角钢加固钢筋混凝土柱环箍效应试验研究

摘要: 观察试验柱的变形和破坏特征，对角钢、缀板、混凝土的应力应变的变化规律等进行研究角钢厚度、缀板间距及偏心距大小对角钢约束混凝土柱环箍效应的影响。得出了加固后的柱子极限承载力、延性都得到了大幅度的提高，偏心受压柱的环箍效应不是特别明显以及缀板间距减小、角钢厚度增加后，极限承载力得到较大提高，环箍效应更加明显的结论，对实际工程起到一定的指导作用。

关键词：加固；角钢；极限承载力；环箍效应

中图分类号：TU317文献标识码：A 文章编号：

0 前言

通过观察试验柱的变形和破坏特征，分析角钢、缀板、混凝土的应力应变的变化规律，研究角钢厚度、缀板间距及偏心距大小对角钢约束混凝土柱环箍效应的影响，得出了加固后的柱子极限承载力、延性都得到了大幅度的提高，偏心受压柱的环箍效应不是特别明显以及缀板间距减小后，极限承载力得到较大提高，环箍效应更加明显的结论。

2 试验方案

2.1构件制作

本次试验共设计4根混凝土柱，截面尺寸200mm150mm900mm，柱两端设计450mm200mm150mm的柱端头，长细比为4.5，型钢和缀板宽度为30mm。1根为未加固柱，编号为Z1；3根为缀板间距为218mm，角钢厚度为4mm、5mm、6mm的加固柱，编号为Z2（轴压）、Z3（小偏心），Z4（轴压）。本次试件的混凝土强度设计等级为C20，角钢和缀板为Q235规格的。

应变片的位置设计如图2.2所示。

图2.2应变片布置图

2.2 实验材料

（1）钢材：角钢为30×30×4，缀板的宽度为30mm，厚度为4mm，缀板和角钢通过焊接组成钢骨架，通过试验测得钢的材料特性见表2.2。

表2.2角钢和缀板性能参数（单位：MPa）

（2）混凝土：水泥采用硅酸盐32.5水泥；石子采用卵石；砂子采用河砂；按C20强度等级设计混凝土配合比。混凝土采用人工搅拌并且一次浇筑成型，试件在试验室自然养护28天。测试在标准条件下的混凝土立方体，确定混凝土抗压强度。表2.3为3个混凝土试块的立方体抗压强度和弹性模量的试验值。

表2.3混凝土试件力学参数（单位：MPa）

（3）钢筋：对3组的钢筋进行屈服强度的试验，测得数据如表2.4所。

表2.4钢筋性能参数（单位：MPa）

（4）电阻应变片：采用河北省邢台金力传感元件厂制造的电阻应变片，选择两种型号的应变片按条件分别贴在角钢、钢筋、缀板和混凝土上，应变片参数见表2.5。

表2.5电阻应变片参数

2.3试验过程及现象

Z1在轴心荷载作用下，整个截面的应变几乎处于均匀分布的状态。当荷载较小时，混凝土和钢筋都处于弹性阶段。随着荷载的增大，混凝土压缩变形增加的速度快于荷载增长速度。同时，在相同荷载增量下，钢筋的压应力比混凝土的压应力增加得快。在试验中可观察到，随着荷载的继续增大，柱端开始出现微细裂缝，在临近破坏荷载时，柱四周出现明显的纵向裂缝，纵筋发生压屈，呈现向外凸出的趋势，混凝土被压碎，在荷载达到420KN时，柱子遭到严重破坏。

Z2是轴心受压加固柱，端部首先产生纵向裂纹，随着荷载的加大，裂纹不断增多，同时伴随有混凝土破碎的声音；当荷载快要达到破坏荷载时，纵向裂缝变化相当明显，裂缝数量还在不断增加，而且裂缝的宽度还有长度突然变宽、变长，加固柱钢骨架端部的缀板产生明显外凸；当荷载接近500KN时，端部的角钢首先发生弯曲破坏，连接角钢的缀板断开，角钢发生了扭曲，已经破坏。当荷载到达528KN时，受压区混凝土被压碎，加固柱停止加载。

Z3是小偏心外包钢加固受压柱，伴随着荷载增加，端部受压区的混凝土产生的裂纹有增多的趋势，同时可以发现有混凝土破碎的声音；当荷载达到420KN左右时，加固柱的偏心受压的一面产生的纵向裂缝变化很剧烈，裂缝变长变宽。荷载到达495KN时，缀板与角钢断开，受压区混凝土完全破坏。

Z4是由五根缀板加固的轴心受压柱，在荷载达到430KN时，加固柱中部的混凝土首先产生竖向的裂缝。随着荷载的继续加大，中部混凝土已经出现的裂缝发展并不是特别明显，裂缝增长增宽的趋势不是很大，同时可以看到，钢骨架中部的外包角钢和缀板出现了往外侧凸出的现象；当荷载达到550KN时，加固柱的混凝土部分出现了比较大的区别，混凝土裂缝发展和角钢往外侧凸出都不明显的地方位于柱子有缀板连接处，其它不在缀板保护下的部分，裂缝发展趋势和角钢往外侧凸出现象比较明显。荷载到达612KN时，混凝土柱子遭到破坏但可以看到外包角钢并未屈服破坏。

3试验分析

根据实验数据可得到加固柱混凝土和角钢的荷载应变关系，如图2.4、2.5、2.6、2.7、2.8所示：

图2.4 Z2外包角钢的荷载-应变关系图2.5 Z2外包缀板的荷载-应变关系

图2.6Z3受拉区角钢的荷载-应变关系

图2.7Z3受拉区缀板的荷载-应变关系图2.8Z4角钢的荷载-应变关系

4结论

（1）由角钢和缀板对钢筋混凝土柱的环箍效应，加固后的柱子极限承载力得到了明显的加强，但对于偏心受压柱，环箍效应的效果不是特别显著。

（2）从试验现象可以看到，加固后的试件在破坏前具有明显的外在表现，表现出了良好的延性。由加固后试件的混凝土的应变曲线可以看到，试件的延性得到了提高。

（3）从试件的破坏特征可以看到，试件在中上部附近出现了角钢的弯曲和缀板的变形情况，形成了试件的薄弱区域，从而导致试件的破坏。Z2试件还出现了缀板和角钢的裂开现象，建议实际工程中加强角钢与缀板的连接。

（4）缀板间距减小后，极限承载力得到较大提高，环箍效应更加明显，所以缀板间距是影响环箍效应的重要因素。

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