碳纤维混凝土柱

碳纤维混凝土柱（精选10篇）

碳纤维混凝土柱 第1篇

由于工程建筑结构大多采用钢筋混凝土柱作为其首要承重形式,对于其进行加固研究具有现实工程意义。例如,建筑结构物由于本身存在缺陷或者受到外部损伤导致支撑结构承载力降低,又或因使用需求的改变而增加支撑结构承载力,这类加固或补强,要求在提高原有结构竖向承载力基础上,对于其延性和增强结构抗震承载力的抗弯性能也要进一步提高。综合以上所述内容可以看出,研究碳纤维布加固钢筋混凝土柱的技术不仅具有很大的经济价值,同时还可以指导并规范实际工程。

1 碳纤维布加固钢筋混凝土柱的技术特点

1.1 加固技术的优点

首先,材料特性方面,碳纤维布厚度小、重量轻、柔韧性好、耐酸碱、耐高温、抗疲劳性及抗蠕变极高。可以满足抗弯、抗压和抗震的要求,同时可以抗拒加固柱体经常受到的各种酸、碱、盐腐蚀,碳纤维布在混凝土柱体表面形成第二道保护层,增强了混凝土的耐久性,对于增加柱体的自重和截面尺寸影响较小,满足加固物的外观使用要求。

其次,受力特点方面,碳纤维布抗拉强度高、易与混凝土表面良好粘结,经过横向环绕柱体,使混凝土受力状态由二向变为三向,成为约束混凝土,在承载能力和延性两个方面获得了较大提升。

最后,工程应用性上,具有原结构无损加固、施工简便以及施工质量容易保证的特性。不同于其他加固方法,碳纤维布加固全施工过程中,无大型机具和湿作业,不需要大量的固定保障措施,施工场地占用率小、工效高。加固质量上,即使加固构件表面不平整,由于碳纤维布材料的柔韧性,粘贴效率也可以得到保证,后期投入的维修费用较低,使用寿命较长。

1.2 加固技术的缺点

近年来,随着碳纤维布加固方法的科研深入以及大量的工程应用后,科研人员和工程技术人员也发现了一些不足。

1)材料的拉伸弹性模量与其强度相比过低。

2)破坏易发生于混凝土与CFRP之间的环氧树脂粘结层。

3)脆性破坏明显。相较于钢筋材料具有明显的屈服点,碳纤维布作为一种线弹性材料,破坏前没有明显征兆,属脆性破坏。

2 碳纤维布加固钢筋混凝土柱的抗震性研究

现行大多数研究方法,主要以模拟地震荷载作用下,通过分析一些重要的力学性能指标的变化规律来揭示碳纤维布加固钢筋混凝土柱的抗震性能机理,主要有强度、刚度和延性三个力学指标[3]。当前,通过国内外大量的静力和动力荷载作用下力学性能指标研究,表明碳纤维布加固法对于钢筋混凝土柱的抗震性能方面能进行有效提升,CFRP加固钢筋混凝土柱在动力反应性能、承载力以及延性和耗能力方面,具有良好的表现,均能进行有效的提高。

文献[5]通过对FRP约束的钢筋混凝土柱构件在循环侧压和轴压下的抗震性能模拟,8个试验试件中,1个试件进行连续作用轴力来模拟处于使用正常状态下的混凝土柱的补强,2个试件加载到钢筋屈服强度下来模拟破坏的混凝土柱的补强。通过研究CFRP加固柱中的应变发展和分布,分析CFRP对于混凝土柱的延性改善。

文献[6]选择试件加载截面为方形和圆形,试验类型取压弯、纯弯往复加载试验。试验表明,截面对于试验结果有较大影响,圆形截面的试验结果优于方形截面;粘贴加固量合适的话,可以改变柱体的破坏形式,变加固柱的剪切破坏为弯曲破坏。

文献[7]为了模拟出在实际状况下桥墩的构造,有必要做大尺寸圆形截面的往复荷载试验,搭接形式被运用到了试件制作时底部塑性铰区的钢筋上。从试验结果来看,混凝土柱均在FRP加固后的往复荷载试验上呈现良好抗震性能。这是因为基于FRP的约束,钢筋的搭接接头受到了保护,混凝土柱的抵抗剪切能力提高、延性增大,破坏形式从之前的剪切变化为现在的弯曲破坏。

文献[8]~[13]考虑轴压比、碳纤维加固量和剪跨比3个因素对CFRP加固柱的后期影响。结果表明:

1)强剪弱弯系数和总配箍值两者与位移延性系数呈正相关性,随前者增大而增大。其中,强剪弱弯系数根据结构的抗震需求可以参照混凝土规范进行取值,也可以直接取值于混凝土规范,鉴于碳纤维破坏时的脆性特性,可适当提高其数值,但切忌不可取值过大。

2)防止混凝土柱出现裂缝和限制斜裂缝的发展可通过碳纤维布进行加固,混凝土柱的受剪承载力得到明显的提高,从而使强剪弱弯的抗震需求得以实现。

3)碳纤维加固量可影响混凝土柱的截面破坏形态,当增大加固布用量时,斜截面剪切破坏可转化为正截面的压弯破坏并提高柱体的延性。

文献[14][15]认为,含FRP率、钢筋屈服强度、纵向配筋率、混凝土抗压强度、轴压比是影响FRP约束混凝土柱P—Δ和M—φ滞回性能的重要参数;P—Δ滞回曲线上,相比于钢筋混凝土试件出现的严重捏缩现象,FRP约束混凝土柱在轴压比增大的情况下,P—Δ滞回曲线表现良好,且柱体较之延性较好;刚度变化上,相对于钢筋混凝土构件,FRP约束混凝土构件在往复荷载作用以及轴压比增大的情况下,刚度退化略慢。

截至目前,由于在加固机理上存在着认识不足,抗震性方面的理论系统不完善,如二次受力荷载下,对于粘贴碳纤维布加固贡献值,不同的学者都试图从力学的角度进行分析,但并未形成共识,其计算值只能通过试验角度来进行解释。不同于大量的试验研究,抗震性方面的理论研究很少,大多数学者主要是通过试验以及有限元模拟来进行研究,利用试验得到的P—Δ滞回曲线,再借助于钢筋混凝土的基本力学原理,提出符合试验结果的位移延性系数和剪切强度计算公式,这就相对造成了加固抗震性理论系统性不足。

3 结语

“十三五”期间大量的基建修复工程,为碳纤维布加固技术提供了更加广阔的应用前景。相信随着相关科研工作的不断展开以及工程实践经验的不断积累,前述遇到的加固工程缺点以及抗震性理论系统不完善的情况都会得到改善,这项加固技术将会更加成熟,更加完善。

摘要：介绍了碳纤维布加固钢筋混凝土柱的优缺点,主要从强度、刚度和延性三个角度,分析了碳纤维布加固钢筋混凝土柱的抗震性能,对提高碳纤维布加固技术的水平有一定的意义。

框架柱混凝土缺陷检测及缺陷处理 第2篇

【关键词】混凝土质量缺陷；加固处理；分析

现浇钢筋混凝土框架结构由于其施工现场作业工序多，难度大，施工技术要求高，施工过程中不认真落实施工方案，易出现质量问题，其主要施工质量问题是现浇混凝土柱的错位缺陷。柱子的错位缺陷，主要有两方面原因:一是放线不准确，使柱轴线出现过大的偏差，柱模板支立不准确，支撑不牢或模板受到侧面撞动(如混凝土料斗冲击撞模板等)容易造成柱上端位移，另一种是柱子的主筋位移较大，使模板无法正位。那么怎样检测框架柱混凝土的缺陷呢？

1.工程實例

某下程主厂房高程15～25m层共2O根框架柱，截面尺寸600×1200mm，高度8m，设计强度等级C30。由于工期较紧，天气热，为确保工期，框架采用商品混凝土浇注。拆模时发现多数柱表面出现蜂窝、孔洞、露筋现象。

2.缺陷的检测与评价

2.1检测原则

检测包括两方面内容：一是框架柱混凝土内部密实性；另一方面是结构混凝土强度，即完好区域 昆凝土强度情况。检测批样本容量，对于前者，考虑到外观质量已经出现严重质量问题，表明该T程浇筑质量控制存存系统问题，因此要全面检测，即20根框架柱全部要检测到。对于后者，因为是商品混凝土，只要混凝土密实性较好，强度是能够保证的，因此可以按《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》中批量检测抽样率进行抽样。

2.2结构混凝土强度检测

采用回弹法检测结构混凝土强度，并利用取芯法对回弹强度进行修正。检测结果为：高程15～25m层柱混凝土总体平均强度为39.7MPa，强度均方差为3.31MPa，总体推定强度为32.4MPa，达到设计强度等级C30的108％。

2.3结构混凝土密实性检测与分析

利用超声法检测混凝土内部密实性，该方法主要是根据超声波在混凝土中传播的声学参数来表征混凝土质量的。经过对超卢声速值的统计与分析，结合波形情况，检测结果如下：缺陷点主要是由混凝土表面缺陷所致，且主要集中在框中、下部。表明混凝土表面完好区域以及外观质量有严重缺陷区域，其混凝土内部密实性较好。经局部凿开量测，缺陷深约40～160mm。经现场了解，该工程框架柱高度达到10m，而浇筑混凝土时未用导管，加上振捣不力，致使柱中、下部出现较严重缺陷。

3.缺陷的处理

3.1缺陷处理措施

表面清理：先对表面有麻面及蜂窝现象处用凿子试凿，凿除至密实混凝土处。尽可能将混凝土缺陷部位凿成开敞式，以便混凝土的浇捣密实，并用钢丝刷清除表面的浮渣及钢筋浮锈，用高压水冲洗干净，养护2日，及时请监理及业主验收，根据现场凿开的情况确定柱的缺陷按以下三种方式进行修补。

