RPC钢筋网加固足尺RC柱偏压性能试验

卜良桃，朱天宇，贺洪霞

(1.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457)

我国建筑行业已进入新建与维修加固并重的重要时期，大量混凝土结构亟需加固。钢筋混凝土柱作为承受荷载的重要构件，众多学者都致力于通过加固方式以提高柱的承载能力和延性[1-2]。近年来粘贴纤维复合材料加固法和钢筋网混凝土外包加固法发展迅速，且取得了一定的研究成果[3-7]。但钢筋网混凝土外包加固法加固层较厚，加固后结构自重增加、净空减小；而粘贴纤维复合材料加固法有耐火性差，在不良环境中与混凝土粘结性能差、破坏突然等缺点。因此探寻新型加固方法以提高混凝土柱的性能具有重要意义。

活性粉末混凝土(RPC)作为一种水泥基复合材料，具有超高的强度、韧性和耐久性[8-9]。RPC钢筋网薄层加固法对结构自重和净空影响较小，能大幅度提高结构变形能力，并且适用于极端环境下的结构加固，在抗震设防和耐火性要求较高的结构加固方面效果优异。但目前大量的学者都致力于研究RPC结构的力学性能[10-12]，关于RPC在加固领域的研究较少。而且加固领域的试验研究中大多都采用缩尺构件[13]，忽略了尺寸效应的影响，一次受力下的加固也不符合实际工程中负载下加固的情况。基于此，笔者对二次受力下活性粉末混凝土薄层加固足尺混凝土(RC)柱的偏压性能进行试验研究，探究钢筋网配筋率和初始荷载水平对加固柱偏压性能的提高作用，并提出了活性粉末混凝土薄层加固(RPCRM)柱的二次受力正截面承载力的计算方法。

1 试 验

1.1 试件设计

为研究不同钢筋网配筋率及初始荷载水平对RPCRM柱受力性能的影响，本次试验共设计1根未加固的对比柱和6根RPCRM柱，试验柱参数见表1。

表1 试验柱参数Table 1 Test column parameters

图1 试验柱Z1配筋图Fig.1 Test column reinforcement diagram

1.2 加载方案及量测内容

试验在10 000 kN压力试验机上进行，试件两端铰接，采用单刀铰支座进行偏心受压试验，加载装置示意图见图2。加载方案根据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T50152—2012)[15]执行，采用单调连续荷载控制分级加载法。

图2 试验加载装置Fig.2 Test loading device

试验观测内容包括荷载、试件侧向挠度、应变、裂缝产生及发展情况四个方面。荷载由静载测试仪控制系统读取，侧向挠度由沿柱高均匀分布的5个百分表测得，上下端部两个百分表距离柱端部100 mm，每个百分表之间距离700 mm，百分表布置见图2。在试件中部混凝土及RPC上沿截面高度方向布置5个应变片以测得中部混凝土及RPC应变，在原柱纵筋和加固层钢筋网纵筋布置应变片以测得钢筋应变。在试验过程中，由裂缝宽度仪测量裂缝宽度，观察并记录裂缝位置、发展情况及相对应的荷载。

2 试验结果与分析

2.1 试件现象及破坏形态

Z1为未加固的对比柱，表现为明显的大偏压破坏，柱身弯曲变形明显，受拉侧出现横向主裂缝，受压侧混凝土压碎剥落。整体来看，柱Z1延性较差，破坏征兆不明显，破坏形态如图3所示。

图3 Z1破坏形态与裂缝分布Fig.3 Z1 destruction form and crack distribution

对于RPCRM柱，各试件破坏过程基本相同(除Z-S100-P0.5-NSD外)，笔者以试验柱Z-S50-P0.5为例进行说明。加载初期，柱身侧向变形不明显，当荷载达到4 100 kN时，柱端部加载点处出现竖向裂缝，随着荷载增加向受压侧延伸；进一步加载柱中部出现第一条横向裂缝，裂缝长度约60 mm，并向侧面延伸；荷载继续增加时，试件持续出现细微的拉裂声，受拉侧横向裂缝不断增多，柱中偏上部的横向裂缝不断往受压侧延伸，有贯穿柱横截面的趋势，侧向挠度也明显增加，柱身明显弯曲；达到极限荷载的80%时，出现密集的拉裂声，靠近受压侧出现斜向裂缝，RPC呈剥落状；当荷载到达峰值荷载时，受拉侧出现一条主裂缝贯穿至受压侧，受拉侧纵向钢筋被拉断，受压侧RPC被压碎，荷载断崖式下落。RPCRM柱试件最终破坏均表现为受拉侧钢筋屈服，受压侧RPC被压碎，破坏形态如图4所示。与对比柱Z1相比，RPCRM柱裂缝发展更为充分，且裂缝宽度更大，延性较好。

