李路彬

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100032)

混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛而普遍,結(jié)構(gòu)在服役過程中隨時間推移和外界影響因素的侵蝕,結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)開裂、變形和強(qiáng)度損失等問題。為保證結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)的使用安全性,混凝土加固設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)重要任務(wù)。長期荷載和外部侵蝕對結(jié)構(gòu)的材料性能影響顯著,混凝土結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)裂縫、變形和強(qiáng)度下降等問題,這些問題對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成威脅。通過加固設(shè)計(jì),可以修復(fù)和強(qiáng)化受損的混凝土結(jié)構(gòu),延長其使用壽命,降低維護(hù)成本,并確保人們的生命財產(chǎn)安全。

李鵬鵬[1]進(jìn)行了CFRP布加固砌體結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),同時分析了粘貼2層和3層CFRP布對砌體抗壓承載力的增強(qiáng)效果,并對加固結(jié)構(gòu)的裂縫形態(tài)、破壞模式和加固原理進(jìn)行總結(jié),研究發(fā)現(xiàn)粘貼CFRP布的加固方式可提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能。通過不同的加固材料和加固技術(shù)可提高結(jié)構(gòu)的承載能力及剛度,抗震性能顯著提升,從而減少地震荷載激勵對結(jié)構(gòu)的危害[2-4]。加固設(shè)計(jì)可以修復(fù)和加固老化和受損的混凝土結(jié)構(gòu),避免結(jié)構(gòu)失效和意外事故的發(fā)生。程東輝等[5]對3組翼緣與腹板轉(zhuǎn)角處CFRP布錨固的鋼筋混凝土柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn),得到了試件的極限荷載、軸向變形及破壞模式,提出了CFRP約束下鋼筋混凝土柱極限承載力的計(jì)算公式。

在混凝土加固設(shè)計(jì)的研究方法方面,需要對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的檢測和評估,包括結(jié)構(gòu)的承載能力、裂縫情況、變形程度等[6]。其次,根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況和問題,選擇合適的加固材料和技術(shù),如碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)片材加固、鋼板加固等[7]。最后進(jìn)行加固設(shè)計(jì)計(jì)算和分析,確定加固材料的數(shù)量和布置方式,進(jìn)行施工過程的監(jiān)控和質(zhì)量控制,確保加固效果符合設(shè)計(jì)要求[8]。

混凝土加固設(shè)計(jì)對于保障混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命具有重要意義。論文主要分析粘貼碳纖維布的加固方法,闡述了加固前后的措施及效果。

1 模型建立

以鋼筋混凝土加固柱為實(shí)例進(jìn)行建模分析,所取廠房主體結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架結(jié)構(gòu),對易損混凝土柱進(jìn)行粘貼CFRP的方式進(jìn)行加固,加固柱后改造部位設(shè)計(jì)使用年限為30年。加固改造部位為框架結(jié)構(gòu),基本風(fēng)壓為0.60 kN/m2,基本雪壓為0.20 kN/m2,抗震設(shè)防烈度為6°,地震分組為第一組,基本地震加速度為0.05g。對承載力不足的混凝土框架柱進(jìn)行粘貼CFRP布進(jìn)行加固;新增梁板與原有梁板柱采用化學(xué)植筋法連接。需加固混凝土柱在平面布置圖中位置示意如圖1(a)所示,采用CFRP布加固的混凝土柱建模流程如圖1(b)所示?；炷梁弯摻罹捎肅3D8R模型單元,鋼筋的受拉本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性的雙直線模型,鋼筋的受壓本構(gòu)關(guān)系采用完全理想彈塑性的雙折線模型,混凝土本構(gòu)關(guān)系采用塑性損傷模型。CFRP的本構(gòu)關(guān)系采用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式。共模擬了兩種尺寸的混凝土柱,其中8根CFRP加固柱和4根普通混凝土柱。

2 項(xiàng)目檢測與承載力計(jì)算

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度

通過對實(shí)際混凝土柱的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行鉆孔取樣,然后分別進(jìn)行重新養(yǎng)護(hù)后再進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),混凝土取芯示意如圖2(a)所示,結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度檢測結(jié)構(gòu)見表1。為準(zhǔn)確對比粘貼CFRP對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,采用混凝土碳化深度測量儀分別對粘貼CFRP和不粘貼CFRP的抗壓強(qiáng)度試件進(jìn)行碳化深度測量,混凝土碳化深度測量完畢后,應(yīng)選擇測區(qū)內(nèi)部平均測量碳化深度值對混凝土材料強(qiáng)度進(jìn)行修正。最后對兩組圓柱體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),測得的粘貼CFRP和不粘貼CFRP的試件抗壓強(qiáng)度變化趨勢如圖2(b)所示。不同養(yǎng)護(hù)時間對應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度值可由式(1)計(jì)算得到。

