外套钢管夹层混凝土加固RC圆柱轴压性能研究

卢亦焱 杨 帆 张学朋

(武汉大学土木建筑工程学院 武汉 430072)

0 引 言

钢筋混凝土结构柱的性能日益劣化是一种常见现象.出于经济和安全考虑，需要采取有效的加固措施来提高钢筋混凝土柱的承载力，以提高其安全性能.

由于钢管混凝土具有承载力高、施工无需模板、延性良好等优点[1]，国内外学者将其应用到受损钢筋混凝土结构加固中，有良好的加固效果.Xiao等[2]对方形截面柱进行局部加劲钢套管加固，结果表明：该方法可以防止出现脆性破坏现象，显著提高柱的延性，加固后试件最大侧移率超过8%.胡潇[3]研究了圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱的加固方法，对其轴压性能及承载力进行分析，建立了考虑加固层剪切变形与轴向变形的加固短柱轴压承载力计算方法.蔡健等[4-6]研究了圆形钢套管内填细石混凝土加固法，并分析了其轴压和偏压力学性能，研究表明：原柱的承载力和延性在加固后得到明显提高.

但在实际工程中，由于原柱与外套钢管间空间较小，后浇混凝土难以得到充分振捣，无法保障其密实性.然而，后浇混凝土应具有优秀的均质性和密实性才能保证加固效果的达标.基于此，卢亦焱等[7-9]提出后浇混凝土应采用高流动性的自密实混凝土，并研究了圆钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆柱和方形钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土方柱这两种加固形式，对试件的轴压和偏压性能展开试验研究和理论分析.

文中在试验研究的基础上，运用Matlab语言编写数值计算程序对钢管自密实混凝土加固RC轴压圆柱受力全过程进行数值分析.以钢管壁厚、后浇自密实混凝土强度和钢材屈服强度为主要参数，研究其对加固柱受力性能的影响.

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验设计了五根钢管混凝土加固RC圆形短柱试件、一根未加固的RC圆柱以及一根增大截面法加固的RC原柱作为对照，见图1.由图1可知：被加固柱为截面直径150 mm的圆柱，增大截面法加固后，试件截面直径为240 mm，将两块半圆型钢焊接成一直径为219 mm的圆形钢管套于原柱外侧，在原柱与钢管间填筑混凝土形成整体加固柱.采用高流动性的自密实混凝土，以保证后浇混凝土在钢管内填充均匀；加入适当的膨胀剂加强试件的整体性能.柱长取657 mm，以防止试件出现端部效应或弯曲变形.

图1 加固方案示意图

钢筋混凝土柱的设计考虑了早期工程的应用情况，故选用六根直径12 mm的HRB335钢筋为纵筋，实测其屈服强度为458 MPa、弹性模量为195 GPa；选用直径为6 mm的HPB235光圆钢筋为箍筋，设计间距为150 mm、柱端加密间距为50 mm，实测其屈服强度为310 MPa、弹性模量为189 GPa.选用壁厚t=1.80，3.25和3.90 mm三种外套钢管进行加固, 测得的钢管力学性能见表1.被加固柱选用强度等级较低的C25普通混凝土，实测其28 d立方体抗压强度为32.83 MPa以模拟受损的钢筋混凝土柱.后浇混凝土采用自密实微膨胀混凝土，设计了C40、C50、C60三种强度等级，实测其28 d立方体抗压强度分别为43.01,52.58,61.26 MPa.试件分组见表2.

表1 钢管力学性能

表2 试件参数及试验结果

试验在5 000 kN压力机上进行.试件两端采用平板铰加载，下端布置一5 000 kN力传感器，试件应放置于压力机中央.试验装置及测点布置见图2.试验荷载、柱中截面应变、纵向位移均由DH3815N应变采集系统采集.试验加载依据文献[10]进行.

图2 试验加载与量测

1.2 破坏形态

图3为部分试件的破坏形态.未加固的RC原柱与增大截面加固柱的破坏形态基本一致，均为局部混凝土强度破坏.增大截面加固柱破坏时，新老混凝土接触面出现较为明显的裂缝.对于外套钢管加固柱(选取典型试件RC-t3.25-C50分析)，由于外套钢管夹层混凝土对RC原柱形成了很好的套箍约束作用，试件呈现剪切破坏，原混凝土和后浇混凝土粘结性能良好，破坏时无裂缝出现.由此可见：钢管自密实混凝土加固法能有效地改善试件的破坏形态，使得试件由局部混凝土压碎导致的脆性破坏转变为延性破坏.

图3 典型试件破坏形态

1.3 荷载-纵向变形曲线

试件的典型荷载-纵向变形曲线见图4.由图4可知：未加固RC柱承载力较低，达到极限承载力后荷载迅速下降，延性较差；由上述分析可知，此时RC柱局部混凝土已经压碎.增大截面加固柱荷载-纵向变形曲线与原柱相似，由于增大了受压面积，试件承载力提高明显，但曲线下降段也更陡，延性较差.外套钢管加固柱RC-t3.25-C40的承载力约为原柱的3.8倍、是增大截面柱的1.3倍，可见复合加固法对试件承载力提高明显；同时，外套钢管加固柱的截面面积更小，并且和增大截面加固柱具有一致的后浇混凝土强度、相近的含钢率.此外，达到承载力后，曲线下降段更加平缓，表现出良好的延性.这是由于：外套钢管对内部混凝土提供了套箍约束作用，对混凝土的环向变形产生了很大的限制，使得新旧混凝土形成统一的受力整体并协同工作，充分发挥其抗压能力，起到了很好的加固效果.

