連續(xù)玄武巖纖維絲束纏繞加固混凝土墩柱抗震性能試驗(yàn)研究

連續(xù)玄武巖纖維絲束纏繞加固混凝土墩柱抗震性能試驗(yàn)研究

1材料的約束與加工最近，持續(xù)橋坍塌引起了橋界的跡象。事故同時(shí)表明，鋼筋混凝土（rc）是橋結(jié)構(gòu)中最重要的支撐因素之一。如果它被損壞，它將直接導(dǎo)致橋梁的坍塌。對(duì)橋墩的延性耗能加固是橋梁加固中的重中之重,常用橋墩的耗能加固方法是在橋墩四周外包約束材料。除了鋼材等傳統(tǒng)的約束材料外,輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[如碳纖維(CFRP)]也已得到研究與應(yīng)用,同時(shí),課題組積極尋找橋墩約束的新材料,包括連續(xù)玄武巖纖維、高強(qiáng)鋼絲繩等。連續(xù)玄武巖纖維不僅具有高強(qiáng)度、高延性,而且具有良好的耐腐蝕性和防火性,其材料來源廣泛、制造成本低,其增強(qiáng)復(fù)合材料簡稱BFRP;高強(qiáng)鋼絲繩(SWR)作為一種傳統(tǒng)材料,技術(shù)成熟,價(jià)格便宜,卻未見有橋墩加固應(yīng)用的報(bào)道。本文主要針對(duì)BFRP新材料和高強(qiáng)鋼絲繩新用途,研究這2種材料約束混凝土墩柱的抗震性能,并與CFRP約束試件進(jìn)行比較,共進(jìn)行了4個(gè)大尺寸墩柱的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。同時(shí),介紹了國內(nèi)外最新發(fā)展起來的一些墩柱加固方法,包括新的FRP材料類型(Dyneema纖維,即DFRP)、新的FRP材料形式(FRP網(wǎng)格)及新的加固思路(在約束材料中施加預(yù)應(yīng)力)等。2材料的力學(xué)性能本文試驗(yàn)墩柱加固所涉及的約束材料分別為CFRP布材、BFRP絲束及高強(qiáng)鋼絲繩。所用CFRP為300g/m2的布材,厚度為0.167mm,抗拉強(qiáng)度3945MPa,彈性模量259.5GPa,極限應(yīng)變1.52%,雖然此種材料在加固工程中已得到了廣泛應(yīng)用,但價(jià)格仍然較高。所用玄武巖纖維采用無捻粗紗纖維絲束(試驗(yàn)當(dāng)時(shí)尚無片材產(chǎn)品),單絲直徑13μm,試樣由單束玄武巖纖維絲束浸漬環(huán)氧樹脂膠制成,并仿造纖維片材試驗(yàn)方法測(cè)得力學(xué)性能,平均抗拉極限荷載1437N,極限應(yīng)變1.99%,按其名義截面面積0.783mm2計(jì)算,抗拉強(qiáng)度1835MPa,彈性模量92GPa。所用7×7高強(qiáng)鋼絲繩公稱直徑1.2mm,單絲直徑約0.1mm,根據(jù)材性試驗(yàn)測(cè)得平均屈服強(qiáng)度1080MPa,平均極限強(qiáng)度1260MPa,彈性模量172.3GPa,在鋼絲繩屈服以后,與普通鋼材相似,存在一長段屈服平臺(tái)。圖1給出了CFRP、鋼絲繩、BFRP及其它常用約束材料的材性比較。由圖1可見,CFRP強(qiáng)度最高,其彈性模量與普通鋼材相近,但極限應(yīng)變最小;BFRP強(qiáng)度和GFRP、DFRP相近,極限應(yīng)變略低于DFRP,與GFRP相近,但其較GFRP、DFRP具有更好的物理、化學(xué)性能;鋼絲繩的強(qiáng)度略低于BFRP,但其具有與普通鋼材相似的延性,極限拉伸應(yīng)變超過3%,價(jià)格也低,故在纏繞加固混凝土墩柱提高延性等抗震性能方面更有優(yōu)勢(shì)。33混凝土支架的抗疲勞性能的比較試驗(yàn)3.1試驗(yàn)構(gòu)件參數(shù)墩柱的截面為方形,邊長360mm,總高度1.6m,整個(gè)試件呈工字形,底部起固定作用,剪跨比1.94,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值34.6MPa,縱筋為14?25,屈服強(qiáng)度382.4MPa,箍筋?6@150,屈服強(qiáng)度319.8MPa。