FRP布加固鋼筋混凝土短柱軸壓性能試驗(yàn)*

張芳源 陳會(huì)芳

（滄州交通學(xué)院，河北 黃驊 061100）

FRP是使用增強(qiáng)纖維材料與基體材料，經(jīng)纏繞、模壓或拉擠等成型工藝制成的復(fù)合材料，常見如芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）等。此類材料的比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)與混凝土相近，且抗腐蝕性和耐久性好，因此廣泛應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)中[1]。鋼筋混凝土短柱屬于承力構(gòu)件，如果短柱本身的承載力不足，可能導(dǎo)致建筑倒塌，因此必須采用加固補(bǔ)強(qiáng)措施。以下通過試驗(yàn)方案，探討了CFRP布加固鋼筋混凝土短柱后的軸壓性能改善情況，為施工應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 鋼筋混凝土短柱設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)4根鋼筋混凝土短柱，編號(hào)為Z1～Z4。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，截面尺寸300mm×300mm，高度為1500mm。支模時(shí)，在短柱的四角處設(shè)置倒角，半徑為25mm，以避免棱角處的局部應(yīng)力過大。鋼筋混凝土短柱的配筋見圖1。其中，Z1短柱不包裹CFRP布，不施加預(yù)應(yīng)力；Z2短柱間斷包裹普通CFRP布，條帶間距為100mm，不施加預(yù)應(yīng)力；Z3短柱間斷包裹普通CFRP布，條帶間距為100mm，施加預(yù)應(yīng)力為纖維極限應(yīng)變的10%；Z4短柱間斷包裹普通CFRP布，條帶間距為100mm，施加預(yù)應(yīng)力為纖維極限應(yīng)變的20%。

圖1 鋼筋混凝土短柱的配筋圖

1.2 CFRP布的力學(xué)性能指標(biāo)

本試驗(yàn)使用的CFRP布，是CFS-I-300單向纖維布。在試驗(yàn)開始前，分別對(duì)混凝土、鋼筋、CFRP布、黏結(jié)膠進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 各種材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

1.3 加固方案

CFRP布加固鋼筋混凝土短柱的步驟如下：①對(duì)短柱表面進(jìn)行處理，保證平整干燥，有助于CFRP布與混凝土粘貼；②使用CFRP布對(duì)柱頭進(jìn)行粘貼加固，防止局部受壓破壞；③CFRP布單層包裹短柱，并使用錨固裝置施加預(yù)應(yīng)力。與此同時(shí)，用扳手同步交替旋緊上、下螺桿的螺母，準(zhǔn)確控制預(yù)應(yīng)力大小[2]；④預(yù)應(yīng)力施加完成后，在CFRP布表面均勻涂抹黏結(jié)膠，保證纖維絲受力均勻。

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)中，荷載量大小使用壓力傳感器測(cè)量，位移量大小使用位移控制系統(tǒng)測(cè)量。混凝土應(yīng)變片布置在短柱四周表面的中間，縱筋應(yīng)變片布置在四根縱筋的中間，箍筋應(yīng)變片布置在中間三個(gè)箍筋的四周截面上。

1.5 試驗(yàn)加載方法

測(cè)點(diǎn)布置后，將短柱放置在液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，加載方法如下：①調(diào)整短柱的位置，確保幾何對(duì)中；②先進(jìn)行預(yù)加載，加載值為構(gòu)件極限荷載值的20%，觀察縱筋的應(yīng)變情況，適當(dāng)調(diào)整短柱的位置；③再進(jìn)行正式加載，初期加載級(jí)數(shù)為40kN，加載速度為0.5kN/min；縱筋屈服后，加載級(jí)數(shù)為10kN，加載速度為0.2kN/min；短柱接近破壞時(shí)，加載級(jí)數(shù)為5kN，加載速度為0.2 kN/min；④每一級(jí)加載后穩(wěn)定2min，記錄應(yīng)變值，并觀察短柱變化特征。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 Z1鋼筋混凝土短柱的變化

