FRP布加固钢筋混凝土短柱轴压性能试验*

2022-10-13张芳源陈会芳

砖瓦 2022年10期

张芳源陈会芳

（沧州交通学院，河北黄骅 061100）

FRP是使用增强纤维材料与基体材料，经缠绕、模压或拉挤等成型工艺制成的复合材料，常见如芳纶纤维增强复合材料（AFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、碳纤维增强复合材料（CFRP）等。此类材料的比强度高、可设计性强、热膨胀系数与混凝土相近，且抗腐蚀性和耐久性好，因此广泛应用在混凝土结构中[1]。钢筋混凝土短柱属于承力构件，如果短柱本身的承载力不足，可能导致建筑倒塌，因此必须采用加固补强措施。以下通过试验方案，探讨了CFRP布加固钢筋混凝土短柱后的轴压性能改善情况，为施工应用提供依据。

1 试验方案设计

1.1 钢筋混凝土短柱设计

本试验中，设计4根钢筋混凝土短柱，编号为Z1～Z4。混凝土强度等级为C30，截面尺寸300mm×300mm，高度为1500mm。支模时，在短柱的四角处设置倒角，半径为25mm，以避免棱角处的局部应力过大。钢筋混凝土短柱的配筋见图1。其中，Z1短柱不包裹CFRP布，不施加预应力；Z2短柱间断包裹普通CFRP布，条带间距为100mm，不施加预应力；Z3短柱间断包裹普通CFRP布，条带间距为100mm，施加预应力为纤维极限应变的10%；Z4短柱间断包裹普通CFRP布，条带间距为100mm，施加预应力为纤维极限应变的20%。

图1 钢筋混凝土短柱的配筋图

1.2 CFRP布的力学性能指标

本试验使用的CFRP布，是CFS-I-300单向纤维布。在试验开始前，分别对混凝土、钢筋、CFRP布、黏结胶进行力学性能测试，结果见表1。

表1 各种材料的力学性能测试结果

1.3 加固方案

CFRP布加固钢筋混凝土短柱的步骤如下：①对短柱表面进行处理，保证平整干燥，有助于CFRP布与混凝土粘贴；②使用CFRP布对柱头进行粘贴加固，防止局部受压破坏；③CFRP布单层包裹短柱，并使用锚固装置施加预应力。与此同时，用扳手同步交替旋紧上、下螺杆的螺母，准确控制预应力大小[2]；④预应力施加完成后，在CFRP布表面均匀涂抹黏结胶，保证纤维丝受力均匀。

1.4 测点布置

试验中，荷载量大小使用压力传感器测量，位移量大小使用位移控制系统测量。混凝土应变片布置在短柱四周表面的中间，纵筋应变片布置在四根纵筋的中间，箍筋应变片布置在中间三个箍筋的四周截面上。

1.5 试验加载方法

测点布置后，将短柱放置在液压试验机上进行试验，加载方法如下：①调整短柱的位置，确保几何对中；②先进行预加载，加载值为构件极限荷载值的20%，观察纵筋的应变情况，适当调整短柱的位置；③再进行正式加载，初期加载级数为40kN，加载速度为0.5kN/min；纵筋屈服后，加载级数为10kN，加载速度为0.2kN/min；短柱接近破坏时，加载级数为5kN，加载速度为0.2 kN/min；④每一级加载后稳定2min，记录应变值，并观察短柱变化特征。

