预应力CFRP布加固低强度混凝土方柱的力学性能

程东辉，于雁南，叶 旭

（东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引 言

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）布具有抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀、施工方便、施工质量易于保证等优点，在各国广泛应用于钢筋混凝土结构加固领域［1－13］。为充分发挥CFRP布高强度的特点，解决普通CFRP布加固混凝土构件存在的应力滞后问题，对CFRP布进行预张拉，然后对混凝土构件进行粘贴加固是行之有效的途径。各国对预应力CFRP布加固混凝土结构的研究证明：利用预应力CFRP布加固可以明显提高混凝土结构的开裂荷载、纵向受力钢筋屈服时的荷载和构件的极限承载力；显著提高构件的刚度，减少变形；有效抑制裂缝的形成、开展，明显改善结构的工作性能；使CFRP布由被动受力转变为主动受力。

为进一步研究CFRP布加固混凝土柱受压性能，笔者在试验的基础上利用有限元软件ANSYS对预应力CFRP布加固低强度混凝土柱的轴心受压力学性能进行了研究。

1 试验概况

1.1 试件设计

根据截面配筋的不同设计制作3组共计12根方形截面柱试件，混凝土设计强度均为C20。每组试件中选1根普通钢筋混凝土柱作为对比柱，其余3根利用预应力CFRP布加固。柱截面尺寸为200mm×200mm，柱高1 000mm，试件截面尺寸及配筋如图1所示，试件配筋率及CFRP布张拉控制应力如表1所示。

试验中采用日本东丽（TORAYCA）公司生产的CFRP布，该CFRP布为单向纤维，由高强度CFRP束组成，每束碳纤维的丝数规格为18K；CFRP布单位面积质量为200g，其力学性能指标见表2。胶粘剂选用亨斯特先进化工材料有限公司生产的双酚A改性环氧树脂和配套的改性胺类固化剂，二者按4∶1比例配制而成，其力学性能指标见表3。混凝土轴心抗压强度实测值为13.2MPa，试验选用的钢筋力学性能指标实测值见表4。

图1 试件尺寸及配筋（单位：mm）Fig.1 Dimensions and Reinforcements ofSpecimens（Unit：mm）

表1 试件配筋率及CFRP布张拉控制应力Tab.1 Reinforcement Ratios of Specimens and Prestress of CFRP Sheets

表2 CFRP布的力学性能指标Tab.2 Mechanical Property Indexes of CFRP Sheets

表3 浸渍胶粘剂的力学性能指标Tab.3 Mechanical Property Indexes of Impregnated Adhesive MPa

表4 钢筋力学性能指标的实测值Tab.4 Measured Values of Mechanical Property Indexes of Steel Bars

1.2 试件的加固及测试方案

采用文献［14］中的装置对CFRP布进行张拉（图2），然后进行粘贴加固。由于张拉机具对CFRP布张拉时需要以试件为依托，因此张拉完毕后张拉机具所留的约20mm空隙用普通CFRP布缠绕。待环氧树脂胶固化后，对试件进行加载，加载试验在5 000kN压力试验机上进行。加载初期以每级20 kN进行加载，加至普通混凝土对比柱极限荷载的70%后，以每级10kN进行加载。加载间隔3min，数据采集后进行下一级加载，直至试件破坏。试件加载及测试方案见图3，加载试验全貌见图4。

图2 CFRP布张拉过程Fig.2 Prestressing Process of CFRP Sheets

2 试验现象与试验结果

3根普通混凝土对比柱在加载过程中呈现典型的轴心受压破坏特征：柱底在荷载作用下首先出现竖向裂缝，随着荷载增大，柱中部有纵向裂缝出现；当荷载达到极限荷载的95%时，混凝土保护层大面积剥落，柱底产生的裂缝与柱中部裂缝贯穿导致柱破坏，如图5（a）所示。

预应力CFRP布加固混凝土柱在试验过程中出现以下值得注意的现象：由于CFRP布的约束，加载初期试件未出现异常变化；当荷载增至极限荷载的70%时，试件发出“噼啪”声，这是柱在轴向压力作用下产生横向变形，预应力CFRP布的拉力增大，导致部分环氧树脂胶开裂发出的。加载至极限荷载时，加固柱产生2种破坏形态：第1种是在加固柱达到极限状态时CFRP布中处于边缘的纤维束逐渐断裂，使中部未拉断纤维束应力增大并依次被拉断，直至CFRP布整体拉断，丧失对混凝土的约束，导致混凝土被压碎，如图5（b）所示；第2种是加固柱在轴向压力作用下产生的横向变形使预应力CFRP布搭接处的环氧树脂胶突然剥离，混凝土丧失环向约束而被压碎，如图5（c）所示。这2种破坏都比较突然，无明显预兆，具有脆性破坏特征。