(1)

式中,t為試件養(yǎng)護(hù)時間(d);fcu(t)和fcu(28)分別為養(yǎng)護(hù)td和28 d時的混凝土抗壓強(qiáng)度值(MPa)。

表1 結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度檢測

采用濃度為1%的酚酞酒精溶液測試該結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件的碳化深度,結(jié)果表明CFRP加固混凝土柱的碳化深度小于普通混凝土柱的碳化深度。普通混凝土柱的碳化深度大于1.0 mm,而CFRP加固柱的碳化深度小于1.0 mm。鋼筋混凝土柱應(yīng)力集中顯著的區(qū)域位于柱中區(qū)域,在加固混凝土柱的同時增設(shè)混凝土梁和板,新增梁板與原有梁板柱采用化學(xué)植筋法連接。對混凝土強(qiáng)度不足且碳化深度較大的混凝土框架柱進(jìn)行加大截面法加固、對混凝土強(qiáng)度不足且配筋與設(shè)計(jì)不符的柱進(jìn)行粘貼碳纖維布法加固。

2.2 結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力分析

為分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋在荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,對CFRP加固柱和普通柱的內(nèi)部鋼筋進(jìn)行檢測,同時采用ABAQUS模擬荷載激勵作用下的應(yīng)力分布。鋼筋外形系數(shù)取0.14,銹蝕程度對鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系忽略不計(jì),混凝土表面的蜂窩、麻面等現(xiàn)象因?qū)O限荷載影響較小,模擬時不予考慮。加固柱的內(nèi)部鋼筋應(yīng)力檢測示意圖如圖3(a)所示。通過結(jié)構(gòu)鋼筋尺寸、間距、外形和銹蝕情況的檢測可粗略估計(jì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量狀況,上部承重混凝土柱的鋼筋應(yīng)力水平較低。鋼筋內(nèi)部應(yīng)力模擬如圖3(b)所示,鋼筋采用TRUSS單元模擬,縱向鋼筋和橫向箍筋裝配形成鋼筋籠,并采用桁架T3D2單元模塊。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn):加固柱內(nèi)部鋼筋應(yīng)力水平大于普通柱的內(nèi)部鋼筋最大應(yīng)力,鋼筋最大應(yīng)力為250.8 MPa,以此可看出CFRP加固措施對結(jié)構(gòu)質(zhì)量的評估有利。

2.3 黏結(jié)強(qiáng)度與受拉損傷關(guān)系

評估CFRP加固柱的黏結(jié)性能有利于結(jié)構(gòu)承載力的準(zhǔn)確預(yù)測,因此采用黏結(jié)強(qiáng)度儀對梁構(gòu)件的碳纖維片材粘結(jié)質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場檢驗(yàn)。隨機(jī)選取10%混凝土加固柱,以每根受檢構(gòu)件為一檢驗(yàn)組,每組3個檢驗(yàn)點(diǎn)。碳纖維加固柱的損傷模擬示意圖如圖4(a)所示,柱內(nèi)黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算如式(2)所示,鋼筋內(nèi)部拉力由式(3)計(jì)算得到。黏結(jié)應(yīng)力在柱中分布與柱中受拉損傷分布相近,黏結(jié)強(qiáng)度最大值位于柱中位置處。同時采用拉拔測試儀對加固前后的混凝土柱進(jìn)行粘結(jié)質(zhì)量檢測,對各樓層的承重部位進(jìn)行拉拔粘結(jié)推定,發(fā)現(xiàn)拉拔強(qiáng)度推定值穩(wěn)定在2.1 MPa左右。加固柱的正粘結(jié)強(qiáng)度提升約10%,模擬結(jié)果顯示柱中損傷程度降低12%。加固柱的荷載撓度曲線如圖4(b)所示,可以看出CFRP加固柱的撓度顯著小于普通混凝土柱和素混凝土柱的柱中撓度。

