鋼管自密實(shí)混凝土加固鋼筋混凝土柱復(fù)合加固方法研究

鋼管自密實(shí)混凝土加固鋼筋混凝土柱復(fù)合加固方法研究

0混凝土自虛實(shí)材料復(fù)合加固技術(shù)鋼筋混凝土柱是建筑結(jié)構(gòu)中最重要的部分。在使用過(guò)程中，由于人為的缺點(diǎn)、耐久性和使用功能的變化，鋼筋混凝土柱的承載能力不足，因此需要加固。目前,工程上常用的鋼筋混凝土柱補(bǔ)強(qiáng)加固方法主要有:增大截面加固法、外包鋼加固法、外粘貼碳纖維布加固法和復(fù)合加固法等。增大截面法工藝簡(jiǎn)單,適用面廣,可廣泛用于一般梁、板、柱、墻等混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固,但該法現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多,施工周期長(zhǎng),對(duì)原結(jié)構(gòu)影響較大,有時(shí)甚至?xí)驑?gòu)件自重的增加而需對(duì)原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)進(jìn)行附加加固;外包鋼加固法施工簡(jiǎn)便,現(xiàn)場(chǎng)工作量小,受力較為可靠,外包角鋼可以顯著提高加固柱的承載力,但對(duì)混凝土橫向變形的約束能力卻較低,不能很好地提高構(gòu)件的延性;粘貼碳纖維(fiberreinforcedplastic,簡(jiǎn)稱FRP)布加固法是20世紀(jì)80—90年代在國(guó)外興起的一種新型加固技術(shù),可以提高混凝土的強(qiáng)度和延性,FRP布的層數(shù)、截面形狀對(duì)約束效果都有較大影響,但其對(duì)加固柱的承載力提高幅度不大,剛度提高也有限,且FRP材料利用率也較低;復(fù)合加固法可以結(jié)合多種材料的優(yōu)點(diǎn),加固效果顯著。盧亦焱等進(jìn)行了碳纖維布和角鋼復(fù)合加固軸心受壓混凝土柱的試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,加固后柱的承載力大幅度提高,混凝土柱的延性得到顯著改善。蔡健等進(jìn)行了圓形鋼套管加固方形截面柱的軸壓、偏壓等受力性能研究,在外套鋼管與原柱之間的間隙內(nèi)填塞細(xì)石混凝土,試驗(yàn)研究表明,采用圓形鋼套管加固混凝土柱能在較大程度上提高構(gòu)件的承載力,也能顯著改善其延性。但是由于外套鋼管和原柱之間的空隙較小,填塞的細(xì)石混凝土難以振搗密實(shí),施工難度較大,影響加固效果。文獻(xiàn)結(jié)合鋼管混凝土的力學(xué)性能和自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性,提出了外套鋼管自密實(shí)混凝土加固鋼筋混凝土柱的新型復(fù)合加固方法。其做法是首先在原混凝土柱表面植筋,然后外套2塊半圓卷制鋼板現(xiàn)場(chǎng)對(duì)縫焊接使之成為套管,在間隙澆筑自密實(shí)混凝土使其與原柱形成整體工作性能良好的組合柱,從而達(dá)到加固原混凝土柱的目的。同時(shí),在自密實(shí)混凝土中加入適量的膨脹劑以彌補(bǔ)其收縮性,配制成微膨脹自密實(shí)混凝土,使得復(fù)合加固柱的核心混凝土受到約束,承載力得到提高。該加固方法具有加固截面尺寸相對(duì)較小(與增大截面加固法相比)、承載力高、節(jié)約材料、施工方便等優(yōu)點(diǎn),可充分發(fā)揮自密實(shí)混凝土材料的特性和鋼管約束混凝土的性能,同時(shí)還可以縮短工期,與現(xiàn)有加固方法相比具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。為了深入研究該加固方法的工作機(jī)理,本文進(jìn)行9個(gè)外套鋼管自密實(shí)混凝土復(fù)合加固鋼筋混凝土圓形截面短柱試件軸壓試驗(yàn),同時(shí)進(jìn)行2個(gè)鋼筋混凝土圓形截面短柱試件和2個(gè)增大截面加固鋼筋混凝土圓形截面短柱試件的軸壓試驗(yàn)。