預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼復(fù)合加固混凝土柱軸心受壓試驗研究*

司建輝 趙 侃 劉茂社

(西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，西安 710048)

近些年來建筑行業(yè)高速發(fā)展的行業(yè)態(tài)勢，帶動著結(jié)構(gòu)加固行業(yè)不斷發(fā)展，目前應(yīng)用較為廣泛的加固方法有，增大截面法［1］、繞絲加固法［2-3］、外包型鋼加固法［4-5］以及新興的纖維布加固法［6］等。

其中，繞絲加固法以其施工方便，造價低廉的優(yōu)點在實際工程中得到廣泛地運用，目前國內(nèi)外對于繞絲加固的研究中鮮有提出繞絲張拉應(yīng)力的控制對于構(gòu)件承載能力的影響，國內(nèi)相關(guān)加固標(biāo)準(zhǔn)［7］對于繞絲加固法雖然有比較詳細(xì)的施工方法，但無有效的計算式。外包型鋼加固法是一種使用較為廣泛的傳統(tǒng)加固方法，分為濕式與干式兩種情況。干式外包鋼施工簡便，但承載力提高幅度不大，整體工作性能不如濕式外包鋼有效;濕式外包鋼是在型鋼與原構(gòu)件之間用乳膠水泥或環(huán)氧樹脂等黏結(jié)，保證了兩種材料的協(xié)同工作能力，但其施工作業(yè)量較大，施工過程較為繁瑣。

本文在繞絲加固法和外包型鋼加固法的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)應(yīng)力鋼絞線 -外包鋼復(fù)合加固方法［8-9］，即在干式外包鋼的加固方法上，采用鋼絞線水平繞絲的方式代替外包角鋼間的焊接扁鋼，簡化了施工工序。同時，鋼絞線的預(yù)應(yīng)力可以保證角鋼與混凝土柱的共同受力性能。通過復(fù)合加固方式，控制環(huán)繞鋼絞線的張拉應(yīng)力對軸心受壓混凝土短柱進(jìn)行研究分析，為實際工程中預(yù)緊力繞絲外包鋼加固的運用提供一定的理論和試驗依據(jù)。

1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼施工工藝

預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼復(fù)合加固混凝土柱的施工步驟如下：首先，在混凝土柱身四角上開鑿角鋼凹槽，將角鋼及混凝土柱表面處理平整(同時對角鋼側(cè)面尖部進(jìn)行輕微打磨處理)，保證角鋼和混凝土柱身緊密貼合。在外包角鋼的混凝土柱外側(cè)，采用鋼絞線水平繞絲方式，等間距繞絲。鋼絞線采用U型卡固定，防止相對滑移。采用直徑為10 mm的短鋼筋，穿過鋼絞線與柱身，用扭矩扳手卡口卡住短鋼筋扭轉(zhuǎn)一定的角度，并用細(xì)鋼絲將短鋼筋固定，從而控制鋼絞線的張拉應(yīng)力。復(fù)合加固如圖1所示。

圖1 復(fù)合加固示意Fig.1 Schematic diagram of combination strengthening

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計

共進(jìn)行了7根軸心受壓的短柱試驗，其中2根為對比試件，2根為預(yù)緊力繞絲加固，預(yù)應(yīng)力均為1 kN。3根為預(yù)應(yīng)力繞絲外包鋼加固，預(yù)應(yīng)力控制分別為1，2，3 kN。試件分組如表1所示。試件短柱截面尺寸為200 mm×200 mm，柱長1 000 mm，縱筋采用4根直徑為12 mm的螺紋鋼，箍筋間隔150 mm通長布置，為使試件受壓均勻，構(gòu)件上部布置240 mm×240 mm×20 mm的鋼板。制作構(gòu)件時，每根縱筋中部均布置應(yīng)變片，柱體四面均布置混凝土應(yīng)變片，其余應(yīng)變片布置如圖2所示。試驗開始前，用打磨機(jī)將短柱上、下表面打磨平整，對角鋼側(cè)面尖部進(jìn)行輕微打磨處理，并除去四周浮土，將柱身刷白后，畫上5 cm×5cm的方格，以便后續(xù)控制繞絲間距及直觀地觀察試驗過程中裂縫的發(fā)展。