(1)面积较小及深度在8cm以内的缺陷部位直接用掺膨胀剂的C35细石混凝土分层抹压密文，或采用1:2掺膨胀剂的水泥砂浆分层抹 密实后，浇水养护14天。

(2)柱最大缺陷截面的深长之和(b和h)小于该面尺寸的1/2时，对表面处理完毕后，采用支模浇灌注修复。视洞口的大小采用100高到300高3O厚的木模配置，柱外侧上口比原柱截面大30cm，从底至混凝土有缺陷的地方支成喇叭口。用C35微膨胀细石混凝土(UEA膨胀剂),按150厚分层浇灌密实，并用直径为33振捣棒振捣。严格控制时间，避免漏振与过振，12h后浇水养护，48h后拆模，养护7天后对不砌墙的外露柱混凝土面突m部分用凿子凿除，并用1:2水泥砂浆抹平。

(3)柱最大缺陷截面的深度之和(b和h)大于该面尺寸的1/2时，对表面处理完毕后，采取局部加大的方式加固。将柱脚凿成倒“八”字形，柱采取加大截面方式支模，模板每边加大1O0mm，高度600，分两次支模，待底部混凝土浇灌密实后，接着迅速支设上模板接着浇灌上部混凝土，内部配圆钢8@200间距的箍筋，立筋采用12的二级钢，间距400，浇筑前混凝±外表面刷107素浆，接着铺混凝土配比相同的水泥砂浆，特别对柱跟部混凝土采用人丁捣实后，然后浇筑C35细右混凝土掺加膨胀剂(UEA膨胀剂)，按300厚分层浇灌密实，并用小直径的振捣密实。12h后浇水养护，24h后拆模，养护l4天。

3.2质量控制

(1)聘用具有结构加固资质单位的技术人员进行现场指导结构补强。

(2)施工前，对施工人员进行质量培训，加强质量认识。

(3)由于该柱及梁、板混凝土浇筑时间不长，混凝土强度正处于增长期，为了保证其他混凝土部分不受振动影响，使用铁锤、铁錾子进行混凝土剔除。

(4)HJ45结构加固料、多功能修补砂浆，严格按厂家提供的产品说明进行使用，在使用前严格检查合格证、质量证明材料等，重点检查H_J45结构加固料的抗压强度，在浇筑H-J45结构加固料时，留置2组试块(1组同条件和1组标养)，分别于3d，28d后测试其抗压强度。

(5)严格控制加固料及多功能修补砂浆的水灰比，用台秤准确计量。

(6)加强技术力量，技术人员亲临现场，指导施工，严格按施工工艺施工，专职质检员24h跟踪监督。

(7)模板拆除后，用塑料布围裹养护，对凸出部位(漏斗处)用磨光机磨平。

(8)选用精于的、技术好的、固定的施工人员进行施工。

(9)经过专家论证指导对于本层其他柱以及补强柱部分检查其同条件及标养混凝土养护试块强度28d确保其结构混凝土强度

(10)关键下序验收。缺陷部位凿除程度及清理为关键工序，由监理、业主及现场相关管理人员联合检查验收后方可支模。模板支设并固定后需经监理认可后进行无收缩混凝土的灌注。混凝土浇筑完毕拆模养后需经监理验收认可后进行突出部分的凿除及抹灰。待柱全部修补完毕后由监理、业主共同进行总体验收。并对试块进行送试检测。

(11)柱凿除前必须采取加固措施，在柱梁交接处梁底加设小横杆支撑该梁，确保安全。

3.3缺陷处理后检测

缺陷经上述处理后28天，利用超声法兼取 直观验证的方法对缺陷处理后的情况进行了检测。结果表明，修补混凝土与老混凝土结合良好，多数部位已很难分清新老混凝土的界线。且新老混凝土结合体的混凝土抗压强度也达到了没计强度等级C30要求，即经过处理后，框架柱完全能够满足工程使用要求。

4.结论

混凝土质量强度和缺陷，柱轴线偏差，主筋移位和保护层厚度偏差等会对框架柱的质量产生重大影响，如果在施工中能够严格按规范和规程操作，加强施工人员质量意识，对出现的问题妥善处理，就可以把质量缺陷杜绝于萌芽状态。

【参考文献】

［１］GB50204—2002混凝土结构工程施工质量验收规范[S]．

［２］JGJ／T 23—2001回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S]．

［３］CECS03：2007钻芯法检测混凝土强度技术规程[S]．

［４］GB50550—2010建筑结构加固工程施工质量验收规范[S]．

［５］GECS21：2000超声法检测混凝土缺陷枝术规程[S]．

碳纤维混凝土柱 第3篇

关键词：碳纤维混凝土柱,轴压比,滞回性能,有限元分析

0前言

普通钢筋混凝土结构具有承载力高、耐火性好、施工方便等优点, 但其又有抗拉强度低、易开裂、脆性大、不利于抗震等缺点。普通钢筋混凝土结构虽然具有较高的承载力, 但随着混凝土强度等级的提高, 上述缺点表现得更为明显, 其低韧性已经不能满足某些特殊场合对材料的特殊要求[1]。因此, 改善混凝土的脆性一直是混凝土研究发展的方向。

纤维混凝土是近年来发展非常迅速的新型复合材料, 在土木工程中得到了广泛的应用。在混凝土中加入纤维能有效改善混凝土的抗裂性、韧性, 提高混凝土的强度。工程中常用的纤维主要有:钢纤维、玻璃纤维、尼龙、聚丙烯纤维、碳纤维、聚乙烯纤维等, 其中以碳纤维混凝土综合性能最好。这主要是由于水泥浆是碱性环境, 碳纤维在碱性环境里稳定性好, 而且碳纤维无毒无害, 对水的湿润性大, 与混凝土连接紧密, 增强效果明显[2]。国内外有关专家对碳纤维混凝土做了一些试验与理论研究, 文献[3]对碳纤维混凝土的增强机理从微观和宏观上进行了分析;文献[4]对碳纤维混凝土剪压柱进行了试验与理论分析;文献[5]从理论上对碳纤维混凝土的主要优缺点进行了总结。但目前对于碳纤维混凝土柱滞回性能的研究还不多见。基于此, 笔者通过试验研究了不同轴压比对碳纤维混凝土柱抗震性能的影响, 并得到了试件的滞回曲线、骨架曲线;同时采用有限元模拟软件ABAQUS建立了试件的三维非线性有限元模型, 对碳纤维混凝土柱的滞回性能进行了有限元分析, 分析结果与试验吻合较好, 从而验证了有限元模拟的合理性。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验共制作了三个矩形试件柱, 碳纤维混凝土按碳纤维体积掺量进行配合比设计, 基体混凝土采用C30。碳纤维采用北京某公司生产的6mm短切碳纤维, 其性能指标见表1。每组试件留3个150mm150mm150mm的标准试块, 试块与试件柱同条件养护, 得到碳纤维混凝土试块抗压强度为31.28MPa。试件柱的截面尺寸为200mm150mm, 墩尺寸为600mm300mm500mm。试件设计见图1。纵筋采用Q420级钢筋, 箍筋采用Q345级钢筋。试件编号及所施加的轴压比如表2所示。

1.2 试验装置

本次试验在沈阳建筑大学结构工程实验室进行, 试件加载现场见图2。为了满足试件基础边界固定的条件, 防止试件在加载过程中产生相对位移, 在试件底座两端各压了一根自重和刚度都很大的钢梁, 钢梁通过地螺栓固定在地沟里。为了实现柱顶低周往复平移的试验设置, 在千斤顶根部连接两块滑板, 用螺栓将两块滑板连接在一起。竖向千斤顶2500k N, 放置250k N MTS伺服作动器对试件进行水平往复加载。

1.3 加载制度

本次试验采用力与位移混合加载, 在加载初期采用力控制, 当试件达到屈服位移后改用位移控制。具体加载步骤如下:

(1) 在柱顶施加预加载, 加载至设计轴压力的10%, 循环3次, 以使试件与加载装置紧密接触。

(2) 预载完成后, 卸荷至零, 然后逐级施加轴压力。

(3) 加载至1/3轴压力设计值, 停留5min。

(4) 加载至2/3轴压力设计值, 停留5min。

(5) 加载至轴压力设计值, 保持恒定不变。

(6) 施加往复水平荷载, 以10k N为一阶段逐级施加往复位移荷载, 直至试件进入屈服阶段, 按位移加载。

(7) 位移控制为1△y、2△y、3△y、4△y每级控制循环荷载下循环2圈, 当骨架曲线下降到试件极限荷载的85%或试件破坏时停止加载。加载循环示意图如图3所示。

2 试验结果

2.1 试验现象

试验开始阶段采用力控制, 由于加载初期试件处于弹性工作阶段, 试件没有出现裂缝。随着力荷载的增加, 当试件屈服后, 采用位移控制, 碳纤维的作用主要是在混凝土开裂前抑制裂缝的产生[6,7]。随着位移荷载的增大, 试验柱根部开始出现水平向微小裂缝。试件的破坏现象为:当按1△y位移控制时, 柱子根部出现水平裂缝, 裂缝宽度不大。当按2△y位移控制循环荷载时, 裂缝宽度出现不同程度的增加, 部分混凝土开始鼓起。当按3△y位移控制时, 裂缝向上延伸, 且产生新的裂缝, 裂缝宽度也增大。当按4△y控制时, 裂缝宽度很大, 大部分混凝土被压碎, 钢筋外鼓, 试件破坏。随着轴压比的增大, 裂缝开展的宽度越大, 破坏现象越明显。各试件柱的最终破坏形式如图4所示, 由图4可以看到, 柱子根部鼓起, 裂缝纵横交错。

2.2 滞回曲线

滞回曲线是试件在低周往复荷载作用下力与位移的关系曲线。滞回曲线的形状及饱满程度是评价试件抗震性能优劣的重要指标之一, 也是进行结构弹塑性反应分析的重要依据[8]。图5是各试件的滞回曲线, 由图5可见, 在弹性范围内加载时, 滞回曲线所包围的面积几乎为零, 发生的变形为弹性变形, 几乎没有能量消耗。随着循环荷载的增加, 试件进入塑形阶段后, 承载力逐渐降低, 循环荷载降低了试件的强度。随着轴压比的增大, 试件的极限承载力逐渐降低, 且各试件达到极限承载力后, 承载力缓慢下降, 表明试件具有很好的塑性变形能力。