對(duì)加固柱試件的承載力和延性進(jìn)行分析,并提出外套鋼管自密實(shí)混凝土加固鋼筋混凝土圓柱軸壓承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。1試驗(yàn)總結(jié)1.1界面復(fù)合加固柱試件配筋分析試驗(yàn)共設(shè)計(jì)13個(gè)試件,其中2個(gè)為未加固鋼筋混凝土圓形截面短柱試件、2個(gè)為增大截面加固鋼筋混凝土圓形截面短柱試件、9個(gè)為復(fù)合加固鋼筋混凝土圓形截面短柱試件,試件長(zhǎng)度為657mm,長(zhǎng)細(xì)比分別為4.27、2.74、3.00。試驗(yàn)參數(shù)為加固方法、加載方式、套箍系數(shù)、后澆自密實(shí)混凝土強(qiáng)度和新舊混凝土界面處理方式。基于試件制作的可行性,增大截面加固柱的外徑無(wú)法保證與復(fù)合加固柱完全相同,經(jīng)過(guò)分析,取D=240mm,與復(fù)合加固柱的外徑有微小差異,這種差異在試驗(yàn)結(jié)果的分析中將給予考慮。試件配筋情況及加固方法如圖1所示。對(duì)于復(fù)合加固柱,加載方式如圖2所示,加載方式A表示一端鋼管和混凝土同時(shí)受荷、一端僅核心混凝土受荷,加載方式B表示鋼管與混凝土兩端同時(shí)受荷,加載方式C表示兩端只有核心混凝土受荷。本次試驗(yàn)采用界面鑿毛和化學(xué)植筋相結(jié)合的界面復(fù)合處理技術(shù)對(duì)復(fù)合加固柱試件新舊混凝土結(jié)合面進(jìn)行處理,按植筋率(植入鋼筋橫截面積之和與柱側(cè)面積之比)的不同分為P1(植筋率為0.05%)、P2(植筋率為0.11%)、P3(植筋率為0.19%),植筋方式如圖3所示。試件參數(shù)見(jiàn)表1。1.2混凝土配合比和力學(xué)性能試驗(yàn)選用的混凝土強(qiáng)度等級(jí),原柱為C25級(jí)普通混凝土,增大截面加固柱后澆混凝土為C50級(jí)普通混凝土,復(fù)合加固柱后澆混凝土為自密實(shí)混凝土,強(qiáng)度等級(jí)分為C40、C50、C60。相應(yīng)的混凝土配合比見(jiàn)表2。各種強(qiáng)度等級(jí)混凝土制作標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊3組,和試件同等條件下養(yǎng)護(hù)28d,按照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》實(shí)測(cè)立方體平均抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1。加固試件采用的外套圓形鋼管由2塊半圓形卷板拼焊而成,焊縫采用對(duì)接焊縫(坡口焊)。鋼管和鋼筋的力學(xué)試驗(yàn)參照GB228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》,鋼材的力學(xué)性能見(jiàn)表3。1.3加載裝置及加載試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。試件在中截面均勻布置縱向及環(huán)向共4組8片應(yīng)變片,以測(cè)量鋼管的縱向和環(huán)形應(yīng)變值,同時(shí)在柱的兩側(cè)均設(shè)置位移計(jì)用來(lái)測(cè)量柱的縱向位移。試驗(yàn)在5000kN壓力機(jī)上進(jìn)行,試件兩端均為平板鉸,為了適時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量施加荷載值,在柱的下端設(shè)置500t力傳感器。試件的加載參考GB50152—1992《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,主要步驟如下:1)分3級(jí)對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載,每級(jí)取預(yù)計(jì)極限荷載的10%,以壓緊加載板與試件的接觸面,同時(shí)查看儀器及裝置是否正常工作,并根據(jù)試采樣數(shù)據(jù)判斷并調(diào)整試件是否為軸心受壓等。