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预应力Fe-SMA主动加固混凝土柱的轴压试验研究

地质工程 • 土木工程

预应力Fe-SMA主动加固混凝土柱的轴压试验研究

旭红
伟潇
德林
春丽
1000

为研究混凝土柱等竖向构件的主动加固方法,制作9个素混凝土柱试件和4个钢筋混凝土柱试件,使用国产铁基形状记忆合金(Fe-based shape memory alloy,Fe-SMA)条带对混凝土柱进行预应力主动加固,通过轴压试验研究不同影响因素对于混凝土柱轴压性能的提升效果。研究结果表明:Fe-SMA条带的加固 效果显著,能够提升混凝土柱的力学性能,可显著提高混凝土柱的轴向承载力、极限位移、延性,增加Fe-SMA条带数量且对条带进行加热激活后,加固效果更为显著。本文提出的主动加固方法适用于混凝土柱等竖向构件的日常维护加固与防灾韧性提升。

混凝土柱主动加固铁基形状记忆合金轴压试验力学性能

混凝土柱是混凝土结构中最重要的竖向受力构件,不仅需要承受竖向荷载,而且需要抵抗各种侧向荷载,如地震荷载和风荷载。随着使用时间的增加,混凝土柱的力学性能逐渐下降,若遭受火灾、地震等灾害影响,则会发生脆性破坏。在长期湿热老化环境、疲劳荷载作用及船撞、地震等突发情况下,混凝土桥墩发生力学性能退化,威胁到结构整体的安全[1-2]。大量研究表明,变形能力和抗剪能力不足是混凝土柱发生破坏的主要原因[3-5]

随着我国“双碳”国家战略的普及,低碳可持续发展的概念已深入各行各业,对于老化失效的混凝土柱,亟需采用高效低成本的混凝土柱加固方法进行加固。目前,混凝土柱的加固方法按照加固机理可大致分为被动加固法和主动加固法2种,二者的区别在于是否预先对加固材料施加预应力。被动加固法是对混凝土柱直接增设用于加固的材料。被动加固法包括增大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)加固法等,这些方法操作较简便,无需提前对加固材料施加预应力,但仅在核心混凝土发生变形后才能发挥作用,难以改变结构的受力状态。主动加固法包括预应力钢绞线法、预应力钢套箍法、预应力FRP加固法等,是预先在加固材料中施加预应力,再对混凝土柱进行加固,该方法得到了学术界的广泛研究和认可[6-8]。研究结果表明,与被动加固法相比,主动加固法可以在核心混凝土产生变形之前施加一定量的侧向约束压力,能够有效地提高混凝土柱的单轴抗压性能和延性。然而,主动加固方法在施加预应力的过程中需消耗大量的时间、成本及劳动力,且对锚具和操作设备及空间有一定的要求,因而其实际应用受限。

形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)是一种具有独特形状记忆特性的材料,其受到外力作用产生塑性变形,经过加热和冷却的激活过程可以恢复至原始形状。利用这种形状记忆效应,在对经过预变形的SMA材料施加约束后,可以通过简单的加热激励使SMA对母结构产生约束力,从而对混凝土材料施加预压应力。目前,国内外已有多名学者对利用SMA加热回复性能向混凝土柱引入主动约束应力进行了研究,为现有混凝土柱主动加固方法提供了一种新型的解决方案。