3 有限元模型建立

采用有限元分析软件ABAQUS对试件进行了有限元模拟, 模型按试验试件的原尺寸建模, 忽略对模型影响不大的次要因素。

3.1 模型建立

采用ABAQUS建模时, 混凝土采用三维实体单元建立模型, 纵筋与箍筋采用非线性杆单元, 钢筋的弹性模量取206000MPa, 泊松比取0.3。纵筋与箍筋形成的钢筋笼内嵌于混凝土中, 纤维混凝土柱与底座采用绑定约束方式。柱顶施加恒定轴压力;底座底面设置参考点, 参考点与底面耦合, 约束参考点六个方向的自由度。在柱顶侧面设置参考点, 参考点与柱顶侧面耦合, 在参考点上施加往复位移荷载。为了提高计算精度同时节约计算资源, 混凝土采用六面体单元划分网格, 纤维混凝土柱网格划分得相对精细, 柱墩网格划分得相对粗糙。

3.2 纤维混凝土本构

碳纤维混凝土由于内掺碳纤维的存在其力学性能不同于普通混凝土。本文中碳纤维混凝土的应力-应变关系曲线采用文献[9]提出的碳纤维混凝土本构关系。

上升段:

下降段:

式中:fCFRC为碳纤维混凝土轴心抗拉强度;p为碳纤维体积含量, %;f0为基体混凝土轴心抗压强度;εCFRC为碳纤维混凝土峰值应变;ε为基体混凝土峰值应变。

碳纤维混凝土采用ABAQUS提供的混凝土塑性损伤模型, 该模型考虑了混凝土的塑性损伤, 且具有较好的收敛性。

3.3 结果分析

通过有限元软件得到试件在不同轴压比下的应力云图, 以试件Z-01的最终破坏形态为例进行说明。图6是试件变形前后应力云图, 由图可见, 柱子中部以下部分应力较大, 柱根部出现了鼓起。

3.4 滞回曲线分析

ABAQUS模拟不同轴压比下各试件的滞回曲线如图7所示。

从图7可见, 各试件的滞回曲线均比较饱满, 没有捏拢现象, 表明试件的耗能能力较好。随着轴压比的增大, 试件的极限承载力降低, 当轴压比较小时, 试件达到极限荷载后, 随着位移的增加, 荷载缓慢降低, 说明试件的延性较好。

3.5 骨架曲线分析

图8是试验与模拟试件的骨架曲线, 由图8可见, 试验与模拟所得骨架曲线基本吻合, 在加载初始阶段, 试件处于弹性工作阶段, 各试件骨架曲线的上升段成直线, 说明轴压比对试件的弹性阶段影响不大。随着位移荷载的增大, 试件开始进入塑性阶段, 轴压比越大试件的极限承载力越低, 且小轴压比延缓了节点峰值荷载的到来。表3列出了试验值与模拟值的对比结果, 从表3可知, 试件极限荷载的试验值与模拟值的误差分别为4.02%、4.29%和7.65%, 误差在20%以内, 在误差允许范围内[10]。

延性是结构或构件在破坏之前, 承载力无明显下降条件下经受非弹性变形的能力[11]。在结构的抗震设计中, 延性是衡量结构抗震性能的一个非常重要的指标, 通常用延性系数表示。延性系数又可分为转角延性系数、位移延性系数和曲率延性系数。本试验采用位移延性系数来评价试件抗震性能的优劣。位移延性系数的计算方法按文献[11]中给出的计算方法计算。表3给出了各试件的位移延性系数, 从表3可知, 各试件的位移延性系数均大于3, 平均值为3.66, 表现出试件具有较好的塑形变形能力。随着轴压比的增大, 延性系数逐渐减小, 但影响不是很大。

4 结论

(1) 无论轴压比如何变化, 碳纤维混凝土柱的滞回曲线均比较饱满, 表明碳纤维混凝土具有良好的耗能性能。

(2) 随着轴压比的增加, 试件的极限承载力降低, 所对应的极限位移减小, 表明较低的轴压比不仅可以充分发挥材料的性能, 而且延缓了节点峰值荷载的到来。

(3) 随着轴压比的增大, 试件的位移延性系数减小, 表明轴压比的增大使试件的塑形变形能力减弱, 但影响不是很大。

参考文献

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[9]于良, 程华, 靳雨欣, 等.碳纤维混凝土单轴受压应力-应变本构关系[J].后勤工程学院学报, 2013, 29 (4) :6-12.

[10]徐亚丰, 王越.碳纤维钢骨-钢管混凝土柱抗震性能试验研究与有限元分析[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2013 (4) :612-620.

墙柱混凝土质量缺陷的处理技术分析 第4篇

【关键词】建筑工程；墙柱；混凝土；质量问题；缺陷；处理技术

現代社会中，我国的建筑行业有了非常显著的发展，同时人们的生活水平也在这一过程中得到了十分 显著的提升，在建筑工程施工建设的过程中，墙柱混凝土是一个非常关键的部分，因为这项工程的施工质量直接关系到 工程主体的质量，但是在施工的过程中，墙柱混凝土施工会受到诸多因素的影响，所以为了确保工程的安全性和稳定性，必须要采取有效的措施 对其予以控制和处理。

1.墙柱混凝土施工中常见的几种质量问题

和其他材料的结构相比，混凝土结构的优点具体体现在以下几个方面：整体性好，可灌筑成为一个整体；可模性好，可灌筑成各种形状和尺寸的结构；耐久性和耐火性好；工程造价和维护费用低。但是，混凝土抗拉强度低，部分地采用了钢筋混凝土楼板。容易出现裂缝；结构自重比钢、木结构大；室外施工受气候和季节的限制；新旧混凝土不易连接，增加了补强修复的困难。此外，混凝土结构施工工序复杂，周期较大，且受季节和气候的影响较大。如遇损伤，则修复比较困难。混凝土的隔热、隔声性能也较差。

1.1蜂窝、麻面

蜂窝和麻面是墙柱混凝土在施工的过程中非常容易出现的问题，而如果施工的时候出现了较为严重的麻面或者是蜂窝的情况，就会使得墙柱整体的施工质量和施工 水平都受到比较不力的影响，所以必须要对其予以高度的关注。出现这种质量 问题主要是因为配合比设计不当或者是材料搅拌均匀度不足。在浇筑施工的过程中如果出现了一些离析的现象就会使得工程的质量无法保证，而如果施工的过程中，施工人员并没有采取有效的措施对其进行仔细的振捣，也会出现比较严重的蜂窝或者是麻面的情况。

1.2露筋

露筋也是墙柱混凝土施工过程中常见的一个质量通病，在施工的时候 ，如果钢筋露出到墙柱的外侧，钢筋就和空气接触，这样就会发生氧化反应，从而使得钢筋出现明显的腐蚀现象。出现这种情况的主要原因是施工人员在钢筋安装施工中操作并不标准，此外混凝土的质量不达标也是出现这种情况的重要因素。

2.墙柱混凝土质量问题的原因分析

2.1施工队伍与管理队伍方面的原因

在墙柱混凝土施工的时候，施工人员占据着非常重要的位置，而施工过程中也会受到诸多因素的影响，从而使得施工质量无法得到非常好的保证。具体来说主要有以下 几点。首先就是管理队伍在施工的过程中并没有严格的按照相关的要求进行管理。管理制度还不是十分的完善，所以施工质量也就无法保证。其次是因为施工人员在正式开展施工作业之前并没有和设计 人员进行详细的沟通，也没有做好交底工作，所以施工中不规范操作的情况时常发生，这样一来就出现了不少质量上的问题和缺陷。

2.2施工方面的问题

墙柱混凝土在施工的过程中发挥着十分重要的作用，因为它对整个工程的施工质量都会产生非常重大的影响，但是如果施工人员在施工中存在着操作不规范等问题，就会出现安装质量不合格，稳定性差等问题，这些问题一旦出现，就 会对施工的质量和水平造成非常明显的负面影响。此外施工人员在梁板浇筑施工的过程中在准备工作还不是十分充足的条件下就进行浇筑施工，从而对工程的质量和性能都产生了不利的影响。

2.3混凝土墙柱自身质量检测方面的问题

一般来说，当墙柱混凝土工程施工完毕之后需要相关工作人员对其施工质量进行全面检测，以确保工程的强度以及施工质量。当墙柱混凝土工程施工完毕之后，相关技术人员需要采用普通混凝土检测方法对建筑工程进行验收，只有确保检测达到规定要求之后才能够投入使用，使其功能得到充分发挥。

3.混凝土墙柱质量缺陷的处理技术方案

（1）混凝土存在明显质量缺陷表现为：蜂窝麻面、掉角烂根、漏振、露筋等现象。墙柱的面积比较大，在建筑工程的主体结构上，作用重大，起到承载受力作用。在进行剔凿工作时，在施工前预先需要进行大面积剔凿的墙柱进行重新施工浇筑，需要对模板支撑的四周进行检查，检查是否牢固，对于模板支撑不牢松动等的地方，要进行加固支撑，保证在施工期间模板不发生位移，造成脱模，影响混凝土工程施工质量。在进行剔凿施工过程中，通常是进行人工剔凿，使用的设备以钢钻为主。在进行高空施工时，施工人员必须有安全保证。搭建马登或脚手架以及安全绳等，实时保证施工工作人员的生命安全。施工的过程从墙柱的顶部以及梁板的底部开始进行，然后剔凿掉所不合格的有质量缺陷的混凝土。直到与下部露面相结合的位置。同时在剔凿混凝土施工中，必须要对钢筋进行清洁，使用钢丝刷或者砂布进行清洁，保证钢筋不被氧化。

（2）对剔凿混凝土后，重现的钢筋要进行重新的绑扎，使得在第一次浇筑过程中钢筋位移的要进行不要的修正。按照规范要求进行钢筋的调整，使得钢筋在水平方向和垂直方向都保持直线。箍筋相互之间的间隔距离要均匀，并且对钢筋的绑扎要牢靠。在对钢筋的主筋、箍筋等绑扎工作完成后，需要上报监理方，然后监理方进行检查验收，检查是否达到标准。经监理方监理验收后，检验合格然后才能进行施工。同样的在对于模板安装施工过程中，要选用新的模板进行安装。保证在施工完毕后，浇筑的混凝土质量不出现缺陷。经监理方检查验收合格后，符合规范和设计要求后，方可进行混凝土浇筑施工。对于混凝土浇注口的预留，在不同位置的墙柱进行浇筑，要考虑浇筑的预留口，以方便于下次进行其他部件的施工。方便浇筑的下料和振捣施工。