表1 試件分組Table 1 Specimens grouping

圖2 應(yīng)變片布置示意Fig.2 Schematic diagram of strain gauge layout

2.2 材料選用

與試件混凝土同條件下養(yǎng)護(hù)的6個混凝土立方體試塊，其混凝土立方體試塊的實測平均抗壓強(qiáng)度為23.9 MPa。試驗采用型號為∟40×4的等肢角鋼，屈服強(qiáng)度為σy=235 MPa。鋼絞線選用1×7標(biāo)準(zhǔn)型且直徑為4 mm的鍍鋅鋼絞線?？v筋選用直徑為12 mm的HRB335鋼筋和直徑為8 mm的HPB300鋼筋。

2.3 試驗加載方法

采用西安理工大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳微機(jī)控制電液伺服5 000 kN長柱壓力試驗機(jī)加載試驗，在試件調(diào)整對中以后，先進(jìn)行0.3 Nu(預(yù)計極限荷載)的預(yù)加載，預(yù)加載2～3次，并觀察位移數(shù)據(jù)、應(yīng)變示數(shù)是否正常。在加載初期為力控制加載，加載速度為1 kN/s，當(dāng)荷載達(dá)到200 kN以后，荷載值每增加20 kN，持荷5 min，當(dāng)荷載值達(dá)到800 kN以后，加載方式改為采用位移加載，加載速度為0.3 mm/min。試驗加載的過程中，全程觀察裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展趨勢，及時記錄應(yīng)變及位移數(shù)據(jù)，觀察構(gòu)件的破壞過程。數(shù)據(jù)采集裝置采用DH3815靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，加載裝置如圖3所示。

圖3 加載示意Fig.3 Loading diagram

圖4 典型破壞形式Fig.4 Typical failure mode

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗現(xiàn)象

試驗中的標(biāo)準(zhǔn)柱RC1，在軸壓過程中，開裂荷載較小。當(dāng)達(dá)到極限荷載的60%時，構(gòu)件中上部出現(xiàn)裂縫，并且發(fā)展比較迅速，達(dá)到極限荷載之前，有較大混凝土塊體脫落，主裂縫基本貫通，破壞較為突然，屬于傳統(tǒng)的脆性破壞。1 kN預(yù)應(yīng)力鋼絞線繞絲的混凝土短柱，在加載前期，鋼絞線無明顯變化，隨著荷載增加，鋼絞線開始慢慢拉緊并發(fā)出響動，柱截面混凝土受壓外凸，鋼絞線受拉約束，變形較大，并伴隨小塊混凝土掉落，達(dá)到極限荷載后，下降段比較平緩，破壞形態(tài)相較于標(biāo)準(zhǔn)柱緩和。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼的復(fù)合加固構(gòu)件，由于初始預(yù)應(yīng)力和外包鋼的套箍作用，其開裂荷載大幅提升，軸壓初期，便聽到鋼絞線緊繃的聲音。當(dāng)RC-3荷載達(dá)到其極限荷載的70% ～80%時，構(gòu)件中下部開始出現(xiàn)細(xì)小豎向裂縫，但裂縫的寬度及長度發(fā)展緩慢或者無明顯發(fā)展趨勢。RC-4、RC-5中下部出現(xiàn)豎向裂縫時，荷載分別達(dá)到各自極限荷載的61%和56%左右。與預(yù)應(yīng)力相關(guān)，且呈反比例關(guān)系。當(dāng)達(dá)到構(gòu)件極限荷載的90% ～95%時，構(gòu)件中上部出現(xiàn)明顯斜裂縫，且出現(xiàn)較為集中，發(fā)展較為迅速，進(jìn)而上部混凝土被壓碎。在構(gòu)件破壞后的下降段，趨勢緩和，達(dá)到極限荷載65%，出現(xiàn)水平段。同時，部分角鋼中上部也產(chǎn)生屈服彎曲現(xiàn)象。

3.2 試件承載力分析

為了準(zhǔn)確控制預(yù)應(yīng)力，采用水平繞絲方式，因而對于該種方式進(jìn)行單組試驗，試驗結(jié)果表明：水平繞絲對于承載力和延性都有一定程度的提高和改善［10］。各個試驗組承載力數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試件參數(shù)及試驗結(jié)果Table 2 Specimen parameters and experimental results

