预应力纤维条带加固钢筋混凝土圆墩柱抗震性能试验研究

预应力纤维条带加固钢筋混凝土圆墩柱抗震性能试验研究

随着川川地区的强烈地震，地震区的道路严重受损，大部分地区的道路完全堵塞。地震区域地势高山，飞机难以航行和下降，航空通道极不畅。因此,运送救援物资、大型救援设备和救援人员的艰巨任务就压在铁路运输上,震区各条铁路线的列车开行频率与载重量骤增。如何保证线路的正常安全运营,是抗震救灾工作的关键问题之一。钢筋混凝土圆形墩柱在混凝土铁路桥梁中应用广泛,在地震力作用下易发生剪切和压溃式破坏,导致整个结构垮塌,汶川地震中就有大量的混凝土圆形墩柱因此而破坏。外包纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土墩柱已经在实际工程中得到广泛应用,但是纤维布不能对混凝土墩体提供主动的横向约束,只有在墩体加固、混凝土再次受压膨胀变形之后,纤维布才会发挥其约束能力。相对于被加固墩柱,外包纤维布存在严重的应力滞后。如何提高外包FRP材料与被加固墩柱的协同工作能力,增强加固效率,是目前土木工程领域亟需解决的问题之一。对外包裹材料施加预应力,是解决上述问题的有效途径。预应力芳纶纤维布(AFRP)加固钢筋混凝土方柱的拟静力试验证明了预应力AFRP加固方柱的有效性,结果表明预应力AFRP条带加固震损柱,能使初始裂缝闭合,柱的变形骤减,柱由脆性剪切破坏转变为延性更好的弯曲破坏。横向预应力钢条带加固圆柱的试验结果表明,预应力钢条带可以大幅度提高试件的延性。施加预拉应力的碳纤维(CFRP)片材和AFRP片材加固横向配筋不足的混凝土方柱的试验结果表明,加固后柱的侧向承载能力最大提高近20%,而柱的延性达到加固前的2.6倍。预应力钢板箍加固混凝土方柱的试验结果表明,预应力钢板箍能够有效抑制斜向剪切裂缝的发生与开展,将试件的破坏形态由剪切破坏转变成具有较好延性的弯曲破坏,从而有效提高其抗震性能。可以看出,采用侧向预应力方法加固混凝土方柱可以取得良好的抗震加固效果,而采用预应力FRP加固圆形混凝土墩柱,将会对核心混凝土提供均匀的主动约束,加固效果应该更好,但目前未见针对环向预应力FRP加固圆形混凝土墩柱抗震性能的研究。本次试验通过对12根钢筋混凝土圆形墩柱施加低周反复荷载,综合考虑了纤维布种类、预应力大小、墩柱预损程度、表面处理方式等因素对预应力纤维条带加固圆形混凝土墩柱抗震性能的影响,本文提出的自锁式预应力FRP加固混凝土圆形墩柱方法简便快捷,可以在大震发生之后迅速完成对震损圆形混凝土墩柱的应急加固,恢复和提高其承载能力和抗震性能,从而保证线路的通行能力和列车的运营安全。1试验总结1.1圆墩柱的剪切破坏本次试验共有12根圆形混凝土墩柱。为了模拟地震发生时墩柱的剪切破坏,设计试件的抗弯承载力大于其抗剪承载力,使混凝土圆形墩柱发生剪切破坏。圆墩柱截面直径300mm,柱身高525mm,柱头高450mm,底座高450mm,纵筋625,并伸入到底座底部,箍筋为6@150,保护层厚度为25mm,设计轴压比n均为0.40。采用预应力玄武岩纤维(BFRP)条带和碳纤维条带对柱体进行环向加固。