綠色纖維加固RC方柱軸心受壓試驗研究

李 妍，陳宣伊

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

在1960年以前,我國就已經(jīng)建造了約25億平方米的房屋,至今房齡過久，其中有些房屋需要加固,以延長其使用壽命.本文針對這一情況提出一種新型的加固方法,采用綠色纖維纏繞即混凝土柱對其進(jìn)行加固，國內(nèi)外關(guān)于此類加固方法的研究較少，因此關(guān)于綠色纖維纏繞RC方柱的加固效果的研究具有一定的的工程參考價值[1-4].

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本文試驗主要考慮回收鋼纖維的纏繞方式以及其纏繞間距這兩種因素對混凝土柱的承載能力和延性的影響,共制作了6個試件.本文在試驗柱外纏繞綠色纖維主要有螺旋纏繞和水平纏繞兩種加固方式.為了使鋼纖維更容易纏繞在混凝土柱上,本試驗使用了鋼板條加固裝置,其簡化了回收鋼纖維加固柱的施工過程,對于矩形柱在不用倒圓角的情況下進(jìn)行混凝土柱的側(cè)向纏繞加固.試驗柱相關(guān)參數(shù)如表1所示,試件尺寸為長200(mm)×寬200(mm)×高800(mm),試驗柱除柱A1外,其余5根試驗柱在RC方柱四個側(cè)面的中間位置均粘貼了鋼板條,鋼板條的尺寸為70(mm)×50(mm)×40(mm)，其具體試件尺寸和相關(guān)配筋情況如圖1所示.

圖1 試件尺寸設(shè)計

表1 試件概況

1.2 試驗裝置及加載制度

本試驗是在吉林建筑大學(xué)的試驗室內(nèi)進(jìn)行的,試驗裝置采用的是加載裝置為10 000 t的液壓伺服長柱試驗機(jī),試驗所需儀器如圖2所示.

(a)10 000 t液壓伺服長柱試驗機(jī)

在試驗正式開始前以5 kN的速度進(jìn)行預(yù)加載，當(dāng)達(dá)到0.3倍的極限荷載時，停止預(yù)加載.在預(yù)加載過程中觀察儀器是否正常工作，在加載初期采用位移加載，速度為1 mm/min,當(dāng)試驗機(jī)與柱子完全緊貼之后，采用力加載.當(dāng)荷載達(dá)到0.7倍的極限荷載時，轉(zhuǎn)換成位移記載，速度和試驗初期保持一致，直至RC方柱損壞.在試驗過程中，對位移計和應(yīng)變計的測量值及RC方柱的破壞形態(tài)進(jìn)行實(shí)時觀測和記錄.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

未加固柱在加載初期,裂縫由柱側(cè)面中部的兩邊向中間位置延伸,但在此過程中混凝土柱并未產(chǎn)生橫向變形.在施加荷載接近極限荷載時,在RC方柱中部位置裂縫開展迅速,且形成裂縫的數(shù)量越來越多,越來越密集，慢慢的有一些細(xì)微的混凝土碎塊從柱子上脫落.隨著對試驗構(gòu)件進(jìn)一步加載,RC方柱側(cè)面的中間位置開始有大塊的混凝土碎塊脫落,當(dāng)構(gòu)件露出里面的鋼筋后,試件宣告破壞.

試驗開始時,鋼纖維的橫向變形和彈性模量相對較低,包裹在鋼筋混凝土方柱上的鋼纖維的橫向約束也較小.隨著荷載的增加,鋼纖維逐漸收緊,逐漸嵌入混凝土柱中,同時一些混凝土小碎塊開始脫落,說明鋼纖維的拉應(yīng)力已發(fā)展到較高水平.隨著少數(shù)鋼纖維的逐一斷裂,荷載開始慢慢下降,但是下降的速度較為緩慢,而且并不是所有的鋼纖維都會斷裂.當(dāng)有較多根鋼纖維斷裂時,荷載下降速度開始加快,此時RC方柱側(cè)面的中部位置開始有混凝土小碎塊脫落,RC方柱側(cè)面位置可以看到中部位置的箍筋發(fā)生了彎曲變形,表明此時RC方柱已經(jīng)完全屈服,試驗柱的破壞形式如圖3所示.