（1）加載初期，Z1短柱無明顯變化，混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。

（2）加載至極限荷載的60%，短柱頂部出現(xiàn)縱向裂縫，隨之裂縫延伸并增多，縱筋應(yīng)變明顯增大。

（3）加載至極限荷載的90%，短柱底部出現(xiàn)縱向裂縫，中上部混凝土鼓脹、有碎屑剝落。

（4）加載至極限荷載1760kN，短柱出現(xiàn)貫通式裂縫，混凝土保護(hù)層大面積剝落，破壞后縱筋并未屈服。

2.2 Z2鋼筋混凝土短柱的變化

（1）加載初期，Z2短柱無明顯變化，混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。

（2）加載至極限荷載的70%，短柱頂部出現(xiàn)縱向裂縫，柱頂CFRP布的應(yīng)變突然增大。

（3）加載至極限荷載的90%，頂部裂縫向下延伸，中部混凝土鼓脹、未加固區(qū)域剝落，鋼筋屈服，CFRP布的應(yīng)變值突變。

（4）加載至極限荷載1950kN，短柱下部未加固區(qū)出現(xiàn)裂縫，CFRP布開裂，混凝土破壞。

2.3 Z3鋼筋混凝土短柱的變化

（1）加載初期，Z3短柱無明顯變化，混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。

（2）加載至極限荷載的60%，短柱頂部未加固區(qū)出現(xiàn)縱向裂縫，隨之裂縫向下延伸，CFRP布的應(yīng)變突然增大。

（3）加載至極限荷載的90%，部分鋼筋屈服，上部CFRP布部分開裂、應(yīng)變值突變，混凝土小面積脫落。

（4）加載至2115kN，短柱中上部未加固區(qū)域的混凝土鼓脹、碎屑剝落；中部CFRP布的部分纖維絲斷裂，混凝土破壞。

2.4 Z4鋼筋混凝土短柱的變化

（1）加載初期，Z4短柱無明顯變化，混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。

（2）加載至極限荷載的60%，短柱頂部未加固區(qū)出現(xiàn)縱向裂縫，CFRP布的應(yīng)變值明顯增大。

（3）加載至極限荷載的80%，頂部縱向裂縫向下延伸，中部CFRP布的應(yīng)變值明顯增大，部分鋼筋屈服。

（4）加載至極限荷載的90%，CFRP布出現(xiàn)脫膠聲，CFRP布的應(yīng)變值突變，裂縫進(jìn)一步增多，所有鋼筋屈服。加載至2302kN，CFRP布大量開裂，未加固區(qū)域的混凝土鼓脹、碎屑剝落，短柱嚴(yán)重破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 承載力分析

（1）從短柱的承載力試驗(yàn)結(jié)果看，使用CFRP布加固短柱后，Z2、Z3、Z4短柱的承載力均提高，提高幅度分別為10.8%、20.2%和30.8%，見表2。

表2 鋼筋混凝土短柱的承載力試驗(yàn)結(jié)果

（2）相較于Z2短柱，Z3與Z4短柱的承載力提高更明顯，分析原因在于：短柱軸向受壓時(shí)，縱向裂縫從無到有、逐漸變多延伸，將完整的混凝土結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)小塊，最終失去承載力而發(fā)生破壞[3]。使用CFRP布加固后，CFRP布具有較強(qiáng)的彈性，沒有明顯屈服點(diǎn)。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受壓膨脹，CFRP布的包裹作用產(chǎn)生約束，可控制裂縫延伸發(fā)展，避免出現(xiàn)貫通式裂縫，因此短柱的極限承載力提高。

（3）在未加固區(qū)域，混凝土膨脹導(dǎo)致CFRP布被拉斷，失去約束作用后裂縫進(jìn)一步發(fā)展，最終短柱破壞。

3.2 縱筋應(yīng)變分析

（1）從縱筋的應(yīng)變值變化看，加載初期短柱無明顯變化，加固、未加固的混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。

（2）當(dāng)荷載增加至Z1短柱的極限承載力時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)破壞，鋼筋并未屈服；Z2、Z3、Z4短柱的縱筋繼續(xù)線性增長(zhǎng)。而且相較于Z1短柱，加固后的短柱縱筋彈性增長(zhǎng)，且預(yù)應(yīng)力越大、彈性增長(zhǎng)越大。

（3）當(dāng)縱筋應(yīng)變達(dá)到0.002時(shí)，加固短柱的應(yīng)變值突變，縱筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快；混凝土破壞時(shí)，加固短柱的縱筋應(yīng)變值明顯高于未加固短柱。分析認(rèn)為：預(yù)應(yīng)力CFRP布加固短柱，不僅能控制裂縫形成發(fā)展，還能增大混凝土與縱筋之間的摩擦力，發(fā)揮出縱筋的塑性變形作用，從而延緩混凝土的破壞速度，提高短柱的極限應(yīng)變能力[4]。

3.3 CFRP布應(yīng)變分析

加固短柱的所有CFRP布中，短柱上部的CFRP布破壞嚴(yán)重，下部的CFRP布受力很小，因此我們選擇中間部位的CFRP布進(jìn)行應(yīng)變分析。

