干式外包角钢加固混凝土柱环箍效应试验研究.pdf

第 3 9卷第 2期 2 0 1 3年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 21 干式外包角钢加固混凝土柱环箍效应试验研究 郭朋叶， 蒋 华， 张 薇 ( 西华大学建筑与土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 9 ) 摘要 ： 在不同的环向外包角钢加固下， 对 4根钢筋混凝土短柱进行了静载试验。研究了环向外包角钢加固混凝 土柱所产生的环箍效应的机理 ， 以及对其承载力的影响。研究表明： 由角钢与缀板形成的钢构对混凝土柱产生的 环箍效应 ， 提高了加固构件的承载力， 计算外包角钢加固构件的承载力时应计及环箍效应的影响； 随着缀板道数的 增加 ， 其承载力提高也越明显； 相比轴压柱， 环箍效应对偏压柱的作用不明显。 关键词 ： 环箍效应； 角钢加固； 钢筋混凝土柱； 承载力 中图分类号： T U 3 7 5 3 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 21 2 1 0 4 Te s t r e s e a r c h o n t h e r i n g f e r r u l e e ffe c t o f RC c o l u m n s t r e n g t h e n e d wi t h d r y a n g l e s t e e l G U0 P e n g y e， J I ANG Hu a ， Z HANG We i ( S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ， X i h u a U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Wi t h d i ff e r e n t r i n g t o a n g l e s t e e l s t r e n g t h e n e d， f o u r RC s h o r t c o l u mn s we r e t e s t e d u n d e r s t a t i c l o a d T h i s p a p e r r e s e a r c h e s t h a t t h e me c h a n i s m o f t h e r i n g f e r r u l e e f f e c t w h i c h w a s g e n e r a t e d b y t h e RC c o l u mn s t r e n gth e n e d wi t h a n g l e s t e e l ， a n d t o t h e i n f l u e n c e o f R C c o l u mn s b e a r i n g c a p a c i t y I t s h o w s t h a t ： t h e ri n g f e r r u l e e f f e c t w h i c h w a s g e n e r a t e d b y t h e s t e e l s t r u c t u r e f o r me d wi t h an g l e s t e e l a n d c o mp o s e b o a r d t o t h e c o n c r e t e c o l u mn ， i mp r o v e t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e r e i n f o r c e d s p e c i me n s ， a n d i t s h o u l d a c c ru e d t h e i n f l u e n c e o f t h e r i n g f e r r u l e e ff e c t w h e n c a l c u l a t e t h e r e i n f o r c e d s p e c i me n s b e a r i n g c a p a c i t y ； W i t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e n u mb e r o f c o mp o s e b o a r d ， i t s b e a r i n g c a p a c i t y i mp r o v e s mo r e o b v i o u s l y ； C o mp a r e w i t h t h e a x i a l c o mp r e s s i v e c o l u mn， t h e e f f e c t o f t h e rin g f e r r u l e e f f e c t t o t h e e c c e n t ri c c o l u mn i s n o t o b v i o u s l y Ke y w o r d s ： t h e r i n g f e r r u l e e f f e c t ； a n gl e s t e e l s t r e n gth e n e d ； R C c o l u mn ； b e a r i n g c a p a c i t y 0前言 现有结构 的维修和受损结构 的加固、 修复在建 筑结构工程中占了相当大的比重。