2)正式加載時(shí),對(duì)于未加固柱和增大截面加固柱按照普通鋼筋混凝土柱標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行加載;對(duì)于復(fù)合加固柱,當(dāng)試件處于彈性階段時(shí),每級(jí)荷載為預(yù)估極限荷載的1/15,當(dāng)鋼管進(jìn)入屈服階段后,每級(jí)荷載取為預(yù)估極限荷載的1/30,每級(jí)荷載持荷時(shí)間約為2~3min,待荷載表盤(pán)數(shù)值穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)。3)當(dāng)加載持荷過(guò)程中掉載較明顯時(shí),表明試件已接近極限承載狀態(tài),此時(shí)不再分級(jí)加載,而采用緩慢持續(xù)加載,并連續(xù)采集數(shù)據(jù),直至達(dá)到極限荷載,極限荷載取力傳感器的最大讀數(shù)值,在荷載值下降到極限荷載的80%以下或變形過(guò)大時(shí),試驗(yàn)結(jié)束。2加載后試件破壞形態(tài)對(duì)于未加固的鋼筋混凝土圓形截面短柱,以試件YZ-1為例:加載初期,試件的鋼筋與混凝土均處于彈性階段,壓應(yīng)變均勻增大;當(dāng)軸向荷載增大到極限荷載的70%左右,試件端部側(cè)面出現(xiàn)縱向裂縫,并向中部發(fā)展;臨近破壞時(shí),混凝土出現(xiàn)多條縱向裂縫,受壓鋼筋屈曲。最終破壞時(shí)試件中上部局部混凝土被壓碎,鋼筋被壓屈外凸。未加固試件YZ-1的破壞形態(tài)如圖5a所示。增大截面加固柱試件的破壞過(guò)程與未加固試件基本相似,但承載力有較大幅度的提高。加載至極限荷載70%~80%左右時(shí),試件端部出現(xiàn)微細(xì)縱向裂縫。隨著荷載的繼續(xù)增大,裂縫條數(shù)不斷增加,裂縫寬度不斷加大,并向中部發(fā)展。當(dāng)臨近極限荷載時(shí),試件四周出現(xiàn)明顯的縱向裂縫,混凝土被壓碎,箍筋間的縱筋被壓屈外凸,柱受壓破壞。增大截面加固柱試件KZ-1的破壞形態(tài)如圖5b所示。復(fù)合加固柱試件破壞形態(tài)如圖5c~5i所示,對(duì)于試件TZ2-C50-A-P2,由于外套鋼管壁厚較薄,當(dāng)達(dá)到極限荷載后持續(xù)加載,鋼管變形快速增加,隨著“啪”的一聲巨響,試件下端部鋼管沿焊縫處突然崩裂,內(nèi)部混凝土在焊縫位置出現(xiàn)較大裂縫,并快速被壓碎,荷載急速下降,試件破壞。其它試件破壞形態(tài)與含鋼率及加載方式相關(guān)。含鋼率較大的試件,其破壞均為較典型的剪切破壞;含鋼率較小的試件,多為鋼管壓屈破壞,鋼管呈多折腰鼓狀。加載方式的不同對(duì)試件的破壞部位有影響,非對(duì)稱加載方式(加載方式A)下試件剪切破壞多出現(xiàn)在試件中下部,而對(duì)稱加載方式則出現(xiàn)在中部略偏上,僅核心混凝土受壓加載方式(加載方式C)可有效延緩試件剪切破壞的發(fā)生,但含鋼率和核心混凝土強(qiáng)度一定時(shí),加載方式的改變并不能從根本上改變其破壞模式。由于新舊混凝土之間存在約束應(yīng)力,破壞時(shí)界面沒(méi)有發(fā)生明顯的滑移,無(wú)裂縫出現(xiàn),新舊混凝土黏結(jié)性能良好。后澆自密實(shí)混凝土強(qiáng)度和界面處理方式對(duì)復(fù)合加固柱試件的破壞形態(tài)沒(méi)有影響。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1復(fù)合加固柱承載力表1給出了試件的承載力試驗(yàn)結(jié)果,由表1可知:1)在用鋼量基本相等的情況下,雖然增大截面加固柱試件的橫截面積是復(fù)合加固柱試件橫截面積的1.2倍,但復(fù)合加固柱試件承載力比增大截面加固柱試件承載力要高,試件KZ-2與試件TZ3-C50-A-P2加固用鋼量分別為2279mm2和2235mm2,但試件TZ3-C50-A-P2的承載力比試件KZ-2提高35%;2)不同加載方式對(duì)復(fù)合加固柱承載力影響不顯著,其他參數(shù)不