表5中给出了试验过程中第Ⅰ～Ⅲ组试件在各特征时刻的代表性数据实测值。图6中给出了第Ⅰ，Ⅱ组试件实测的荷载－轴向位移曲线。

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

利用有限元软件ANSYS对预应力CFRP布加固混凝土柱的力学性能开展研究［15－17］，分析过程中混凝土单元选用Solid65，钢筋单元选用Link8一维链杆单元，预应力CFRP布选用Shell41膜单元。

假定CFRP布与混凝土之间位移变形协调，CFRP布单元与相邻的混凝土单元通过二者间共用节点来传递力，采用升温法对CFRP布施加预应力，即利用CFRP布的温度线膨胀系数α为负（α＝－0.7×10－6℃）这一特点，对CFRP布进行升温，使CFRP布产生预拉应力，从而对被包裹其中的混凝土产生压应力作用。根据不同的预应力水平，采用ΔT＝ε／α来计算温度的改变值，其中，T 为温度，ε为应变。

分析求解采用完全的Newton－Raphson迭代法。打开自动时间步长，采用Cnvtol命令调整收敛精度，加速收敛，以减少计算时间。

3.2 力学性能分析

3.2.1 承载力

表6中给出了各试件极限承载力的有限元计算值V1与实测值V2的对比。由表6可以看出：在混凝土柱配筋率相同时，预应力CFRP布加固混凝土柱相对于普通混凝土对比柱的极限承载力有明显提高。这是因为加固柱在未受荷之前即已受到预应力CFRP布的环向压力，该变形从一开始即受到CFRP布的约束，从而提高了混凝土的极限压应变，使受压承载力得以提高。此外，由表6还可以看出：加固柱承载力提高幅度受CFRP布的预拉应力影响，当柱配筋率较低时，柱承载力提高幅度随CFRP布的预拉应力增加而增大。

图5 柱典型破坏形态Fig.5 Typical Failure Modes of Columns

3.2.2 轴向变形

图7中以第Ⅰ组试件为例，给出了轴向压力作用下试件轴向位移实测曲线与有限元计算曲线。由图7可以看出：普通混凝土对比柱由于未受到CFRP布的约束作用，轴向位移从加载开始直至破坏始终呈线性变化。而利用预应力CFRP布加固的混凝土柱，在荷载作用下混凝土横向变形受到约束，进而影响到轴向位移，使荷载作用下轴向位移曲线的斜率增大，相同荷载下的轴向位移减小。纵向钢筋屈服后，其轴向位移呈明显增大趋势，这是与对比柱有显著区别的，说明利用预应力CFRP布加固的混凝土柱的延性得到明显提高。

表5 主要试验结果Tab.5 Main Experimental Results

图6 荷载－轴向位移曲线Fig.6 Load－axial Displacement Curves

3.2.3 预应力CFRP布与纵向钢筋协同受力

为充分考察预应力CFRP布在受力过程中的应力变化情况，选取有代表性的3根加固柱，给出了其纵向受力钢筋和预应力CFRP布应变变化曲线，如图8所示。由图8可以看出：加载初期，柱的横向变形不大，对CFRP布产生的拉应力较小，纵向钢筋与混凝土承担了主要荷载；当加载至纵向钢筋屈服后，预应力CFRP布的应变显著增加，表明在纵向钢筋屈服时，外荷载的增加主要由混凝土及预应力CFRP布的间接作用承担，这也是加固柱承载力提高的主要原因。

表6 试件极限承载力计算值与实测值对比Tab.6 Calculated Values and Measured Values for Ultimate Bearing Capacity of Specimens

4 结语

（1）利用预应力CFRP布加固后的低强度混凝土柱极限承载力明显提高：CFRP布从加载初期即参与受力，减少了应力滞后现象的发生，充分发挥了CFRP布的强度。

（2）利用预应力CFRP布加固混凝土柱，有效抑制了柱内混凝土裂缝开展，提高了柱的延性。

（3）预应力CFRP布加固混凝土柱极限承载力提高幅度与截面配筋率有关：当配筋率较低时，加固柱极限承载力的提高幅度随CFRP布预拉应力的提高而增大。

（4）利用有限元软件ANSYS对预应力CFRP布加固混凝土柱的力学性能进行计算分析，计算值与实测值吻合较好。

图7 荷载－轴向位移曲线的计算值与实测值对比Fig.7 Comparisons of Calculated Values and Measured Values of Load－axial Displacement Curves

图8 预应力CFRP布与纵向钢筋荷载－应变曲线Fig.8 Load－strain Curves of Prestressed CFRP Sheets and Longitudinal Reinforcements

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