（3）混凝土的浇注：在对混凝土进行重新浇注施工前，把模板的底口进行封堵，封堵使用砂浆，封堵得一定要严密而且牢靠，避免在底部发生漏浆等现象。使用的混凝土配合比参数，在浇筑施工前，由专业资质的实验室出具。混凝土一定要进行检测合格后方可进行施工浇筑，施工完毕有对混凝土的养护最少为4d。

（4）对于混凝土在局部的位置发生烂角、露筋等现象的质量缺陷问题的处理，先对发生部位及其四周在一定范围内进行清洗，然后对清洗后，暴露出的钢筋进行修正，使得钢筋符合规范要求。在支好模版，然后使用清水对混凝土进行浇水湿润，最后采用高一标号的细石膨胀混凝土进行修补。

4.结语

综上所述，混凝土墙柱在进行施工的过程中，其自身在整个建筑结构之中所起到的主要作用就是承载受力，这是影响建筑工程质量的一个主体结构，墙柱混凝土所拥有的质量会对于整个工程的使用寿命带来较大的影响，同时还影响到了整个工程是否能够安全的施工。所以，在针对墙柱混凝土进行施工的过程中，务必要保证施工的严格性，提高管理，全面的掌握影响质量的各个方面，最大限度的避免墙柱混凝土质量受到不利的影响。 [科]

【参考文献】

[1]任月静，王雪峰.浅谈混凝土施工的质量控制[J].民营科技，2010（02）.

碳纤维混凝土柱 第5篇

关键词：碳纤维增强塑料,约束混凝土,短柱,轴心受压

0 引言

纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)是一种由高性能的纤维和基材组成的新型复合材料。它是由特殊的拉丝工艺制成的连续纤维,直径为520mm。之所以运用纤维材料是因为大尺度的材料经过加工得到纤维,这样不仅能有效地提高物理力学性能和材料的利用效率,而且能够获得性能更加优越的新材料[1,2,3]。基材是由树脂、固化剂组成的。用树脂(内加固化剂)浸润碳纤维,待树脂固化后形成的材料称为碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced P1astics),简称CFRP。

碳纤维增强塑料具有下列几个显著的特点:密度小、强度高,密度为普通钢材的1/6而抗拉强度却为普通钢筋的46倍;抗腐蚀性能好,强度不受酸碱腐蚀介质的影响;低松弛;非磁性,对电磁信号的传播基本没影响;抗疲劳性能强,疲劳寿命比钢材高;温变系数与混凝土相同;弹性模量和钢材相近;极限延伸率为1%[4,5]。因为碳纤维增强塑料具有上述优良特性,所以常用它来对旧混凝土结构进行加固,例如混凝土轴心受压构件的加固[6,7]。

对于以往的传统混凝土结构中,一般通过螺旋箍筋来约束混凝土。基于CFRP材料的众多优良性能,本文对碳纤维增强塑料约束混凝土短柱在轴心受压状态下的力学性能进行了试验研究,并将试验结果与普通混凝土和普通螺旋箍筋短柱的力学性能进行对比,对结论进行分析。

1 轴心受压下碳纤维约束钢筋混凝土短柱试验

为了对碳纤维约束螺旋箍筋柱的力学性能进行分析,制作了9个直径为15cm、高为30cm的圆柱型试件,在试验室对圆柱型试件进行加载试验。

1.1 试件类型及准备

制作螺旋箍筋柱9个:其中3个作为对照基准组,另外6个分为二组,其中3个用环氧树脂浸润一层碳纤维布组成的CFRP材料进行约束,另外3个用两层的碳纤维布组成的CFRP材料进行约束。螺旋箍筋柱的配筋采用φ6钢筋,沿圆周方向等距离布置6根纵筋;箍筋采用焊接封闭圆环的形式,纵向上下各留出2.5cm后,每个试件设箍筋6道,箍筋间距为5cm,箍筋环向保护层厚度为2cm。

所有圆柱形试件的混凝土参数如表一所示:

试验圆柱的制作过程严格遵守规范操作要求,草袋保湿养护。养护28天后充分晾干,根据试验设计的要求,选定其中三个作为标准试件,对剩下的六个圆柱进行CFRP约束。碳纤维增强塑料约束混凝土柱的具体步骤是:用砂轮磨掉圆柱表面的不均匀的水泥浆体;用经过特殊处理的环氧树脂黏结胶刷圆柱试件的底层;用环氧树脂浸润碳纤维布,其中三个试块黏贴一层,剩下三个黏两层碳纤维布。等环氧树脂固化完成,就得到了CFRP约束混凝土柱。

1.2 加载试验

在实验室采用200吨压力试验机对所有试件进行加载。加载过程中柱的纵向位移和CFRP环向变形分别用百分表和电阻应变仪测量。

1.3 试验现象和试验结果

加载试验结束后,根据试验过程观察到的试验现象和数据,将轴心受压加载试验中的普通螺旋箍筋混凝土柱和CFRP约束螺旋箍筋柱的试验现象和结果如表二所示。

(1)CFRP约束螺旋箍筋柱的极限荷载

试验结束后,将试验的普通螺旋箍筋柱和CFRP约束螺旋箍筋柱的极限荷载大小填入表二。从表中数据可知:同普通螺旋箍筋柱相比,采用CFRP约束后螺旋箍筋柱的极限荷载显著提高,并且平均提高幅度为126.1%177.1%;此外,黏贴二层碳纤维布的试块比只黏一层碳纤维布的试块的极限荷载明显增加。

(2)混凝土圆柱的荷载竖向位移曲线

由实验结果绘制第一组试块(一层CFRP约束)和第二组试块(普通螺旋箍筋柱)的荷载竖向位移曲线,曲线如图一所示。由图一可知:首先,混凝土试块出现裂纹后,二组试块的变形模量都会下降,然而普通螺旋箍筋柱的第二组的变形模量下降幅度更大,且总体变形模量明显小于CFRP约束的螺旋箍筋柱;其次,普通螺旋箍筋柱的总变形量远小于CFRP约束螺旋箍筋柱,当标准试块即普通螺旋箍筋柱发生破坏时,碳纤维增强塑料约束螺旋箍筋柱的变形量才为总变形的1/3,并且此时柱体的变形仍处于弹性阶段。

(3)试验现象

试验加载过程中,当普通螺旋箍筋柱的荷载小于30t(为极限荷载的65%左右)时,混凝土的环向应变基本按比例保持线性增加,纵向位移约占总位移的60%;当施加荷载大于30t时,普通螺旋箍筋柱的外侧混凝土环向应变会迅速增大,可观察到纵向裂,而且裂纹迅速发展,柱体最终发生破坏。

对于第二组和第三组的CFRP约束螺旋箍筋柱,当外载不超过70t(极限荷载的75%左右)时,其环向应变大致都保持线性增长,纵向位移约占总位移的一半;当外载超过70t时,其环向应变增加较快,最后CFRP发生局部断裂,其对内部混凝土的约束功能在一定程度上减弱了,最终柱体被破坏。在混凝土圆柱被破坏前,局部CFRP环向应变大于7500,说明CFRP材料的强度得到充分的发挥。此外柱体试块的破坏相当突然,碳纤维增强塑料突然断裂,混凝土碎块向四周散落,并发出响亮的声音。CFRP约束螺旋箍筋柱的纵向总变形约比普通螺旋箍筋柱的纵向总变形量大一倍。

2 结束语

根据试验结果和结果分析可知:在轴心受压加载试验中,有碳纤维增强塑料约束的螺旋箍筋柱与普通螺旋箍筋柱相比,构件的极限承载能力等力学性能得到了显著提高,并且混凝土结构的变形性能得到了显著的改善。因此,倘若运用于实际工程中,将会带来较好的效果。但是,其破坏较为突然,没有明显的预兆,因此若采用CFRP约束螺旋箍筋柱,在设计过程中应该加以重视并充分考虑。

其次,因为本文试验试块的尺寸较小,因此建议今后的研究中应增大试块的尺寸。此外,本文试块的钢筋种类和配筋率都是单一的,所以在今后的研究中应该采用不同种类的钢筋和配筋率不同的试块进行研究分析,这样计算得出CFRP约束钢筋混凝土的理论计算结果,用以工程实践指导。

最后,由于大部分的柱体并不处于轴心受压状态,一般为偏心受压状态,所以对于CFRP约束混凝土的力学性能的研究,还应该对其在偏心受压下进行试验。只有这样,才能使CFRP约束钢筋混凝土的结构形式在实际工程中得以运用。

参考文献

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[2]朱张校.工程材料(第三版)[M].北京:清华大学出版社,2001.

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[4]Stephen Kurtz and P.Balaguru.Comparison of Inorganic and Organic Matrices for Strengthening of RC Beams with Carbon sheets.Journal of structural Engineering,January2001.

[5]贺曼罗.建筑结构胶黏剂的发展与应用[C].重庆市2002年结构加固会议论文.

[6]四川省建筑科学研究院.中国工程建设标准化协会标准——混凝土结构加固技术规范[R].北京:中国计划出版社,1991.

