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约束钢筋混凝土矩形空心墩的FRP布拉应变试验研究

2022-02-03 来源:布克知识网
2014年第1期 玻璃钢/复合材料 13 约束钢筋混凝土矩形空心墩的FRP布拉应变试验研究 董振华,韩 强,杜修力 (北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124) 摘要:为了确定影响约束钢筋混凝土(RC)空心墩的纤维增强复合材料(FRP)有效拉应变的参数,建立其正确的计算模 型。对10个FRP约束RC矩形空心墩进行了恒轴压、水平单向反复荷载作用下的拟静力试验。分析了不同约束试验空心墩的 FRP拉应变实测值,结果表明:影响FRP布拉应变的参数包括约束区损伤位置、FRP类型和配箍率、剪跨比和约束墩的破坏模 式。与不同FRP有效拉应变计算值进行对比,验证了弯曲破坏下约束矩形空心墩的FRP实测值与剥离破坏下FRP应变计算 结果较接近,而与环向包裹粘贴或FRP拉断破坏模式下的FRP计算值相差较大。 关键词:桥墩;FRP约束;FRP有效拉应变;拟静力试验;矩形空心截面 中图分类号:TB332;U443.2 文献标识码:A 文章编号:1003—0999(2014)01—0013—04 钢筋混凝土(RC)空心截面桥墩具有较高的强 度/质量比和刚度/质量比,在我国西部和山区高墩 大跨度桥梁及国外中小型桥梁中应用广泛。地震作 用下,配箍率较小或延性较差墩柱的剪切和弯剪的 脆性破坏特征表现的尤为明显,破坏过程短促,且该 相同加固方式和极限破坏特征下约束矩形空心试验 墩的不同FRP有效极限拉应变计算值和试验值,来 验证现有FRP有效拉应变计算模型的可适用性,为 建立FRP约束空心墩混凝土模型和加固空心墩受 力性能的研究提供有利的理论基础和数据支持。 1试验方案 1.1试件设计 类墩柱的修复和加固补强极为困难。随着桥梁所处 地质条件的改变和损伤累积等原因,很多RC空心 桥墩的延性性能已无法满足现行桥梁抗震规范¨ 要 求,需要采取有效加固或补强措施来改善桥梁的延 性抗震性能。FRP加固具有不阻碍交通、安装快速、 耐久性强、寿命周期与维修费用较低等优点,已广泛 应用于RC结构的修复加固工程中。 目前,国内外学者对FRP加固RC构件的抗剪 性能和抗震性能开展了大量的试验研究 ,并提 出了不同破坏形式、FRP包裹形式和受力性能下的 FRP有效极限拉应变计算公式和加固柱的受力性 能,大量试验结果表明FRP有效极限拉应变与FRP 种类、FRP条带宽度、FRP间距、加固方式(全包、u 形包裹和侧面粘贴)、FRP端部锚固条件和混凝土强 度等有关。但是,现有大多数FRP有效拉应变计算 模型基于剪切破坏模式下得到,未综合考虑剪跨比、 轴压比、受力条件和截面构造等参数的影响,应用其 计算值的评价不同轴压比、剪跨比和水平地震维数 下约束空心墩受力性能的可适用性有待进一步研 究。本文设计并制作了剪跨比分别为4和8的FRP 根据现行公路桥梁抗震设计规范和空心桥墩的 抗震试验研究现状,设计并制作了剪跨比分别为4 和8的RC矩形空心截面墩,截面外围尺寸均为550 ×350mm,双层布置纵筋为20 ̄10,箍筋为中6@ 100。试件编号如表1所示,FRP布力学性能如表2 所示,试验墩截面配筋如图1所示,试验墩加固方案 如图2所示。 表1试验体桥墩特性 Table 1 Prope ̄y of the column specimens 加固RC矩形空心截面墩,对其进行恒轴压、水平单 向和双向低周反复荷载作用下的拟静力试验。对比 收稿日期:2013 ̄3—11 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50908005,50938006);国家重点基础研究发展计划项目(2011CB013602) 作者简介:董振华(1984一),女,博士,主要从事结构抗震加固方面的研究。 强 。j| l , £ 2 g 14 约束钢筋混凝土矩形空心墩的FRP布拉应变试验研究 2014年1月 表2 FRP布的性能 Table 2 Properties of the FRP 为FRP布极限拉应变。注: !RP布单层名义厚度;  为FRP布极限抗拉强度; ̄frp  ̄6@100 图1 构件几何构型和截面配筋图 Fig.1 Geometric configurations and reinforcement of specimens with rectangular hollow cross section 图2单向水平加载图 一 Fig.2 Unidirectional horizontal loading graphics 1.2加载设计 采用位控加载制度,墩顶每一级加载控制位移 釜,五氆自 。 蔽盟 由侧移率确定。单向水平加载制度和加载示意图如 ” ” ∽ ”如 如 图2所示。轴压荷载由0.2轴压比确定,每一级水平 加载位移循环两次,直至试件破坏,丧失承载能力。 2 FRP应变试验结果分析 3 羔 5。 