碳纤维布加固方钢管混凝土柱恢复力模型研究

2015-06-27赵斌杨炳卢梦潇查昕峰长江大学城市建设学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2015年25期

赵斌,杨炳,卢梦潇,查昕峰 (长江大学城市建设学院,湖北荆州 434023)

赵斌,杨炳,卢梦潇,查昕峰 (长江大学城市建设学院,湖北荆州 434023)

通过对3根方钢管混凝土柱低周反复荷载试验,得到了碳纤维布加固柱的滞回曲线和强度退化规律,分析了轴压比对碳纤维布加固试件抗震性能的影响。试验结果表明,碳纤维布加固能增强方钢管混凝土柱的抗震性能,是一种有效的加固方法。基于试验结果,采用回归分析的方法建立了碳纤维布加固方钢管混凝土柱的恢复力模型,并详细描述了该模型的滞回规则。该模型的骨架曲线由弹性段、硬化段、退化段组成三折线骨架曲线,给出了骨架曲线各阶段刚度计算公式。比较试验骨架曲线与计算值可知,两者较为符合,所提出的恢复力模型能较全面的反映试件的实际受力性能,可供碳纤维布加固钢管混凝土柱及其结构非线性地震反应分析及抗震加固应用。

方钢管混凝土柱;碳纤维布加固;轴压比;恢复力模型;抗震性能

框架柱既是钢管混凝土框架结构中最重要的组成部分,又是其主要的抗侧力构件。实际工程中,因抗震设防等级调整或者抗震设计变更后造成现有建筑不能满足使用要求时,此时则需要对框架柱进行额外加固补强,使其具备足够的抗震能力后方能投入使用[1～3]。碳纤维布因其轻质、高强和施工便捷等优点,已成为很多加固工程中青睐的加固材料。

近来,国内一些学者[4～6]进行了纤维布加固混凝土柱的试验研究,并提出了相应的恢复力模型。恢复力模型是根据大量恢复力与变形曲线,经过一定方法得到的便于使用的数学模型,是进行弹塑性反应分析的基础。虽然有学者[7,8]对加固情况下的恢复力模型做过研究,但都均未涉及碳纤维布加固钢管混凝土结构。因此,有必要对碳纤维布加固钢管混凝土柱恢复力模型进行研究。

笔者拟依据碳纤维布加固方钢管混凝土柱的拟静力试验结果,分析柱的滞回特性,提出碳纤维布加固方钢管混凝土柱的三折线恢复力模型,为进行结构弹塑性地震反应分析提供依据。同时也有利于正确认识局部加固对整体结构抗震性能的影响,正确指导钢管混凝土结构抗震加固设计。

1 试验研究

1.1 试验概况

表1 试件柱加固参数

试验共制作了3根试件,试件设计制作、材料性能、布置情况及加载装置和文献 [3]相同。采用CJ200-Ⅱ碳纤维布,其计算厚度为0.111mm,抗拉强度为3209.4MPa,弹性模量为2.5×105MPa,伸长率为1.5。结构胶选用环氧树脂,厂家提供的结构胶的抗拉强度为50MPa,抗压强度为81.3MPa,抗剪强度为16.4MPa,各试件加固参数见表1。加固设计参照《碳纤维布片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146:2003)及《碳纤维加固规程》,在柱加劲肋板顶端处向上560mm的范围内环箍3层碳纤维布,碳纤维布加固如图1所示。

图1 柱碳纤维布加固示意(单位:mm)

1.2 试验现象及破坏形态

3根柱均发生了典型的压弯破坏,是理想中的破坏形态,各试件的破坏形态如图2所示。在低周水平反复荷载作用下,未加固柱和加固柱首先在柱前侧发生微小鼓曲,继而后侧发生鼓曲。持续加载,试件前后侧鼓曲程度加大,再转向左右侧鼓曲,直至试件破坏,破坏过程中伴随着管内混凝土碎裂声和碳纤维布胶体脆裂声。轴压比对加固试件破坏形态有一定影响,轴压比越大,越能延缓钢管的鼓曲,但高轴压比试件后期承载力下降迅速,表现出的延性小于低轴压比加固试件。

2 性能退化规律

2.1 滞回曲线特征

试件在低周反复荷载作用下,呈现出一些相似的滞回规律,如图2、图3所示。在钢管鼓曲之前,试件处于弹性工作阶段,加、卸载时均沿着直线进行,基本无残余变形。钢管鼓曲后,试件进入弹塑性工作阶段,刚度开始逐步退化,卸载后存在明显的残余变形,试件前后侧钢管鼓曲程度逐渐加大,滞回环面积也逐渐加大。试件达到极限荷载后,位移明显滞后于荷载的衰减,随着管内核心混凝土的压碎,混凝土与钢管壁黏结作用减弱以及钢管鼓曲程度的加大,试件表现出明显的刚度退化和承载力退化,滞回环包围的面积越来越大,这和试验现象相符,反映在试件上就是塑性铰的不断发展,说明试件的极限变形比较大。轴压比影响碳纤维布加固方钢管混凝土柱的加固效果,轴压比越大,水平荷载极限值增大,骨架曲线的下降段变陡,延性性能和耗能能力下降。

图2 试件破坏形态

图3 试件荷载-位移滞回曲线

2.2 强度衰减

在等位移幅值加载工况下,强度随着循环次数增加而降低的现象称为强度衰减。笔者对强度衰减采用某一加载位移下,第n次循环的最大荷载(Pn)与该级位移下第1次循环时的最大荷载P1之比Pn/P1来表示。试件的强度衰减如图4所示。

