非常平整,也可以保证很高的 粘贴率。加固混凝土构件时,根据结构受力特点用结构胶将碳纤维有序地缠绕粘贴于结 构的相应部位,利用结构胶的作用,使混凝土和碳纤维协同工作,实现对构件变形的约 束并由此提高构件的承载能力和变形能力,

29、从而达到加固补强的目的。碳纤维增强材料的这些特点,为建筑结构的补强与加固提供了技术支持,决定了碳 纤维加固技术具有很大的研究价值和经济价值。CFRP 材料首先是在日本发明的,最早应用于航空航天,现已广泛应用于汽车、化 工、机械、医学、电子、体育用品等工业领域,国外最早对纤维加固修复混凝土结构技 术进行研究的是德国 IBMB 研究院和瑞士的 EMPA 实验室,日本、韩国在 80年代初对 碳纤维加固混凝土结构技术进行研究的, 美国是在 80年代后期开始的 5, 用 CFRP 对钢 筋混凝土进行修复加固在日、美等发达国家已成为一项成熟技术,并制定了有关的技术 标准、规范、应用规程、施工指南等。我国对

30、碳纤维复合材料加固研究和应用起步相对较晚, 1997年国内正式开始研究 CFRP 材料, 于 1998年开始应用于实际工程中, 2000年 6月 6成立的中国土木工程学会 混凝土与预应力混凝土分会纤维增强塑料(FRP 及工程应用专业委员会在该技术的发 展中起到了很大的推动作用,到目前已有近 10余个科研院所(以国家工业建筑诊断与 改造工程技术研究中心、中国建筑科学研究院、四川省建筑科学研究院为代表 , 10 多 所高校(以清华大学、东南大学、同济大学为代表对其技术性能开展了约 20项的研 究,取得了大量的科研成果,国内于 2003年出台了碳纤维片材加固修复混凝土结构 技术规程 。由于用于实际加

31、固工程的碳纤维形式主要是片材,所以目前对于 CFRP 在 加固领域的研究也主要集中在片材上,包括以下几个方面:在构件的受拉面粘贴碳纤维 片材,研究加固构件的抗弯性能;在构件的剪切区粘贴碳纤维片材,研究加固构件的抗 剪性能;对受压的柱状构件进行加固,研究加固构件的抗压性能;在反复荷载作用下, 研究加固构件的抗疲劳性能等。然而,随着 CFRP 在加固领域发挥重要作用的同时,工程师与研究人员也发现了现 有的 CFRP 加固混凝土结构的技术存在着不足。1碳纤维的拉伸弹性模量相对于其强度过低应用于结构加固的碳纤维拉伸强度一般都达到 3000MPa 以上,而其弹性模量一般 只有 230GPa 左右,高弹性

32、模量的也不过 380-640GPa 左右。要发挥较大的强度,碳纤 维布需要相当大的变形,当与钢筋共同工作时,钢筋完全发挥强度时 CFRP 发挥不出全 部的强度,从而在结构的使用荷载内无法充分利用碳纤维的强度,且难以有效地抑止结 构的变形与裂缝的发展。如果采用大量的 CFRP 来控制结构的变形和裂缝,其高强度的 优势及经济效益又不复存在。2混凝土与碳纤维之间的环氧树脂粘结层容易发生粘结破坏环氧树脂的剪切强度与剪切变形是一定的, 超过其极限剪应变后粘结层即产生界面 微裂缝,随着微裂缝的不断扩展,界面最后发生剥离破坏,所以粘贴 CFRP 片材加固有 其限度, 过量粘贴会导致界面无法传递足够的剪应力使

33、得 CFRP 的强度无法得到充分利 用,并且在构件承受较大荷载时容易出现粘结破坏,现有的加固手段是将 CFRP 非常紧 密地粘贴到试件的表面,当试件的表面有一定的曲率时, CFRP 在受拉的同时还会承受 一个由曲率带来的剥离应力,这也会加快构件的粘结破坏。3 FRP 材料是一种线弹性材料,没有像钢筋材料那样的屈服点,破坏前没有先兆, 为脆性破坏。碳纤维加固技术作为一种新型的、技术含量高的加固方法,可应用于土木工程中的 很多方面,从高楼大厦、高架桥、梁、柱或桥墩的抗震问题,到楼地板、桥面板的荷重 问题,以及预防隧道、烟囱等的混凝土剥落与裂缝扩大问题,都可以使用纤维片材加固 技术来处理,具有很大的

