雙向纖維布約束加固鋼筋混凝土柱的FRP錨釘設(shè)計(jì)方法研究

為驗(yàn)證約束加固柱抗震性能提高和錨釘錨固效果,設(shè)計(jì)3個(gè)方形柱試件.其中,C為未加固的對(duì)比柱,B1和B1A為采用一層雙向纖維布約束加固的鋼筋混凝土柱,但B1A在布端部采用FRP錨釘對(duì)縱向纖維進(jìn)行錨固.柱尺寸為300 mm×300 mm×1 300 mm,底座尺寸為300 mm×500 mm×1 700 mm,混凝土強(qiáng)度均為C30,縱筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400,直徑28 mm; 箍筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB335,直徑6 mm.如圖3所示,試驗(yàn)采用玄武巖雙向纖維布,其彈性模量為87.0 GPa,抗拉強(qiáng)度為1 740.0 MPa,厚度為0.12 mm,延伸率2.0%.試驗(yàn)所用粘結(jié)劑抗拉強(qiáng)度為48.5 MPa,彈性模量為3 200.0 MPa.

試驗(yàn)采用位移加載控制方法,在柱端施加低周往復(fù)水平荷載,直至加載到試件承載力下降到峰值荷載85%時(shí)停止試驗(yàn).加載過(guò)程中,水平荷載直接由作動(dòng)器上的力傳感器采集,水平位移由“與加載點(diǎn)位于同一水平面”的位移計(jì)采集.在柱的兩側(cè)表面沿軸向方向布置4個(gè)電阻式應(yīng)變片,用來(lái)測(cè)量塑性鉸區(qū)縱向纖維布的應(yīng)變變化情況,如圖4所示.

圖3 雙向纖維布
Fig.3 Bidirectional FRP sheets

圖4 試件示意圖
Fig.4 Sketch of specimen

柱C設(shè)計(jì)預(yù)期為剪切破壞,柱B1和B1A為彎剪破壞.為實(shí)現(xiàn)破壞模式轉(zhuǎn)變,對(duì)柱B1和B1A采取一層雙向布全包約束加固.但在柱B1A底座兩側(cè)各布置2個(gè)FRP錨釘,間距150 mm,邊距75 mm.

根據(jù)第2節(jié)方法,各項(xiàng)參數(shù)取值有纖維布斷裂應(yīng)變?chǔ)?sub>f=0.02,縱向纖維絲面積A_p=36 mm²,混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f_c=20.1 MPa,群錨影響系數(shù)φ_s=1.0,群錨錐體破壞投影面積A_n=112 500 mm².由式(1)計(jì)算出單個(gè)錨釘靜力承載力N_a=31.3 kN.由式(2)算出錨釘抗震承載力設(shè)計(jì)值N_d=21.9 kN.然后由柱寬幾何條件確定初始扇面角度α=30°,將N_d和α代入式(3)得錨釘主桿截面積A_d≥32.8 mm²,取A_d=55.0 mm²; 將N_a代入式(4)得主桿埋置深度h≥63.2 mm,取h=100.0 mm; 再通過(guò)式(5)驗(yàn)算群錨錐形破壞受拉承載力N_c=27.4>21.9 kN,滿足條件.然后將N_d和h代入式(6)得底座開(kāi)孔直徑d₀≥7.7 mm,取d₀=13.0 mm; 最后通過(guò)式(7)得扇面面積A_f≥10 440 mm²,取A_f=11 775 mm²,扇絲長(zhǎng)度L=150 mm.最終確定FRP錨釘尺寸如圖4所示,具體參數(shù)如表1.

表1 FRP錨釘計(jì)算尺寸
Tab.1 Calculation of FRP anchor

制作過(guò)程中首先將纖維布按尺寸裁剪,把主桿纖維編織成麻花狀繩,并在桿兩端采用固定銷.隨后將主桿浸泡環(huán)氧樹(shù)脂,在樹(shù)脂固化24 h后對(duì)桿長(zhǎng)進(jìn)行裁剪.最后,對(duì)于扇面部分的纖維布拆解為絲狀.制作完成的錨釘如圖5所示.

圖5 錨釘成品
Fig.5 Anchor product

安裝錨釘時(shí),首先在底座上標(biāo)識(shí)出主桿位置并鉆孔,注入達(dá)到孔深一半高度的環(huán)氧樹(shù)脂,將錨釘主桿插入孔洞內(nèi).之后再用環(huán)氧樹(shù)脂填滿,控制孔洞內(nèi)樹(shù)脂密實(shí)無(wú)氣泡.最后在柱上纖維布貼好后,將扇面纖維絲分散到纖維布表面上,再刷一層環(huán)氧樹(shù)脂.對(duì)于雙層布約束加固柱時(shí)則將錨釘扇面粘貼在兩層布之間.錨釘安裝完成如圖6所示.