CHEN等[9]使用镍钛基形状记忆合金(NiTi-SMA)丝对混凝土柱进行缠绕加固,通过循环轴压试验得出使用SMA加固混凝土柱的本构关系,并证明NiTi-SMA丝能有效用于混凝土柱加固。DOMMER等[10]分别对未加固、使用NiTi-SMA加固、使用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)加固的素混凝土柱进行横向拟静力试验,结果表明,NiTi-SMA对于混凝土柱的变形能力、耗能能力等均具有明显提升作用,且其加固效果优于GFRP的加固效果。崔迪[11]使用NiTi-SMA丝加固混凝土柱,并观察柱的振动特性,结果表明SMA可以有效吸收振动产生的能量,抑制结构振动。QIAN等[12]使用NiTi-SMA丝对钢筋混凝土短柱进行约束,并进行横向拟静力试验,结果表明NiTi-SMA丝能有效提高短柱的抗剪性能,是理想的抗震加固材料。PAN等[13]使用NiTi-SMA丝对混凝土桥墩进行主动加固,发现加热激活后的SMA丝能够为桥墩提供有效的回复应力,并提高其变形和耗能能力。JUNG等[14]分别对未加固和使用NiTi-SMA丝加固的混凝土柱进行双向振动试验,结果表明,SMA能有效降低结构的残余位移,是极具潜力的抗震加固材料。KRSTULOVIC-OPARA等[15]使用NiTi-SMA丝横向约束混凝土柱,对混凝土柱分别施加被动约束和主动约束时的加固效果进行对比,结果表明激活后的SMA能有效控制混凝土柱的开裂,显著提高混凝土柱的延性。ABDELRAHMAN等[16]研究了NiTi-SMA丝和碳纤维增强复合材料(CFRP)板用于钢筋混凝土柱加固的效果,结果表明,与使用CFRP板加固相比,使用NiTi-SMA丝进行加固的混凝土柱的变形能力和延性分别提高了17%和95%。CHOI等[17-18]以NiTi-SMA丝作为混凝土柱的横向约束材料,显著提高了混凝土柱的变形能力和承载力。JUNG等[19]用NiTi-SMA丝和GFRP套筒加固钢筋混凝土柱,其静力和疲劳试验结果表明,使用NiTi-SMA丝主动加固时混凝土柱强度和刚度的提升率比使用GFRP套筒的被动加固方法的提升率大。上述文献均表明NiTi-SMA材料用于混凝土柱加固具有显著效果,然而,NiTi-SMA材料的高昂成本(200多万元/t)和易产生应力松弛等不足使其在混凝土柱加固领域难以得到实际应用。

近年来,SATO等[20]开发的铁基形状记忆合金(Fe-SMA)材料成本较低,同时具有高弹模、高强度和超弹性的特性,可以有效替代NiTi-SMA材料,加固应用前景十分广阔。目前已有许多学者研究了Fe-SMA材料的结构加固效果,对钢结构的加固主要集中在正交异性钢桥面板疲劳裂纹的主动维护方面[21-24],对混凝土结构的加固集中于混凝土梁弯曲和剪切性能的提升方面[25-27],表明Fe-SMA材料在结构加固中具有巨大应用潜力。然而,将Fe-SMA材料用于混凝土柱外部加固的研究较少。为此,本文作者对Fe-SMA条带增强混凝土柱轴压性能进行试验研究,分析加固条带数目、预应变、激活状态对素混凝土柱和钢筋混凝土柱轴压性能的增强效果的影响,对比不同加固条件下混凝土柱在轴压试验全程的破坏特征、力-位移曲线、峰值荷载、延性等,并提出实际加固设计建议。

1 试验

1.1 加固原理

将经过预拉伸的SMA条带固定在混凝土柱周围,对SMA进行加热激活,SMA会收缩恢复至拉伸前的形状,从而对混凝土柱施加侧向约束,使混凝土柱处于三向受压状态,有利于增强混凝土柱的轴压性能,加固原理如图1所示。

图1
SMA加固混凝土柱的原理[19]
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1.2 试验试样

选用直径为150 mm,高度为300 mm的素混凝土圆柱及钢筋混凝土圆柱作为加固对象,钢筋混凝土柱的配筋如图2所示。根据加固条带数量、预应变、激活状态对试件进行分组,各组试件的参数见表1。Fe-SMA条带的长度、宽度和厚度分别为600.0、10.0、1.5 mm。不同条带数量的混凝土柱加固示意图见图3。为了防止混凝土两端发生局部压碎破坏,上下两端的SMA条带位置固定,距离上表面10 mm,其余SMA条带均匀分布。

图2
钢筋混凝土柱的配筋图
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表1
混凝土柱试件设计
编号混凝土柱类型加固条带数量/根预应变%

