雙向纖維布約束加固鋼筋混凝土柱的FRP錨釘設計方法研究

為驗證約束加固柱抗震性能提高和錨釘錨固效果,設計3個方形柱試件.其中,C為未加固的對比柱,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錨釘對縱向纖維進行錨固.柱尺寸為300 mm×300 mm×1 300 mm,底座尺寸為300 mm×500 mm×1 700 mm,混凝土強度均為C30,縱筋強度等級為HRB400,直徑28 mm; 箍筋強度等級為HRB335,直徑6 mm.如圖3所示,試驗采用玄武巖雙向纖維布,其彈性模量為87.0 GPa,抗拉強度為1 740.0 MPa,厚度為0.12 mm,延伸率2.0%.試驗所用粘結劑抗拉強度為48.5 MPa,彈性模量為3 200.0 MPa.

試驗采用位移加載控制方法,在柱端施加低周往復水平荷載,直至加載到試件承載力下降到峰值荷載85%時停止試驗.加載過程中,水平荷載直接由作動器上的力傳感器采集,水平位移由“與加載點位于同一水平面”的位移計采集.在柱的兩側表面沿軸向方向布置4個電阻式應變片,用來測量塑性鉸區(qū)縱向纖維布的應變變化情況,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設計預期為剪切破壞,柱B1和B1A為彎剪破壞.為實現(xiàn)破壞模式轉變,對柱B1和B1A采取一層雙向布全包約束加固.但在柱B1A底座兩側各布置2個FRP錨釘,間距150 mm,邊距75 mm.

根據(jù)第2節(jié)方法,各項參數(shù)取值有纖維布斷裂應變ε_f=0.02,縱向纖維絲面積A_p=36 mm²,混凝土抗壓強度設計值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)計算出單個錨釘靜力承載力N_a=31.3 kN.由式(2)算出錨釘抗震承載力設計值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; 再通過式(5)驗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)得底座開孔直徑d₀≥7.7 mm,取d₀=13.0 mm; 最后通過式(7)得扇面面積A_f≥10 440 mm²,取A_f=11 775 mm²,扇絲長度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錨釘計算尺寸
Tab.1 Calculation of FRP anchor

制作過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)氧樹脂,在樹脂固化24 h后對桿長進行裁剪.最后,對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,首先在底座上標識出主桿位置并鉆孔,注入達到孔深一半高度的環(huán)氧樹脂,將錨釘主桿插入孔洞內(nèi).之后再用環(huán)氧樹脂填滿,控制孔洞內(nèi)樹脂密實無氣泡.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)氧樹脂.對于雙層布約束加固柱時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; 當臨近極限荷載時,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,出現(xiàn)纖維布裂縫迅速擴展和貫通,最終破壞形態(tài)如圖7(b).加載停止后,剝開纖維布可見柱混凝土有較長的剪切裂縫貫通,同時塑性鉸區(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,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,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始出現(xiàn)裂縫.當加載位移為40 mm時,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始斷裂,錨釘承載力達最大值,如圖8(b)所示.之后構件承載力迅速下降,繼續(xù)加載柱端水平位移至50 mm時,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^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,其中橫坐標為作動器施加的水平荷載,縱坐標為其加載點的水平位移.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,隨后荷載達到峰值后,構件迅速破壞,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,滯回曲線形狀更加飽滿,耗能能力提升,可見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拉力,進一步提高構件的抗彎承載力.

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

柱B1和B1A的縱向纖維應變?nèi)鐖D 10所示,其中橫坐標為應變片高度,縱坐標為每個應變片在正負向加載循環(huán)中應變峰值的絕對值,應變片位置見圖4.可見無錨固柱B1的縱向纖維應變沒有充分發(fā)揮,經(jīng)FRP錨釘錨固后的B1A,在距柱底250 mm和450 mm高度的縱向纖維應變有明顯提高,說明使用錨釘實現(xiàn)對縱向纖維的有效錨固,充分發(fā)揮其抗拉強度.

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