圖6 錨釘安裝
Fig.6 Anchor installation

未加固的對(duì)比柱C在加載初期柱下部出現(xiàn)裂縫; 隨荷載增加,裂縫逐漸增多并延伸; 當(dāng)臨近極限荷載時(shí),主斜裂縫沿柱高度從中部位置貫穿.C的剪切破壞形態(tài)如圖7(a)所示.

圖7 柱典型破壞形態(tài)
Fig.7 Typical failure mode of column

雙向布約束柱B1在加載后不久在底部出現(xiàn)纖維布輕微撕裂; 極限狀態(tài)時(shí),出現(xiàn)纖維布裂縫迅速擴(kuò)展和貫通,最終破壞形態(tài)如圖7(b).加載停止后,剝開(kāi)纖維布可見(jiàn)柱混凝土有較長(zhǎng)的剪切裂縫貫通,同時(shí)塑性鉸區(qū)混凝土有壓碎現(xiàn)象,柱的彎剪破壞形態(tài)如圖7(c).有錨釘?shù)碾p向布約束柱B1A在極限狀態(tài)時(shí),纖維布從柱底向上拉裂,柱承載力迅速下降,最終破壞形態(tài)如圖7(d).剝開(kāi)纖維布后發(fā)現(xiàn),柱底有水平彎曲裂縫和交叉斜向剪切裂縫,但混凝土壓碎現(xiàn)象較明顯,如圖7(e).在B1A加載至水平位移值10 mm時(shí),FRP錨釘仍保持完整狀態(tài)如圖8(a)所示; 隨加載位移增加,柱表面纖維布逐步出現(xiàn)裂紋,錨釘周圍混凝土也開(kāi)始出現(xiàn)裂縫.當(dāng)加載位移為40 mm時(shí),柱內(nèi)縱筋和箍筋先后屈服,柱底部混凝土壓碎現(xiàn)象明顯,主桿的部分纖維絲開(kāi)始斷裂,錨釘承載力達(dá)最大值,如圖8(b)所示.之后構(gòu)件承載力迅速下降,繼續(xù)加載柱端水平位移至50 mm時(shí),柱底部的纖維布和錨釘均完全斷裂,如圖8(c)所示.

圖8 FRP錨釘?shù)湫推茐倪^(guò)程
Fig.8 Typical failure process of FRP anchor

各試件荷載-位移滯回曲線如圖9所示,其中橫坐標(biāo)為作動(dòng)器施加的水平荷載,縱坐標(biāo)為其加載點(diǎn)的水平位移.柱C滯回曲線顯現(xiàn)出明顯的“捏縮”現(xiàn)象,呈現(xiàn)出反S形.可以觀察到箍筋最先屈服,隨后荷載達(dá)到峰值后,構(gòu)件迅速破壞,延性較差,顯現(xiàn)為典型的剪切破壞.但柱B1和B1A采用雙向布加固后,柱中均出現(xiàn)縱筋和箍筋的先后屈服,是典型的彎剪破壞,加固柱的極限位移和峰值荷載較C均有不同程度的增長(zhǎng),滯回曲線形狀更加飽滿,耗能能力提升,可見(jiàn)使用雙向纖維布加固能明顯提高RC柱抗震性能.其中使用FRP錨釘?shù)闹鵅1A峰值荷載較柱B1提升12.2%,這說(shuō)明FRP錨釘能約束雙向布中縱向纖維,使其能和縱筋共同承擔(dān)拉力,進(jìn)一步提高構(gòu)件的抗彎承載力.

圖9 荷載-位移曲線
Fig.9 Load-displacement curve

柱B1和B1A的縱向纖維應(yīng)變?nèi)鐖D 10所示,其中橫坐標(biāo)為應(yīng)變片高度,縱坐標(biāo)為每個(gè)應(yīng)變片在正負(fù)向加載循環(huán)中應(yīng)變峰值的絕對(duì)值,應(yīng)變片位置見(jiàn)圖4.可見(jiàn)無(wú)錨固柱B1的縱向纖維應(yīng)變沒(méi)有充分發(fā)揮,經(jīng)FRP錨釘錨固后的B1A,在距柱底250 mm和450 mm高度的縱向纖維應(yīng)變有明顯提高,說(shuō)明使用錨釘實(shí)現(xiàn)對(duì)縱向纖維的有效錨固,充分發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度.

圖 10 塑性鉸區(qū)內(nèi)縱向纖維應(yīng)變圖
Fig.10 Strain of longitudinal fiber in plastic hinge region