為了防止試件在試驗(yàn)時(shí)過早于柱根部與底座交界處開裂破壞,柱根部100mm范圍內(nèi)給予了特別加強(qiáng)(此區(qū)段不作為試驗(yàn)區(qū)段),試件詳細(xì)配筋可見文獻(xiàn),截面角部倒角半徑25mm,試驗(yàn)時(shí)先預(yù)加軸力800kN,然后在側(cè)向施加低周反復(fù)荷載。各試件參數(shù)及符號(hào)如下:對(duì)比墩柱記為S-0;試件S-4.5C用4.5層CFRP包裹加固,FRP體積含纖量ρf=0.0084;連續(xù)玄武巖絲束加固墩柱的纏繞圈數(shù)為1600圈,即沿高度2.67圈/mm,ρf=0.023,記為S-BF,其與試件S-4.5C的側(cè)向約束剛度比為1.02∶1,側(cè)向約束強(qiáng)度比為1.29∶1;鋼絲繩加固墩柱的鋼絲繩纏繞圈數(shù)為1059圈,即1.77圈/mm,鋼絲繩體積含量ρv=0.0076,記為S-SW,其與試件S-4.5C的側(cè)向約束剛度比為0.90∶1,側(cè)向約束強(qiáng)度比為0.41∶1。3.2力學(xué)性能及破壞模式未加固墩柱S-0為典型的脆性剪切破壞,在加載過程中,剪切面不斷出現(xiàn)剪切斜裂縫,箍筋斷裂,混凝土大塊剝落,墩柱在達(dá)到其抗彎承載力前抗剪失效,破壞沒有明顯征兆。加固后,墩柱的破壞模式得到了有效的轉(zhuǎn)變,所有加固墩柱都發(fā)生了彎曲破壞,抗震能力得到明顯提高。4.5層CFRP加固墩柱S-4.5C在側(cè)向位移角達(dá)到0.057時(shí),橫向變形已經(jīng)很大,試件整體變形呈明顯的弧形彎曲形狀,并在隨后的循環(huán)中,CFRP在四角部發(fā)生不同寬度的斷裂,水平荷載已降到峰值荷載的50%以下,但試件仍然保持良好的滯回性能。連續(xù)玄武巖纖維絲束纏繞加固墩柱S-BF在側(cè)向位移角0.05～0.057的循環(huán)加載過程中,BFRP在截面角部出現(xiàn)斷裂并逐漸發(fā)展形成繞行,繼而失去對(duì)內(nèi)部混凝土的約束作用,橫向承載能力急劇下降,墩柱底部保護(hù)層范圍內(nèi)混凝土已呈粉末狀,縱筋屈曲,破壞表現(xiàn)出明顯彎曲性質(zhì)。對(duì)于柱S-SW,在側(cè)向位移角達(dá)到0.05以后,試件南、北剪切面出現(xiàn)大批微細(xì)斜裂紋,斜裂紋傾斜角度規(guī)則、整齊,表明隨著混凝土抗剪能力的退化,鋼絲繩殼體逐漸承擔(dān)了剪力的抵抗作用,在側(cè)向位移角0.05～0.064的循環(huán)加載過程中,鋼絲繩在截面角部逐漸形成裂口,試件承載能力下降,但此時(shí)滯回曲線依舊穩(wěn)定。各試件的峰值荷載、側(cè)向位移、延性系數(shù)及破壞模式列于表1。其中,峰值荷載為整個(gè)加載過程的最大水平荷載,加固墩柱峰值荷載較未加固墩柱提高22.4%～28.3%,未加固墩柱的延性系數(shù)僅1.12,小于2,破壞時(shí)的承載力還未達(dá)到其預(yù)期抗彎承載力,經(jīng)CFRP、BFRP及鋼絲繩加固后,抗剪能力得到大大提高,抗剪能力大于預(yù)期抗彎承載力,發(fā)生彎曲破壞,各試件延性系數(shù)都超過了5,符合墩柱抗震要求。圖2給出了各試件的P-Δ滯回曲線對(duì)比情況,可以看出:未加固墩柱在到達(dá)抗彎承載力以前,過早發(fā)生剪切破壞,極限位移小,延性差,滯回環(huán)瘦小,耗能能力很低;各加固墩柱都發(fā)生彎曲破壞,延性好,滯回環(huán)飽滿,耗能能力強(qiáng);在位移較小時(shí),不同材料加固墩柱的滯回環(huán)耗能區(qū)別很小,隨著位移荷載的增大差別增大,S-BF滯回曲線形狀在中部更寬廣,“捏攏”現(xiàn)象較S-4.5C輕,因此,在后期,每一滯回循環(huán)吸收的能量更大些,S-SW表現(xiàn)出比S-4.5C和S-BF更持久的承載能力,強(qiáng)度退化更緩慢,應(yīng)該歸因于鋼絲繩較FRP更強(qiáng)的橫向剪切強(qiáng)度。試驗(yàn)對(duì)比表明,對(duì)墩柱的抗震加固,BFRP和鋼絲繩與CFRP同樣有效,對(duì)于不同材料加固墩柱,如果具有相近的側(cè)向約束剛度,則其將具有相近的抗震性能,而側(cè)向約束強(qiáng)度影響并不大。