激活

状态

S-SMA0素混凝土柱
G-SMA0钢筋混凝土柱
S-SMA4-2%/A素混凝土柱42激活
S-SMA4-4%/A素混凝土柱44激活
S-SMA6-2%/A素混凝土柱62激活
S-SMA6-4%/A素混凝土柱64激活
S-SMA8-2%/A素混凝土柱82激活
S-SMA8-4%/A素混凝土柱84激活
S-SMA8-2%/P素混凝土柱82未激活
S-SMA8-4%/P素混凝土柱84未激活
G-SMA8-2%/A钢筋混凝土柱82激活
G-SMA8-4%/A钢筋混凝土柱84激活
G-SMA8-2%/P钢筋混凝土柱82未激活
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图3
混凝土柱加固示意图
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混凝土柱试件均在标准养护条件下进行28 d龄期养护,进行立方体抗压强度试验和轴心抗压强度试验,试验结果见表2

表2
混凝土柱试样强度
试件编号荷载/kN强度/MPa平均强度/MPa
立方体-1792.6835.2335.93
立方体-2807.0835.87
立方体-3825.3036.68
棱柱体-1287.6228.7629.13(27.67)
棱柱体-2291.7929.18
棱柱体-3294.5329.45
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注:括号内数据为棱柱体试样换算后的轴心抗压强度。

钢筋混凝土柱使用的纵筋型号为HRB400,直径为8 mm;箍筋型号为HPB300,直径为6 mm,对纵筋和钢筋分别进行单轴拉伸试验,试验结果见表3

表3
钢筋力学性能
钢筋种类直径/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa
纵筋8458697
箍筋6332609
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本试验采用的国产Fe-SMA材料,试件长度、宽度、厚度分别为600.0、10.0、1.5 mm。依据GB/T 228.1—2010[28]进行单轴拉伸试验和加热激活试验,测得Fe-SMA的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、总伸长率等力学性能参数以及Fe-SMA在不同预应变和不同激活温度下的回复应力等热力学性能参数。

Fe-SMA的力学性能见表4。从表4可以看出:国产Fe-SMA条带性能良好,具备优异的强度和延展性;此外,预拉伸并加热激活后的Fe-SMA条带与未进行预拉伸的Fe-SMA条带的应力-应变曲线间无明显差异[29-30]

表4
国产Fe-SMA的力学性能
弹性模量/GPaRp0.01/MPaRp0.2/MPa抗拉强度/MPa总伸长率/%
17139849689235.3
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1.3 Fe-SMA最优激活回复性能条件

为了获得最优激活回复性能,对Fe-SMA进行加热激活性能试验,测量不同激活温度和预应变下的回复应力。由于300 ℃以上的温度会降低混凝土强度,甚至导致混凝土爆裂[31],因此,激活温度设置为150、200、250、300 ℃;根据文献[32],将预应变设置为2%、4%、6%、8%。

试件在不同温度和预应变下的回复应力见 表5。从表5可以看出:最大回复应力达281 MPa,大于普通钢材Q235的工作应力,远大于常用混凝土的抗压强度(30~80 MPa),能够满足混凝土结构的加固需求;同时,激活温度越高,材料的回复应力越大。300 ℃的激活温度下,2%和4%预应变的材料回复应力最大,因此,采用激活温度为300 ℃、预应变为2%和4%的组合工艺进行加固试验。

表5
Fe-SMA的激活回复应力
预应变/%温度/℃
150200250300
2198225256281
4158195248280
6127181227266
8105153193241
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1.4 试验装置及加载方案

采用伺服结构试验系统SHT4206进行混凝土柱轴压试验,该装置可自动读取混凝土柱的轴向力和竖向位移,最大压力为2 000 kN。采用0.2 mm/min的速率进行位移加载。当Fe-SMA条带出现断裂或混凝土柱发生严重破坏至基本无法承受荷载(承载力下降至极限承载力的一半)时停止加载。

1.5 混凝土柱加固方案和加热激活方案
1.5.1 加固方案

锚固方案示意图如图4所示,将Fe-SMA条带绕混凝土柱1圈,重合部分使用6个锚具夹持固定,锚具螺栓扭矩为7.55 N·m。锚具材质为Q235钢,其尺寸见图5。条带加固步骤为:首先,用钢套箍将Fe-SMA条带临时固定在混凝土柱指定位置,钢套箍的螺栓扭矩为20 N·m;然后,用扭矩扳手将锚具螺栓拧紧至7.55 N·m,再将钢套箍拆除。

图4
锚固方案示意图
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图5
锚具尺寸图
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1.5.2 加热激活方案

