构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响.pdf
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1、第2 0 卷第9 期2023年9月D0I:10.19713/ki.43-1423/u.T20221865铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and Engineering构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响Volume 20Number 9September2023卢春玲1,2 3.4,雷振新,郭铖,王强1,2(1.广西绿色建材与建筑工业化重点实验室,广西桂林5410 0 4;2.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林5410 0 4;3.桂林理工大学广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心,广西桂林5410 0 4;4.广西壮族自治区智慧
2、结构材料工程研究中心,广西桂林5410 0 4)摘要:为研究高轴压比下配筋率、配箍率和剪跨比对预应力碳纤维布加固钢筋混凝土方柱抗震性能的影响,设计并制作5根钢筋混凝土方柱(包括1根未加固柱和4根加固柱),对其进行低周往复荷载试验。分析在0.7 轴压比下配箍率、配筋率和剪跨比对预应力CFRP加固钢筋混凝土方柱的破坏模式、滞回特征、骨架曲线、刚度退化、延性性能和耗能能力的影响,并利用ABAQUS软件建立有限元模型对试验进行模拟,在验证模型的准确性后,对本次试验进行了扩充参数分析。研究结果表明:高轴压比下,预应力CFRP布加固能有效提高柱的水平承载能力和变形能力,对提高柱的抗震性能有利;配箍率的变化
3、对加固柱的初始刚度和水平承载力影响较小,但对其变形能力和耗能能力影响较大,增大配箍率有利于提高加固柱的变形能力和耗能能力;配筋率对加固柱的水平承载力和变形能力有一定的影响,且与加固柱柱底塑性铰长度正相关,加固设计时应注意CFRP布约束范围完全覆盖塑性铰区;剪跨比的增大对柱的变形能力有明显的提高,但对水平承载力和刚度有极为不利的影响,对于剪跨比较大的柱,CFRP布的利用率较低,加固效率不高。研究成果可为高轴压比下预应力碳纤维布加固桥墩设计和工程应用提供试验依据。关键词:预应力碳纤维布;钢筋混凝土方柱;抗震性能;配筋率;配箍率;剪跨比中图分类号:TU375.3文章编号:16 7 2-7 0 2 9
4、(2 0 2 3)0 9-3437-16文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID)Influence of member properties on seismic performance ofprestressed CFRP reinforced pier columnsLU Chunling.*2.3,LEI Zhenxin,GUO Cheng,WANG Qiangl.2(1.Guangxi Key Laboratory of Green Building Materials and Building Industrialization,Guilin 541004,China;2
5、.College of Civil and Architecture Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China;3.Collaborative Innovation Center for Exploration of Hidden Nonferrous Metal Deposits andDevelopment of New Materials in Guangxi,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China;4.Guangxi Engineerin
6、g Research Center of Intelligent Structural Material,Guilin 541004,China)收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 7基金项目:国家自然科学基金资助项目(5156 8 0 15);广西创新驱动发展专项(桂AA20302006);广西绿色建材与建筑工业化重点实验室基金资助项目(2 2-J-21-10);广西重大科技创新基地建设项目(2 0 18-2 42-G02)通信作者:王强(197 9),男,河南焦作人,副教授,博士,从事结构加固、高性能混凝土方面的研究;E-mail:6 32 544958 q q.c o m3438Abs
7、tract:In order to study the effects of reinforcement ratio,stirrup ratio and shear span ratio on the seismicperformance of RC square columns strengthened with prestressed CFRP fabric under high axial compressionratio,the low cycle reciprocating load test of 5 reinforced concrete square columns(inclu
8、ding 1 unreinforcedcolumn and 4 reinforced columns)was carried out.The effects of stirrup ratio,reinforcement ratio and shear spanratio on the failure modes,hysteretic characteristics,skeleton curve,stiffness degradation,ductility and energydissipation capacity of prestressed CFRP strengthened RC sq