碳纤维混凝土柱 第6篇

关键词：废弃纤维,再生骨料,承载力,最优掺量

随着我国城市建设的发展, 老旧建筑的拆除所产生的大量建筑垃圾和废料带来了严重的环境污染。在建设工程中应用再生混凝土, 能够同时解决天然骨料的消耗和建筑垃圾的污染问题[1]。然而, 再生骨料混凝土内部存在一定的缺陷, 使其抗拉强度低, 韧性低, 为了弥补这些缺陷, 可通过在混凝土中加入一些短纤维来弥补部分缺陷[2]。聚丙烯纤维具有耐酸碱性好、重量轻、不吸水的特性, 可以在不改变混凝土的配比的基础上作为混凝土的增强纤维, 有效的改善混凝土的性能[3]。目前, 对纤维混凝土的研究也多对于材料本身性质的研究, 对纤维混凝土构件的研究很少, 对废弃纤维再生混凝土的研究就更少, 本文通过abaqus软件[4], 通过改变纤维体积掺入量, 对废弃纤维再生混凝土柱轴心受压性能进行模拟分析。

1 有限元的模型建立

1.1 模型建立

模拟四个试件, 均采用C40混凝土, 废弃纤维体积掺量分别为0.08%, 0.12%, 0.16%和不掺纤维, 废弃纤维长度均为19mm, 再生骨料掺量均为100%, 柱截面尺寸均为300mmx300mm, 长1500mm。柱中全部纵向受力钢筋选用直径16mm的HRB335级钢筋, 所有箍筋选用直径8mm的HPB300级钢筋, 配筋详情见图1。

1.2 本构关系

本构关系已由沈阳建筑大学周静海教授的废弃纤维再生混凝土试验研究得出[5], 利用此本构关系建立废弃聚丙烯纤维纤维再生混凝土的材料性质。

2 受力性能分析

2.1 承载力分析

通过表1可以看出在掺入纤维体积变化的情况下柱的极限荷载有明显变化, 跟普通混凝土柱相比有所提高, 跟再生混凝土相比提高更加明显, 体积掺量0.08%的废弃纤维再生混凝土较不添加废弃纤维的再生混凝土试件承载力提高了26.95%, 体积掺量0.12%的承载力提高了32.45%, 体积掺量0.16%的承载力提高了29.47%, 可以看出0.12%的体积掺量试件的承载力提高最多。

2.2 应力-应变关系

由图2可以看出, 废弃纤维混凝土的应力-应变曲线和普通混凝土的曲线大致相同, 废弃纤维再生混凝土的应力-应变全曲线的形状是由其受压变形和破坏特过程决定的, 废弃纤维再生混凝土应力-应变全曲线与普通混凝土一样, 同样具有峰值点、临界应力点、比例极限点和反弯点等特征点。可分为弹性阶段、裂缝稳定发展阶段、裂缝失稳扩展阶段、破坏阶段。不掺纤维的试件曲线在失稳阶段表现的更平缓, 掺纤维的混凝土在掺量0.08%的条件下比0.12%和0.16%的更加平缓。

3 结论

(1) 再生混凝土柱中掺入废弃聚丙烯纤维可以有效提高极限承载力。

(2) 掺入废弃纤维长度为19mm时, 0.12%的体积掺量提高再生混凝土柱的强度最多。

(3) 废弃纤维再生混凝土柱的应力-应变曲线与普通混凝土应力-应变曲线类似, 都分为上升段和下降段。

参考文献

[1]尹海鹏, 曹万林.不同配筋率的再生混凝土柱抗震性能试验研究[J].震灾防御技术, 2010.3.

[2]蔡洛芬.谈玻璃纤维增强水泥的研究与开发「J].玻璃纤维, 1994. (2) :21-26.

[3]姚武, 李杰.聚丙烯纤维对混凝土抗拉强度的影响[J].混凝土, 2001, (10) :40-42.

[4]李跃宇, 刘树春.用ABAQUS进行弹塑性问题的分析[J].淮海工学院学报, 2004.9 (3) :18-21.

碳纤维混凝土柱 第7篇

混凝土腐蚀破坏的直接原因是钢筋锈蚀而产生的体积膨胀使钢筋保护层脱落[1]。有关资料显示, 海洋工程中处于浪溅区的混凝土部分在海水干湿交替的作用下, 裂缝发展迅速, 海水携带Cl-不断渗入破坏了钢筋表面的碱性钝化膜, 因而腐蚀更加严重[2]。所以, 控制混凝土表面孔道和裂缝数量与尺寸, 阻断海水渗入途径是解决海洋工程钢筋混凝土结构耐久性不足的有效措施[3]。

碳纤维 (CFRP) 加固修补混凝土结构技术具有高强、轻质、耐腐蚀、施工方便等优点, 已使用于土木工程中的众多领域[4,5]。但是, 碳纤维材料加固钢筋混凝土结构在海水侵蚀下腐蚀损伤程度的研究还较少。本文利用电化学腐蚀原理, 通过模拟海洋环境, 尤其是浪溅区碳纤维加固钢筋混凝土构件的工作环境, 研究了碳纤维增强技术对钢筋混凝土构件耐久性的增强效果, 可为推动钢筋混凝土结构耐久性的工程研究与设计方法提供新的思路。

1 氯离子对钢筋混凝土构件腐蚀机理及破坏形态

1.1 氯离子的腐蚀机理

钢筋混凝土结构在海水中易被侵蚀而发生破坏, 其主要原因是混凝土中的钢筋受到腐蚀而使其各项力学性能严重下降。一般情况下, 混凝土具有高碱性 (p H≥12.5) , 钢筋表面在如此高碱性环境中形成一层致密的钝化膜而处于稳定状态。但在混凝土受到外界环境侵蚀介质的作用产生破坏或在荷载作用下产生裂缝, 当介质浸入到钢筋表面时, 钢筋表面的钝化膜会受到破坏, 成为活化状态, 钢筋就开始腐蚀, 腐蚀持续一定期限后 (一般小于设计基准期) , 钢筋混凝土结构就发生破坏[3]。

钢筋混凝土结构在使用期间内可能遇到的各种暴露条件中, 氯化物是最危险的侵蚀物质。原因之一是氯化物中的Cl-在电极上的吸附而将钝化膜中的氧排出, 从而引起钝化膜的破坏。原因之二是Cl-还直接参与化学反应。Cl-与H2O结合生成盐酸并释放出OH-, 致使OH-与已溶解的Fe2+结合生成较难溶解的Fe (OH) 2沉淀, 溶液酸性增加, Fe2+浓度也降低, 这就使金属的溶解进一步发生。反应式如下:

1.2 钢筋腐蚀破坏的主要特征

钢筋锈蚀破坏的主要特征有:①由于混凝土抗折性和抗裂性较差, 当钢筋锈蚀产物体积发生膨胀时, 往往使钢筋表面发生混凝土顺筋开裂。②混凝土发生顺筋开裂初期, 结构物物理力学性能、承载能力等可能还没有发生明显变化, 但随着裂缝的不断加宽, 混凝土与钢筋之间的粘结力也随之下降, 滑移增大, 构件局部或整体失效便会发生。③混凝土中钢筋锈蚀造成钢筋断面损失, 降低构件承载力, 当损失率达到极限时, 构件便会发生破坏。

2 试验方法

试验用试件的混凝土强度为C30, 受力纵筋为HRB335级, 箍筋为HPB235级, 碳纤维材料由南京某公司提供, 为CFW200型单向碳纤维布。混凝土、钢筋和碳纤维的材料参数分别见表1、表2和表3。

试件尺寸及配筋见图1, 加固方式见图2, 腐蚀及加载方案见图3。其中Z-0为无加固柱, 未在图上显示。柱的试验荷载保持在300k N, 油压千斤顶有保压性能, 以维持试验荷载恒定;为模仿海岸边浪溅区海平面上干、湿交替的变换情况, 此情况腐蚀现象最为严重[2], 每天向水平面上柱干燥部位喷人工海水两次;为加快其腐蚀速度, 采用电腐蚀法, 施加12V直流电。试验测得试件腐蚀过程中的各应变测点的应变、试件电阻变化规律, 观察裂缝开展情况, 全面对比分析不同加固方式对试件耐久性提高的程度与效果, 并分析其原因。

3 试验现象与结果分析

3.1 试验现象

观察混凝土表面可见, 柱裂缝开展无规律, 主要出现在柱中部及柱底, 裂缝一旦开展, 锈蚀物Fe (OH) 2析出[6], 并不断被水溶解, 钢筋膨胀现象不明显, 裂缝宽度增长较缓慢。Z-0、Z-1柱较早出现纵向裂缝, 钢筋保护层处混凝土胀裂, 并伴有大量锈蚀物析出;Z-2、Z-3柱由于受到碳纤维约束, 混凝土表面未发生明显开裂, 但随着腐蚀时间的延长, 混凝土表面微裂缝处也伴有锈蚀物析出。破坏后取筋观察, 柱Z-0、Z-1钢筋锈蚀严重, 钢筋截面有效面积严重减小, 大大影响其承载能力;柱Z-2、Z-3钢筋锈蚀也较严重, 钢筋截面有效面积减小。Z-4受腐蚀影响较小, 钢筋、混凝土、碳纤维基本完好。

3.2 试验结果分析

从图6~图9的变化趋势可看出, 随着时间的增长, 电化学加速了各试件柱的腐蚀;且由于各试件柱加固方式不同, 被腐蚀程度各不相同。由图6可看出, 柱电流随时间呈整体上升趋势, 这说明随着腐蚀程度的增加, 柱裂缝增大, 导致柱电阻下降。Z-2、Z-3由于受到碳纤维的约束, 腐蚀程度较Z-0缓慢, 但后期电流增长较快;Z-1由于环氧树脂绝缘作用, 柱电阻较大, 但从总体趋势看, 电流不断增大, 电阻减小, 腐蚀程度不断增加, 环氧树脂虽是一种良好的绝缘材料, 但同时也是一种脆性材料, 会在加载的过程中与混凝土一起开裂, 故裂缝出现后腐蚀呈加速状态;Z-4电流增长不明显, 说明其受腐蚀程度较小。由图7~图9可看出, 碳纤维应变呈总体上升趋势, 其主要原因是柱内钢筋锈蚀膨胀, 混凝土受到挤压, 导致碳纤维横向应变增加。Z-2、Z-3在试验后期其碳纤维应变增长较前期明显, 腐蚀也更为严重。Z-4整体应变变化较小, 说明该柱腐蚀程度较轻。由图7、图9对比可看出, 在试件中部角处碳纤维的应变增长最快, 说明该处腐蚀最严重, 原因主要是该处为模拟海平面浪溅区, 本身腐蚀最严重, 同时柱纵筋位于截面角部, 其形成的“锈涨力”也最大。

4 结语

构件经碳纤维加固后, 力学性能得到显著改善, 短期承载力及刚度都明显提高[7], 表现在构件裂缝减小且开展缓慢, 而Cl-主要通过混凝土的裂缝和钢筋接触来腐蚀钢筋[8], 碳纤维和钢筋混凝土构件一起工作, 有效约束了混凝土裂缝的开展, 减小钢筋与Cl-的接触面积, 有效减小Cl-对钢筋的腐蚀, 提高了钢筋混凝土构件的耐久性。

采用碳纤维加固钢筋混凝土构件, 不仅能提高构件的承载能力, 还能提高其耐久性, 尤其是提高了抗Cl-腐蚀能力。随着碳纤维材料在土木工程中的广泛应用, 不仅应从其良好的力学性能加以分析, 还应充分开发其良好的抗腐蚀性能, 使其不仅能增加结构的承载能力, 还能提高结构的耐久性, 有效地延长结构的使用寿命。

本试验表明, 综合提高结构物的承载力和耐久性比单独提高其承载力从长远意义上看更为重要, 前者可更加全面地提高结构物的可靠度。

参考文献

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[2]金伟良, 张苑竹.预估混凝土氯离子分布的新方法[J].浙江大学学报:工学版, 2004 (2) :196-199.