对Fe-SMA条带进行加热激活。由于试件尺寸较小,采用成本和操作难度均较低的热风枪加热。加热激活前,在每根条带表面粘贴热电偶,使用温度测试仪实时监测激活温度。由于热量传递时会产生热损耗,经过加热测试,热风枪温度设定为350 ℃,紧贴条带来回循环加热10 min,可使条带在300 ℃下充分激活。

2 试验结果

2.1 试验现象

所有试件的最终破坏模式如图6所示。

图6
混凝土柱的破坏模式
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对于未加固的素混凝土柱,当荷载约为极限承载力一半时,混凝土表面出现细微裂缝。随着竖向位移增大,裂缝迅速扩展并增多。混凝土柱达到峰值荷载后,会出现较大的破坏声音,荷载迅速下降,上下两端混凝土脱落,裂缝贯穿于整个混凝土柱,混凝土柱迅速失去承载能力。最终破坏时,混凝土柱侧向膨胀现象严重,裂缝宽度较大,如图6(a)所示,破坏模式为脆性破坏。

对于未加固的钢筋混凝土柱,当荷载为未加固素混凝土柱峰值荷载的80%左右时,混凝土表面出现细微裂缝。随着竖向位移增大,裂缝扩展,但扩展速度比素混凝土柱的小。当混凝土柱荷载达到峰值荷载后,破坏声音较轻,柱仍能承受部分荷载。当竖向位移继续增大时,柱底部出现混凝土脱落现象,但整体仍保持相对完整,最终破坏模式如图6(b)所示,由破坏模式可判断钢筋混凝土柱的延性大于素混凝土柱的延性。

对于主动加固(加热激活)的素混凝土柱,混凝土柱受轴向荷载前受到了Fe-SMA条带提供的环向预压应力,该压应力有效减缓了混凝土表面裂缝的生成与扩展速度。当轴向荷载达到未加固素混凝土柱开裂荷载时,混凝土柱不出现可见裂缝。随着竖向位移增大,混凝土表面的裂缝逐渐生成并发展,但速度减缓。当竖向荷载达到峰值荷载时,混凝土柱破坏声音较小,荷载下降幅度减少,并与加固条带数量和预应变呈一定关系。随着竖向位移继续增加,裂缝长度和宽度逐渐增加,混凝土表面出现起皮现象,侧向膨胀变形增大,并有少许碎屑脱落,但整体保持相对完整。随着竖向位移进一步增加,混凝土侧向膨胀导致条带拉伸变形增大。最终破坏时,试件出现2种破坏模式:一是混凝土柱发生破坏,承载力下降严重,基本无法承受竖向荷载(见图6(c)、(d)、(h));二是Fe-SMA条带断裂(见图6(e)、(f)、(g))。在条带发生断裂后,混凝土表面的裂缝会在极短的时间内扩展,裂缝的长度、宽度均迅速增大,侧面体现出条带对混凝土的侧向约束作用。

对于被动加固(未加热激活)的素混凝土柱,混凝土柱受轴向荷载之前未受到环向压应力,其裂缝的生成与扩展速度大于主动加固的素混凝土柱裂缝的生成与扩展速度。在峰值荷载后的加载过程中,被动加固和主动加固的素混凝土柱相似,最终破坏模式相同。两根被动加固的素混凝土柱的最终破坏模式见图6(i)和(j)。

主动加固的钢筋混凝土柱加固效果与主动加固的素混凝土柱类似。纵筋、箍筋和Fe-SMA条带的共同作用,使得钢筋混凝土柱表现出优异的力学性能。裂缝的生成扩展速度处于最低值,达到峰值荷载时,几乎无破坏声音,荷载下降幅度较小,在Fe-SMA条带发生断裂前,混凝土柱始终保持完整,具有极好的延性。最终破坏模式见图6(k)和(l)。

被动加固的钢筋混凝土柱的破坏现象与主动加固的钢筋混凝土柱的破坏现象类似,主要区别在于被动加固的试件在轴压试验前期的裂缝生成与扩展速度略比主动加固组的大,这是因为没有预应力的侧向主动约束作用。相对于未加固组,被动加固的钢筋混凝土柱表现出更强的承载能力和延性,最终破坏模式见图6(m)。