變時(shí),加載方式A、B和C對(duì)應(yīng)的試件TZ3-C50-A-P2、TZ3-C50-B-P2、TZ3-C50-C-P2承載力分別為3029kN、2732kN和2932kN,僅核心混凝土受壓加載方式復(fù)合加固柱試件承載力略大于全截面受壓加載方式,提高幅度約在10%左右;3)隨著含鋼率的增加,復(fù)合加固柱試件的承載力顯著增大,相比試件TZ2-C50-A-P2,試件TZ3-C50-A-P2和試件TZ4-C50-A-P2的承載力分別提高了33.7%和44.5%;4)隨著后澆自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的提高,復(fù)合加固柱試件的承載力略有提高,但不顯著,相比試件TZ3-C40-A-P2,試件TZ3-C50-A-P2和試件TZ3-C60-A-P2的承載力分別提高了9.4%和5.3%;5)界面處理方式對(duì)復(fù)合加固柱試件承載力影響不顯著,界面植筋處理可有效增強(qiáng)新舊混凝土受剪能力,但植筋率過(guò)高會(huì)對(duì)原柱產(chǎn)生損傷,導(dǎo)致承載力下降。3.2復(fù)合加固柱的受力性能不同加固方法加固柱試件的荷載-縱向變形曲線如圖6a所示,在加固用鋼量基本相同的情況下,由于外套鋼管可對(duì)新舊混凝土起到套箍約束作用,復(fù)合加固柱試件的承載力和延性均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的增大截面加固柱試件,且其破壞模式為延性破壞。不同加載方式的復(fù)合加固柱試件的荷載-縱向變形曲線如圖6b所示,僅核心混凝土受壓(加載方式C)時(shí),鋼管混凝土從彈性階段就可對(duì)核心混凝土形成良好的約束,具有更好的后期承載能力;加載方式A由于一端鋼管與混凝土共同受力,在加載初期其縱向應(yīng)力大于加載方式C,在進(jìn)入彈塑性階段以后,兩種加載方式受力機(jī)理基本相同。不同含鋼率的復(fù)合加固柱試件的荷載-縱向變形曲線如圖6c所示,除試件TZ2-C50-A-P2在達(dá)到極限荷載后下端部鋼管焊縫突然撕裂、其荷載-縱向變形曲線沒(méi)有測(cè)得完整的下降段外,其余試件隨著外套鋼管壁厚的增加,外套鋼管可對(duì)內(nèi)部核心混凝土起到更好的約束作用,復(fù)合加固柱的極限荷載增大,延性提高,后期承載能力更好。不同后澆自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的復(fù)合加固柱試件的荷載-縱向變形曲線如圖6d所示,隨著后澆自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的提高,試件的承載力略有提高,但不顯著。這是由于混凝土強(qiáng)度提高的同時(shí)也降低了外套鋼管的套箍約束效應(yīng),自密實(shí)混凝土強(qiáng)度過(guò)高時(shí)其收縮性開(kāi)始凸顯,兩方面綜合作用導(dǎo)致其對(duì)承載力影響不顯著,同時(shí)導(dǎo)致試件延性降低。不同界面處理的復(fù)合加固柱試件的荷載-縱向變形曲線如圖6e所示,界面植筋處理可有效增強(qiáng)新舊混凝土受剪能力,但植筋率較高試件的承載力反而有所下降,分析原因可能由于植筋過(guò)密對(duì)原柱有所損傷所致。可見(jiàn)界面處理方式對(duì)試件承載力影響不明顯,且植筋不宜過(guò)密。3.3鋼管荷載分析圖7為復(fù)合加固柱試件荷載比值(N/Nu)-應(yīng)變(環(huán)向和縱向應(yīng)變?chǔ)?曲線。由圖7可知,所有復(fù)合加固柱試件在整個(gè)受力過(guò)程中,鋼管縱向受壓,環(huán)向受拉,荷載比值-應(yīng)變曲線呈喇叭口狀。在加載初期,鋼管縱向和環(huán)向應(yīng)變均能呈線性增長(zhǎng),但同級(jí)荷載作用下縱向應(yīng)變大于環(huán)向應(yīng)變;在達(dá)到極限荷載的80%以后進(jìn)入彈塑性階段,縱、環(huán)向應(yīng)變開(kāi)始快速增加,呈現(xiàn)出非線性特征,且環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率大于縱向應(yīng)變,這一階段隨著荷載的增加,鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用逐漸增強(qiáng),逐漸達(dá)到承載力。