纂 孝3.0 蘸 巢 侧移率/% (d)墩5 图3 L/b=4约束墩的FRP拉应变结果对比 Fig.3 Comparison of FRP tension strain of confined bridge piers with L/b=4 FRP/CM 20 Ⅳn u—j 篡 3.0 l。l 0.5 O 40 35 3.0 毒2.5 氟2.0 罂1 5 董l 0 5 00 侧移率 (d)墩10 图4 L/b=8约束墩的FRP拉应变结果对比 Fig.4 Comparison of FRP tension strain of confined bridge piers with L/b=8 不同约束试验墩的实测FRP应变结果如图3、 图4所示,图中H1、H2、H3、H4分别对应距离墩柱 根部50mm、150mm、350mm、500mm处FRP拉应变。 FRP拉应变结果分析如下: (1)损伤位置 加载过程中,不同试验墩FRP拉应变实测值沿 约束墩塑性铰区高度分布的变化趋势如图3所示。 由图可知,距离墩柱根部50ram和150mm处FRP拉 应变较大,该高度范围内,试验墩损伤较大,故距离 损伤位置越近,FRP拉应变越大;此外,由于端部 FRP应变集中分布,则FRP拉应变较未损伤区大; (2)FRP类型和FRP配箍率 ・—试验垮2 1_・一试验墩3 、鼹  \ 型 i =搿豁/ 多 354 .蛰 十.・-_一试验{墩 7891 ;-6 -2 0 2 4 6 -4 .2 0 2 4 6 侧穆率/% 侧穆率 (a)L/b=4试验墩 (b)L/b=8试验墩 图5约束试验墩的不同FRP拉应变结果对比 Fig.5 Comparison of different types of FRP tension strain of confined tested bridge piers 对比不同约束试验墩的最大实测FRP拉应变, 分析FRP类型和配箍率对其影响结果,如图5所 示。由图可知:①FRP约束可由于FRP侧向约束压 力随加固层数的增加而增加,限制并延缓损伤区截 面横向变形,则FRP拉应变减小;②加载至试验桥 墩最大水平承载力之前,循环加载对FRP应变的影 响较小;峰值承载力过后,相同侧移率下,循环加载 2014年第1期 玻璃钢/复合材料 15 下FRP应变增加;加载至试验墩的极限破坏阶段, FRP应变迅速增加。总之,约束区截面横向变形和 大。原因在于低轴压荷载作用下,约束试验空心墩 的弯曲变形加大,纵筋变形大,而受压截面横向变形 较小,且随长细比的增加而减小,故低轴压比、弯曲 破坏下L/b=8约束墩塑性铰区的FRP拉应变较L/ b=4约束试验墩小。 3 FRP拉应变实测值与计算值对比 选取FRP约束构件不同破坏模式下的ACI. 440.2R-02建议公式、欧洲设计规范(FIB-2001)、英 国设计规范(2000)、加拿大设计规范(2001)和清华 大学 提出的FRP布有效拉应变计算公式。 损伤程度越大,FRP拉应变增加越快。但是,不同 FRP侧向约束压力的发挥与其粘贴质量、FRP类型 及力学性能紧密相关,由于GFRP布表面较CFRP 滑,其层间和基体的粘贴质量很难保证,因此高强 GFRP布的拉应变较CFRP小。 ・一试验墩2 + 墩 —迅 \ i 。 +=・:一=试蕞验 篓~墩 45 r.‘ 蓉‘ {争( .・ 试验墩7 4 .—, 试验墩R .-水平低周反复荷载作用下,约束矩形空心截面 4 -Z u 2 4 ^ -O 一 lJ 4 0 倒移率 侧穆率/% 墩的FRP拉应变实测值与计算值对比分别及单向 (a)CFRP应变 (b)CFRP应变 水平荷载作用下,约束墩FRP有效极限拉应变计算 值与实测值对比如表3所示。FRP布有效拉应变实 测结果与断裂破坏模式下计算结果相差较大,但是 与剥离破坏下ACI-440.2R-02建议公式、英国设计 规范和清华大学提出的FRP应变计算结果较接近, 因此,水平荷载作用下,环包约束空心墩的FRP拉 应变与墩柱破坏模式下和受力方式密切相关。 图6不同剪跨比试验墩的FRP应变对比 Fig.6 Comparison of FRP tension strain of specimens with different shear—span ratios (3)剪跨比 不同剪跨比约束墩的实测FRP应变结果对比 如图6所示。由图可知,∥6=4约束试验墩的FRP 布最大拉应变大于L/b=8试验墩,且增加幅度较 表3约束试验矩形空心截面墩的FRP拉应变实测值与计算值对比 Table 3 Comparisons of measured FRP tension strain with calculated results of confined tested specimens 注:剪跨比为4的墩柱编号为2、3、4、5试验墩,产生纵筋拉断破坏模式;剪跨比为8的墩柱编号为7、8、9、10试验墩,产生弯曲破坏模式。 i ,C 4 o.、 约束钢筋混凝土矩形空心墩的FRP布拉应变试验研究 2014年1月 4结论 [5]陈小兵,颜子涵.