9、uare columns under 0.7 axial compression ratio wereanalyzed.The finite element model was established with ABAQUS software to verify the test.After verifying theaccuracy of the model,extended parameter analysis was carried out for the tests.The results show that under highaxial compression ratio,pres
10、tressed CFRP fabric can effectively improve the horizontal bearing and deformationcapacity of columns,which is beneficial to improve the seismic performance of the columns.The change ofstirrup ratio has less influence on the initial stiffness and horizontal bearing capacity of the strengthened colum
11、ns,but has greater influence on its deformation and energy dissipation capacity.Increase of stirrup ratio is conduciveto improving the deformation and energy dissipation capacity of strengthened columns.The reinforcement ratiohas a certain influence on the horizontal bearing and deformation capacity
12、 of the strengthened columns,and ispositively related to the plastic hinge length at the bottom of the strengthened column.In reinforcement design,itshould be noted that the constraint range of CFRP fabric completely covers the plastic hinge area.The increase ofshear span ratio can obviously improve
13、 the deformation capacity of the columns,but has a very adverse effect onthe horizontal bearing capacity and stiffness.For columns with large shear span ratio,the utilization rate of CFRPfabric is low and the reinforcement efficiency is not high.The research results can provide an experimental basis
14、for the design and engineering application of bridge piers strengthened with prestressed CFRP sheets under highaxialcompression ratio.Key words:prestressed CFRP fabric;reinforced concrete square column;seismic performance;reinforcementratio;stirrup ratio;shear span ratio铁道科学与工程学报2023年9月近年来,我国地震频发,例如
15、2 0 0 8 年汶川8.0级地震、2 0 10 年玉树7.1级地震2、2 0 13年雅安7.0级地震3、2 0 17 年九寨沟7.0 级地震等。铁路桥梁是我国铁路基础设施的重要组成部分,也被认为是铁路网中最关键的环节,然而我国许多的铁路桥梁都建在地震频繁的地区。墩柱是桥梁重要的承重结构,研究表明,桥墩在地震荷载作用中容易发生破坏,桥墩受损严重会导致整个桥梁无法使用5,例如汶川地震导致广岳铁路穿心店大桥15号墩墩身破坏、宝成铁路上行线清江7 号特大桥桥墩剪切破坏、柿子坪大桥桥墩严重开裂等。地震后,对受损墩柱进行适当的加固改造通常比更换更经济有效0。采用碳纤维布(CarbonFi-ber Rei
16、nforced Polymer,CFRP)约束混凝土墩柱(Re-inforcedConcrete,RC),可改善其变形能力与抗震性能7,但对柱的普通黏贴CFRP布加固研究中发现,CFRP布的应力和应变相对于核心混凝土与钢筋发展存在一定的滞后问题,加固柱破坏时CFRP布应力应变不大,未能充分发挥其抗拉强度8。而已有研究的预应力度比较低9,柱的加固效果并不理想。因此,本文采用一种新型多层预应力锚固装置,降低了预应力损失,增加了锚固效率,为较高预应力度碳纤维材料约束加固的研究提供了可行性。现有大量研究表明配筋率、配箍率及剪跨比等对钢筋混凝土柱的抗震性能有非常密切的联系。黄镜淳10 研究了BFRP加固
17、低强度混凝土配筋柱的抗震性能,发现剪跨比对加固柱抗震性能的影响最大。张玥等探究了不同配筋率和配箍率对钢筋混凝土墩柱延性性能的影响,认为配筋率和配箍率都保持较低时不利于结构抗震。鲁锦华等12 研究了塑性铰区配筋率变化对桥墩抗震性能的影响,发现提高墩身底部配筋率可以提高墩柱的第9期承载能力、耗能能力及延性。ABDALLAH等13对GFRP加固RC圆柱的抗震性能进行了研究,发现剪跨比的增大对加固柱的承载力有不利的影响。REN等14研究了超高性能混凝土箱形桥墩的抗震性能,发现桥墩的延性随着纵筋配筋率的增加而降低。上述研究大多数是配筋率、配箍率与剪跨比对钢筋混凝土柱或低轴压比下粘贴纤维布加固墩柱的试验研