預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼復(fù)合加固方式可以通過鋼絞線預(yù)應(yīng)力與角鋼的復(fù)合作用，對核心混凝土提供側(cè)向壓力，使混凝土處于三向受力狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力的作用可以有效提高鋼絞線、角鋼與混凝土短柱的整體性，從而提高其共同受力的能力。相比較傳統(tǒng)的繞絲加固和外包鋼加固方式，隨著鋼絞線預(yù)應(yīng)力的增加，復(fù)合加固的套箍作用，對原構(gòu)件產(chǎn)生較大的側(cè)向約束力，使其在受壓初期便提供約束，大幅提高構(gòu)件的承載力。不同預(yù)應(yīng)力復(fù)合加固方式對于承載力的影響，隨著預(yù)應(yīng)力的增加，分別提高 15.2%、37.5% 、42.9% ，提高效果比較明顯。

國內(nèi)外對于繞絲加固的研究較為廣泛。相比較于本文中試驗數(shù)據(jù)所繪制的荷載-位移曲線(圖5)，魏洋根據(jù)其試驗結(jié)果繪制的荷載 -位移曲線(圖 6)［11］，呈“斷崖式”的下降，本文的加固構(gòu)件在達(dá)到極限荷載以后的下降曲線，顯得更加平滑，比較緩和，體現(xiàn)了較好的延性，也是本文加固方式對于傳統(tǒng)繞絲加固性能的改良。

3.3 荷載-應(yīng)變關(guān)系

圖7繪制了鋼筋混凝土短柱的荷載-應(yīng)變，正向應(yīng)變?yōu)楣拷詈奢d-應(yīng)變，負(fù)向應(yīng)變?yōu)榛炷梁奢d-應(yīng)變。從圖中可以直觀看出：當(dāng)軸心受壓荷載較小時，圖線整體呈線性增長，此時各部件均處于彈性階段;并且隨著荷載增加，圖線呈非線性變化，逐漸進(jìn)入塑性階段。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的70% ～90%時，混凝土受壓應(yīng)變增大，箍筋應(yīng)變增加變快，此時，復(fù)合加固構(gòu)件開始發(fā)揮較大作用，直至充分發(fā)揮約束。并且隨著鋼絞線預(yù)應(yīng)力的增加，復(fù)合加固構(gòu)件對于短柱的橫向約束作用的發(fā)揮時間，更為提前，也更為充分。當(dāng)達(dá)到極限荷載后，混凝土的應(yīng)變值開始緩慢降低，相比較于未加固短柱的混凝土應(yīng)變值的突然降低，極大延緩了構(gòu)件的破壞。

圖5 本試驗荷載-位移曲線Fig.5 Load displacement curves of test

圖6 文獻(xiàn)［11］荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves from literature［11］

圖7 RC柱荷載-應(yīng)變曲線Fig.7 Load displacement curves of RC columns

本次試驗中復(fù)合加固的角鋼，不僅可以間接通過橫向約束對混凝土短柱易被破壞的部位進(jìn)行加固，提高其承載力［12-13］。而且因為其本身一定的剛性，也可以直接承受軸向壓力，對極限承載力的提高，發(fā)揮其最大優(yōu)勢。如圖8所示，在復(fù)合加固短柱受壓過程中，由于初始鋼絞線的預(yù)應(yīng)力，增加了角鋼與混凝土柱表面的相對摩擦力，并且隨著承載力增加，軸心混凝土受壓外凸，進(jìn)一步增加了兩者之間的相互作用。角鋼與混凝土的應(yīng)變變化，在整個試驗中基本協(xié)調(diào)一致，沒有明顯的分叉，說明：這種復(fù)合加固可以大大降低傳統(tǒng)外包鋼加固中出現(xiàn)的角鋼應(yīng)力滯后現(xiàn)象，提高構(gòu)件的整體性。且在達(dá)到極限荷載以后，角鋼應(yīng)變持續(xù)增加，混凝土應(yīng)變相對減小，在破壞階段，軸心混凝土承載破壞降低的同時，角鋼的作用有效地填補(bǔ)了混凝土降低的承載力，使其破壞不會發(fā)生傳統(tǒng)的脆性破壞，一定程度上改善了構(gòu)件的延性。