图4 试件强度衰减

由图4可知,未加固直接破坏试件C-0最后一级位移下强度衰减0.2左右,而碳纤维布加固试件C-1、C-2最后一级位移下强度衰减0.1、0.15左右。上述现象表明碳纤维布加固后试件衰减滞后,未加固试件衰减更加明显。这主要是因为碳纤维布在加载过程中充分发挥了约束作用,延缓了试件的强度衰减。对比图4(b)、图4(c)可知,碳纤维布加固后加载初期强度衰减较小,加载后期强度衰减速度明显加快,而高轴压比试件表现更为明显,说明轴压比越大,加载后期衰减越快。因此,在工程中运用碳纤维布加固时,要避免加固高轴压比柱,以防地震作用下加固结构不稳定的强度衰减而产生的脆性破坏。

3 恢复力模型

钢管混凝土结构或构件的实际恢复力曲线十分复杂,很难直接用于结构的弹塑性时程分析。故需寻求一种简单实用的恢复力曲线模型,以便于使用。折线型恢复力模型因其便于计算,在工程实际中得到了广泛的认可。因此,建立基于实际恢复力特征,并能通过数学方法予以描述的恢复力模型来进行地震反应分析和抗震加固设计,显得尤为迫切和重要。

3.1 假设条件

在建立碳纤维布加固方钢管混凝土柱的恢复力模型前,需做以下假设:①屈服荷载点即为最大弹性荷载点;②在弹性工作阶段,加、卸载刚度是初始刚度,弹塑性工作阶段之后,刚度随着加载位移的持续增加而逐步退化;③反复加载符合定点指向规律。

3.2 骨架曲线模型

表2 骨架曲线模型各线段回归方程

恢复力模型的各特征点需要从骨架曲线中确定,它是1/4滞回环内各特征点的连线[9]。试验中,用无量纲化来处理骨架曲线数据,即P/Pu和Δ/Δu进行处理。笔者采用考虑柱屈服后刚度退化的三折线模型,对加固柱C-1、C-2的无量纲化骨架曲线进行回归分析,得到统一的骨架曲线模型,如图5所示,骨架曲线各阶段线段方程见表2。式中,P、Δ分别表示最大荷载和最大位移;Pu、Δu分别表示实测极限荷载和其对应的极限位移;“+”、“-”分别表示正负向。

3.3 刚度退化规律

加载过程中,试件的卸载刚度均存在不同程度退化,图6给出在水平低周反复荷载下卸载刚度的退化规律。如图6所示,1、2、3、4点分别表示正向卸载点、反向加载点、反向卸载点和正向加载点。K12、K34分别表示正向卸载刚度、反向卸载刚度。通过对实测滞回曲线数据进行回归分析,可得到各刚度数值。

图5 骨架曲线模型

图6 刚度退化规律

1)正向卸载刚度K12。通过对各级循环加载位移下线段12中间的点线性回归,可得到正向卸载刚度K12。再对数据进行非线性拟合,可得到的关系,如图7所示。式中,为柱的正向初始刚度;Δ1为1点对应的位移,其回归方程如下:

2)反向卸载刚度K34。通过对各级循环加载位移下线段34中间的点线性回归,可得到反向卸载刚度K34。再对数据进行非线性拟合,可得到的关系,如图8所示。式中,为柱的反向初始刚度;Δ3为3点对应的位移,其回归方程如下:

图7 K12退化规律

图8 K34退化规律

3.4 恢复力模型的描述

从2个加固试件的滞回曲线可以得出以下规律:在试件接近屈服或屈服以后,正向和反向加载时均指向一个 “定点”,通过试验数据分析可知,该定点基本在0.75Py附近波动,且波动幅度较小,故可直接定义该点为 “定点”。建议的恢复力模型如图9所示,滞回规则如下:

1)试件未达到屈服之前,加、卸载路线均沿着骨架曲线弹性段进行,加、卸载刚度即为试件的初始刚度。

2)试件达到屈服后,卸载刚度随着加载位移的增加而逐渐下降,加载沿着2→4→8进行;在4点时卸载,卸载至荷载为零的5点,此时的正向卸载刚度K12按式(1)计算。继续反向加载,过定点1,再指向6点。继续反向卸载,至荷载为零的7点,此时的反向卸载刚度K34按式 (2)计算。继续正向加载,指向定点1,再指向4点。至此,一个循环路径得出,即为4→5→1→6→7→1→4。

图9 建议的恢复力模型

3)当试件在峰值点卸载,即在8点处卸载,卸载至零荷载点9,正向卸载刚度K12按式(1)计算。继续卸载至10点,此时刚度发生突变,然后指向1点,再指向反向峰值点。反向卸载,指向13点,13点坐标与10点坐标关于原点对称,再过定点1,指向8点。循环路径为:8→9→10→1→11→12→13→1→8。峰值点过后,加载沿着8→14进行,在14点卸载时,循环路径为14→15→16→1→17→18→19→1→14。同样,该循环路径下在16点时刚度发生突变, 19点的坐标与16点关于原点对称。此时,在峰值荷载及下降段卸载时,刚度突变点 (如10、16点)的纵坐标P'按式(3)计算,继续加载,直至试件破坏停止。