18、究。而对高轴压比下的预应力CFRP布加固墩柱的抗震性能研究较少。考虑到近场罕遇地震下桥墩可能承受较大轴力,桥墩的轴压比可能较大,对墩柱的抗震性能产生不利影响。因此,本文在高轴压比下对配筋率、配箍率、剪跨比3种构件类型的预应力CFRP加固方柱进行低周往复荷载试验,分析其破坏形态、滞回特征、刚度退化、耗能能力等抗震性能参数的变化,为墩加载点0St应变片810030%L240430OSO I-7300CR1及RC16业16应变片应变815030元L240430300CR-GJ1200单位:mm图1试件几何尺寸及钢筋测点布置Fig.1Dimensions and location of strain
19、gauges for rebar表1材料性能指标Table 1 Material performance indicators材料类型弹性模量/GPa混凝土33.7中8210业16200业2 0200CFRP238卢春玲,等:构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响试件设计和材料性能本文试验共设计5根同一批浇筑的钢筋混凝土方柱试件,其中RC1试件为未加固的标准柱,CR1是预应力CFRP布加固的标准柱试件,其余3根采用预应力CFRP布加固不同构件类型的对比柱。试件的具体设计尺寸及柱体配筋见图1。采用的CFRP布型号为CFS-I-300,CFRP条带的宽度和厚度分别为150 mm和0.17
20、5mm。混凝土、钢筋与CFRP布力学性能实测值见表1。试件的详细参数方案见表2。为防止加载时柱端发生局压与变形过于集中,导致试件过早发生破坏,在柱两端进行箍筋加密。4506业16.轴心抗压强度/MPa屈服强度/MPa36.13504544323439柱加固设计和工程应用提供试验依据。1试验概况1.1820应变片000810030240430300CR-ZJ6业10008应变片$810030m140元/30200CR-ZJ抗拉强度/MPa3.14886006213 643极限应变0.0030.010.010.010.01653440试件编号N/kNRC12274CR12.274CR-GJ2274
21、CR-ZJ2.274CR-LD1011注:CR-GJ为降低配箍率试件,CR-ZJ为增加配筋率试件,CR-LD为增加剪跨比试件,N为轴向力,n为试验轴压比,n=N/(FA),f 为混凝土轴心抗压强度实测值,A为柱横截面面积,P,为配筋率,P,为体积配箍率,L为试件水平加载点到柱底距离,D为截面高度,a为预应力度,入=8 mEm/f,m为张拉控制应变,Em为CFRP布的弹性模量,f.为CFRP布的极限拉伸强度。1.2试件的预应力加固方案本次试验所采用的新型楔片式锚具如图2 所示,该锚固装置分为张拉端(楔片端)和锚固端(套筒端),可对2 层及以上偶数层纤维布进行张拉,在纤维布与锚具组装完成后,可通过
22、拉紧锚固端(套筒端)使各层纤维布等长,避免因长度不一致导(a)(b楔片端套筒端1.3订试验装置与加载方案本试验的拟静力加载装置如图3所示。柱顶千斤顶施加轴向力,千斤顶与反力架之间采用滑动支座,以保证竖向荷载始终作用于柱顶中心,且与柱竖向变形同步,来维持竖向荷载的稳定。柱底为固定的地基梁,以满足固定支座的边界条件。水平荷载由液压伺服作动器提供,在距地梁底面1500mm高处施加。按照建筑抗震试验方法规程采用荷载-位移混合控制,加载制度如图4。纵筋屈服前,按照水平荷载控制,以每级级差50kN进行单次循环加载;纵筋屈服后,用位移控制加载,每级以屈服位移(A,为纵筋屈服时的位移)的倍数逐级进行3次循环加
23、载,加至某级循环的荷铁道科学与工程学报表2 试件详细参数Table 2 Detailed parameters of test specimensn层数条带数0.730.740.740.740.741(a)楔片式锚具;(b)锚具加固实物图;(c)柱立面加固布置图(单位:mm)Fig.2CFRP cloth reinforcement plan and location载降至极限荷载的8 5%时停止。1.4测试内容与测点布置本试验主要测试柱加载点的水平力、水平位移、柱底座水平位移和纵筋、箍筋及CFRP布的应变。钢筋应变片粘贴位置见图1,碳纤维布应变片粘贴位置见图5。2试验现象及破坏形态2.1试验
24、现象1)试件RC1试件RC1为0.7 轴压比下未加固的标准柱。加载初期,水平荷载较小,试件外观无明显变化,当水平荷载达到150 kN时,受拉侧距柱底50 mm2023年9月纵筋布置P/%一6#1630.330.330.330.3图2 CFRP布加固方案及位置箍筋布置P/%1.34中8 10 06#161.346#161.348业2 02.796#101.34致受力不均,影响加固效果。施加预应力时,通过自主设计的配套框架装置,采用千斤顶对其施加预应力,可保证整条碳纤维布在张拉过程中受力均衡,并通过观测贴近锚具端的应变片数值来调控施加的预应力,将其控制在目标值。楔片端osiOLosT套筒端剪跨比(
25、L/D)0.843.5(1050/300)$81000.8481500.56中8 10 00.84中8 10 00.84(c)3.5(1 050/300)3.5(1 050/300)3.5(1 050/300)5.25(1 050/200)第9期处出现首条细微横向裂缝;随着荷载增加,水平裂缝不断增多、变宽,受压侧也开始出现竖向裂缝;加载至2 0 0 kN时,柱底起皮,裂缝不断发展延伸,部分纵向钢筋屈服,试件进入位移控制阶段;加载至1,时,水平荷载达到峰值点,混凝土卢春玲,等:构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响O3441保护层脱落,柱身出现多条竖向裂缝且不断向柱顶延伸,开展速度较快;
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