34、研究推广价值和社会经济效益。中国拥有巨大的建筑市场,大 量的钢筋混凝土结构必需补强加固,这项技术的应用将会越来越广泛。随着有关科研工 作的不断开展,工程实践经验的积累,新应用领域的进一步探索与开拓,这项技术将更 加成熟,更加完善。约束混凝土是采用复合材料加固结构的一种主要形式。 早期的约束混凝土形式主要 为箍筋约束混凝土,在这方面国内外已做了大量的试验研究,研究表明,箍筋约束混凝 土柱不但可以提高混凝土的抗压强度,而且提高混凝土的峰值应变,进而可以提高混凝 土构件和结构的变形能力 7-8,与箍筋约束混凝土柱相似,碳纤维布约束混凝土也是一 种被动约束,随着混凝土轴向压力的增大,横向膨胀使外包复合

35、材料环向伸长,产生侧 向约束力。1.国外研究现状Shehata 等 9通过碳纤维布加固 54根不同截面形式的短柱(圆形、正方形、矩形 和加固层数的试验, 对比分析了加固柱的应力-应变曲线, 提出了强度和应变的计算式, 表明柱加固后有效的提高了承载力和延性。Y . Shao 等 10在 GFRP 和 CFRP 布加固混凝土柱单轴压缩下,通过不同级别循环加 载和卸载下,对试验结果进行了衰减分析,提出包含加、卸载,塑性应变,刚度和强度 退化的计算模型,证实了此模型可预测 CFRP 加固混凝土柱的周期特性。Mander 7于 1988年提出了箍筋约束混凝土圆柱和方柱的模型及强度公式,对以后 FRP 约

36、束混凝土柱研究产生了很大的影响,其公式形式和理论被很多研究者采用。 Saudi 等 11提出了一个简化模型来计算 CFRP 约束钢筋混凝土构件的混凝土性质, 并通过典型的圆形和方形截面柱对计算结果进行了检验,结果表明该简化模型对 CFRP 约束构件的弯矩-曲率关系计算非常有效。Chaallal 等 12对受轴向压缩的 CFRP 增强的矩形截面短柱进行了试验研究,得到结 论如下:CFRP 提高了方形和矩形截面柱的轴压强度和延性,但提高幅度不如圆形截面 柱,极限强度和延性的提高幅度随着 CFRP 层数的增多而加大, CFRP 约束混凝土所提 高的强度主要取决于 CFRP 提供的刚度与柱的轴向刚度之

37、比。Y . Xiao and H. Wu13分析了超过 200个混凝土短柱分别缠绕 9种类型的 FRP 在轴向 压力下的强度、 韧性及应力-应变关系; 分析表明:缠绕 FRP 可以显著增加混凝土的强 度和韧性, 为了描述 FRP 的约束效果, 定义了约束模量和约束强度, 除了混凝土强度等材料特性影响 FRP 的约束效果,约束模量是一个关键的因素。同时,定义了一种新的 FRP 约束混凝土柱的本构关系,它很好地模拟了约束混凝土的力学性能。2.国内研究现状1997年,国家工业建筑诊断与改造工程学术研究中心最早开展用 CFRP 加固混凝土 构件研究,取得一定的研究成果。此后,国内专家学者进行了大量的理

38、论研究和试验研 究。赵彤等 14通过 CFRP 加固混凝土钢筋混凝土柱的试验, 分析了碳纤维布采用不同粘 贴方式和粘贴层数对混凝土强度和变形性能的影响, 提出碳纤维布约束普通混凝土的受 压应力-应变全曲线,建议碳纤维布加固时合理的搭接长度。由于试验中未对矩形截面 的试件进行倒角处理几乎所有的破坏都发生在截面的拐角处, 未能充分发挥碳纤维布的 约束作用。L. Lam等 15对比了轴向单调加载和循环加载两者分别作用下 CFRP 加固小型圆混 凝土柱的应力-应变曲线, 得出卸载和重新加载的周期除了对 CFRP 环向的破裂应变有 一点增加外,对应力-应变曲线并无影响。肖岩等 16介绍了 72根碳纤维套