圖8 角鋼與混凝土荷載-應(yīng)變曲線Fig.8 Load-displacement curve of angle steel and concrete

4 預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼復(fù)合加固承載力計算

4.1 計算公式

對于約束混凝土以提高承載力的研究，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究比較廣泛。盧毅焱等在對于碳纖維布和角鋼的加固試驗中，將構(gòu)件承載力的計算分為受碳纖維布約束的混凝土承載力 Nc、角鋼承載力Nj、鋼筋承載力 Ns，并提出相關(guān)的承載力計算系數(shù)［14］。在 GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》中，對外包型鋼混凝土加固的說明中，也給出了外包鋼加固承載力的計算式：

本文所研究的預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼復(fù)合加固方式為新型加固方式，鋼絞線通過預(yù)應(yīng)力，將角鋼和混凝土柱連接成一個整體，共同作用。顯著提高了原構(gòu)件的各向性能，且對于承載力，主要有受側(cè)向約束的核心混凝土承載力，以及鋼筋和外包型鋼提供。由于鋼絲繩上預(yù)緊力的不同，對于核心受壓混凝土極限壓應(yīng)變不同，因而需要乘一個復(fù)合加固的提高系數(shù)，則預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼混凝土短柱的承載力計算式為：

式中：N為復(fù)合加固后軸向壓力設(shè)計值，kN;φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，按照 GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》采用;K為復(fù)合加固提高系數(shù)，根據(jù)鋼絞線的不同，取值 y=0.142x+1.007;fc為混凝土抗壓強(qiáng)度;Ac為受壓混凝土面積;fy為鋼筋抗壓強(qiáng)度;Ay為受壓鋼筋截面積;αs為角鋼利用系數(shù)，本文αs取0.49;fj為角鋼抗壓強(qiáng)度;Aj為受壓角鋼截面積。

4.2 軸壓短柱試驗值和計算值比較

由表3可知：通過本文承載力算式的計算值與原試驗承載力值誤差范圍控制在6%以內(nèi)。

表3 軸壓短柱試驗值和計算值比較Table 3 Comparison of experimental and calculated values of short columns under axial compression

5 結(jié)束語

1)預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼復(fù)合加固法可以大幅提高軸壓構(gòu)件的極限承載力，并且隨著預(yù)應(yīng)力的增加，加固構(gòu)件的承載力也會不斷提高。

2)由于側(cè)向預(yù)應(yīng)力及角鋼的復(fù)合加固約束作用，構(gòu)件體現(xiàn)出了良好的延性，與傳統(tǒng)繞絲法“斷崖式”下降相比，極大改善了脆性破壞的破壞特征。

3)本文所提出的預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼復(fù)合加固法，與繞絲加固法，外包鋼加固法相比較，施工方法更為簡便，且加固效果更為優(yōu)越，可以有效地針對構(gòu)件薄弱區(qū)進(jìn)行加固，同樣也適用于緊急加固的施工工程。

4)通過控制預(yù)應(yīng)力的大小，可以保證加固角鋼和原構(gòu)件的整體性，兩者相互協(xié)調(diào)，共同受力。并且隨著預(yù)應(yīng)力增加，整體性更好，角鋼的“滯后效應(yīng)”有了很大改良，角鋼的利用效率也隨之提高。

5)針對預(yù)應(yīng)力鋼絞線-外包鋼復(fù)合加固方法，通過數(shù)據(jù)的分析對比，提出適用于該復(fù)合加固方式的承載力計算式，以便為使用該加固方式提供參考。

·信 息·

根據(jù)2018年中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鍋爐鋼結(jié)構(gòu)分會安排，2019年將出版鍋爐鋼結(jié)構(gòu)分會第五期論文集。論文內(nèi)容為鍋爐鋼結(jié)構(gòu)科研、設(shè)計、制造、防腐、安裝等方面，所有論文經(jīng)專家委員會審批后將匯總成冊，并將以《鋼結(jié)構(gòu)》雜志增刊形式印出?？钦撐牟皇杖≠M用。

論文征稿時間表如下：2018年12月15日，論文摘要;2018年12月30日，摘要初審結(jié)束;2019年03月30日，論文投稿終止;2019年05月30日，論文編輯完成。

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