采用外部粘贴FRP加固混凝土梁抗剪强度的 设计计算[J].工业建筑,2001,4(31):19-22. [6]谭壮,叶列平.纤维复合材料布加固混凝土梁受剪性能的试验 (1)通过分析约束矩形空心墩的FRP应变试验 结果可知,影响FRP拉应变的参数包括约束区截面 损伤位置、FRP类型、FRP配箍率、剪跨比和约束墩 的破坏模式; 研究[J].土木工程学报,2003,11(36):12—18. [7]Chen J F,Teng J G.Anchorage strength model for FRP and steel plates bonded to concrete[J].Journal of Structural Engineering ASCE,2001,127(7):784 ̄91. (2)与不同破坏模式下FRP拉应变计算结果对 比可知,单向水平荷载作用下,约束矩形空心墩的 FRP实测值与剥离破坏下ACI-440.2R-02建议公 式、英国设计规范和清华大学提出的FRP应变计算 结果较接近,但是与环向包裹粘贴或FRP拉断破坏 [8]Pantelides C P,Gergely J,Reaveley L D.Retrofit ofRC bridge pier with CFRP advanced composites[J].Journal of Structural Engineer- ing,1999,10(125):1094—1099. [9]Yeh Y K,Mo Y L,Yang C Y.Seismic performance of rectngular ahollow bridge columns[J].Journal of Structurla Engineering,2002, 128(1):60-68. 模式下的FRP计算值相差较大。以上结论为建立 不同破坏模式下约束空心墩的FRP有效拉应变计 算公式提供了有利参考。 参考文献 [1]JTG/T B024)1-2008.公路桥梁抗震设计细则[S]. 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EXPERIMENTAL STUDY ON FRP TENSION STRAIN 0 ’C0N ’INED RC BRIDGE PIER WITH RECTANGULAR HOLLoW CRoSS SECTIoN DONG Zhen—hua,HAN Qiang,Du Xiu—li (Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministy of rEducation, Beijing University of Technology,Beijing 100124,China) Abstract:In order to determine parameters affecting FRP tension strain of confined RC bridge pier with hollow section,and propose correct formula of FRP effective tension strain,quasi—static test was carried out to ten FRP confined RC bridge piers with rectangular hollow section under unidirectional horizontal cyclic loading and constant axial compression load.Through analyzing measured FRP tension strain,it is shown that parameters affecting FRP tension strain are damage location,the type of FRP,FRP hoop ration,shear—span ration and failure mode of FRP confined bridge pier.Tested FRP tension strain is closer to the calculated results of FRP confined component with debonding failure mode,however,the difference is obvious with the calculated results under FRP rupture failure mode. Key words:bridge pier;FRP confined;FRP effective tension strain;quasi—static test;rectangular hollow see— tion SRP/CM 

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