图4 荷载-纵向变形曲线

2 数值计算方法

外套钢管夹层混凝土加固RC圆柱是外套钢管、后浇自密实混凝土、原柱混凝土和内部钢筋四部分组成的复合结构，基于试验研究，本文对复合加固柱受力全过程的数值分析方法采用合成法[11]，并做如下假设：①原柱混凝土和后浇自密实混凝土之间不发生黏结滑移，内置核心混凝土可看作整体受力；②钢材壁厚较薄，可假设其环向应力沿壁厚均匀分布，钢管按照平面应力状态计算；③由于本试验所用钢管管径不大，忽略其径向应力影响；④假设内置钢筋处于单轴受力状态.

2.1 材料本构关系

2.1.1钢管本构关系

在荷载和核心混凝土作用下，钢材处于三向应力状态，钢材的本构关系采用应用较为广泛的二次塑流模型[12-13]，确定钢管屈服点fy、比例极限fp、弹性模量Es和泊松比μs.外套钢管在平面应力状态下的应力-应变关系曲线见图5[14].

图5 钢材本构关系

2.1.2混凝土本构关系

文献[12]通过大量的钢管混凝土试件试验研究和轴压算例分析，得出了通用性较好的钢管约束混凝土应力-应变关系模型.其中，对于圆钢管混凝土的核心混凝土其表达式为

y=2x-x2(x≤1)

(1)

σ0=[1+(-0.054ξ2+0.4ξ)·(24/fc)0.45]·fc

ε0=εcc+[1 400+800(fc/24-1)]·ξ0.2(×10-6)

εcc=1 300+12.5fc(×10-6)

fc为核心混凝土圆柱体轴心抗压强度.由本课题组试验现象分析可知：在轴心受压过程中，复合加固柱新老混凝土界面粘结性能良好，无滑移现象[15]，故新老混凝土可视为统一整体，因此fc=(fc1Ac1+fc2Ac2)/(Ac1+Ac2);ξ=Atfty/(Ac1fc1+Ac2fc2)；At、fty分别为外套钢管的截面面积和抗压强度；fc1、fc2分别为原柱混凝土、后浇混凝土的轴心抗压强度；Ac1、Ac2分别为原混凝土、后浇混凝土的截面面积.

2.2 计算理论

采用应力合成法[16]，在MATLAB计算程序中，当给定组合加固柱纵向应变增量dε3,i，可求得本步相应的应变值应为ε3,i+1=ε3,i+dε3,i.由钢材和混凝土的应力-应变关系可求得与本步相应的纵向应力.进一步，根据钢材和混凝土的应力可计算得到外套钢管、混凝土和钢筋的内力Ns、Nc和Nt，此得到合力N，至此，可以得到相对应的N和ε的计算值.以此类推，可得出组合加固柱轴心受压时的荷载-纵向变形全过程曲线，计算框图见图6.

图6 合成法计算程序框图

3 结果分析

3.1 计算结果验证

图7为复合加固试件数值计算和试验结果的荷载-纵向变形对比曲线图.由图7可知:两种曲线趋势较为符合，结果吻合良好.极限承载力的数值计算值见表3，极限承载力的数值计算值和试验值之比均值为0.991，标准差为0.007，吻合良好.

图7 荷载-位移曲线计算结果与试验结果比较

3.2 参数分析

利用编写的数值计算程序得到以主要分析参数为变量的对比曲线见图8.结合计算结果，可对后浇混凝土强度、钢管屈服强度、套箍系数对复合加固柱受力性能的影响进行分析.

图8a)为钢管套箍系数为0.868，钢管屈服强度为Q235，后浇自密实混凝土强度分别为C40、C50、C60和C70的试件荷载-纵向位移曲线.由计算结果可知：加固试件的刚度受后浇自密实混凝土强度变化的影响较大.随着自密实混凝土强度逐步提高，加固试件承载力较为均匀地增加，平均增幅为5.73%，但曲线的下降段也更陡，表明延性略有降低.

图8b)为钢管套箍系数为0.868，后浇自密实混凝土强度为C50，钢管屈服强度分别为Q235、Q345、Q390和Q420的试件荷载-纵向应变曲线.由计算结果可知：钢管屈服强度的变化对试件承载力的影响较小，尤其是当钢管屈服强度较高时(Q235、Q345和Q420),加固试件承载力相差不大.

图8c)为后浇自密实混凝土强度为C50，钢管屈服强度为Q235,钢管套箍系数分别为0.4、0.8、1.2和1.6时的试件荷载-纵向应变曲线.由计算结果可知：随着试件套箍系数的逐步提升，加固试件承载力得到提高，但增长幅度逐渐降低，平均增幅为3.88%，随着套箍系数的增大，试件荷载-应变曲线未出现明显的下降段，表明延性得到了提高.

图8 荷载-纵向变形曲线

4 结 论

1) 通过对比试验研究发现，外套钢管加固柱能大幅度提高RC原柱的承载力，并能很好地改善其延性，具有良好的加固效果.

2) 合成法的计算结果和试验结果吻合良好，证明该数值模型能较好地模拟复合加固柱受力过程中的荷载-变形关系.

3) 随着套箍系数的增大，外套钢管加固柱承载力增加明显，延性得到明显改善；随着后浇自密实混凝土强度的提高，外套钢管加固柱承载力显著提高，但延性略有降低；钢管屈服强度对外套钢管加固柱力学性能影响较小.