试件的设计尺寸和柱体配筋、预应力纤维条带加固方案如图1所示,试件所用的材料及其性能详见表1,具体试验分组方案见表2。1.2预应力的施加纤维布自锚式锚具主要由锚头、螺杆、螺栓、碳纤维布或玄武岩纤维布等组成,如图2所示。纤维布锚具的制作方法是:布的端部浸胶之后由锚头的锚爪夹紧,然后缠绕布于锚头中部一或两圈,涂胶并裹紧,再拧紧锚头锚爪的小螺栓,使纤维布和锚头形成整体。在施加预应力时,应该交替同步旋紧两根螺杆的螺母,以保证两根螺杆在张拉的过程中受力均衡,并通过实时测量每套锚具两端4个电阻应变片的数据,控制纤维布预应力的水平。预应力水平的控制以纤维布锚具两端4个测点的应变平均值为依据。1.3混凝土应变片模拟地震试验整个试验在同济大学土木工程防灾国家重点试验室完成,试验装置如图3所示。在柱顶通过100t千斤顶施加竖向恒定荷载;通过试件柱头的4根螺杆和100t的伺服作动器相连,沿水平方向施加低周反复荷载;通过电阻应变片量测钢筋应变和纤维布应变;通过电测位移计量测位移。所有力、位移和应变信号均连接到DH3817高速静态数据采集仪,通过计算机自动采集。对于不包布的对比柱,在柱根部受弯两侧各布置一对沿纵向和横向的混凝土应变片,用来测量底部混凝土应变。本试验采用低周反复水平荷载试验模拟水平地震作用。首先施加轴向力至预定值,然后循环施加水平力。水平荷载根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ01—96)采用荷载与位移双控制,试件屈服前采用水平荷载控制,每级荷载循环一次,荷载主要级差为30kN,试验接近屈服时级差为5kN;试件屈服后,采用位移控制,以屈服位移为级差进行位移控制加载(考虑到安全因素,接近试件破坏时,取屈服位移的半数值递增),每级循环3次,不断加大试件位移,直至水平荷载下降到极限荷载的85%时为止。为了模拟地震造成的损伤,加固之前对试件Q2和Q3在轴压比0.40下进行预损伤处理。其中轻微预损处理的试件Q2加载至柱身中部出现斜裂缝且微有开展;中等预损处理的试件Q3加载至柱身中部出现斜裂缝且明显张开。严重预损处理的试件Q4为轴压比0.55、预应力0.2S碳纤维条带加固后的已破坏试件,柱身中部未包裹纤维布部分出现斜裂缝,且柱底混凝土已严重脱落。再次加固之前,凿去疏松破碎的混凝土,表面清理干净后用环氧砂浆进行修补,待环氧砂浆固化之后(如图4所示),将砂浆表面打磨圆滑。2试件极限荷载混凝土是一种非均质材料,加载时试件正反两方向的力学性能不可能完全相同,试验分析时采用正反两方向极限荷载的平均值作为试件的极限荷载;取正反两方向的极限位移平均值作为试件的极限位移,正反两方向屈服位移的平均值作为试件的屈服位移。2.1破坏形式试件的缠布破坏形态和柱体破坏形态如图5所示。(1)柱身中部交叉斜裂缝试件Q1屈服之前,随着荷载的逐渐增大,柱身中部出现细微交叉斜向裂缝并逐渐开展。试件屈服之后,随着位移的增大,柱身中部交叉斜裂缝加速开展;临近破坏时,斜向裂缝迅速开展,柱身中部部分混凝土突然脱落。试件侧向正反向承载力急剧下降,试件破坏,加载停止,属于典型的剪切破坏。(2)弯剪破坏及破坏区域分析试件T2中的环向CFRP条带未施加预应力,在其屈服之前,随着荷载的增加,先是在柱身中部未包裹纤维布处出现细微交叉斜裂缝,继而在柱身底部出现第一条水平弯曲裂缝。