碳纤维布加固钢筋混凝土构件的性能研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：文章对碳纤维布加固钢筋混凝土柱的性能进行了试验研究。本研究以钢筋混凝土柱为研究对象，采用碳纤维布包裹柱，并进行实验测试，以确定碳纤维布对柱性能的影响。本文还利用混凝土抗压强度、钢筋强度和碳纤维布性能的几何特征和试验参数，对碳纤维布约束的细长钢筋混凝土柱进行了分析，以预测其结构性能。结果表明，碳纤维布对钢筋混凝土柱的强度、延性和约束性能有显著的提高。
　　关键词：碳纤维布;钢筋混凝土;柱;力学性能
　　中图分类号：TQ327.8文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0090-05
　　约束效应和强度能力是钢筋混凝土柱构件的关键问题。随着混凝土强度的增加，钢筋混凝土柱的脆性更加明显。因此，柱需要额外的改进以改善限制和可变形特征。最近，越来越多地使用通过碳纤维布缠绕和粘合来改造钢筋混凝土柱。特别是在地震区域，可以看到使用碳纤维布的有效性。碳纤维布可以很容易地应用在钢筋混凝土柱上，并提供成本经济和快速施工。碳纤维布的力学性能对钢筋混凝土柱的性能有效。碳纤维布加固钢筋混凝土柱结构最有效参数是材料的模量和强度、纤维聚合物的厚度、碳纤维布的层数量。
　　碳纤维布材料的应用提高了细柱钢筋混凝土芯的约束性能。此外，碳纤维布对于实现结构构件的强度容量、延展性和刚度非常有效。因此，碳纤维布包裹到钢筋混凝土柱中在土木工程应用和建筑领域具有显着的优势。因此，了解受碳纤维增强聚合物约束的钢筋混凝土柱的结构行为非常重要。本研究的主要目的是探讨碳纤维布约束的双轴向受力的普通钢筋混凝土细柱的受力性能。
　　1 实验研究
　　本实验研究的目的是研究碳纖维布对普通钢筋混凝土柱性能的影响。试验参数为混凝土抗压强度、荷载偏心率、钢筋屈服强度、碳纤维布性能、钢筋和细长效应。研究了柱强度、载荷一挠度特性以及碳纤维布对普通钢筋混凝土柱结构性能的影响。
　　1.1样本柱信息
　　实验工作包括十六平方的普通钢筋混凝土柱。所有柱的长度均为1300mm。柱试样的横截面尺寸为125mm×125mm。根据ACI标准318-08确定柱试样的长细比（横截面回转半径的有效长度）为34.67。为了提供双轴加载应用，在两端的柱子上设计了两个200mm×200mm×200mm的高强度钢筋混凝土支架。变形钢筋用于测试柱的纵向和横向加固布置。纵向加强件是位于截面每个角落的8mm直径的变形杆。侧向加强筋设计有6mm直径的变形钢筋，在末端弯曲成135个钩子。横向拉杆间距分别在柱部分和支架上为100mm和50mm。纵向和横向增强件的屈服强度分别为550MPa和630MPa。
　　使用CEM 142.5R型波特兰水泥，干燥且清洁的天然砂砾骨料构建柱样品。最大粗骨料尺寸为20mm。在混凝土混合物中使用自来水和超级增塑剂。柱样品的混凝土混合物组合物的量在表1中给出。在实验研究中，使用双向碳纤维布即SikaWrapHex 300C 0/90来加强柱样品。对于这种类型的片材，纤维在纵向和横向两个方向上设计。碳纤维布材料用Sikadur-330粘合剂涂在柱表面上。
　　1.2样本柱的准备
　　在结构实验室中，将钢筋混凝土柱试样水平浇铸在钢模中。使用机械振动器压实试样。为确定钢筋混凝土的抗压强度和性能，从每个混凝土批次中浇铸至少三个混凝土圆筒试样（直径150mm，长度300mm）。用制备的柱样品对圆筒进行相同的固化条件。
　　为了确定碳纤维布对钢筋混凝土柱性能的影响，设计了无碳纤维布包裹的钢筋混凝土柱、一层碳纤维布包裹的钢筋混凝土柱和两层包裹的碳纤维钢筋混凝土柱。如图表2所示。为了消除应力集中，在施加碳纤维布之前，柱试样的尖角是圆形的。
　　无侧限混凝土的圆柱抗压强度（fc），柱试样的偏心率（ex，ey），碳纤维布设计细节见如表2所示。研究中柱试样的平均混凝土抗压强度在53.13～76.76MPa之间变化。
　　1.3测试设置和程序
　　使用结构实验室中的万能试验机垂直测试柱样品。柱样品装有钉扎终止条件。建立数据采集系统以记录测试期间的数字测量。用四个线性可变差动传感器记录柱试样的横向变形，所述四个线性可变差动传感器应用于x和y方向的中间高度柱。用500kN容量的测力传感器测量双轴施加的轴向载荷。在用于测试研究之前校准换能器和测力传感器。
　　用不同的载荷偏心率测试制备的柱试样（表2）以小增量（1kN/s）对试样施加载荷，以获得试验柱的完整载荷一挠度曲线。在测试期间，数据采集系统测量并记录x和y方向上的负载增量和相应的横向变形。
　　1.4实验结果和讨论