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碳纤维混凝土柱 第8篇

碳纤维(CFRP)布因具有优异的物理力学性能,良好的粘合性,且剪裁方便,而被广泛应用于建筑结构加固领域。CFRP布约束混凝土是一种被动约束,随着混凝土轴向压力的增大,横向膨胀促使外包复合材料环向伸长,产生侧向约束力,约束其内部混凝土的横向膨胀变形,从而提高轴向抗压承载力[1～2]。其承载力提高幅度主要取决于柱截面的形状、CFRP布的强度、数量及包裹形式等因素[3～6]。

在实际加固中,CFRP布约束混凝土主要有横向条带间隔包裹及全包两种粘贴方式,采用的CFRP强度等级主要有高强一级及高强二级两种。那么,对于轴心受压钢筋混凝土柱在相同的CFRP布环向围束体积比(按《混凝土结构加固设计规范》[7]计算)的前提下,采用哪种加固方式更为安全?对于两种强度的CFRP布,其加固效果如何?目前的相关研究很少涉及到这两个问题。本文在试验基础上,分析了混凝土强度、CFRP布强度、包裹方式及环向围束体积比等参数对CFRP布约束钢筋混凝土柱力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验设计

本次试验共对14根截面尺寸为200mm200mm,柱高为1000mm的钢筋混凝土方柱进行了静力受压试验。试验柱的混凝土强度等级分别为C20和C30两种,所有柱纵筋均为4覫14mm,箍筋为覫6mm@200mm。构件制作时,为防止端部出现局部受压破坏,对柱两端的箍筋进行了加密,并设置了10mm厚的对拉钢板,如图1所示。分别采用德国产的厚度为0.111mm的高强一级及高强二级CFRP布对试件进行了横向包裹粘贴。柱体角部进行倒角处理,倒角半径为25mm。CFRP布粘贴方式分为三种,如图2所示。试验柱编号从C-01～C-14,试件的具体参数见表1。

1.2 材料的力学性能

混凝土采用人工配置,并用振捣棒振捣。混凝土设计强度等级C20的配合比为水泥:砂:石:水=1:2.46:4.02:0.66,设计强度等级为C30的配合比为水泥:砂:石:水=1:1.52:3.02:0.49。混凝土28d抗压强度由与试件同条件下成型养护的标准立方体试块测得,C20与C30混凝土最终28d龄期立方体抗压强度平均值分别为21.5MPa和31.4MPa。

钢筋的拉力试验在拉力试验机上进行,试验结果表明,HRB335钢筋和HPB235钢筋的屈服抗拉强度分别为354.2 MPa和336.5 MPa,其伸长率分别为28.6%和35.7%。

CFRP布按照文献[8]中的试验方法,取15mm宽碳纤维丝束对其力学性能进行测定,实测高强一级和高强二级CFRP布的极限强度平均值分别为3056MPa和3407MPa,弹性模量分别为212GPa和240GPa,伸长率分别为1.52%和1.78%。图3是CFRP布试样拉伸破坏的几种形态。本试验过程中没有出现增强片的滑脱破坏。普通试样大部分破坏后试样还比较完整,仅有几根碳纤维束断裂;部分CFRP布整体被拉断。图4为高强一级CFRP布的应力-应变全曲线,从图4可以看出,CFRP布在破坏前保持着较好的线弹性变化。

1.3 试验方法

试验在国家网架中心500t伺服试验机上进行,试验加载装置如图5所示。为了观测试件在轴向加载过程中的变形和CFRP布的横向约束效果,在每个方柱柱中截面处的混凝土上前后对称粘贴横竖两片电阻应变片,并在柱子中部横截面的对角部位及柱中部对称横向粘贴电阻应变片。采用单调分级加载,每级荷载约为破坏荷载的1/10,接近峰值应力时按半级荷载增加,每级荷载持荷10min。试验开始时,加载速率控制在20kN/min,在试验荷载达到峰值荷载85%左右时,按5k N/min的加载速率进行加载,直至试件破坏。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

对CFRP布条带间隔包裹加固的方柱,在加载初期外观无明显变化。当压应力超过未加固钢筋混凝土柱峰值应力的7.7%～30.5%时(其本身峰值应力90%左右),条带之间空隙处混凝土开始出现明显竖向裂缝并逐渐增多。当达到峰值应力时,空隙处混凝土剥落严重,邻近的CFRP布条带因应力集中而断裂,随之柱发生破坏,其破坏形态如图6所示。试验结果表明,随着CFRP布粘贴层数的增加,试件破坏时混凝上的破碎越严重,说明CFRP布对核心混凝土的约束增强。试件的最终破坏大多是因为CFRP布条带间空隙处混凝土的破坏而造成。

通长全包CFRP布的方柱在加载初期与间隔包裹加固的方柱一样。当试件的压应力达到并超过未加固钢筋混凝土柱峰值应力20%～45.7%时(其本身峰值应力90%左右),CFRP布内部不时发出微小的“啪啪”声,部分CFRP布开始撕裂;当达到峰值应力时,柱中部的CFRP布突然断裂并迅速向上下两侧扩展,随之柱发生破坏,其破坏形态如图7所示。

此外,在试验中还发现,尽管将方柱截面棱角进行了倒角处理,但柱角仍出现程度不同的应力集中,导致CFRP布大多首先在角部断裂,其强度不能充分发挥。在试件的破坏过程中,CFRP布撕裂时带下大量的混凝土碎块。这一现象表明,CFRP布与混凝土之间的界面粘接性能良好,试件破坏前两种材料能够共同协调工作。

所有CFRP布加固的方柱最终破坏均是由CFRP布的突然破坏而导致的,这一破坏过程无明显先前预兆且速度很快,具有明显的脆性破坏特征。

2.2 强度分析

所有试件的极限承载力(峰值应力)试验结果见表2所示。由表2可见,加固后的柱相比未加固柱的极限承载力均有不同程度的提高,其提高幅度在13.2%～55.6%。提高幅度的大小主要与混凝土强度、CFRP布的强度、CFRP布的环向围束体积比及粘贴方式等因素有关。

(1)混凝土强度的影响

混凝土强度等级为C20的C-06方柱加固后峰值应力提高55.6%,而采用与其相同加固方式的混凝土强度等级为C30的C-13方柱加固后的峰值应力仅提高了22.6%。从表2中可以看出,混凝土强度等级为C20的方柱加固后的峰值应力提高率明显高于混凝土强度等级为C30的方柱加固后的峰值应力提高率。即随着混凝土强度的增加CFRP布约束混凝土加固效果将会降低。

(2)CFRP布强度的影响

高强一级CFRP布加固后的钢筋混凝土柱峰值应力明显高于高强二级CFRP布加固后的钢筋混凝土柱峰值应力。从表2中可以计算出两种强度CFRP布加固后的峰值应力提高率相差2.3%～12.9%。混凝土强度等级及CFRP布的环向围束体积比这两个因素与CFRP布强度对加固效果的影响有着明显的联系。随着混凝土强度等级的提高及CFRP布环向围束体积比的增加,CFRP布强度对其加固后的效果影响也逐渐降低。因此,在混凝土强度较低且CFRP布体积加固率不大的情况下,采用高强一级CFRP布加固效果较好。

(3)CFRP布环向围束体积比的影响

CFRP布环向围束体积比为0.1125%的C-09方柱峰值应力提高率为15.1%,CFRP布环向围束体积比为0.225%的C-13柱峰值应力提高率为22.6%。从表2数据可以得出,CFRP布环向围束体积比对其加固后方柱的峰值应力影响较大,随着CFRP布环向围束体积比的增加其峰值应力提高率也逐渐增加,但后期的增加速率较前期慢。

(4)粘贴方式的影响

间隔粘贴两层CFRP布的C-04方柱峰值应力提高率为36.3%,而相同环向围束体积比全包一层CFRP布的C-06方柱峰值应力提高率为55.6%。同样,间隔粘贴两层CFRP布的C-11方柱峰值应力提高率为19.2%,而相同环向围束体积比满贴一层CFRP布的C-13柱其峰值应力提高率为22.6%。由此可见,在相同CFRP布环向围束体积比的前提下,采用通长全包CFRP布约束混凝土的峰值应力要高于间隔条带包裹CFRP布的峰值应力,即对于轴心受压钢筋混凝土柱采用通长全包CFRP布约束混凝土的加固方式较为合适。

2.3 应变分析

试验结果表明,C-07方柱峰值应变纵向为1450με左右,横向为558με左右;C-14方柱的纵向峰值应变为1454με左右,横向为660με左右。在CFRP布约束后,柱的延性得到明显改善,其混凝土纵向峰值应变最大达到2470με,横向峰值应变最大达到974με。由图8中可见,间隔包裹两层CFRP布的C-09方柱的延性要好于间隔包裹一层CFRP布的C-11方柱。即随着CFRP布包裹层数的增加,延性也相应得到进一步的提高。