4其他新材料和加固技術(shù)4.1抗側(cè)力學(xué)性能對(duì)比Dyneema纖維為近年日本開發(fā)的一種新型纖維材料,彈性模量相對(duì)較小,強(qiáng)度較CFRP低,但延性高,高延性使得其具有良好的耗能能力、抗沖擊能力,故在抗震、防爆等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)進(jìn)行了Dyneema纖維(DFRP)和CFRP加固混凝土圓柱抗震性能對(duì)比研究,結(jié)果表明,CFRP加固對(duì)側(cè)向承載力提高相對(duì)明顯,在相同側(cè)向約束強(qiáng)度下,由于DFRP極限應(yīng)變比CFRP要大很多,因而其對(duì)柱延性的提高更明顯。另外,DFRP還具有良好的防水性能,使得DFRP能夠以干絲的形式纏繞于混凝土墩柱表面,實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土柱的良好約束。文獻(xiàn)介紹了DFRP干絲和DFRP對(duì)混凝土柱抗震加固效果的比較試驗(yàn),結(jié)果表明,DFRP干絲纏繞加固比用DFRP加固墩柱抗震性能降低有限,這為水下結(jié)構(gòu)特別是量大面廣的水中混凝土墩柱加固提供了一種新的方法。4.2水下結(jié)構(gòu)采用cfrp網(wǎng)格加固的方案FRP由于具有高強(qiáng)輕質(zhì)等諸多優(yōu)異特性,在一般建筑結(jié)構(gòu)中已得到廣泛的研究和應(yīng)用,對(duì)于特殊建筑結(jié)構(gòu)(如水下結(jié)構(gòu))的研究和應(yīng)用還不夠充分,由于水下結(jié)構(gòu)的特殊性,纖維材料的粘結(jié)和養(yǎng)護(hù)問題需要得到更多的關(guān)注。根據(jù)以往的研究,在水下使用CFRP布很難均勻地粘貼在混凝土表面,而采用CFRP網(wǎng)格就能有效地克服這個(gè)問題,水下結(jié)構(gòu)采用CFRP網(wǎng)格的加固示意見圖3。本課題組曾對(duì)FRP網(wǎng)格加固RC墩柱抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,圖4給出了2層FRP網(wǎng)格加固與未加固RC墩柱滯回曲線的對(duì)比情況,C-0為未加固墩柱,C-Grid-2表示用2層FRP網(wǎng)格加固,試驗(yàn)結(jié)果表明,FRP網(wǎng)格環(huán)向加固能顯著提高試件的抗震性能,墩柱的破壞形態(tài)從未加固時(shí)延性較差的彎剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有院芎玫膹澢茐?FRP網(wǎng)格能有效提高被加固柱的抗震性能,該技術(shù)對(duì)于橋墩以及潮濕環(huán)境和水下結(jié)構(gòu)的抗震加固有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。4.3抗剪性能分析預(yù)應(yīng)力技術(shù)在墩柱加固中也有較好的應(yīng)用前景。通過橫向預(yù)應(yīng)力的施加可使加固材料與原結(jié)構(gòu)有效地共同工作,閉合原有裂縫,并在一定程度上減小了新舊材料間應(yīng)力水平的差異,充分發(fā)揮加固材料的作用,但目前該技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用相對(duì)還較少。圖5是文獻(xiàn)通過橫向張拉鋼絞線提高RC橋墩受剪承載力及抗震性能的實(shí)施情況,通過對(duì)7根不同截面形狀的足尺橋墩試驗(yàn)表明,預(yù)應(yīng)力的存在能夠明顯抑制柱斜向裂縫的開裂,有效提高RC柱的抗剪能力,有效約束內(nèi)部混凝土提高其變形能力,文獻(xiàn)給出了詳細(xì)的計(jì)算過程及加固構(gòu)造,但由于該方法施工工藝較復(fù)雜,費(fèi)用較高,還較難大規(guī)模推廣。文獻(xiàn)介紹了一種體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于某大橋橋墩裂縫的加固處理,雖然與傳統(tǒng)意義上的對(duì)約束材料施加預(yù)應(yīng)力有所區(qū)別,但對(duì)損傷墩柱的加固具有一定的參考價(jià)值。