混杂纤维加固混凝土方形短柱极限承载力研究

尹毓良 张鸿梅

(延边大学结构工程学科土木工程系，吉林延吉 133002)

纤维复合材料(Fiber-Reinforced Plastic，亦称为 Fiber Reinforced Polymer Materials，简称FRP)是一种以碳、玻璃、芳纶等纤维与按一定比例拌合的环氧树脂等基体材料合成的高性能复合材料。由于其具有轻质高强、施工速度快、维护费用低、耐腐蚀、耐疲劳、不明显增加构件截面尺寸等优点［1］，近年来，在混凝土结构加固中得到了广泛应用。本文针对层间混杂纤维加固混凝土短柱进行试验研究。

1 试验设计

1.1 试件设计

本次试验共设计22个尺寸为150 mm×150 mm×450 mm的混凝土方柱试件，设计强度均为C50，混凝土的配合比为:水泥∶水∶砂子∶石子∶高效减水剂 =1∶0.32∶1.42∶3.01∶0.012，坍落度为90 mm，在粘贴纤维布加固前，试件先进行半径为20 mm的倒角处理，加固材料采用单向的碳纤维布(CFRP)，玻璃纤维布(GFRP)和芳纶纤维布(AFRP)，其纤维布材料的力学指标见表1。

表1 纤维布材料的力学指标

1.2 加固方案

本次试验是将CFRP，GFRP，AFRP三种纤维互相搭配形成复合纤维进行加固，加固方式见表2。粘贴纤维布是按照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(2003)［2］规范进行的。试件在室温条件下养护7 d后开始试验。

表2 试件编号、主要参数及加固方式

1.3 测点布置和数据采集

在未加固柱的混凝土表面和加固柱的纤维布表面布置电阻应变片，具体位置均位于柱高度的中部，沿竖向和横向各粘贴4片5 mm×80 mm应变片用来测量加载过程中混凝土和纤维的受拉应变和受压应变，应变数据和位移数据均由自动数据采集系统采集记录。

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

素混凝土柱:当荷载达到极限承载力的80%时，柱中间出现微小纵向裂缝，并迅速开展形成主裂缝向柱两端延伸，荷载达到极限承载力后，试件瞬间破坏。

单一纤维加固混凝土柱:1)玻璃纤维加固混凝土柱，荷载达到极限值70%时，能听到内部混凝土破裂声，局部纤维出现外鼓现象，最终因柱脚纤维撕断而丧失承载力。2)碳纤维加固混凝土柱，荷载达到极限值的80%时，能听到纤维之间拉裂声，最终因纤维剥离而瞬间破坏。3)芳纶纤维加固混凝土柱，临近破坏时，试件局部呈现大幅度外鼓现象，最终因中部纤维被拉断，内部混凝土被炸开，试件丧失承载力，破坏过程中能听到强烈的爆炸声，属于脆性破坏。

混杂纤维加固混凝土柱:在试件达到极限承载力70%时，能听到内部纤维拉断声，但表面纤维未见破损，柱中部有较明显的外鼓现象，随着荷载增加，纤维拉断声开始增多，最终因外部纤维拉断而丧失承载力，内部混凝土呈剪切破坏。

2.2 试验结果

2.2.1 不同加固层数对加固效果的影响

由表3和图1可以看出，纤维加固的混凝土柱承载力得到了明显提高，其承载力随着纤维层数的增加而增大，但却不成比例。由图2可以看出，纤维能够有效约束混凝土的竖向变形，在相同的荷载条件下，加固柱的平均应变小于未加固的柱，且随着层数的增加而减小。这表明FRP能够有效约束混凝土柱，使混凝土处于三向受压状态，控制了混凝土的竖向变形，从而延缓了混凝土内部裂缝的发展和混凝土的破坏，限制其体积的膨胀，从而提高了抗压承载力和延性。

2.2.2 不同纤维加固效果

由表1，表3和图2可以看出:1)相对于 P0，C1，A1，G1的承载力分别提高了40%，43.83%和28.89%，其中芳纶纤维和碳纤维提高幅度较大，说明纤维的抗拉强度对混凝土的加固效果影响较大。还可以看出碳纤维抗拉强度最高，但其单层厚度最小，芳纶纤维抗拉强度一般，但其单层厚度最大，其加固效果最好，这表明混凝土的加固效果与材料的厚度有关。2)混凝土柱的极限竖向应变随着纤维层数的增加而增大。但在相同荷载作用下，对于不同的材料，纤维对混凝土的竖向约束平均应变并不相同，且随着层数的增加而减小，这表明纤维对混凝土的竖向约束效果与材料的厚度有关。

表3 试验结果

图1 不同层数纤维加固效果

图2 不同种类纤维加固应变图

2.2.3 倒角柱与非倒角柱加固效果对比

由表3和图3可以看出，在采用相同纤维及加固层数相同的条件下，倒角的混凝土柱加固效果明显优于未倒角的混凝土柱，且在相同的荷载作用下，倒角的混凝土柱能够更有效的约束混凝土的竖向变形，限制其裂缝的发展，从而提高其混凝土的承载力和延性。

2.2.4 混杂纤维加固混凝土短柱对比分析

1)从表3和图 4可以看出，相对于 P0，试件 A2，C1G1，A1G1，C1A1承载力分别提高了 59.28%，58.66%，64.51%，70.98%，这表明混杂纤维加固混凝土试件承载力明显优于未加固的混凝土试件。2)相对于A2，试件A1G1，C1A1的承载力分别高出3.28%和7.35%，其中对于单一纤维而言，芳纶纤维加固效果最好，碳纤维加固效果其次，玻璃纤维加固效果最差，即混杂纤维加固混凝土短柱抗压承载力明显优于单一纤维加固效果，说明混杂纤维能够充分协调纤维材料之间的性能不足，做到扬长避短，从而进一步提高材料的力学性能。

图3 倒角柱与非倒角柱加固对比

图4 混杂纤维加固效果

3 结语

1)FRP横向包裹加固混凝土短柱，可明显提高构件的轴向承载力和构件的延性，限制构件的竖向应变。2)FRP加固混凝土短柱，承载力和延性随着纤维层数的增加而增大，但不成比例，加固效果与材料的抗拉强度和材料的厚度有关。3)截面光滑度对纤维加固效果影响较明显，截面边界越光滑，加固效果越好，倒角柱加固效果明显优于未倒角柱，在实际加固中可优先采用倒角截面。4)混杂纤维加固混凝土短柱承载力明显优于未加固混凝土短柱，强度高于单一纤维的加固效果，延性和变形能力相对于单一的纤维得到了明显的提高，克服了纤维抗拉强度低，延性差，价格高的特点，混杂纤维的协调匹配充分发挥了不同纤维的优势，扬长避短，提高了承载力、延性和变形能力，降低了成本，建议在实际加固设计中采用这种层间混杂纤维进行加固。

［1］黄学杰，童谷生，梁进修.FRP加固混凝土柱研究综述［J］.华东交通大学学报，2008，25(5):12-15.

［2］岳清瑞，叶列平.碳纤维片材加固混凝土结构技术规程［M］.北京:中国计划出版社，2007.