39、箍约束的混凝土圆柱体轴压试验结果,试验参数包 括混凝土强度、套箍厚度与材料类型,提出了一个经改进的高强组合材料约束混凝土的 本构模型,并对模型的参数进行了分析。欧阳煜 17、 李静 18等通过 CFRP 布材约束混凝土柱的试验, 研究了截面长宽比、 初 始轴压比和缠绕量对 CFRP 约束混凝土柱性能的影响。通过对试验结果的分析,提出了 CFRP 约束混凝土柱的应力-应变全曲线的表达式及有关参数的经验计算公式。潘景龙等 19研究证明, 圆形与椭圆形截面柱能较好的利用纤维材料的抗拉能力, 获 得良好的加固效果,在实际工程中宜将矩形截面改为椭圆形或进行倒角处理。冼巧玲等 20通过 23根粘贴碳纤维布

40、 (CFRP 钢筋混凝土偏压柱及其对比柱在单调 荷载作用下的试验研究, 比较分析了 CFRP 加固前后偏压柱的承载力、 延性及破坏形态。 试验结果表明,在偏压柱的受拉面纵向粘贴 CFRP 可以较大地提高偏压柱的承载力,但 不能改善柱子的延性;横向粘贴 CFRP 能显著地改善偏压柱的延性,柱的承载力也有所 提高;纵、横向混合粘贴 CFRP 的加固效果最好,柱的承载力和延性均有较大提高。此 外,根据试验结果的分析,提出了纵向粘贴 CFRP 的偏压柱的正截面承载力计算方法。 敬登虎 21在国内外关于(纤维增强复合材料约束圆形混凝土柱的研究基础上,对 约束中必须考虑的相关参数即侧向约束刚度、约束强度、

41、未约束混凝土的峰值应变、软 化段界定等作了分析,提出新的三折线简化模型,并考虑到了上述参数的影响,该模型 结构形式简单,参数取值方便。于清 22系统地总结了几种较为典型的 FRP 约束混凝土轴心受压时的应力-应变关 系模型, 在此基础上, 以约束效应系数为主要参数, 提出了 FRP 约束混凝土轴心受压时 的应力-应变关系模型, 在此基础上, 可进一步研究 FRP 约束混凝土梁柱的力学性能和承载力。卢亦焱等 23通过 CFRP 加固 12 根钢筋混凝土方柱的轴心受压试验和有限元分析的 结果,确定了碳纤维布约束混凝土方柱在轴心受压作用下的计算模型,并提出两种碳纤 维布约束混凝土方柱的承载力计算方法

42、,得到了约束应力的分布规律,提出了简化的力 学模型。吴刚等 24对纤维增强复合材料约束混凝土矩形柱的应力-应变关系做了研究, 提出 用配箍特征值入参数来计算混凝土约束柱极限应力和应变,方法比较简单精度却较高。 周长东 25提出了 GFRP 布约束混凝土方柱的本构关系, 并通过方柱的实验进行了验 证,证明 GFRP 布约束混凝土方柱能显著提高柱的极限承载力和极限应变,其试验结果 与模型吻合较好。1.3 本文研究的目的和内容虽然 CFRP 在土木工程领域中的应用与研究历史不长, 但已经得到国际工程界的普 遍认可,成为各国研究开发的热点,并己经取得大量的有价值研究成果。目前,国内外 关于 CFRP

43、加固混凝土柱的研究主要集中于碳纤维布包裹混凝土圆形截面柱的轴心受压 下的应力-应变曲线和加固后的抗剪、抗弯、抗震性能研究,碳纤维布包裹钢筋混凝土 矩形截面柱的轴心受压下的性能研究较少, 而考虑 CFRP 和箍筋共同约束后钢筋混凝土 方柱承载力的研究则是更少。我国更常用的是矩形或方形截面的柱体,故通过圆柱体试 验得出的一些参数和结果是否可用于此类柱体,很值得探讨和研究。为了检测和评定碳纤维对轴压下加固钢筋混凝土方柱的影响, 为碳纤维布加固轴压 方柱的设计提供试验和理论依据。 本次对碳纤维加固的钢筋混凝土方柱研究内容主要有 以下几个方面:1 通过对 CFRP 约束 RC 方柱试验研究, 掌握 CF