　　研究了碳纤维布加固钢筋混凝土柱的试验性能。在试验中单轴施加轴向载荷。由于C1-0和C2-0的钢筋混凝土试件的力学性能，没有碳纤维布的普通钢筋混凝土柱表现出脆性。观察到柱失效和混凝土破碎发生在测试柱的中间高度或接近中间高度。由于横向板材，用碳纤维布加固的钢筋混凝土柱已经实现了横向刚度。在张力侧观察到拉伸裂缝，并且在柱试样的压缩区域中发生混凝土破碎。可以看出，受限的双向碳纤维布延迟了弯曲裂缝。在柱样品的中间高度附近观察到失效。在失效时，在柱的压缩侧发生混凝土破碎之后，一些纵向板在张力侧断裂。图1显示了经测试的碳纤维布约束细长钢筋混凝土柱试样的典型破坏机理。
　　柱的实验测试结果已在表3中给出。通过比较控制柱试样和碳纤维布限制柱，碳纤维布增加了钢筋混凝土柱的强度。柱试样的对比实验轴向载荷-横向挠度图如图2（a-b）所示。图表表明，碳纤维布缠绕对细长钢筋混凝土柱的荷载-挠度特性有很大影响。碳纤维布改善了钢筋混凝土柱的延展性和可变形性。从图中可以看出，钢筋混凝土柱的极限荷载和挠曲能力随着碳纤维布层数的增加而增加（图2（a-b））。此外，钢筋混凝土柱试件的极限承载力受荷载偏心、混凝土抗压强度和细长效应的显着影响。 　　在目前的工作中已经观察到用碳纤维布加固钢筋混凝土柱的完整实验。所获得的实验结果为描述碳纤维布增强细长钢筋混凝土柱的结构行为提供了重要的知识。
　　2 分析研究
　　先前在Tokgoz和Dundar等人中提出了一种分析轴压和双轴弯曲混凝土柱的理论方法。该方法已在此处进行了扩展和修改，以确定碳纤维布约束细长钢筋混凝土柱的性能。在提出的程序中，混凝土截面的压缩区域被分成小元素，用于计算每个元素的应力合力。认为碳纖维布不能承受任何压缩力。另一方面，碳纤维布在纵向实施的情况下提供拉力。因此，碳纤维布在张力侧被分成小元件，以使用材料应力一应变定律确定拉伸应力。
　　分析方法基于以下假设：①平面截面在弯曲前后保持平面，②考虑材料的非线性行为，③提出混凝土的约束应力-应变关系，④弹性-假设钢筋材料具有完美的塑性应力-应变关系，⑤碳纤维布的应力-应变关系假定为线性弹性直至破裂，⑥混凝土拉伸强度忽略不计，⑦不包括收缩和蠕变效应，钢筋混凝土和碳纤维布之间存在完美的粘结，⑧轴向和剪切变形被忽略。
　　在Tokgoz和Dundar等报道的配套文件中已经提出了分析程序的全面测定。轴向载荷N的基本平衡方程，以及碳纤维布约束钢筋混凝土柱的弯矩Mx和My
　　其中Ac、As和Afp分别为混凝土的构件面积、钢筋的面积和碳纤维布的单元面积;Sx、Ss和Sfp分别为混凝土应力、钢筋应力和碳纤维布应力;（xc，yc），（xs，ys）和（xfp，yfp）分别表示混凝土的元素区域的中心、钢筋和碳纤维布元素的元素区域的中心之间的距离，以及几何中心x-y平面。在将板材作为纵向实施方式包裹到钢筋混凝土柱构件的情况下，考虑碳纤维布元件力的贡献。有关钢筋混凝土柱分析程序的更多细节可以在Tokgoz和Dundadr等人的文章中找到。
　　基于所提出的分析方法的开发的软件程序分析了测试的柱长、混凝土抗压强度、轴向载荷偏心率和碳纤维布设计的实验性能如表2所示。碳纤维布的厚度为0.166mm，拉伸强度为3900MPa，弹性模量为230GPa，由制造商规定。
　　在这项研究中，碳纤维布约束细长钢筋混凝土柱的应力-应变曲线进行分析。除此之外，分析了没有碳纤维布的对照柱样品。实验载荷（Nrest）、分析柱强度结果（Nu）和柱试样的比较结果如表3所示。柱试样的轴向载荷-横向偏差图比较如图3所示（a-b））。
　　分析结果表明，碳纤维布约束细长钢筋混凝土柱的试验和分析结果之间达到了很好的精度。预测的极限强度容量（Nu）与受碳纤维布约束的细长钢筋混凝土柱的试验结果相比较，受到双轴弯曲和轴向载荷（表3）。已经获得了对测试负载的预测负载的平均值为1.034。在分析中，使用针对碳纤维布加固钢筋混凝土和碳纤维布提出的应力一应变模型提供了良好的相关性。结论是纵向和横向定向板都提供了显着的结构能力。分析研究表明，碳纤维布增加了细长钢筋混凝土柱的约束力、延性和强度。
　　3 结语
　　文章对碳纤维布约束的钢筋混凝土细柱在轴压和双向弯曲共同作用下的结构性能进行了试验研究。试验参数主要有混凝土抗压强度、荷载偏心率、长细比和碳纤维布数量。考虑到材料的非线性特性，采用一种理论方法对试件进行了分析。双向（即横向和纵向）碳纤维布的使用增加了细长钢筋混凝土柱的约束性、延性和极限承载力。此外，碳纤维布层数的增加显著增加了柱试件的约束和承载力。结果表明，混凝土抗压强度、荷载偏心距和长细比对碳纤维布约束的钢筋混凝土柱性能有较大影响。
　　碳纤维布约束混凝土的假定应力一应变图在预测碳纤维布包裹的细长钢筋混凝土柱的极限承载力和荷载-横向变形行为方面具有合理的准确性。试验结果与分析结果的比较表明，碳纤维布约束的钢筋混凝土双向加载柱具有较好的精度。试验和分析结果表明，在双向弯曲和轴向荷载作用下，横向和纵向两种包裹方式均能显著改善钢筋混凝土细柱的结构性能。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15136921.htm