（1）在加載初期，因施加的荷載小，此時(shí)混凝土的膨脹不明顯，因此CFRP布的應(yīng)變?cè)黾虞^慢。

（2）隨著荷載增大，混凝土出現(xiàn)裂縫，此時(shí)預(yù)應(yīng)力越大的CFRP布其應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)越慢，原因在于：預(yù)應(yīng)力越大，對(duì)混凝土產(chǎn)生的約束作用越強(qiáng)，控制混凝土進(jìn)一步膨脹，混凝土的橫向變形減小。而且，與未施加預(yù)應(yīng)力的Z2短柱相比，施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力使CFRP布更早地參與加固工作，解決了應(yīng)力滯后的問題。

（3）荷載進(jìn)一步增大后，裂縫延伸、變多，CFRP布的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)加快，并且出現(xiàn)突變。尤其當(dāng)荷載增加至縱筋屈服時(shí)，出現(xiàn)貫通式裂縫，CFRP布應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速，直至CFRP布破壞。

（4）Z3、Z4短柱的CFRP布應(yīng)變峰值，明顯高于Z2短柱的CFRP布，說明施加預(yù)應(yīng)力后，能對(duì)混凝土產(chǎn)生約束作用，發(fā)揮出FRP材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)[5]。

3.4 延性分析

在荷載作用下，分析短柱的軸向位移情況，結(jié)果顯示：

（1）加載初期，4個(gè)短柱的軸向位移變化小，增長(zhǎng)緩慢。

（2）隨著荷載增大，CFRP布加固后的短柱，軸向位移增長(zhǎng)量小于未加固的短柱，原因在于：CFRP布對(duì)短柱產(chǎn)生側(cè)向約束作用，減小了混凝土的橫向應(yīng)變量，相同荷載條件下的軸向位移更小。

（3）繼續(xù)加載至縱筋屈服，此時(shí)短柱縱向、橫向的變形增長(zhǎng)明顯，軸線位移出現(xiàn)拐點(diǎn)，后續(xù)發(fā)展趨于平穩(wěn)。

（4）當(dāng)混凝土接近破壞時(shí)，軸向位移量明顯減小，相較于Z1短柱，加固后的短柱軸向位移量減小更加平穩(wěn)，發(fā)生破壞后的極限軸向位移量更大。說明：在CFRP布的環(huán)向加固作用下，盡管混凝土出現(xiàn)多處裂縫，但整個(gè)構(gòu)件依然能持荷工作，短柱的延性得到提升。而且，施加的預(yù)應(yīng)力越大，延性提升幅度越大，混凝土的變形性能越好。

3.5 軸壓承載力分析

根據(jù)約束混凝土極限抗壓強(qiáng)度的擬合回歸曲線，可以得到預(yù)應(yīng)力CFRP布約束鋼筋混凝土短柱中，約束混凝土的極限抗壓強(qiáng)度fcc計(jì)算公式是：

式中fco代表無約束混凝土抗壓強(qiáng)度；ks代表預(yù)應(yīng)力CFRP布包裹的混凝土強(qiáng)度計(jì)算式中的截面形狀系數(shù)；fel代表軸壓狀態(tài)下CFRP布提供的有效約束應(yīng)力。

參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[6]，預(yù)應(yīng)力CFRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓承載力Nu計(jì)算公式是：

式中fs代表混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As代表混凝土局部受壓面積；Acc代表混凝土局部受壓凈面積。

將式（2）帶入式（1），即可得到預(yù)應(yīng)力CFRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓承載力Nu計(jì)算公式是：

利用式（3），對(duì)本試驗(yàn)中短柱的軸壓承載力進(jìn)行計(jì)算，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。分析可見，CFRP布加固鋼筋混凝土短柱后，承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值較為接近，兩者的誤差≤5%，可作為計(jì)算軸壓承載力的方法。

表3 CFRP布加固鋼筋混凝土短柱的軸壓承載力

4 結(jié)語

綜上所述，通過本次研究得到以下結(jié)論：

（1）使用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土短柱，相較于普通CFRP布加固，CFRP布能更早地參與加固工作，在混凝土破壞時(shí)提高CFRP布的極限應(yīng)變。

（2）使用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土短柱，相較于未加固的構(gòu)件能顯著提高軸心受壓承載力、延性等指標(biāo)，且施加的預(yù)應(yīng)力越大，性能提升越明顯。

（3）預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土短柱后，破壞部位集中在未加固區(qū)域，提示加固補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面包裹加固。