(2)

(3)

式中,F為柱內(nèi)鋼筋拉力(kN);τ為計(jì)算黏結(jié)應(yīng)力(MPa);Es為鋼筋彈性模量(MPa);ε為鋼筋應(yīng)變;d為鋼筋直徑(mm)。

2.4 位移及應(yīng)力模擬分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)靜載荷試驗(yàn)區(qū)間的選取原則,選取直徑600 mm的混凝土加固柱進(jìn)行位移模擬和應(yīng)力模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明,柱的撓度限值為15.3 mm,現(xiàn)場實(shí)測加固柱的撓度最大值0.06 mm,說明粘貼CFRP布的撓度符合承載力要求,卸載后加固柱最大殘余應(yīng)變約為3.8×10-6,此時粘貼CFRP布的加固柱在正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段。粘貼CFRP布加固柱的位移模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖5(a)所示,可以看出頂端荷載激勵處的位移處于最大值,最大位移為15.3 mm,位移沿柱頂向柱底逐漸降低。位移模擬圖網(wǎng)格尺寸選用20 mm和40 mm兩種規(guī)格,網(wǎng)格尺寸小的模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。CFRP加固柱應(yīng)力模擬結(jié)果如圖5(b)所示,應(yīng)力模擬結(jié)果為鋼筋混凝土共同作用下的結(jié)果。結(jié)果表明:柱頂和柱底的應(yīng)力大于柱中應(yīng)力,應(yīng)力分布與位移分布存在微小差異,距離柱頂400 mm處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。裂縫的出現(xiàn)與結(jié)構(gòu)承載力發(fā)展水平密切相關(guān),因此對加固后的混凝土構(gòu)件進(jìn)行裂縫測量十分必要。應(yīng)力集中斑點(diǎn)處產(chǎn)生最大寬度裂縫,損傷程度隨裂縫寬度增大而增大。加載過程中,出現(xiàn)最大裂縫寬度為0.18 mm,最大裂縫寬度限值為

0.3 mm,裂縫寬度沒有超限,而卸載后,裂縫恢復(fù),應(yīng)力水平小幅回升。

2.5 應(yīng)變測量

每根混凝土柱的跨中布置5個應(yīng)變測點(diǎn),應(yīng)變模擬見圖6(a)。可以看出應(yīng)變分布與受拉損傷區(qū)域的分布相近,將模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,得到CFRP加固柱和普通柱的荷載撓度曲線,如圖6(b)所示。由圖6(b)可以看出:CFRP加固鋼筋混凝土柱的荷載撓度曲線較普通柱的荷載撓度曲線更高,極限承載力提升了12.8%。荷載撓度曲線顯示CFRP加固柱的殘余撓度小于普通柱的殘余撓度,加固柱的剛度比普通鋼筋混凝土柱的剛度要大,且加固的鋼筋混凝土柱延性更低,脆性更大。CFRP保護(hù)層的應(yīng)用改變了鋼筋混凝土柱的極限承載力、耗能能力、剛度、延性和變形能力,出現(xiàn)這一情況的原因是粘貼CFRP相當(dāng)于增大了試件截面,極限承載力等因素也隨之相應(yīng)改變,從而顯著改變了鋼筋混凝土柱的承載能力。

3 結(jié) 論

通過有限元模擬CFRP加固混凝土柱的軸壓性能,進(jìn)行了混凝土抗壓強(qiáng)度、鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變分析及荷載撓度測定,確定了CFRP加固柱的性能評估方法,得到了以下結(jié)論:

a.CFRP加固的鋼筋混凝土柱使承載能力提升了112.8%,且加固柱承載能力隨損傷程度增大而不斷降低,CFRP加固也可降低混凝土的碳化程度,提高柱內(nèi)鋼筋應(yīng)力水平。

b.根據(jù)有限元模擬CFRP加固柱的位移、應(yīng)力、應(yīng)變及損傷程度,分析發(fā)現(xiàn)加固柱的破壞發(fā)生在柱中位置處,損傷程度沿著應(yīng)力降低水平而降低。CFRP加固混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變分布規(guī)律與位移分布規(guī)律相近。

c.粘貼CFRP纖維布的加固方式大大提高了結(jié)構(gòu)的承載力及耐久性,可快速滿足災(zāi)后結(jié)構(gòu)加固承載力要求。