试件屈服之后,随着位移的不断增大,底部水平裂缝加速开展,最后因为塑性铰区域混凝土严重破坏而导致试件的破坏,破坏前柱身中部未包裹纤维布部分的斜裂缝略有开展,裂缝的发展、混凝土的压碎以及纤维布的高程度拉展主要发生在柱底塑性铰区域,试件T2属于弯剪破坏。试件T4中CFRP所施加的预应力为0.2S,在试件屈服之前,由于预应力碳纤维布对柱体的主动约束,柱身中部未包裹纤维布处未见斜向裂缝,而底部水平弯曲裂缝出现时的开裂荷载也远高于T2,而屈服荷载与T2相当。试件T4屈服之后,随着位移的持续增大,柱身中部未包裹纤维布处出现细微交叉斜裂缝,底部水平裂缝加速开展;临近破坏时,下部的纤维布有局部鼓起现象,纤维布的纹理错乱,并时而伴有拉展声音,试件的承载力缓慢下降,最后因为底部混凝土的严重破坏导致试件的破坏,破坏区域仅限于塑性铰区,呈现出弯曲破坏的特征。可以看出,对纤维布试件施加预应力之后,试件受到有效的环向主动约束,延缓了裂缝的出现,提高了试件的延性。(3)预损率高且大面积破坏预损试件Q2、Q3和Q4均采用预应力为0.2S的CFRP条带包裹加固,加固后采用位移控制加载。轻微预损试件Q2。随着位移的增大,柱身中部未包裹纤维布处的既有斜裂缝略有开展,底部出现水平裂缝并快速开展;临近破坏时,纤维布发出剧烈的拉展声音,柱身中部斜裂缝继续开展,柱根部也出现斜向交叉裂缝,柱根部混凝土严重破坏且大面积剥落导致试件破坏。预应力纤维布对柱体提供了有效的主动约束,使斜裂缝并未急剧开展,将试件由脆性的剪切破坏转换为了延性很好的弯曲破坏。中等预损试件Q3。随着位移的增长,柱身中部未包裹纤维布处的既有交叉斜裂缝略有开展,底部出现水平裂缝并迅速开展;临近破坏时,斜裂缝贯通柱身,柱根部混凝土压溃剥落,纤维布发出剧烈的拉展声音,且局部断裂。但是因为预应力纤维布对柱体提供了有效的主动约束,限制了斜裂缝的开展,将试件由脆性的剪切破坏转换为延性较好的弯剪破坏。严重预损试件Q4。在位移很小时,纤维布即已发出拉展声音;随着位移的增大,纤维布继续拉展,底部混凝土破坏严重;临近破坏时,柱身斜裂缝贯通,底部环氧砂浆鼓出,混凝土脱落,纤维布发出剧烈的拉展声,两条纤维布均局部断裂,承载力骤降。预应力纤维布对柱体提供了有效的主动约束,一定程度上限制了斜裂缝的开展,试件虽然仍为剪切破坏,但是相对于未加固试件,其延性明显改善。可以看出,预损越严重,试件的延性越差。但是经过预应力CFRP加固后,所有预损试件的延性都明显优于未加固试件。(4)拉展声音和剪切破坏特征试件Q5表面打磨至露出粗骨料,清扫干净后采用预应力CFRP加固,然后进行加载试验。试件屈服之前,随着荷载的增加,柱身底部出现一条水平弯曲裂缝,而柱身中部未见斜向裂缝;试件屈服之后,随着位移的增大,柱身中部未包裹纤维布处出现细微交叉斜裂缝且略有开展,底部水平裂缝加速开展,纤维布局部断裂且伴有拉展声音;临近破坏时,下部的纤维布有局部鼓起现象,柱底部混凝土破坏严重而导致试件破坏。裂缝的发展、混凝土的压碎以及纤维布的高程度拉展主要发生在柱底塑性铰区域,柱承载力缓慢下降,呈现出弯曲破坏的特征。