钢绞线布置方式对新型组合技术加固震损RC柱抗震性能的影响

2020-08-19孙杜娜何明胜李玉成郭璞

石河子大学学报(自然科学版) 2020年4期

孙杜娜，何明胜,2*，李玉成，郭璞

(1 石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子，832003 2 新疆兵团高烈度寒区建筑抗震节能技术工程实验室，新疆石河子，832003)

钢绞线网片-聚合物砂浆加固混凝土结构技术作为一种新型的加固技术受到国内外学者的广泛研究,混凝土结构的斜截面抗剪承载力是研究加固技术的一个重要方面。文献[1-4]对钢绞线网片-聚合物砂浆加固混凝土构件斜截面受剪特性方面的理论与试验研究结果表明，采用钢绞线网片-聚合物砂浆进行加固构件能够有效抑制剪切裂缝的产生和发展，加固梁的受剪承载力显著提高，加固梁的延性和抗剪承载力随着钢绞线配箍率的提高而提高。上述研究都把钢绞线箍筋布置成U型和环型，布置钢绞线网均需施加一定预应力，并采用U型和环形布置，由于其箍筋数量较多，施工非常繁琐。KIM S Y等[5]、YANG K H等[6]研究了钢绞线斜向布置(类似弯起钢筋)和环形布置两种方式对梁的抗剪效果及斜拉钢绞线的预应力水平情况，结果表明斜拉钢绞线抗剪效果明显好于环形钢绞线，并通过理论分析提出，斜拉钢绞线不但本身具有较好的抗剪能力，而且施加很大预拉力后混凝土形成很大的预压力，混凝土的抗剪承载力显著提高。对钢绞线网加固柱抗震性能的研究[7-9]结果表明，加固试件的极限承载力、延性和耗能均有很大程度的提高，并且随着钢绞线间距减小，其抗震性能提高更显著。

为了固定钢绞线，现行最常用的作法是在混凝土上打孔，通过结构胶埋入螺栓，再以螺栓为载体固定钢绞线网的承力板(一般为角钢)，这种技术对结构主体有一定的损坏，对于震损结构(破坏部位多为梁端或柱端)或者原结构混凝土强度较低的构件，该加固技术受到一定限制；另外，钢板箍具有不破坏结构主体，且能大幅提高构件的抗剪性能等优点。学者们对钢板箍开展了相关研究，刘义等[10]将打包用的钢带应用于工程加固中，对 RC 梁进行抗剪加固；刘敏等[11]采用自主研发的加固新技术，通过拧紧高强螺栓对外包钢施加双向水平预应力的方法加固 RC 梁；郭子雄等[12]、陈大烺[13]采用两块U型钢板合在一起，通过拧紧接缝处的高强螺栓施加预应力；这些研究均表明，施加预应力的方法能避免钢带(钢板)箍应力滞后的问题，可以显著提高梁的抗剪承载力，改善梁的变形能力。司建辉等[14]通过预应力钢绞线-外包钢复合加固混凝土柱轴心受压试验研究，得出该复合加固技术能明显提高轴压柱的承载力、延性等抗震性；这一方法对圆形截面能很好施加预应力，但在对矩形截面的钢套箍施加预应力比较困难，无法使钢套箍贴紧加固构件。

本课题组通过前期研究[15]提出了一种新型的楔形钢板箍-钢绞线网-聚合物砂浆加固技术(SPSP)，通过该技术既可以提高构件的抗剪承载力，又可作为钢绞线网的承力板。李玉成等[15]研究表明，按斜向X布置钢绞线网的梁，其抗剪承载力显著提高，结构的延性也显著提高，且抗剪斜拉钢绞线均未达到屈服状态，斜拉钢绞线若设置的间距小、数量多，其控制范围更广，加固梁的承载力会有一定的提高；邓宗才等[16]、郭俊平等[17]用钢绞线网-聚合物砂浆加固技术对圆形混凝土柱的抗震性能研究发现，承载力、耗能和延性显著提高，且钢绞线数量多和预应力度较高时，滞回曲线更饱满，钢绞线间距对加固效果的影响明显大于预应力度。

本文主要研究SPSP技术对震损RC柱在剪切破坏下的加固效果，以及斜拉钢绞线布置方式(间距)对加固震损RC柱抗震性能的影响。

1 试件设计

1.1 预损伤试件设计

设计2根混凝土柱，柱长800 mm，截面尺寸300 mm×300 mm，纵筋和箍筋均为HRB400。纵筋沿柱四周布置6根直径16 mm钢筋，纵筋配筋率为2.03%；箍筋直径8 mm，间距80 mm，箍筋体积配箍率为0.97%。水平加载点到柱顶设置长度为200 mm，剪跨比为2.0。柱的混凝土保护层厚度为15 mm。试件尺寸及配筋见图1。

图1 试件几何尺寸及配筋

经实测，该柱的混凝土立方体抗压强度平均值为40.5 MPa，纵筋测得屈服和极限强度分别为433、586 MPa，箍筋测得屈服和极限强度分别为417、527 MPa。