2.2 力-位移曲线

混凝土柱试件的力-位移曲线见图7。从图7可以看出,Fe-SMA条带的加固效果显著,通过提供侧向约束,有效抑制混凝土柱裂缝的生成和扩展,延缓混凝土的脱落,从而有效提升素混凝土柱和钢筋混凝土柱的轴向承载力、极限变形、延性等,提高混凝土柱的受力性能,避免混凝土柱发生严重的脆性破坏,有效提升柱的防灾韧性。

图7
混凝土柱试件的力-位移曲线
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2.3 轴向承载力

混凝土柱试样的轴向承载力及提升幅度分别见图8表6。其中,轴向承载力指试样在受压全程可承受的最大荷载。

图8
混凝土柱的轴向承载力
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表6
混凝土柱试样的轴向承载力提升幅度
试样编号承载力提升幅度/%
S-SMA0
S-SMA4-2%/A40.15
S-SMA4-4%/A37.26
S-SMA6-2%/A59.01
S-SMA6-4%/A58.27
S-SMA8-2%/A75.07
S-SMA8-4%/A74.16
S-SMA8-2%/P51.65
S-SMA8-4%/P49.19
G-SMA0
G-SMA8-2%/A41.19
G-SMA8-4%/A39.54
G-SMA8-2%/P24.54
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图8可以看出:1) Fe-SMA条带对混凝土柱的轴向承载力提升作用明显,对素混凝土柱组的提升更大。2) 加固条带数量对加固效果的影响显著,条带数量越多,加固效果越明显。3) 在回复应力相近的情况下,2%和4%预应变对加固效果有一定影响,但影响不大。4) 激活加固条带对加固效果的影响显著,相对于被动加固的混凝土柱,主动加固的混凝土柱轴向承载力更大。

表6可知:对于素混凝土柱和钢筋混凝土柱,Fe-SMA条带都具有显著的加固效果,素混凝土柱和钢筋混凝土柱的轴向承载力分别提升了37.26%~75.07%和24.54%~41.19%。

2.4 极限位移

极限位移能反映混凝土柱的变形能力,混凝土柱试件的极限位移及其提升幅度分别见图9表7。从图9可以看出:1) 相对于未加固组, Fe-SMA条带对混凝土柱试件的极限位移有显著提升,对素混凝土柱组的加固效果更优。2) 加固条带数量越多,加固效果越明显。3) 在回复应力相近的情况下,2%和4%预应变对加固效果有一定影响,但对于主动加固组的影响相对较小;对于被动加固组,在预应变为2%和4%时,极限位移提升幅度相差9.4%。4) 加固条带是否激活对于加固效果影响较大,主动加固效果更好。

图9
混凝土柱的极限位移
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表7
混凝土柱试件的极限位移提升幅度
试样编号提升幅度/%
S-SMA0
S-SMA4-2%/A337.82
S-SMA4-4%/A321.79
S-SMA6-2%/A501.28
S-SMA6-4%/A486.54
S-SMA8-2%/A625.00
S-SMA8-4%/A612.18
S-SMA8-2%/P513.46
S-SMA8-4%/P460.90
G-SMA0
G-SMA8-2%/A523.29
G-SMA8-4%/A516.06
G-SMA8-2%/P443.37
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表7可知:Fe-SMA条带对混凝土极限位移的增强效果显著;素混凝土柱和钢筋混凝土柱的极限位移分别提升321.79%~625.00%和443.37%~523.29%。

2.5 延性

延性是体现混凝土柱变形能力的一个重要指标,反映了试件能够承载的前提下所能吸收的最大非弹性能量,延性指数可定义为峰值荷载下降20%时力-位移曲线和坐标轴组成的面积[33]。混凝土柱试件的延性指数及提升幅度分别如图10表8所示。从图10可以看出:1) 相对于未加固组,Fe-SMA条带对于各组试件的延性指数提升很大,最低提升幅度可达79.81%,这是因为混凝土柱易发生开裂和脆性破坏,Fe-SMA条带能大幅减少裂缝产生和扩展速度,显著增强结构延性。2) 加固条带数量越多,加固效果越明显。3) 在回复应力相近的情况下,2%和4%预应变对于加固效果有一定影响,但对于主动加固的影响相对较小。 4) 加固条带是否激活对于加固效果影响显著,主动加固效果更好。