2 试验现象

2.1 Z1钢筋混凝土短柱的变化

（1）加载初期，Z1短柱无明显变化，混凝土与钢筋的应变增长较慢。

（2）加载至极限荷载的60%，短柱顶部出现纵向裂缝，随之裂缝延伸并增多，纵筋应变明显增大。

（3）加载至极限荷载的90%，短柱底部出现纵向裂缝，中上部混凝土鼓胀、有碎屑剥落。

（4）加载至极限荷载1760kN，短柱出现贯通式裂缝，混凝土保护层大面积剥落，破坏后纵筋并未屈服。

2.2 Z2钢筋混凝土短柱的变化

（1）加载初期，Z2短柱无明显变化，混凝土与钢筋的应变增长较慢。

（2）加载至极限荷载的70%，短柱顶部出现纵向裂缝，柱顶CFRP布的应变突然增大。

（3）加载至极限荷载的90%，顶部裂缝向下延伸，中部混凝土鼓胀、未加固区域剥落，钢筋屈服，CFRP布的应变值突变。

（4）加载至极限荷载1950kN，短柱下部未加固区出现裂缝，CFRP布开裂，混凝土破坏。

2.3 Z3钢筋混凝土短柱的变化

（1）加载初期，Z3短柱无明显变化，混凝土与钢筋的应变增长较慢。

（2）加载至极限荷载的60%，短柱顶部未加固区出现纵向裂缝，随之裂缝向下延伸，CFRP布的应变突然增大。

（3）加载至极限荷载的90%，部分钢筋屈服，上部CFRP布部分开裂、应变值突变，混凝土小面积脱落。

（4）加载至2115kN，短柱中上部未加固区域的混凝土鼓胀、碎屑剥落；中部CFRP布的部分纤维丝断裂，混凝土破坏。

2.4 Z4钢筋混凝土短柱的变化

（1）加载初期，Z4短柱无明显变化，混凝土与钢筋的应变增长较慢。

（2）加载至极限荷载的60%，短柱顶部未加固区出现纵向裂缝，CFRP布的应变值明显增大。

（3）加载至极限荷载的80%，顶部纵向裂缝向下延伸，中部CFRP布的应变值明显增大，部分钢筋屈服。

（4）加载至极限荷载的90%，CFRP布出现脱胶声，CFRP布的应变值突变，裂缝进一步增多，所有钢筋屈服。加载至2302kN，CFRP布大量开裂，未加固区域的混凝土鼓胀、碎屑剥落，短柱严重破坏。

3 试验结果分析

3.1 承载力分析

（1）从短柱的承载力试验结果看，使用CFRP布加固短柱后，Z2、Z3、Z4短柱的承载力均提高，提高幅度分别为10.8%、20.2%和30.8%，见表2。

表2 钢筋混凝土短柱的承载力试验结果

（2）相较于Z2短柱，Z3与Z4短柱的承载力提高更明显，分析原因在于：短柱轴向受压时，纵向裂缝从无到有、逐渐变多延伸，将完整的混凝土结构划分为多个小块，最终失去承载力而发生破坏[3]。使用CFRP布加固后，CFRP布具有较强的弹性，没有明显屈服点。当混凝土结构受压膨胀，CFRP布的包裹作用产生约束，可控制裂缝延伸发展，避免出现贯通式裂缝，因此短柱的极限承载力提高。

（3）在未加固区域，混凝土膨胀导致CFRP布被拉断，失去约束作用后裂缝进一步发展，最终短柱破坏。

3.2 纵筋应变分析

（1）从纵筋的应变值变化看，加载初期短柱无明显变化，加固、未加固的混凝土与钢筋的应变增长较慢。

（2）当荷载增加至Z1短柱的极限承载力时，混凝土结构破坏，钢筋并未屈服；Z2、Z3、Z4短柱的纵筋继续线性增长。而且相较于Z1短柱，加固后的短柱纵筋弹性增长，且预应力越大、弹性增长越大。

（3）当纵筋应变达到0.002时，加固短柱的应变值突变，纵筋的应变增长速度加快；混凝土破坏时，加固短柱的纵筋应变值明显高于未加固短柱。分析认为：预应力CFRP布加固短柱，不仅能控制裂缝形成发展，还能增大混凝土与纵筋之间的摩擦力，发挥出纵筋的塑性变形作用，从而延缓混凝土的破坏速度，提高短柱的极限应变能力[4]。

3.3 CFRP布应变分析

加固短柱的所有CFRP布中，短柱上部的CFRP布破坏严重，下部的CFRP布受力很小，因此我们选择中间部位的CFRP布进行应变分析。

（1）在加载初期，因施加的荷载小，此时混凝土的膨胀不明显，因此CFRP布的应变增加较慢。

（2）随着荷载增大，混凝土出现裂缝，此时预应力越大的CFRP布其应变增长越慢，原因在于：预应力越大，对混凝土产生的约束作用越强，控制混凝土进一步膨胀，混凝土的横向变形减小。而且，与未施加预应力的Z2短柱相比，施加环向预应力使CFRP布更早地参与加固工作，解决了应力滞后的问题。

（3）荷载进一步增大后，裂缝延伸、变多，CFRP布的应变增长加快，并且出现突变。尤其当荷载增加至纵筋屈服时，出现贯通式裂缝，CFRP布应变增长迅速，直至CFRP布破坏。

（4）Z3、Z4短柱的CFRP布应变峰值，明显高于Z2短柱的CFRP布，说明施加预应力后，能对混凝土产生约束作用，发挥出FRP材料质量轻、强度高的优势[5]。

3.4 延性分析

在荷载作用下，分析短柱的轴向位移情况，结果显示：

（1）加载初期，4个短柱的轴向位移变化小，增长缓慢。

（2）随着荷载增大，CFRP布加固后的短柱，轴向位移增长量小于未加固的短柱，原因在于：CFRP布对短柱产生侧向约束作用，减小了混凝土的横向应变量，相同荷载条件下的轴向位移更小。

（3）继续加载至纵筋屈服，此时短柱纵向、横向的变形增长明显，轴线位移出现拐点，后续发展趋于平稳。

（4）当混凝土接近破坏时，轴向位移量明显减小，相较于Z1短柱，加固后的短柱轴向位移量减小更加平稳，发生破坏后的极限轴向位移量更大。说明：在CFRP布的环向加固作用下，尽管混凝土出现多处裂缝，但整个构件依然能持荷工作，短柱的延性得到提升。而且，施加的预应力越大，延性提升幅度越大，混凝土的变形性能越好。