外包角钢加固法 是有效的加固方法之一。其 中干式外包钢加 固法有 施工简便 、 湿作业量比较少的优点 ， 但外包骨架和原 混凝土构件 不能整 体工作 ， 存在 应力滞 后 的缺 点。国内外 很 多学 者 对外 包 角 钢加 固法做 了研 究_ 2 ， 也取得了一定成果。但对于干式外包角钢加 固混凝土柱方面还缺少可靠的试验数据作支撑 ， 且 对于混凝土柱由于受到外包角钢与缀板形成 的钢骨 架对其的约束作用 ， 从而使核心混凝土 由原来 的单 向应力状态转化为处于三轴受压应力状态下引发的 环箍效应机理的研究尚未见报道 。本文主要从试验 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 0 - 0 9 作者简介 ： 郭朋叶 ( 1 9 8 5一) ， 女 ， 河北邢 台人 ， 硕 士研究生 ， 主要从 事 既有结构评定与加 固研究。 基金项 目： 西化大学研究生创新基金资 助项 目( Y C j j 2 0 1 1 3 1 ) ； 西华 大 学人才引进资助项 目( R 0 5 2 0 6 3 7) Ema i l ： y e z i 0 5 48 4 01 6 3 c o ln 方面对干式外包角钢加 固混凝土轴压柱环箍效应的 工作机理进行 了分析。这是对干式外包角钢加固混 凝土柱受力性能的进一步深入研究 ， 对进一步完善 混凝土结构加 固设计规范具有一定 的参考价值 ， 并 可供实际工程 中钢筋混凝土结构加固改造工程设计 和施工参考 ， 具有一定的理论意义和工程应用价值 。 1 试验概况 混凝土 按 C 2 0强 度 等 级设 计 。钢 筋 均 采 用 H P B 2 3 5级钢， 缀板和角钢采用 Q 2 3 5 ， 焊接时角钢和 缀板交接部位采用满焊且必须符合设计要求。通过 标准试验方法测得的材料性能参数详见表 1 。 表 1 材料力学性能 T a b l e 1 M a t e r i a l me c h a n i c s p e r f o r ma n c e 为了集中研究环箍效应对承载力的影 响， 以缀 板道数 n和偏心距 e 为研究参数 ， 设计 了 4根长细 郭朋叶， 等： 干式外包角钢加固混凝土柱环箍效应试验研究 1 2 3 一 直伴随有混凝土破碎的声音。荷 载持续增加 ， 对 缀板连接部位的裂缝宽度增长较缓慢 ， 角钢外 凸不 明显 ， 而缀板间裂缝宽度变化迅速 ， 角钢外 凸明显。 随着荷载进一步增大 ， 纵 向裂缝宽度变宽 ， 混凝土柱 破坏 而外包角钢还未屈服破坏 ， 其破坏情况如图 2 ( d ) 所示 。 2 2 小 结 4根试件柱 的试验过程基本相似 ， 对试验数据 进行处理见表 3 。 表 3 试件承载力试验结果 Ta b l e 3 Be a r i n g c a p a c i t y o f s p e c i m e n s 柱编号 Z - 1 Z 一 2 Z - 3 z _ 4 提高系数 一 2 5 1 8 4 6 对 比4根试件柱 的破坏过程分析得 出： 在相 同 混凝土强度等级 、 施工工艺等相同的条件下 ， 环 向外 包角钢加 固柱的横 向连接分布越均匀 ， 对混凝土 的 约束效果越明显 ， 对混凝土柱 的承载力提高 的也越 大。这充分说明了环向外包角钢和缀板所产生的环 箍效应对混凝土柱的破坏是有延缓作用的。 3 试 验结果分析 据测得的数据进行处理 ， 得 出以下 混凝 土、 钢 筋 、 角钢和缀板荷 载一 应 变关 系 曲线 ， 如 图 38所 示 6 0 0 5 0 0 4 0 0 Z 3 0 0 簦 2 0 0 l 0 0 0 2 0 0 0 - 1 60 0 - l 2 0 0 8 0 0 40 0 0 混 凝土 应变 O e 图 3 Z 1 、 Z 2 、 Z 4混凝土荷载一 应变关系 Fi g 3 Co nc r e t e l oa d- s t r ai n c ur v e of Z1、 Z2、 Z4 5 O 0 4O 0 3 0 0堇 晕 辞 20 0 稼 1 0 0 O 图 4 Z 2 、 z 3混凝土荷载一 应 变关系 F i g 4 Co n c r e t e l o a d - s t r a i n c u r v e o f Z2、 Z3 - 1 2 5 0 1 0 50 - 8 5 0 - 6 5 0 - 45 0 2 5 0 5 O 钢筋应变 图5 Z 1 、 Z 2 、 Z 4钢筋荷载一 应变关系 F i g 5 Re i n f o r c e d l o a d- s t r a i n c u r v e o f Z1 、 Z 2、 Z 4 5。 