(a)柱A1破壞圖 (b)柱A2破壞圖 (c)柱B1破壞圖

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1 承載力

通過試驗得知，柱A1的極限承載力為1 399 kN，通過對比3組鋼纖維不同纏繞間距,當(dāng)在螺旋纏繞方式下,纏繞間距為20 mm和10 mm時,對RC方柱的極限承載力分別提高了30.1 %，39.8 %.從試驗結(jié)果可以看出,當(dāng)纏繞綠色纖維間距越小,混凝土側(cè)面出現(xiàn)的裂縫塊也越小,對試驗柱承載力的提升也越大.與未纏繞回收鋼纖維的RC方柱相比,其損傷發(fā)展速度較為緩慢,延性也越好.通過試驗對比兩組鋼纖維不同纏繞方式,在纏繞間距為10 mm的情況下,螺旋纏繞方式使構(gòu)件的極限荷載提升了39.8 %,水平纏繞方式使構(gòu)件的極限荷載提升了30 %,所以證明在同等纏繞間距條件下,螺旋纏繞方式要優(yōu)于水平纏繞方式.

2.2.2 RC方柱的荷載-位移分析

對RC試驗方柱進(jìn)行軸心受壓試驗,當(dāng)試驗荷載為60 kN以內(nèi)時,RC方柱的荷載-位移曲線的變化較為平緩.當(dāng)試驗未加載到60 kN時,構(gòu)件的荷載位移曲線的斜率漸漸變大,此時,加固前后的試驗的荷載-位移曲線的斜率大體一致,說明當(dāng)試驗柱承受較小荷載時,在RC方柱外側(cè)纏繞綠色纖維效果不明顯.隨著繼續(xù)施加荷載,當(dāng)A1試驗柱的荷載加載到1 219 kN時,此時試驗柱A1的荷載-位移曲線首次出現(xiàn)彎曲,加固后的試驗柱的荷載-位移曲線仍舊緩慢增長.當(dāng)柱A2、柱B1、柱B2、柱C1、柱C2的試驗力分別達(dá)到1 250 kN,1 589 kN,1 738 kN,1 687 kN及1 746 kN時,試驗柱的荷載-位移曲線逐漸開始發(fā)生變化,與未加固的試驗柱A1相比,其屈服荷載分別提高了2.5 %,30.4 %和42.6 %,38.4 %及43.2 %.試驗結(jié)果表明,當(dāng)采用同一纏繞方式的情況下,在RC方柱上纏繞綠色纖維的間距越小,RC方柱的開裂荷載越高.

粘貼鋼板條對RC方柱的開裂荷載以及極限承載力提升很小,說明利用鋼板條對RC方柱加固起到的作用微乎其微.加固后試件的開裂荷載以及極限承載力提升的較為明顯,從而說明鋼板條裝置在加固過程中只具有支撐綠色纖維的作用[5-9],通過試驗數(shù)據(jù)得到的荷載-位移曲線如圖4所示.

圖4 RC方柱荷載-位移曲線

3 結(jié)論

本文針對有限元模擬和具體試驗探究了在RC方柱表面纏繞綠色纖維從而達(dá)到約束混凝土的效果,針對加固前后RC方柱的破壞形式,結(jié)論如下:

(1)纏繞回收鋼纖維從而加固RC方柱,鋼纖維對混凝土柱有橫向的約束作用,使RC方柱從單軸受壓狀態(tài)變成三軸受壓狀態(tài),增強(qiáng)了構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度,說明使用回收鋼纖維纏繞加固RC方柱的方法行之有效.

(2)本文采用螺旋纏繞和水平纏繞兩種方式加固RC方柱,通過試驗對比兩種纏繞方式對混凝土的加固效果,結(jié)果表明,在保證纏繞間距相同的情況下,螺旋纏繞綠色纖維方式更好.

(3)在鋼纖維纏繞方式固定的情況下,綠色纖維的纏繞間距越小,對構(gòu)件的開裂荷載和極限承載力提升效果越顯著,此時RC方柱的延性性能越強(qiáng),體現(xiàn)了采用綠色纖維加固混凝土柱效果的有效性.