试件Q6在对CFRP浸渍环氧树脂之后再包裹柱身并施加预应力至0.2S,待环氧树脂固化之后进行加载试验。试件屈服前,随着荷载的增加,柱身底部出现一条水平弯曲裂缝,而柱身中部未见斜向裂缝;试件屈服后,随着位移的增大,柱身中部未包裹纤维布处出现细微交叉斜裂缝,底部水平裂缝逐渐开展,纤维布发出拉展声音;临近破坏时,底部的刷胶纤维布有纹理错乱的现象,底部混凝土破坏严重而导致试件破坏,但是由于上下两端预应力纤维布的主动约束,斜裂缝并未开展。裂缝的发展、混凝土的压碎以及纤维布的高程度拉展均发生在柱底塑性铰区域,柱承载力缓慢下降,呈现出弯曲破坏的特征。试件Q7在对CFRP浸渍环氧树脂之后再包裹柱身并施加预应力至0.3S,待环氧树脂固化之后进行加载试验。试件屈服前,随着荷载的增加,底部出现一条水平弯曲裂缝,柱身中部未见斜向裂缝。试件屈服之后,随着位移的增大,柱身中部未包裹纤维布处出现细微交叉斜裂缝,底部水平裂缝逐渐开展,下部纤维布发出拉展声,与锚头连接处局部断裂;临近破坏时,下部纤维布所包裹的混凝土突然爆裂,粗骨料破碎飞出,裸露出纵筋和箍筋,试件承载力急剧下降,试件破坏,属于典型的剪切破坏。试件Q8先将表面打磨至露出粗骨料并清扫干净,然后将CFRP浸渍环氧树脂并包裹柱身,未施加预应力,待环氧树脂固化后进行加载试验。试件屈服之前,随着荷载的增加,底部出现一条水平弯曲裂缝,柱身中部未见斜向裂缝。试件屈服之后,随着位移的增大,柱身中部未包裹纤维布处出现细微交叉斜裂缝,此时底部水平裂缝加速开展;临近破坏时,下部的纤维布有局部鼓起现象,底部混凝土破坏严重导致试件破坏,但由于上下两端刷胶纤维布的约束,斜裂缝并未开展。裂缝的发展、混凝土的压碎以及纤维布的高程度拉展主要发生在柱底塑性铰区域,柱承载力缓慢下降,呈现出弯曲破坏的特征。试件Q9先将表面打磨至露出粗骨料并清扫干净,然后将CFRP浸渍环氧树脂并包裹柱身,施加预应力至0.2S,待环氧树脂固化后进行加载试验。试件屈服之前,随着荷载的增加,底部出现一条水平弯曲裂缝,柱身中部未见斜向裂缝。试件屈服之后,随着位移的增大,柱身中部未包裹纤维布处出现非常细微交叉斜裂缝并略有开展,底部水平裂缝加速开展并贯通,底部混凝土破坏严重,纤维布伴有拉展声音;临近破坏时,柱底部混凝土破坏非常严重,从而导致试件破坏。裂缝的发展、混凝土的压碎以及纤维布的高程度拉展均发生在柱底塑性铰区域,柱承载力缓慢下降,呈现出弯曲破坏的特征。可以看出,对试件表面进行打磨刷胶处理可以提高纤维布与混凝土的协同工作性能,从而可以有效地改善其破坏状态和抗震性能,加固效果最佳,这种加固处理方法在实际工程中应该优先选用。在预应力0～0.2S的范围内,预应力碳纤维条带加固试件在整个试验过程中均能保持柱身的完整,试验末段仍具备稳定的承受竖向荷载的能力,说明采用预应力碳纤维条带对圆墩柱进行抗震加固能够满足实际的工程要求。但是当CFRP的预应力为0.3S时,加固试件的延性较差,在实际工程应用时,CFRP的预应力应控制在0.3S以下,未有补充实验证明之前,控制应力最大为0.2S。