加載方式A與加載方式C的荷載比值-應(yīng)變曲線基本相似,在彈性階段縱、環(huán)向應(yīng)變比均明顯小于加載方式B,表現(xiàn)為荷載比值-環(huán)向應(yīng)變曲線斜率較小,鋼管環(huán)向應(yīng)變較大,縱、環(huán)向應(yīng)變比最終維持在接近于1的水平。對(duì)于加載方式B,彈性階段鋼管荷載比值-環(huán)向應(yīng)變曲線斜率較大,即彈性階段鋼管主要縱向承壓,環(huán)向應(yīng)變較小;進(jìn)入彈塑性階段以后,由于其對(duì)核心混凝土的約束作用,環(huán)向應(yīng)變快速增加,但其峰值荷載對(duì)應(yīng)環(huán)向應(yīng)變較其他加載方式要小,即其外套鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用不及其他兩種加載方式。不同加載方式的復(fù)合加固柱試件的荷載比值-應(yīng)變曲線如圖7a所示,峰值荷載對(duì)應(yīng)鋼管的環(huán)向應(yīng)變加載方式C最大,加載方式A次之,加載方式B最小;峰值荷載對(duì)應(yīng)縱向應(yīng)變加載方式B最大,加載方式A次之,加載方式C最小。試件TZ3-C50-A-P2、TZ3-C50-B-P2、TZ3-C50-C-P2峰值荷載對(duì)應(yīng)環(huán)向應(yīng)變分別為0.00488、0.00381、0.00580,峰值荷載對(duì)應(yīng)縱向應(yīng)變分別為0.00601、0.00754、0.00501。不同后澆自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的復(fù)合加固柱試件的荷載比值-應(yīng)變曲線如圖7b所示,隨著后澆自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增大,峰值荷載對(duì)應(yīng)鋼管的縱向和環(huán)向應(yīng)變逐漸降低。試件TZ3-C40-A-P2、TZ3-C50-A-P2、TZ3-C60-A-P2峰值荷載對(duì)應(yīng)環(huán)向應(yīng)變分別為0.00565、0.00486、0.00308,峰值荷載對(duì)應(yīng)縱向應(yīng)變分別為0.00742、0.00653、0.00421。不同含鋼率的復(fù)合加固柱試件的荷載比值-應(yīng)變曲線如圖7c所示,隨著含鋼率的增大,峰值荷載對(duì)應(yīng)鋼管的縱向和環(huán)向應(yīng)變逐漸增大。試件TZ2-C50-A-P2、TZ3-C50-A-P2、TZ4-C50-A-P2峰值荷載對(duì)應(yīng)環(huán)向應(yīng)變分別為0.00262、0.00487、0.00969,峰值荷載對(duì)應(yīng)縱向應(yīng)變分別為0.00381、0.00601、0.00788。4復(fù)合加固柱試驗(yàn)及結(jié)果在外套鋼管自密實(shí)混凝土加固法中,鋼管和核心混凝土既各自發(fā)揮作用又協(xié)同工作,顯著提高柱的承載力和延性。假定加固組合柱的承載力由原柱混凝土、鋼筋、后澆混凝土及鋼管的承載力組成。若不考慮不同材料之間的相互作用,參考文獻(xiàn),復(fù)合加固柱名義承載力計(jì)算式為:式中:At、fty分別為外套鋼管截面積和抗壓強(qiáng)度;As、fsy分別為原柱中所配鋼筋面積和抗壓強(qiáng)度;Ac1、fc1分別為原柱中混凝土截面積和軸心抗壓強(qiáng)度;Ac2、fc2分別為后澆自密實(shí)混凝土截面積和軸心抗壓強(qiáng)度。從前面分析可知式(1)疊加計(jì)算出的承載力應(yīng)比實(shí)際值要小,因?yàn)檫@與外套鋼管自密實(shí)混凝土加固原理不相符合。外套鋼管自密實(shí)混凝土加固的最大優(yōu)勢(shì)是利用外套鋼管為核心新舊混凝土提供有效約束,使核心混凝土處于