1.2 加固柱设计

加固层厚度25 mm，整个柱截面尺寸350 mm×350 mm，水平加载点到柱顶设置长度为100 mm，剪跨比为2.0。钢板箍由柱根部开始设置，钢板箍之间距离为600 mm。在柱侧面设置X形抗剪斜拉钢绞线网，其中RZ1斜拉钢绞线网间距设置为40 mm，RZ2斜拉钢绞线网设置为80 mm。为保证该批加固试件发生剪切破坏而不发生弯曲破坏，通过初步计算，在柱正面设置了9根纵向钢绞线。

加固采用型号为6×7+IWS的钢绞线，实测单根钢绞线直径为3.8 mm，极限抗拉强度为1 380 MPa。外部楔形钢套箍厚度由8 mm变到4 mm，内衬楔形垫板厚度由6 mm变化到3 mm。8 mm和6 mm钢板的实测屈服强度分别为426、401 MPa，极限强度分别为543、516 MPa。加固所用聚合物砂浆28 d实测立方体抗压强度为26.5 MPa。

试件参数见表1，试件加固大样见图2。

表1 试件参数表

图2 加固大样

1.3 试件预损伤与加固方法

为了模拟地震作用下柱的往复累积而造成的损伤情况，采用低周反复荷载实现试件的预损伤，当预损伤中水平荷载下降到峰值荷载的85%时停止加载。在加固前先把预损伤柱表面松动、脱落的混凝土清理掉，然后再对表面进行凿毛处理，最后用灌浆料修补开裂、脱落的部位，灌浆料厚度以能够使柱表面达到平整为宜；修补处理28 d后测得所用灌浆料立方体抗压强度为41.8 MPa，此时对试件进行加固处理。

设置好垫板位置，然后涂抹结构胶固定楔形垫板，再将外部钢套箍放在垫板约1/2处，上紧螺栓，反复敲击外套箍直到不发生位移为止，焊接外套箍接缝。根据本研究前期试验得出的扭矩与拉力计算公式，通过扭矩扳手按照0.25的预应力水平完成所有钢绞线网的设置，最后在钢绞线表面抹聚合物砂浆直到与加载板顶齐平的位置，抹浆厚度为25 mm。

1.4 加载制度及测定方案

试验在石河子大学新疆兵团高烈度寒区建筑抗震节能技术工程实验室进行，采用拟静力加载方式，水平往复荷载采用1台美国MTS电液伺服加载系统，竖向荷载采用1台100 t液压千斤顶。试验加载装置及试验现场如图3所示。

图3 拟静力加载试验装置及现场

遵照JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》相关规定，先施加竖向荷载再施加水平荷载;施加竖向荷载时，通过监测数据采集系统使竖向荷载达到预先按照轴压比0.3设定的轴力值，并在试验过程中保持恒定;试验采用位移控制加载制度，加载过程分为以下3个阶段：0～20 mm以1 mm为级差，每级循环1次；20～40 mm以2 mm为级差，每级循环1次；40 mm以后以4 mm为级差，每级循环1次;当正负向水平荷载都下降至对应峰值荷载的85%时停止试验。

加载制度如图4所示。

图4 加载制度

数据采集系统采用日本东测公司的TDS-530，力传感器、钢绞线上的应变片、位移计均通过该系统采集相应的数据。在柱前、后面的竖向钢绞线上分别布置3个应变片，柱两侧面每根斜向钢绞线上均布置1个应变片；在底梁端头布置1个百分表，用于监测整个加载过程中试件的滑动位移。MTS作动器施加的推力为+、拉力为-。

2 试验加载及破坏形态

试验结果(图5)显示：

(1)试件Z1和Z2的破坏形态基本相同(图6a、b)。加载开始后试件有一些较细微的斜裂缝，随着荷载加大，逐渐变成较明显的2条交叉裂缝，继续加大荷载后其中一条主裂缝发展较快，形成一条通裂缝，最终该柱的破坏形态是正面柱脚混凝土被压碎，相应钢筋屈服屈曲，为弯剪破坏。

(2)RZ1和RZ2的破坏形态也基本相同(图6c、d)。裂缝出现后，随着荷载加大，整个柱侧面表面裂缝密布，继续加大荷载后出现多条主斜裂缝，但由于中间区域斜拉钢绞线网的作用，这些主斜裂缝并未贯通。当加载到破坏阶段，RZ1在中间区域始终未破坏，而RZ2 中间形成局部破损区域，说明剪切破坏时，设置钢绞线网间距为40 mm比间距为80 mm柱子控制区域更广。柱正面混凝土没有出现任何被压碎现象，为剪切破坏，2个加固柱破坏形态达到本次试验设计要求。

(3)与普通混凝土柱(预损伤柱)相比，采用SPSP加固技术后，斜截面裂缝分布更多、更广，整个柱子在剪切破坏情况下的耗能更加充分，并且SPSP加固的柱子未有贯通整个截面的通裂缝，整个柱子剪切破坏具有比普通柱更好的延性。