(5)柱身剪切破坏特征试件Q10采用环向预应力AFRP条带加固,在试件屈服之前,随着荷载的增加,底部出现一条水平弯曲裂缝,柱身中部未见斜向裂缝;试件屈服之后,随着位移的增大,柱身中部未包裹纤维布处出现细微交叉斜裂缝并逐渐开展,底部水平裂缝加速开展,底部混凝土破坏严重,下部的纤维布有局部鼓起现象,纤维布的纹理错乱,并时而伴有拉展声音;临近破坏时,柱身中部交叉斜裂缝继续开展,玄武岩纤维布与锚杆连接处断裂,其余位置的纤维布也出现断裂情况,承载力急剧下降,试件破坏,属于典型的剪切破坏。因为玄武岩纤维弹性模量较低,对核心混凝土提供的主动约束力较小,无法有效限制斜裂缝的开展,在实际工程中不宜采用预应力AFRP条带加固。2.2预应力cfrp加固试件各试件的承载力见表3。可以看出,采用FRP加固后,试件承载力均有不同程度的提高。在0～0.2S的预应力范围内,采用碳纤维条带施加预应力后,被加固柱的承载力随预应力的增大而提高。当碳纤维条带的预应力为0.3S时,被加固试件的承载力虽有所提高,但低于预应力为0.2S的碳纤维条带加固试件,说明碳纤维条带的预应力应低于0.3S。预损伤对试件的承载力有不利影响,预损伤程度越大,采用预应力CFRP条带加固后的承载力越低;但是,严重预损柱通过预应力0.2S碳纤维条带加固后,其承载力也恢复到了对比柱的承载力水平,说明预应力CFRP条带可以有效提高震损柱的承载能力。采用黏结胶可以减少预应力纤维布的预应力损失,更有利于结构或构件的永久加固;混凝土表面经过打磨的试件,其承载力的提高幅度小于未经过打磨处理的试件,产生这种结果的原因是:打磨之后,混凝土表面的摩擦力大于未经打磨的试件,阻碍了预应力由锚头端向纤维布中段的传递,使预应力在锚具两侧的位置高度集中,导致了纤维布的断裂破坏,与试验现象相符合,如图6所示。表面打磨并采用黏结胶的预应力CFRP加固试件,在加载过程中核心混凝土柱与纤维布协同工作性能良好,从而试件的承载力得以大幅度提高,因此实际工程中应优先选用。采用预应力BFRP条带加固柱的承载力并未明显提高,其原因在于玄武岩纤维的弹性模量较低,对核心混凝土提供的主动约束力较小。2.3由应变变质影响图7为部分试件下部纤维条带中段的荷载应变滞回曲线。加载前预应力纤维条带已对混凝土柱体提供了主动环向约束,延缓了加载过程中斜裂缝的发生与发展。试件屈服前,随着荷载的逐级增加,横向纤维布的应变略有增大,但增幅较小;在试件屈服后,随着损伤程度的增大,混凝土横向膨胀变形增加,进而横向纤维布的拉展程度也越大,对混凝土的环向约束力增加,延缓了压区混凝土的破坏。由图7可知,与预应力0.2S碳纤维条带加固相比,图8为试件最外侧纵筋荷载的应变滞回曲线,可以看出,碳纤维条带预应力越大,对核心混凝土的约束越强,混凝土与纵筋之间协同工作就越好,从而纵筋的应变发展和利用率越高;柱体的损伤对纵筋性能的发挥有不利影响;预应力玄武岩纤维条带加固试件的纵筋应变发展程度较小。2.4bfrp条带加固试验结果分析各试件的荷载-位移滞回曲线如图10所示。可以看出,未加固试件Q1的滞回曲线“捏缩”现象明显,承载力达到峰值后迅速下降,滞回环包络的面积很小,抗震性能较差;采用预应力CFRP条带加固后的试件滞回性能均得到不同程度的改善,其滞回环也变得饱满,耗能能力显著提高,塑性变形能力大幅度增长;采用预应力BFRP条带加固的试件其滞回性能并未得到明显改善,其滞回曲线与未加固柱基本无异。