44、RP 材料约束混凝土方柱的全过程 受力反应特性、破坏形式等问题;分析加固柱与未加固柱的受力性能比较,分析不同 CFRP 加固间距及不同箍筋间距对混凝土约束后的强度、 承载力及其破坏形态等的影响。 2根据 FRP 约束方形截面柱的原理,通过对比分析 FRP 约束后的强度模型,对 Lam and Teng32抗压强度公式进行了修正,重点研究倒角半径、纤维布不连续包裹对公 式的影响,并与他人文献中 144根混凝土方柱的试验数据对比分析,验证其正确与否。 3在修正的 Lam and Teng32抗压强度公式基础上,分析提出纤维布和箍筋共同约 束下钢筋混凝土轴压柱正截面承载力的建议公式,理论计算与本文和

45、他人文献中的 13根 RC 方柱结果对比验证,为以后施工设计做参考。4在不考虑碳纤维布和混凝土界面粘结滑移的前提下,通过 Ansys 三维非线性有 限元模拟分析, 结合试验结果验证了模型建立的正确性, 进而分析 FRP 加固间距、 层数、 柱的截面尺寸及长细比的变化对 FRP 约束效果的影响。第二章 碳纤维布加固钢筋混凝土方柱的轴压试验碳纤维布由于其轻质、高效、耐腐蚀、耐久、施工方便等特点,已越来越广泛地用 于混凝土结构加固工程中。用碳纤维布加固混凝土柱,目前已有较多的成果发表,且其 中多数侧重于试验研究碳纤维布加固圆形截面混凝土柱的性能。研究表明, CFRP 片材 加固圆形截面的柱体可以大幅

46、度提高混凝土柱的极限抗压强度和极限应变, 但对于矩形 截面的试验研究还有待于进一步探讨。 我国用碳纤维布加固的混凝土框架柱大多为方形 截面和矩形截面, 而缠绕碳纤维布的矩形截面柱的性能与缠绕圆形截面柱的性能有很大 的区别,并且现在的研究多集中 CFRP 加固素混凝土柱的约束模型上,对加固钢筋混凝 土柱的研究较少。因此,有必要通过试验和理论分析,全面地研究和揭示碳纤维布约束 钢筋混凝土方形或矩形截面柱的轴心受压力学性能和工作机理。2.1 试验概况本次实验分为五组,共计轴心受压试件 15根。为了保证试验结果的可靠性,在研 究每一种因素的影响时,都有一组三个试件相互对照,试验结果取三个试件的均值,指

47、 定为棱柱模型形式,截面尺寸均设计为 150150 mm,柱高为 600mm 。混凝土设计强 度等级为 C40,混凝土的保护层厚度为 25mm ,配置的纵筋为 410一级钢筋,箍筋采 用 6一级钢筋,其中一组取箍筋间距为 75mm ,见图 2.1所示,其余四组箍筋间距为 150mm ,见图 2.2所示;为了防止柱头压坏,全部柱头两端箍筋加密,间距取 50mm 。 图 2.1 箍筋间距 75mm 图 2.2 箍筋间距 150mmFig2.1 Stirrup spacing 75mm Fig2.2 Stirrup spacing 150mm试件中一组箍筋间距 75mm 的为全包柱,记为 G1-G3

48、,其余四组箍筋间距为 150mm ,分别为对比柱、加固间距 60mm 和 100mm 、全包柱;纤维加固层数均为一层, 环向包裹,每组试件有 3个,详见表 2-1和图 2.3-图 2.6。表 2-1 试件分组及加固方案 图 2.3 对比柱 图 2.4 全包柱Fig2.3 The contrastive column Fig2.4 The whole FRP column 图 2.5 FRP间距 60mm 柱 图 2.6 FRP间距 100mm 柱Fig2.5 The FRP spacing 60mm column Fig2.6 The FRP spacing 100mm column 1.钢筋