采用CFRP布全包一层加固的方柱,应力应变曲线第二段明显趋于平缓,说明延性得到了较大的提高。对相同CFRP布环向围束体积比的C-04方柱及C-06方柱的荷载-应变曲线进行比较(见图9)发现,在CFRP布环向围束体积比的前提下,采用全包一层CFRP布加固后方柱的延性较间隔包裹两层CFRP布的方柱好。此外,从各构件应变发展过程可以看出,随着混凝土强度的增加,破坏时柱的延性有所下降,但相对加固前均有较大的提高。

CFRP的应变试验结果如表2所示。从表2可以看出,无论是全包还是条带包裹的方柱,破坏时CFRP布应变均小于其极限拉伸应变,且破坏时的有效应变随加固层数的增加而增大,CFRP布并未充分发挥作用。

3 结论

(1)CFRP布约束后钢筋混凝土柱的最终破坏均是由CFRP布的突然破坏而导致的,这一破坏过程无明显先前预兆且速度很快,具有较明显的脆性破坏特征。因此,在加固设计过程中应充分考虑加固柱的延性储备。

(2)钢筋混凝土柱采用全包或间隔包裹CFRP布条带约束后极限承载力都有所提高,其提高幅度最大达到55.6%。但随着混凝土强度的增加,CFRP布约束加固效果将会降低,CFRP布强度对其加固效果的影响也逐渐降低。随着CFRP布环向围束体积比的提高,加固柱的极限承载力也得到了相应的提高,但后期的强度提高速率较前期慢。

(3)在混凝土强度较低且CFRP布体积加固率不大的情况下,采用高强一级CFRP布效果较好。

(4)对于轴心受压钢筋混凝土柱,在相同的CFRP布体积加固率条件下,采用全包CFRP布约束钢筋混凝土的加固方式比间隔包裹CFRP布条带效果更好。

(5)无论是全包CFRP布还是间隔包裹CFRP布条带约束的钢筋混凝土柱,破坏时CFRP布应变均小于其极限拉伸应变,且破坏时的有效应变随加固层数的增加而增大,CFRP布强度并未充分发挥作用。

参考文献

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[7]混凝土结构加固技术规范[S].GB50367-2006.

浅谈墙柱混凝土质量缺陷的处理方案 第9篇

【关键词】墙柱；混凝土；质量缺陷；处理方案

在目前社会发展中，混凝土工程越来越普遍，已成为建筑工程施工项目中不可缺少的一部分，也是各类建筑结构施工中应用最为广泛的原材料之一。因此，在混凝土结构施工中，其施工技术和施工质量的优劣直接关系着整个工程的施工效益和质量，同时还决定着建筑结构的使用功能和使用寿命。但是就多年的工程施工实践总结，目前社会中多数混凝土工程在施工中还存在着极为严重的质量缺陷与隐患，尤其是以墙柱结构为主的混凝土工程质量问题更是普遍存在，因此在工程施工中对于这种工程质量问题进行全面系统的分析和优化越来越重要，已成为整个工程项目中最为关注的工程环节。

1.混凝土施工

混凝土是当前建筑工程施工中最为常见的材料之一，其在施工的过程中以造价低廉、生产工艺较为简单和原材料收集的优势得到了人们的高度重视与关注。在当今时代，随着能源问题的不断加剧，混凝土施工技术也越来越受到人们的重视与关注，其施工技术和结构体系都得到了合理科学的优化与发展，已成为现代化建筑工程中不可缺少的一部分和工作重点所在。在目前的高层建筑混凝土结构施工而言，其在施工中对于高层建筑结构的质量安全也提供了新的保证要求和发展依据。然而在科学技术不断完善的今天，混凝土工程在施工中质量隐患仍然较为严重，造成了诸多的工程质量缺陷与影响。虽然在目前的工程建筑中，人们对于工程质量都提出了新的要求和认可，但是在实践工作中各种隐患的存在比比皆是，这就需要我们在工作中大力的钻研和探讨，对期出现质量隐患的原因和现象深入总结，从而提出相关的质量控制措施和预防标准。

2.实际工程案例分析

2.1工程概况

某工程项目墙梁板柱混凝土于2011年10月15日浇注完毕，墙板侧面模板于2011年10月20日拆除，经过检查，发现多处墙板混凝土存在不同程度的蜂窝、麻面、烂角、漏筋及部分漏振等缺陷。具体如下：柱下10cm*20cm振捣不到位造成蜂窝；墙柱边缘角部高30cm漏浆造成烂角；柱根部20cm高振捣不到位造成烂根；1800mm范围内漏振，造成大面积蜂窝、麻面、断层等。

2.2原因分析

本工程在施工的过程中极容易在外墙结构上出现蜂窝、麻面以及漏筋等质量现象，这些问题的存在主要是由于混凝土结构在施工的过程中施工原材料质量不佳、管理控制手段不科学以及施工管理要求存在着极大的缺陷而引起的。因此在目前的工程施工中，对这种现象进行了深入系统的调查与研究，经过调查我们发现，在施工的过程中多数工作人员对于混凝土材料的比例控制不够科学，特别是在振捣棒进行振动操作的时候，对于设备的操作不够你熟练，使得无法及时合理的对工程中存在的种种质量缺陷进行提前预防，同时在工作的时候振捣不够均匀，使得多处部位在振捣中出现漏振的现象，造成了大量蜂窝以及麻面的产生。这些问题的出现深入研究和总结发现，多数都是项目部内部管理不到位，对班前交底不充分，对班前准备工作检查不仔细、不彻底，未能对专业混凝土工的水平进行审查，导致不熟练工进入作业面进行操作，且在混凝土浇注过程中，值班技术人员未能对混凝土浇注的操作进行全程跟踪监督检查，未能及时发现存在的不规范操作行为，导致了问题最终的出现。

3.针对混凝土缺陷的处理方案及施工方法

本次混凝土质量缺陷主要分为以下几类：（1）蜂窝麻面；（2）掉角烂根；（3）漏振；（4）露筋。由于面积大、结构部位重要，因此是本次事件中最重大的质量缺陷。该三处的处理计划沿漏振部位全部剔凿开，将松散、不密实的混凝土全部凿除掉，然后重新支模，用高一标号微膨胀细石砼重新浇注、重新养护。

3.1剔凿前准备工作

对以上准备大面积剔凿重新浇注的墙柱部位，首先检查以其作为支座的周边梁板的模板支撑情况，对于支撑不牢或在其支撑墙板凿除过程中可能会发生下沉的梁板进行增加支撑的方法进行加固支撑，确保其周围梁板模板支撑牢固可靠，在施工过程中因其支座部位不发生下沉或变形，以至于影响结构。

3.2剔凿注意事项

剔凿主要采用人工剔凿，工具主要采用钢钻。剔凿时从上到下进行，先将松散、不密实的部位剔凿掉，然后再剔凿相对较为密实的混凝土，剔凿过程过程中注意不能将钢筋凿断或凿弯，高处作业必须搭设牢固可靠的马蹬或架子，确保施工人员的安全。以上三处要求从墙柱顶、梁板底下开始，沿漏振部位整个截面剔凿掉所有松散混凝土直至下部与楼面交接部位处。

（1）对剔凿混凝土后的钢筋进行清理，用钢丝刷刷掉粘在钢筋上的浮浆及混凝土土碎渣，确保钢筋与后浇的混凝土之间良好的裹握能力，并对地面进行清理扫净，对上部及下部混凝土接合面处进行凿毛，必要时对模板支设点部位进行砂浆找平保证根部模板与楼面接触面的平整度，最后放设模板控制线。

（2）重新绑扎、修正原有墙柱钢筋，按设计要求调整水平筋、竖向筋及箍筋间距并绑扎牢固，按要求放置水泥垫块，要求垫块间距不大于800mm，梅花型放置。钢筋绑扎、修正完成后报请建设方、监理方进行验收，验收合格后进行模板支设。

凡属隐蔽工程项目，首先由班组、项目部各楼主工长、质检员逐级进行自检，自检合格后由质检员会同监理工程师一起复核，检查结果填入隐检表，由双方签字。隐蔽工程不经签证，不能进行隐蔽。

3.3混凝土的浇注

（1）混凝土浇注前先对模板底口进行封堵，封堵采用砂浆，封堵应严密牢固，防止根部漏浆、烂根。

（2）混凝土采用C25（原标号C20）微膨胀混凝土，配合比在施工前由具有专业资质的实验室出具。水泥采用标号为42.5普通硅酸盐水泥，石子采用粒径0.5-1青石子，砂为中砂，膨胀剂采用UEA型膨胀剂，施工前均进行复试并合格。

（3）混凝土采用现场搅拌，搅拌机选用350型强制式搅拌机。混凝土原材料要求上料前每盘进行过磅，每盘的误差均应在规范要求范围内，坍落度应为3-5cm.混凝土开盘前应报开盘申请及开盘鉴定等资料，待建设方、监理方签署后开盘。

（4）对局部麻面的处理。对麻面的处理，首先将麻面表面浮浆用钢丝刷刷掉后，用掺适量膨胀剂的同混凝土标号的水泥砂浆进行抹面处理，处理时要注意对接触面进行湿润，抹面时应用力进行挤压，以使结合部位能有效结合，并且待修补面有一定强度后对接合面进行磨光处理。

4.结束语

碳纤维混凝土柱 第10篇

塑性铰的概念在结构抗震设计中具有重要意义。目前,世界各国的钢筋混凝土结构抗震设计规范都是基于塑性铰形成后结构内力重新分配,趋向于更均匀,整体结构的抗震潜力得以发挥,或者认为塑性铰形成过程能够耗散部分变形势能,有效降低整体结构失效倒塌的风险。塑性铰出现以后所形成的机构有以新西兰规范为代表的“理想梁铰机构”和以美国规范为代表的“先梁后柱塑性铰机构”,我国规范比较接近后者[1]。然而,汶川地震中钢筋混凝土结构的普遍损伤型式[2],并没有出现抗震设计的“梁铰机制”,而是柱端出现大量脆性破坏。混凝土破碎过早,使该部分结构完全失去承载能力,如图1(a)所示。根据江苏省地震局赴汶川调查组统计,柱端脆性破坏大约占全部塑性铰破坏型式的80%以上,相当数量的柱端脆性破坏导致底层坍塌,形成图1(b)所示的二层落地现象,极不利于震初的逃生。这说明在现有规范指导下,抗震设计采取的“强柱弱梁”模式和为实现这一目标而采取的各种措施,并不一定能导致结构在梁端出现塑性铰的预设状态。几年来,产生这一设计预料之外现象的原因引起了国内学术和工程界广泛的讨论,其中多数研究文献都聚焦于结点附近的结构柱延性偏低[3,4,5],提高延性成为抗震结构设计的新课题。