图4 Z-S50-P0.5破坏形态与裂缝分布Fig.4 Z-S50-P0.5 destruction form and crack distribution

2.2 结果分析

2.2.1 承载力分析

试验柱特征荷载结果见表2。从表中可以看出，与对比柱相比，RPCRM柱开裂荷载和峰值荷载均有不同程度的提高，且提高幅度随钢筋网配筋率的增大而增大，随初始荷载水平的增大而减小。

表2 试件开裂及极限荷载Table 2 Specimen cracking and ultimate loads

与试件Z1相比，试件Z-S100-P0.5、Z-S75-P0.5、Z-S50-P0.5开裂荷载分别提高了124%、214%、388%，峰值荷载分别提高了52%、110%、217%。通过文献[2]和文献[7]的试验研究可知，与高性能水泥复合砂浆钢筋网加固RC柱和树脂混凝土钢筋网加固RC柱相比，活性粉末混凝土钢筋网加固RC柱开裂荷载的提高幅度较大，这主要是因为RPC中加入了钢纤维，抗拉强度较高，能有效提高试件刚度，延缓试件开裂。

除加固层钢筋网配筋率外，加固柱的初始荷载水平也是影响RPCRM柱承载力的重要因素。与未加固柱Z1相比，试件Z-S50-P0、Z-S50-P0.5、Z-S50-P0.8开裂荷载分别提高了203%、388%、255%，峰值荷载分别提高了233%、217%、205%。可以看出，RPCRM柱的承载力与初始荷载水平呈负相关且呈非线性下降的趋势，当初始荷载水平越高时，加固柱承载力的下降幅度越大。另外，二次受力加固柱的开裂荷载比一次受力加固柱大，主要是因为二次受力加固柱的加固层受力小于一次受力加固柱。

2.2.2 荷载-应变分析

柱荷载-受拉侧纵向钢筋(原柱纵筋及加固层纵向网筋)应变如图5所示。

图5 荷载-受拉侧纵筋应变曲线Fig.5 Load-strain curves of the longitudinal reinforcement on the tension side of the column

从图5(a)可以看出，二次受力加固柱受拉侧原柱纵筋和加固层纵向网筋之间存在应变滞后，随着初始荷载水平的增大，应变滞后的现象越明显。并且由于RPCRM柱为薄层加固，原柱纵筋和加固层纵向网筋距离较近，两者有着近乎相等的应变梯度，当初始荷载水平较大时，应变滞后现象很难消除。在达到峰值荷载时，试件Z-S50-P0.8受拉侧纵向网筋未达到屈服，试件Z-S50-P0.5受拉侧纵向网筋正好屈服，而试件Z-S50-P0受拉侧纵向网筋完全屈服。可见，初始荷载水平越小，加固层网筋强度越能得到充分利用。由图5(b)可知，在初始荷载水平为0.5P0时，不同加固层配筋率的试件Z-S50-P0、Z-S50-P0.5、Z-S50-P0.8受拉侧，纵向钢筋应变增长梯度不同，随着加固层配筋率的增大，受拉侧纵向钢筋应变增长速度减小，屈服荷载增大。

柱荷载-(混凝土/RPC)受压侧应变如图6所示。从图6(a)可以看出，对比柱Z1受压侧混凝土的峰值应变为1 560×10-6，加固后混凝土应变显著提高，最高可达2 500×10-6，峰值应变提高了约60%。说明加固层的“套箍”约束作用能够较好地改善原柱核心混凝土的受力状态，使原柱的刚度、延性得到较大提高；且改善效果随钢筋网配筋率的提高而提高，随初始荷载水平的增大而降低。由图6(b)可知，二次受力加固柱在纵筋屈服后，随着荷载增加，RPC应变一直呈线性增长，也能间接说明RPC约束作用的存在。

图6 荷载-受压侧混凝土/RPC应变曲线Fig.6 Load-compression side concrete/RPC strain curves

2.2.3 侧向位移分析

不同钢筋网配筋率及初始荷载水平下，各试件荷载-侧向位移曲线如图7所示。

图7 荷载-柱中侧向位移曲线Fig.7 Load-lateral displacement curves in the column

根据文献[18]确定试件的屈服位移Δy，取峰值荷载下降到85%时对应的位移作为试件的极限位移Δu，以Δu和Δy的比值定义位移延性系数μ。变形能EΔ表示各试件因变形消耗的能量，根据荷载-挠度曲线从开始加载到极限荷载时与X轴围成的面积计算[19]，各试件的位移延性系数见表3。

表3 各试件特征点位移及延性Table 3 Characteristic displacements and ductility of each specimen

从图7和表3可以看出，RPCRM柱变形能力有明显的提高。与对比柱Z1相比，RPCRM柱峰值位移Δp和极限位移Δu都有较大程度的提高，最大幅度可达174%。这主要是因为RPC超高的力学性能，其极限抗拉强度远大于水泥砂浆，对核心混凝土的约束力大幅提高。位移延性系数μ的提高幅度在63%～155%，且其提高幅度与钢筋网配筋率及初始荷载水平有关。

