绿色纤维加固RC方柱轴心受压试验研究

李 妍，陈宣伊

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

0 引言

在1960年以前,我国就已经建造了约25亿平方米的房屋,至今房龄过久，其中有些房屋需要加固,以延长其使用寿命.本文针对这一情况提出一种新型的加固方法,采用绿色纤维缠绕即混凝土柱对其进行加固，国内外关于此类加固方法的研究较少，因此关于绿色纤维缠绕RC方柱的加固效果的研究具有一定的的工程参考价值[1-4].

1 试验概况

1.1 试件设计

本文试验主要考虑回收钢纤维的缠绕方式以及其缠绕间距这两种因素对混凝土柱的承载能力和延性的影响,共制作了6个试件.本文在试验柱外缠绕绿色纤维主要有螺旋缠绕和水平缠绕两种加固方式.为了使钢纤维更容易缠绕在混凝土柱上,本试验使用了钢板条加固装置,其简化了回收钢纤维加固柱的施工过程,对于矩形柱在不用倒圆角的情况下进行混凝土柱的侧向缠绕加固.试验柱相关参数如表1所示,试件尺寸为长200(mm)×宽200(mm)×高800(mm),试验柱除柱A1外,其余5根试验柱在RC方柱四个侧面的中间位置均粘贴了钢板条,钢板条的尺寸为70(mm)×50(mm)×40(mm)，其具体试件尺寸和相关配筋情况如图1所示.

图1 试件尺寸设计

表1 试件概况

1.2 试验装置及加载制度

本试验是在吉林建筑大学的试验室内进行的,试验装置采用的是加载装置为10 000 t的液压伺服长柱试验机,试验所需仪器如图2所示.

(a)10 000 t液压伺服长柱试验机

在试验正式开始前以5 kN的速度进行预加载，当达到0.3倍的极限荷载时，停止预加载.在预加载过程中观察仪器是否正常工作，在加载初期采用位移加载，速度为1 mm/min,当试验机与柱子完全紧贴之后，采用力加载.当荷载达到0.7倍的极限荷载时，转换成位移记载，速度和试验初期保持一致，直至RC方柱损坏.在试验过程中，对位移计和应变计的测量值及RC方柱的破坏形态进行实时观测和记录.

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

未加固柱在加载初期,裂缝由柱侧面中部的两边向中间位置延伸,但在此过程中混凝土柱并未产生横向变形.在施加荷载接近极限荷载时,在RC方柱中部位置裂缝开展迅速,且形成裂缝的数量越来越多,越来越密集，慢慢的有一些细微的混凝土碎块从柱子上脱落.随着对试验构件进一步加载,RC方柱侧面的中间位置开始有大块的混凝土碎块脱落,当构件露出里面的钢筋后,试件宣告破坏.

试验开始时,钢纤维的横向变形和弹性模量相对较低,包裹在钢筋混凝土方柱上的钢纤维的横向约束也较小.随着荷载的增加,钢纤维逐渐收紧,逐渐嵌入混凝土柱中,同时一些混凝土小碎块开始脱落,说明钢纤维的拉应力已发展到较高水平.随着少数钢纤维的逐一断裂,荷载开始慢慢下降,但是下降的速度较为缓慢,而且并不是所有的钢纤维都会断裂.当有较多根钢纤维断裂时,荷载下降速度开始加快,此时RC方柱侧面的中部位置开始有混凝土小碎块脱落,RC方柱侧面位置可以看到中部位置的箍筋发生了弯曲变形,表明此时RC方柱已经完全屈服,试验柱的破坏形式如图3所示.

(a)柱A1破坏图 (b)柱A2破坏图 (c)柱B1破坏图

2.2 试验结果及分析

2.2.1 承载力

通过试验得知，柱A1的极限承载力为1 399 kN，通过对比3组钢纤维不同缠绕间距,当在螺旋缠绕方式下,缠绕间距为20 mm和10 mm时,对RC方柱的极限承载力分别提高了30.1 %，39.8 %.从试验结果可以看出,当缠绕绿色纤维间距越小,混凝土侧面出现的裂缝块也越小,对试验柱承载力的提升也越大.与未缠绕回收钢纤维的RC方柱相比,其损伤发展速度较为缓慢,延性也越好.通过试验对比两组钢纤维不同缠绕方式,在缠绕间距为10 mm的情况下,螺旋缠绕方式使构件的极限荷载提升了39.8 %,水平缠绕方式使构件的极限荷载提升了30 %,所以证明在同等缠绕间距条件下,螺旋缠绕方式要优于水平缠绕方式.

2.2.2 RC方柱的荷载-位移分析

对RC试验方柱进行轴心受压试验,当试验荷载为60 kN以内时,RC方柱的荷载-位移曲线的变化较为平缓.当试验未加载到60 kN时,构件的荷载位移曲线的斜率渐渐变大,此时,加固前后的试验的荷载-位移曲线的斜率大体一致,说明当试验柱承受较小荷载时,在RC方柱外侧缠绕绿色纤维效果不明显.随着继续施加荷载,当A1试验柱的荷载加载到1 219 kN时,此时试验柱A1的荷载-位移曲线首次出现弯曲,加固后的试验柱的荷载-位移曲线仍旧缓慢增长.当柱A2、柱B1、柱B2、柱C1、柱C2的试验力分别达到1 250 kN,1 589 kN,1 738 kN,1 687 kN及1 746 kN时,试验柱的荷载-位移曲线逐渐开始发生变化,与未加固的试验柱A1相比,其屈服荷载分别提高了2.5 %,30.4 %和42.6 %,38.4 %及43.2 %.试验结果表明,当采用同一缠绕方式的情况下,在RC方柱上缠绕绿色纤维的间距越小,RC方柱的开裂荷载越高.

粘贴钢板条对RC方柱的开裂荷载以及极限承载力提升很小,说明利用钢板条对RC方柱加固起到的作用微乎其微.加固后试件的开裂荷载以及极限承载力提升的较为明显,从而说明钢板条装置在加固过程中只具有支撑绿色纤维的作用[5-9],通过试验数据得到的荷载-位移曲线如图4所示.

图4 RC方柱荷载-位移曲线

3 结论

本文针对有限元模拟和具体试验探究了在RC方柱表面缠绕绿色纤维从而达到约束混凝土的效果,针对加固前后RC方柱的破坏形式,结论如下:

(1)缠绕回收钢纤维从而加固RC方柱,钢纤维对混凝土柱有横向的约束作用,使RC方柱从单轴受压状态变成三轴受压状态,增强了构件的抗压强度,说明使用回收钢纤维缠绕加固RC方柱的方法行之有效.

(2)本文采用螺旋缠绕和水平缠绕两种方式加固RC方柱,通过试验对比两种缠绕方式对混凝土的加固效果,结果表明,在保证缠绕间距相同的情况下,螺旋缠绕绿色纤维方式更好.

(3)在钢纤维缠绕方式固定的情况下,绿色纤维的缠绕间距越小,对构件的开裂荷载和极限承载力提升效果越显著,此时RC方柱的延性性能越强,体现了采用绿色纤维加固混凝土柱效果的有效性.