49、、混凝土实测力学性能试验所选用的纵向受力钢筋和箍筋均为 HPB235级 (I 级 光圆钢筋, 性能见表 2-2:表 2-2 钢筋实测力学性能指标 名称规格 ( y f MPa ( u f MPa 伸长率(% 箍筋纵筋 配置混凝土的强度等级为 C30, 采用普通硅酸盐水泥 42.5级, 卵石采用的最大粒径 为 26.5mm ,表观密度为 2636kg/m3,采用中砂,表观密度为 2644kg/m3,骨料干燥状态 质量配合比:水泥:水:砂:卵石=1:0.48:1.56:3.32,构件工作环境为一级,实测立方 体抗压强度为 42.8N/mm2。2.碳纤维布性能指标 试验采用上海同砼公司所提供的同固牌

50、碳纤维布, 制造商给出的材料参数见表 2-3:表 2-3 碳纤维布性能指标材料型号 拉伸强度(MPa (平均值 拉伸模量 (GPa 延伸率 (% 名义厚度 (mm 碳纤维CFS2-3.55- 220-012-150 3.纤维加固专用胶性能指标此次试验采用湖南固特邦生产的 JN-C 碳纤维加固专用胶,其系 A 、 B 两组分改性 环氧树脂类胶粘剂,由 JN-CS 碳纤维粘贴底胶、 JN-CE 碳纤维粘贴找平胶、 JN-C3P 碳 纤维浸渍粘贴胶三种胶组成,其性能指标见表 2-4。表 2-4 粘贴胶性能指标 GB50367-2006 A级胶技术要求 试验结果 试验项目试验条件 JN -CE JN

51、-CS JN -C3P JN -CS 抗拉强度(MPa 232o C,7天 40 30 -弹性模量(GPa 232o C,7天 2.5 - -伸长率(%232o C,7天 1.5 - -抗压强度(MPa 232o C,7天 70 - -4.应变片参数试验采用的应变片有两种,即贴在纵筋上的应变片、贴在碳纤维布上的应变片(与 贴在混凝土面上的应变片类型相同 ,其技术参数见表 2-5。表 2-5 应变片技术参数 1.试验量测本试验加载过程中主要测量以下内容:1混凝土纵向压应变、横向拉应变2纵筋的压应变3碳纤维布的横向拉应变4试验柱极限荷载2.测点布置1纵筋应变片的粘贴在 G1-G3柱 2-2处截面

52、(距离柱顶 262.5mm 对角纵筋上贴纵向应变片各一片, 见 图 2.1,其余四组(箍筋间距 150mm 的每根柱的中点 1-1处截面(距离柱顶 300mm 对角纵筋上贴纵向应变片各一片,见图 2.2。2混凝土表面应变片的粘贴在 G1-G3柱 2-2处截面 (距离柱顶 262.5mm 混凝土表面相邻面分别粘贴横向和纵 向的应变片各两片,见图 2.2;其余四组(箍筋间距 150mm 的每根柱的中点 1-1处截 面(距离柱顶 300mm 混凝土表面相邻面分别粘贴横向和纵向的应变片各两片,见图2.3-2.6。3碳纤维表面应变片的粘贴所有全包柱(G1-G3、 Q1-Q3在碳纤维布上粘贴两个横向应变片

53、,位置与混凝 土上的横向应变片相对应; J1-J3柱在 2-2处截面碳纤维布上相邻面贴两个横向应变 片,见图 2.5; J4-J6柱在 2-2处截面碳纤维布上相临面贴两个横向应变片,见图 2.6。 为了防止柱头压坏,所有柱的两柱头在 50mm 范围内分别再加固一层碳纤维布。 3.试验测量装置试验加载在华东交通大学结构实验室 500吨压力试验机上进行,应变的读数通过 DH3819静态测试仪和电脑连接,自动采集;仪器见下图 2.7和图 2.8: 图 2.7 试验机 图 2.8 测试仪Fig2.7 The testing-machine Fig2.8 The testing-instrument4.