。 4O 0 s。 。暴 2。 。 挥 1 0 0 0 1 4 00- 1 2 00 1 0 00 - 8 0 0 60 0 4 0 0 2 0 0 0 钢筋应变 图 6 Z 2 、 Z 3钢筋 荷载一 应变关系 Fi g 6 Re i n f o r c e d l o a d s t r ain c u r v e o f Z2 、 Z3 1 6 0 0 - 1 4O 0 1 2 00 1 0 0 0 8 0 0 6 00 -4O0 20 0 0 角钢 应变 u 图7 Z 2 、 Z 4角钢荷载一 应变关系 F i g 7 An g l e s t e e l l o a d s t r a i n c u rv e o f Z2 、 Z 4 0 1 0 0 20 0 3 00 4 0 0 50 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 缀板应变 u 图 8 Z 2 、 Z 4缀板荷载一 应变关系 Fi g 8 Co mpos e bo ar d l o ad s t r a i n c u r v e of Z2、 Z4 蚤 蟠柱 鲫 湖 枷 姗 枷 。 蚤 鞯挺 鲫 枷 抛 0 姗 枷 姗 枷 o 互 糖 l 2 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 对 比分析如下 ： 1 ) 由图3和图 5可知， 在受荷初期 ， 混凝土和钢 筋应变均接近直线变化 ； 随着荷载增大 ， 应变增加幅 度大于荷载变化 ； 在同级荷载作用下 ， 未加 固柱 Z 一 1 变形大于加 固柱 Z - 2 、 z 4 变形 ； 各柱 的破坏荷载相 应提高 ， 见表 3 。由图 5可知， 混凝土柱未加固与加 固后相 比， 钢筋应变增加不是很 明显 ， 接近极限荷载 时应变相差不大。在试验后观察加 固混凝土柱 ， 发 现压碎区段较短， 钢筋并未全部屈服， 未充分发挥材 料 的性 能 。 2 ) 由图4和图6可知， 在受荷初期 ， 偏心受压柱 z 3的混凝土和钢筋应变增长速度 比轴心受压柱 z - 2增长快 ； 随着荷载增加， 应变增加幅度大于荷载变 化， 且这种趋势越来越明显。无论轴压还是偏压， 均 有效的提高 了钢筋混凝土柱 的承载力 。同时， 偏心 受压区裂纹多于轴心受压柱。 3 ) 由图 3和图 7可知， 角钢纵 向应变小于混凝 土应变。这是由于外包角钢的刚度小于混凝土的刚 度， 即外包角钢分担的外力要小 。这说 明了干式外 包角钢结构各部分不 能协调工作 ， 同时也说明混凝 土和外包角钢的承载力是按照刚度 比例分配的。由 于角钢受到核心混凝 土的侧 向挤压 ， 由轴 向受力逐 渐转变为压弯受力。缀板 间 的角钢不能全截 面屈 服 ， 使得角钢在轴压作用下的强度不能充分发挥。 4 ) 由图 8可知， 干式外包角钢结构中缀板的横 向应变差别很大。当荷载较小时 ， 横向应变为 0 ； 当 荷载较大时出现横向应变 ； 在荷载相同的条件下 ， 横 向连接越多缀板应变越小 ， 说 明缀板和角钢形成的 钢构对混凝土的约束效果也越好。当接近破坏荷载 时 ， 应变急剧增加。 4 结 论 1 ) 外包角钢加固钢筋混凝土柱产生的“ 环箍效 应” 使混凝 土处 于三 向受压状态 ， 提 高了混凝土 的 抗压强度， 进而提高了加固构件的承载力， 计算外包 角钢加固构件的承载力时应计及环箍效应 的影响。 2 ) 外包角钢钢构 的角钢与缀板参与受力 ， 由缀 板对混凝土的约束作用， 直接使核心混凝土的强度 得以较大的提高， 间接的提高了加 固柱的承载力 ； 随 着缀板趋于均匀 ， 承载力提高越大 。 3 ) 无论轴压还是偏压 ， 由于环箍效应的存在 ， 均使钢筋混凝土加 固柱的承载力得到 了提高， 较之 轴压柱 ， 偏压柱提高的幅度不大， 破坏发展较快 ， 环 箍效应作用不明显。 参 考 文 献 ： 1 卢亦 焱， 史健勇 外包角钢加 固钢筋混凝土柱轴 心受 压承载力 计算方法研究 J 应用力学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 0 4) ： 7 1 9 7 2 3 2 范平平 外包钢加 固钢筋混 凝土构件 的动力性 能研究 D 西安： 西安科技大学 ， 2 0 0 8 3 姜绍飞， 张淑清 ， 刘之洋 ， 等 外包钢轴压短枝 的试验研究与性 能分析 J 实验力学， 1 9 9 7， 1 2 ( 2) ： 3 3 0 - 3 4 0 4 林 友勤， 龚光 ， 宗周红外包钢加 固短 柱轴心抗压 实验研究 J 福州大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 0 2 ) ： 2 2 1 2 2 4 5 戚继亮- 夕 包钢加 固低强度混凝 土柱偏压试验研 究 D上 海 ： 上海 大学 ， 2 0 0 9 6 G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6混凝土结构加 固设计规范 S