最近,國外進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力FRP條帶側(cè)向包裹加固墩柱的試驗(yàn)研究,其預(yù)應(yīng)力通過在FRP條帶中設(shè)置螺栓收緊的方式實(shí)現(xiàn)(見圖6),通過對(duì)未加固柱和預(yù)損傷加固柱的試驗(yàn)對(duì)比,預(yù)應(yīng)力FRP條帶加固可以有效減小或閉合原有裂縫,恢復(fù)柱承載力,轉(zhuǎn)變損傷柱脆性的破壞模式,顯著提高其抗震性能,實(shí)施速度快,同時(shí),預(yù)應(yīng)力的施加提高了FRP材料的利用率?？梢?將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到RC墩柱抗震加固已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。4.4dfrp、高強(qiáng)拉伸材料的比較前文通過與CFRP加固試件對(duì)比,研究了BFRP、高強(qiáng)鋼絲繩對(duì)墩柱抗震加固的有效性,并介紹了國內(nèi)外最新發(fā)展起來的一些墩柱加固技術(shù),各種加固方法都是基于側(cè)向約束能夠提高混凝土抗剪能力和變形能力這一基本認(rèn)識(shí),各種加固方法的比較如下:(1)材料性能不同。不同的約束材料具有不同的材料性能,FRP系列的材料性能都是線彈性的,但各有優(yōu)缺點(diǎn):CFRP具有較高的強(qiáng)度及彈性模量,BFRP具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能和良好的延性,DFRP具有良好的延性和抗沖擊性。而普通鋼材及高強(qiáng)鋼絲繩具有彈塑性的力學(xué)性能,其屈服后的延性很好,墩柱加固時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的目的而有所區(qū)別。(2)適用的約束模型不同。不同約束材料的力學(xué)性能不同,故約束混凝土的力學(xué)模型不同。約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有可能是彈塑性的,也可能是多線性的;有可能是有軟化段的,也可能沒有軟化段的,與材料性能等多種參數(shù)有關(guān)。(3)適用加固對(duì)象的比較。普通鋼材及高強(qiáng)鋼絲繩不耐腐蝕,所以適用于干燥、無腐蝕介質(zhì)的環(huán)境,且高強(qiáng)鋼絲繩纏繞加固不受截面形狀限制。FRP類材料用于圓形截面的約束更加有效,FRP網(wǎng)格可用于普通FRP布材難以操作的環(huán)境(例如水下橋墩的加固);DFRP干絲纏繞技術(shù)由于其獨(dú)特的材料特性,在水下或潮濕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)加固也適用。(4)有無預(yù)應(yīng)力的比較。對(duì)已有損傷墩柱的加固,不施加預(yù)應(yīng)力,約束材料就無法對(duì)既有裂縫發(fā)揮作用,預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)于損傷墩柱的裂縫減小或閉合十分有效。因此,對(duì)于震后、船只撞擊后的墩柱修復(fù),預(yù)應(yīng)力具有明顯的優(yōu)勢(shì)。另外,預(yù)應(yīng)力可以提高FRP材料的利用率。(5)施工性、經(jīng)濟(jì)性的比較。外包普通鋼材施工較為復(fù)雜,纏繞高強(qiáng)鋼絲繩及FRP材料施工便利;各類材料中,CFRP、DFRP具有較高的價(jià)格。GFRP、BFRP的價(jià)格相對(duì)比較低廉,高強(qiáng)鋼絲繩作為傳統(tǒng)材料也具有非常低的價(jià)格。另外,預(yù)應(yīng)力的施加一定程度上增加了施工的復(fù)雜性和相應(yīng)成本。5橋梁墩柱加固技術(shù)的進(jìn)展(1)對(duì)CFRP、BFRP及鋼絲繩3種不同材料加固墩柱的抗震性能進(jìn)行了對(duì)比研究,約束加固后,墩柱都實(shí)現(xiàn)了延性彎曲破壞,能夠達(dá)到延性墩柱的抗震要求。研