54、试验方法参照混凝土结构试验方法标准 26,加载程序及承载力的确定如下:1预加载:首先进行预加载,测读数据、观察试件、装置和仪表是否工作正常并 及时排除故障。2柱的物理对中:对中荷载为极限荷载的 30%,如柱中四根钢筋最大应变值和最 小应变值相差不超过 15%,即认为柱己经对中,可以正式加载。3分级加载:试验采用分级加载,每级约为极限荷载的 10%,当柱变形明显,主 筋屈服后每级荷载降到极限荷载的 5%;试件接近最大荷载时,采用慢速度连续加载, 每级荷载持续时间为 510分钟。4当在规定的荷载持续时间结束后出现混凝土受压破坏,则以此时的荷载值作为 试验柱极限荷载实测值,当在加载过程中出现混凝土受

55、压破坏时,则取前一级荷载值作 为柱的极限荷载实测值,当在规定的荷载持续时间内出现受压混凝土破坏时,取本级荷 载值与前一级荷载的平均值作为极限荷载实测值。在粘贴 CFRP 布之前,首先对柱的粘贴区域进行表面处理,目的在于去除混凝土表 面的薄弱层, 露出坚实的混凝土层并打磨平整, 以保证混凝土与 CFRP 布间的粘贴可靠。 湿粘法应用最为广泛, 现场操作灵活性最大且造价最为经济。 先在混凝土表面涂刷树脂, 粘贴碳纤维后用专用的滚筒滚压,使树脂浸润各层纤维布;这样,树脂不仅作为形成 CFRP 材料的基体,同时也作为 CFRP 与混凝土之间的粘结剂。参照中国工程建设标准化协会碳纤维片材加固混凝土结构技

56、术规程 27,其中碳 纤维布加固施工工艺流程可以归纳为:混凝土表面处理配制并涂刷底层树脂粘贴碳 纤维布表面涂抹浸渍树脂养护。1.混凝土表面处理清除被加固表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土,然后用混凝土角向磨光 机将粘贴碳纤维布的梁底面打磨平整,除去表层浮浆、油污等杂质,直至完全露出混凝 土结构新面。转角粘贴处应进行倒角处理并打磨成圆弧状,圆弧半径不小于 20mm 。用 钢丝刷刷去表面松散的浮渣,用压缩空气除去表面的粉尘。正式粘贴碳纤维布之前,用 脱脂棉蘸丙酮擦拭表面油脂,待其充分干燥后方可进行下一道工序施工。2.粘贴基层处理按产品供应商提供的比例,将打底胶的 A 、 B 组搅拌均匀,用滚

57、筒刷把打底胶均匀的 涂抹于混凝土柱表面,待打底胶表面指触干燥后立即进行找平处理,用配制好的找平胶 把混凝土柱表面凹陷部位填补平整,且不应有棱角,转角处用找平材料修复为光滑的圆 弧,半径为 25mm 。3.粘贴碳纤维布在找平胶表面指触干燥后,按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布,然后按一定比例配制 浸渍树脂,并均匀涂抹于粘贴部位,再将碳纤维布用手轻压贴于所需粘贴的位置,采用 滚筒沿纤维方向多次滚压,挤出气泡,使浸渍树脂充分浸透碳纤维布,滚压时要用力均 匀,不得损伤碳纤维布。待表面指触干燥后,重复上述步骤粘贴第二层碳纤维布,碳纤 维布的搭接长度为 150mm ,多层粘贴时碳纤维布搭接的位置相互错开。1表面

58、涂抹浸渍胶需要包裹多层的,在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍胶。2养护粘贴碳纤维片后,需自然养护使其达到固化,并应保证固化期间不受外界干扰和碰 撞;一周后待胶粘剂完全固化,方可进行试验。2.2 试验现象及结果分析1.未加固(D1-D3柱D1柱在荷载加到 50T 时,在靠近柱头 1/4高处出现了竖向裂缝高处出现了竖向裂 缝,随着荷载的增加,裂缝慢慢向下斜向延伸,当荷载达到 70T 后,斜向裂缝宽度和长 度发展的比较快,荷载能勉强达到极限,此时裂缝急剧增大,荷载不太稳定,并开始稍 微下降,片刻荷载急剧下降,试件已经不能承担荷载,斜向裂缝贯穿整个柱子。D2柱在荷载加到 47T 时,在柱头加固纤维下部 50cm 处,柱的角部出现微量裂缝, 随着荷载的增加,裂缝向下斜向发展,荷载达到极限荷载 74T 左右时,荷载徘徊不前, 柱中部表皮混凝土保护层突然外鼓,并伴随混凝土开