众所周知,普通混凝土材料本身存在抗拉强度较低、延性较差、在交变应力作用下易发生脆性破坏等缺陷,随着混凝土强度的不断提高,这一弱点更加突出。通常认为[4,5],混凝土的强度越高,其韧性越差,脆性越高,结构延性和抗裂能力越不足,这就给结构抗震性能带来了严重安全隐患。因此,长期以来人们不断探索改善混凝土上述性能的方法和途径。纤维增强混凝土就是近年研究和应用很广的重要途径之一。目前,纤维增强混凝土主要有两种:一是高弹性模量的短纤维增强混凝土,其代表纤维是钢纤维;二是低弹性模量的短纤维增强混凝土,其代表纤维是聚丙烯和尼龙纤维。碳纤维就材料自身力学性质来说优于前两者,但由于成本较高,在普通结构中应用较少。本文针对具体的剪压结构柱在反复交变荷载下的失效试验,从塑性铰产生和发展的过程中,比较了不同品种的纤维对抗震结构柱动力反应产生的影响,以期探索提高抗震结构延性的途径。

1 低周反复剪压试验

1.1 试验模型

国内外关于结构抗震性能的试验研究很多,但基本都是将梁和柱综合考虑,这样做似乎考虑的影响因素较全面,所得出的试验结果一般都能较好地符合当前设计规范中“先出现梁铰,后出现塑铰”的设计理念。然而,汶川地震结构震害的特点提醒我们思考的一个重要问题,就是失效的框架结构出现大量发展过分的柱端塑性铰,而梁铰没有出现。这说明现代混凝土结构抗震设计规范虽然遵从了“强柱弱梁”设计理念,但由于多数抗震设计没有正确考虑楼面刚度对梁刚度的增强影响,实际工程的“强柱”效果大打折扣。因此,只考虑框架和节点的试验,梁柱的刚度分配是与工程实际脱节的。鉴于以上考虑,本次试验模拟两端近似固定端的剪压柱,该力学模型更接近实际工程中现浇楼面与剪压柱的关系。

1.2 试件制作

为了合理和准确地研究框架柱承受轴压和剪切时非线性变形,尤其是文献[2]所描述的汶川地震柱端位置出现塑性铰的实际情况,所选构件的长度必须恰当。按照清华大学叶列平教授的分析[2],如果试件过长将导致大偏心受压出现弯曲塑性铰;试件如果过短,则与一般民用工程实际相差太远。依据GB 500112010《建筑抗震设计规范》[1]的规定,本次试验取试件长细比等于10的3∶1缩尺同条件试件来进行研究,即试件为截面尺寸150mm150mm1500mm的四棱柱,配置HRB 400覫10螺纹钢筋8根,箍筋为HPB235覫6@100,如图2所示。未掺纤维混凝土的强度等级为C30;掺加的合成纤维为深圳某公司生产的改性聚丙烯纤维,其长度为19mm,抗拉强度358MPa,弹性模量3900 MPa;碳纤维采用常州某公司生产的短切碳纤维,其长度为6mm,直径度为20μm,抗拉强度4500MPa,弹性模量250GPa;钢纤维采用重庆某公司生产的剪切波浪型纤维,长径比为12∶0.3,抗拉强度2314MPa。不同纤维掺量的试件制作时,分别制作混凝土标准试块,其28d静力性能指标见表1。

1.3 加载设施

试验中,轴向压力使用顶部可转动的油压千斤顶施加,千斤顶与反力梁之间设置滚轴装置,可使千斤顶随柱顶保持水平移动并减小摩擦力影响。低周往复水平剪力采用电液伺服程控实验系统,由支于反力墙上的水平作动器提供,作动器行程±500mm,如图3所示。

1.4 轴压比与横向剪切力试验

试验的目的是分析纤维增强混凝土柱承受交变荷载和地震时剪压塑性铰的形成和发展。根据工程实际工况,试验选取一特定的轴压比0.4,侧向水平推力初始采用荷载控制,从一个较小的荷载水平开始,每级荷载循环1次,待试件局部出现宏观可见的裂纹后改为位移控制,如图4所示。△为荷载控制结束时的柱顶位移,此后以△为级差,每级循环3次,逐级加大位移,直至试件表面混凝土宏观裂纹迅速扩展,形成塑性铰,且荷载急剧下降时认定破坏。

2 试验数据及记录曲线

2.1 数据记录和计算表

纤维增强混凝土柱水平抗剪数据见表2。

表2中和屈服荷载根据采用等能量法从骨架曲线上作图确定,其余为直接记录值。

注:表中δy和屈服荷载根据采用等能量法从骨架曲线上作图确定,其余为直接记录值。

2.2 柱端剪力-水平位移滞回曲线及骨架曲线

不同纤维品种和掺量的滞回曲线见图5,骨架曲线见图6。

3 试验数据分析

3.1 剪压塑性铰形成过程

不同试件各主要阶段的水平荷载、柱端位移见表2,试件的滞回曲线见图5,骨架曲线见图6。从普通混凝土的骨架曲线图中可以看出,当往复水平剪力达到峰值荷载后,结构柱的水平承载力急剧下降,曲线下降段陡峭,肉眼观察的结果是试件局部混凝土初裂后很快便扩展成为贯穿整个截面的通缝,随即裂缝两侧的混凝土便出现压碎,同时碎屑脱落,钢筋外露并屈服,混凝土呈现出典型的脆性破坏特征,单向静载破坏时的塑性铰形成过程不明显。而掺入了1%合成纤维的混凝土试件与普通混凝土试件相比,极限水平抗剪能力提高了大约70%,合成纤维掺量为2%的混凝土试件,则提高了130%;掺入钢纤维的增强混凝土,水平抗剪能力更是分别提高到250%和300%;掺入碳纤维的增强混凝土柱,水平抗剪能力略低于钢纤维增强柱,但延性是普通混凝土的2.3倍以上。如此显著的提高,与纤维在混凝土开裂过程中所起的作用有很大的关系。纤维在混凝土中的主要作用是在混凝土开裂初期抑制裂缝的产生[6,7,8],在开裂前,荷载由混凝土基体和基体中的纤维共同承担,在初始微裂纹出现后,由于纤维的强度和极限应变值大于基体混凝土,纤维成为一组锚固在裂纹两岸的“索桥”,这些纤维可以将基体所承担的荷载部分地分担出来[9,10]。纤维通过与基体的粘结面而将荷载传递给基体。如果纤维能承担足够大的荷载,那么就能使基体在初裂后再次产生裂缝,直到试件上布满了很多平行的微裂缝[11,12,13,14,15]。在试件弹塑性变形的整个过程中,纤维在微裂纹间起到“搭桥”式的补强效果。正是由于纤维在微裂纹产生后所起的这种桥接作用,纤维混凝土的极限抗拉强度大大高于普通混凝土。这种在初始微裂缝产生后,其应力依然随着应变的增加而增长的现象在许多文献中被称为混凝土的“应变硬化”[7],对于承受交变应力的混凝土来说,这种应变硬化现象是结构耗散变形势能的主要原因,它有效地延迟了微裂纹的合并扩展,从而延迟了混凝土的压碎,使得混凝土剪力传递功能不致迅速下降,形成真正意义上的塑性铰。

3.2 不同纤维对柱的延性影响

由图6可以看出,不同纤维掺量增强试件的骨架曲线都具有明显的近似线弹性阶段、弹塑性阶段和极限破坏阶段,而普通混凝土试件的初始线性最差。这说明纤维增强混凝土不仅抗剪强度和延性大幅提高,而且初始线性也得到改善。在初始加载阶段,纤维增强试件的骨架曲线都接近直线,试件基本处于弹性变形,继续加载到试件上某局部区域应力达到材料屈服极限后,开始出现非线性变形,骨架曲线发生弯曲,试件刚度逐渐降低,但此时荷载仍在上升,随着位移的不断增大,荷载继续增高达到峰值荷载时,在最先屈服的横截面处已形成塑性铰,荷载开始降低。

对比各个试件骨架曲线可以看出,纤维品种和体积掺量两个因素对试件的水平位移值分别产生着不同程度的影响:(1)随着纤维体积率的增加,相同位移对应的荷载水平明显提高,以钢纤维增强试件为例,体积掺量为1%时,±20mm水平位移对应的剪力为25k N;体积掺量为2%时,对应的剪力上升为35k N,说明大掺量的纤维更有效地约束着基体混凝土的微裂纹产生,提高了试件柱的水平抗剪能力。(2)不同品种的纤维由于其自身力学性质的差异,止裂的能力和抵抗变形的能力表现悬殊[13,14,15]。合成纤维的止裂能力主要体现在裂纹发展的前半阶段[16],其特征是提高了线性变形与弹塑性变形的交界值,一旦进入弹塑性变形阶段,其增强特征逐渐弱化,当达到极限抗剪荷载时,随后的荷载下降段与普通混凝土相差无几,这说明此时在裂缝上搭桥的纤维应力已达到强度极限;钢纤维则不仅在初始变形阶段大幅提高了水平抗剪能力,更在随后的弹塑性变形阶段有效的约束着裂纹的扩展,使得试件柱的极限抗剪能力呈多倍的扩大,即使在荷载开始下降的极限破坏阶段,仍能起到连接破碎的基体混凝土碎块,使其保持一定的承载能力,其特征就是骨架曲线相对平缓段较长,下降缓慢,形成较完整的剪压塑性铰形成全曲线;碳纤维的增强特征是将试件的弹塑性变形过程延长了许多,以至于试件在非线性变形阶段的水平位移总量大于其他两种纤维,是普通混凝土试件的3倍,此种模式的延性增加是抗震结构设计的理想状态。

4 结论

(1)纤维增强混凝土显著改善结构柱的延性,延缓了塑性铰的产生过程,从而在地震中有可能避免脆性破坏的发生。