图10
混凝土柱的延性指数
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表8
混凝土柱试件的延性指数提升幅度
试样编号提升幅度/%
S-SMA0
S-SMA4-2%/A89.75
S-SMA4-4%/A79.81
S-SMA6-2%/A163.35
S-SMA6-4%/A156.52
S-SMA8-2%/A219.25
S-SMA8-4%/A204.66
S-SMA8-2%/P176.09
S-SMA8-4%/P168.32
G-SMA0
G-SMA8-2%/A206.20
G-SMA8-4%/A197.55
G-SMA8-2%/P114.19
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表8可知:Fe-SMA条带能够有效增强混凝土柱的延性,增大延性指数,素混凝土柱和钢筋混凝土柱的延性指数分别提升了79.81%~219.25%和114.19%~206.20%。

2.6 峰值荷载后的承载力

由混凝土柱的力-位移曲线可看出,混凝土柱在达到峰值荷载后,承载力会快速下降,并在降低至一定值后趋于稳定。峰值荷载后的承载力反映了混凝土柱在发生初步破坏后的承载能力,该值越小,混凝土柱的脆性破坏越明显,发生破坏时更易因承载力不足而产生严重后果。混凝土柱试件峰值荷载后的承载力及提升幅度分别见图11表9

图11
混凝土柱试样峰值荷载后的承载力
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表9
混凝土柱试件峰值荷载后的承载力及其提升幅度
试样编号峰值荷载后的承载力/kN提升幅度/%
S-SMA0221.4
S-SMA4-2%/A406.383.51
S-SMA4-4%/A402.581.80
S-SMA6-2%/A503.4127.37
S-SMA6-4%/A499.1125.43
S-SMA8-2%/A572.2158.45
S-SMA8-4%/A555.6150.95
S-SMA8-2%/P462.8109.03
S-SMA8-4%/P447.8102.26
G-SMA0328.2
G-SMA8-2%/A733.3123.43
G-SMA8-4%/A716.6118.34
G-SMA8-2%/P600.382.91
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图11可以看出:1) 相对于未加固组,Fe-SMA条带对于各组试件的峰值荷载后的承载力提升很大。2) 加固条带数量越多,加固效果越明显。 3) 在回复应力相近的情况下,2%和4%预应变对于加固效果有一定影响,但影响较小。4) 主动加固效果显著优于被动加固效果。

表9可知,Fe-SMA条带能显著提升各组试件的承载力;素混凝土柱和钢筋混凝土柱的承载力分别提升了81.80%~158.45%和82.91%~123.43%。

3 结论

1) Fe-SMA条带加固效果显著,能有效抑制素混凝土柱和钢筋混凝土柱的裂缝产生和扩展,可缓解混凝土脱落现象,显著提升柱的竖向变形能力和延性。

2) Fe-SMA条带加固后的混凝土柱试件的轴向承载力、极限位移、延性指数、峰值荷载后的承载力均大幅提高。

3) 预应力Fe-SMA条带对于素混凝土柱的加固效果优于钢筋混凝土柱的加固效果,但钢筋混凝土柱轴压性能的提升效果明显(承载力最低可提升40%),能够满足素混凝土柱和钢筋混凝土柱的实际加固应用需求。

4) Fe-SMA条带数量和激活状态对于加固效果影响显著。Fe-SMA条带数量越多,加固效果越好;激活后的主动加固效果明显优于被动加固效果。

5) 由于Fe-SMA条带施加预应力方便,且国产化后材料的成本较低,该主动加固方法的应用前景广阔,适用于混凝土柱、混凝土桥墩、风机塔筒等竖向构件的日常维护加固与防灾韧性提升。

此外,本文限于时间、成本等因素,某些方面还有待进一步研究,如:

1) 需进一步补充试验分组,丰富轴压试验的研究参数,如按照Fe-SMA条带的厚度、宽度以及激活温度的不同进行对比分析实验。

2) 需对不同尺寸的混凝土柱进行轴压试验,探究混凝土柱尺寸、长细比对加固效果的影响,必要时可进行足尺试验,进一步提升试验结果的工程应用价值。

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注释

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