为进一步说明钢筋网配筋率及初始荷载水平对位移延性系数的影响，从表3可以看出，与对比柱相比，试件Z-S100-P0.5位移延性系数提高了1.55倍。但随钢筋网配筋率的提高，位移延性系数呈降低趋势，这主要是因为随着钢筋网配筋率的提高，加固层对原柱核心混凝土的约束增强，柱的整体刚度也随之提高。且钢筋网配筋率提高后，柱的承载力大幅提高，在加载后期，当加固层钢筋网拉断后，试件在高荷载作用下很快破坏。与对比柱Z1相比，配筋率相同的试件Z-S50-P0、Z-S50-P0.5、Z-S50-P0.8位移延性系数同样有了大幅提高，且随着初始荷载水平的增大而增大。这是由于初始荷载水平更大的试件，在超过最大承载力后,加固层强度逐渐得到充分利用，使得承载力回退缓慢，从而使延性有更好的改善；而一次受力加固柱网筋在这一阶段一直保持在基本不变的屈服应力水平。

3 正截面承载力计算方法

3.1 基本假定

(1)RPCRM柱产生变形后，截面上的应变分布符合平截面假定；(2)核心混凝土的约束应力仅由加固层横向网筋和RPC提供，不考虑箍筋的约束作用；(3)混凝土应力-应变模型采用改进的Hogenestad模型[20]；(4)钢筋完全符合弹塑性应力应变关系；(5)加固层与原柱之间无粘结滑移。

3.2 承载力计算公式

3.2.1 有效约束面积和有效约束应力

在RPCRM柱中，箍筋只对核心混凝土有约束作用，加固层横向网筋对核心混凝土和保护层混凝土都有约束作用。文中测区段内箍筋间距为200 mm，而加固层网筋间距较小，因而箍筋的影响较为有限，为简化计算，只考虑横向网筋和RPC的约束作用，忽略箍筋的约束作用。

Mander和Priestley的拱作用理论[21]指出，对于方形截面柱，箍筋的约束作用是通过纵横向的抛物线型拱作用传递到混凝土上的。为简化计算，文中只考虑横向网筋的约束作用，忽略箍筋的约束作用。

横向网筋提供的有效约束率为

(1)

式中：Aew为横向网筋有效约束面积；x′、y′为原柱捣角后的截面高度和宽度，x′=b-2r,y′=h-2r，r为捣角圆弧半径；Ac为原柱捣角后横面混凝土净面积，Ac=bh-4(4-π)r2-As，其中As为原柱纵筋总截面面积。

由横向网筋提供的沿截面高度h方向和截面宽度b方向的有效约束应力分别为

(2)

(3)

式中：Ahw为闭合式双肢横向网筋截面面积之和;fhw为横向网筋的抗拉强度。

3.2.2 RPCRM柱承载力计算公式

参考高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层二次受力加固RC偏压柱承载力计算方法[20]，同时考虑RPC直接承载和其约束作用的影响，进行RPCRM柱承载力计算公式的推导。考虑加固层RPC及钢筋网对承载力的贡献，计算模型见图8。

图8 RPCRM柱计算模型Fig.8 RPCRM column calculation model

RPCRM柱的承载力计算公式为

(4)

(5)

3.2.3 计算结果与试验结果对比

为了验证RPCRM柱的大偏压极限承载力计算公式的有效性，将本次试验的计算结果与试验结果进行比较，结果见表4。通过表4可知，计算结果和试验结果吻合较好，误差在15%以内，表明所推导的计算公式可应用在RPCRM柱的大偏压极限承载力计算中。

表4 试验承载力及计算承载力Table 4 Test bearing capacities and calculated bearing capacities

4 结 论

(1)与未加固试件相比，采用RPC钢筋网薄层加固钢筋混凝土偏压柱，能有效提高柱的承载力和延性，两者最高提高幅度可达233%和155%。

(2)RPCRM柱的加固效果与加固层钢筋网配筋率显著相关，与试件Z-S100-P0.5相比，试件Z-S50-P0.5开裂荷载和极限荷载显著提高，位移延性系数则有一定降低。结果表明，随着加固层钢筋网配筋率的提高，可以延缓裂缝的出现，提高承载力，但可能对试件延性有一定的影响。

(3)当初始荷载水平小于0.8P0时，初始荷载水平对RPCRM柱的承载力及延性影响较小，表明RPC钢筋网薄层加固法适用于负载下的钢筋混凝土偏压柱的加固。

(4)基于试验结果和理论分析，给出了RPCRM柱的承载力计算公式，计算值与试验值误差符合工程精度要求，可为工程实际应用提供参考。