表面打磨并采用粘结胶体的预应力CFRP条带加固试件的滞回环最为丰满,塑性变形能力提高幅度也最大。因此,在实际加固工程中,应优先选用这种加固方法。预损试件采用预应力CFRP条带加固后,其滞回性能得到了明显提高,轻微预损试件和中等预损试件加固后的滞回曲线比未损伤加固试件更为丰满,包络的面积也更大。可能的原因是:预损试件的混凝土已有损伤,产生了许多可见或不可见的细微裂缝,预应力加固后虽然其部分裂缝闭合,但总有些残余变形,再进行试验时混凝土受力后的膨胀变形性能会比未损伤柱明显,从而受到碳纤维条带在一定范围内的更大环向约束力,使圆墩柱的滞回性能更好。2.5刷胶对预应力碳纤维条带位移延性的影响定义位移延性系数μ=Δu/Δy,其中Δu和Δy分别为试件的极限位移和屈服位移,其计算结果列于表3,各试件加固前后骨架曲线的比较如图11所示。可以看出,预损伤对试件的延性有不利影响,随着预损程度的增加,试件屈服前的加载刚度依次降低,达到峰值荷载后下降段强度和刚度的退化也依次加快;既打磨又刷胶的表面处理方式在未施加预应力的情况下,其对位移延性的影响不明显;单一的打磨或者刷胶对预应力碳纤维条带加固圆墩柱的位移延性影响不是很大;但是既打磨又刷胶的预应力碳纤维条带加固圆柱的位移延性系数达到了对比试件的2.20倍,因此,在实际加固工程中,应优先采用此种加固方法。在刷胶的工况下,初始应力为0.3S的预应力CFRP条带加固试件的位移延性系数小于初始应力为0.2S的预应力CFRP条带加固试件,且其下降段强度和刚度的退化也更快,所以CFRP的张拉控制应力应小于0.2S。预应力玄武岩纤维条带加固试件的位移延性与未加固的试件相当,其加固效果并不明显,实际工程中应当慎用。2.6弹性能量py在反复荷载作用下,加载过程吸收能量,卸载过程释放能量,二者之差为结构在一个循环中的能量耗散,其数值等于一个滞回环所包围的面积。滞回曲线实测面积之和等于结构累积耗能,体现着结构的耗能能力。定义平均耗能系数μc=E/(mEy),其中E为各滞回曲线实测面积之和;m为试件屈服后的循环次数;Ey=PyΔy2‚EyEy=ΡyΔy2‚Ey为名义弹性能量,Py为屈服荷载。各试件的耗能总量E和平均耗能系数μc列于表3。可以看出,加固后试件的耗能能力均有不同程度的提高。随着预损伤程度的增大,耗能总量和平均耗能系数依次降低,其中对预损严重的试件采用预应力碳纤维条带加固之后,其耗能总量仍然达到了未加固试件的3.20倍。可见,采用预应力碳纤维条带加固震损混凝土圆形墩柱可以恢复并增强其耗能能力,有效改善其抗震性能。单一的打磨或者刷胶对预应力碳纤维条带加固圆柱的耗能能力影响不大。但是对柱体表面进行打磨刷胶处理再进行预应力碳纤维条带加固的补强方式,将混凝土柱体和预应力纤维布黏结在一起,明显增强了两者的协同整体工作性能,从而该试件耗能能力也大幅度提升。其他工况相同时,预应力为0.3S的CFRP条带加固试件的耗能总量仅为预应力为0.2S的CFRP条带加固试件的0.62倍。由此可见,过大的预应力对CFRP条带的加固效果具有不利影响。预应力BFRP条带加固试件的耗能总量和平均耗能系数均低于未加固柱。其原