混雜纖維加固混凝土方形短柱極限承載力研究

尹毓良 張鴻梅

(延邊大學結構工程學科土木工程系，吉林延吉 133002)

纖維復合材料(Fiber-Reinforced Plastic，亦稱為 Fiber Reinforced Polymer Materials，簡稱FRP)是一種以碳、玻璃、芳綸等纖維與按一定比例拌合的環氧樹脂等基體材料合成的高性能復合材料。由于其具有輕質高強、施工速度快、維護費用低、耐腐蝕、耐疲勞、不明顯增加構件截面尺寸等優點［1］，近年來，在混凝土結構加固中得到了廣泛應用。本文針對層間混雜纖維加固混凝土短柱進行試驗研究。

1 試驗設計

1.1 試件設計

本次試驗共設計22個尺寸為150 mm×150 mm×450 mm的混凝土方柱試件，設計強度均為C50，混凝土的配合比為:水泥∶水∶砂子∶石子∶高效減水劑 =1∶0.32∶1.42∶3.01∶0.012，坍落度為90 mm，在粘貼纖維布加固前，試件先進行半徑為20 mm的倒角處理，加固材料采用單向的碳纖維布(CFRP)，玻璃纖維布(GFRP)和芳綸纖維布(AFRP)，其纖維布材料的力學指標見表1。

表1 纖維布材料的力學指標

1.2 加固方案

本次試驗是將CFRP，GFRP，AFRP三種纖維互相搭配形成復合纖維進行加固，加固方式見表2。粘貼纖維布是按照《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》(2003)［2］規范進行的。試件在室溫條件下養護7 d后開始試驗。

表2 試件編號、主要參數及加固方式

1.3 測點布置和數據采集

在未加固柱的混凝土表面和加固柱的纖維布表面布置電阻應變片，具體位置均位于柱高度的中部，沿豎向和橫向各粘貼4片5 mm×80 mm應變片用來測量加載過程中混凝土和纖維的受拉應變和受壓應變，應變數據和位移數據均由自動數據采集系統采集記錄。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態

素混凝土柱:當荷載達到極限承載力的80%時，柱中間出現微小縱向裂縫，并迅速開展形成主裂縫向柱兩端延伸，荷載達到極限承載力后，試件瞬間破壞。

單一纖維加固混凝土柱:1)玻璃纖維加固混凝土柱，荷載達到極限值70%時，能聽到內部混凝土破裂聲，局部纖維出現外鼓現象，最終因柱腳纖維撕斷而喪失承載力。2)碳纖維加固混凝土柱，荷載達到極限值的80%時，能聽到纖維之間拉裂聲，最終因纖維剝離而瞬間破壞。3)芳綸纖維加固混凝土柱，臨近破壞時，試件局部呈現大幅度外鼓現象，最終因中部纖維被拉斷，內部混凝土被炸開，試件喪失承載力，破壞過程中能聽到強烈的爆炸聲，屬于脆性破壞。

混雜纖維加固混凝土柱:在試件達到極限承載力70%時，能聽到內部纖維拉斷聲，但表面纖維未見破損，柱中部有較明顯的外鼓現象，隨著荷載增加，纖維拉斷聲開始增多，最終因外部纖維拉斷而喪失承載力，內部混凝土呈剪切破壞。

2.2 試驗結果

2.2.1 不同加固層數對加固效果的影響

由表3和圖1可以看出，纖維加固的混凝土柱承載力得到了明顯提高，其承載力隨著纖維層數的增加而增大，但卻不成比例。由圖2可以看出，纖維能夠有效約束混凝土的豎向變形，在相同的荷載條件下，加固柱的平均應變小于未加固的柱，且隨著層數的增加而減小。這表明FRP能夠有效約束混凝土柱，使混凝土處于三向受壓狀態，控制了混凝土的豎向變形，從而延緩了混凝土內部裂縫的發展和混凝土的破壞，限制其體積的膨脹，從而提高了抗壓承載力和延性。

2.2.2 不同纖維加固效果

由表1，表3和圖2可以看出:1)相對于 P0，C1，A1，G1的承載力分別提高了40%，43.83%和28.89%，其中芳綸纖維和碳纖維提高幅度較大，說明纖維的抗拉強度對混凝土的加固效果影響較大。還可以看出碳纖維抗拉強度最高，但其單層厚度最小，芳綸纖維抗拉強度一般，但其單層厚度最大，其加固效果最好，這表明混凝土的加固效果與材料的厚度有關。2)混凝土柱的極限豎向應變隨著纖維層數的增加而增大。但在相同荷載作用下，對于不同的材料，纖維對混凝土的豎向約束平均應變并不相同，且隨著層數的增加而減小，這表明纖維對混凝土的豎向約束效果與材料的厚度有關。

表3 試驗結果

圖1 不同層數纖維加固效果

圖2 不同種類纖維加固應變圖

2.2.3 倒角柱與非倒角柱加固效果對比

由表3和圖3可以看出，在采用相同纖維及加固層數相同的條件下，倒角的混凝土柱加固效果明顯優于未倒角的混凝土柱，且在相同的荷載作用下，倒角的混凝土柱能夠更有效的約束混凝土的豎向變形，限制其裂縫的發展，從而提高其混凝土的承載力和延性。

2.2.4 混雜纖維加固混凝土短柱對比分析

1)從表3和圖 4可以看出，相對于 P0，試件 A2，C1G1，A1G1，C1A1承載力分別提高了 59.28%，58.66%，64.51%，70.98%，這表明混雜纖維加固混凝土試件承載力明顯優于未加固的混凝土試件。2)相對于A2，試件A1G1，C1A1的承載力分別高出3.28%和7.35%，其中對于單一纖維而言，芳綸纖維加固效果最好，碳纖維加固效果其次，玻璃纖維加固效果最差，即混雜纖維加固混凝土短柱抗壓承載力明顯優于單一纖維加固效果，說明混雜纖維能夠充分協調纖維材料之間的性能不足，做到揚長避短，從而進一步提高材料的力學性能。

圖3 倒角柱與非倒角柱加固對比

圖4 混雜纖維加固效果

3 結語

1)FRP橫向包裹加固混凝土短柱，可明顯提高構件的軸向承載力和構件的延性，限制構件的豎向應變。2)FRP加固混凝土短柱，承載力和延性隨著纖維層數的增加而增大，但不成比例，加固效果與材料的抗拉強度和材料的厚度有關。3)截面光滑度對纖維加固效果影響較明顯，截面邊界越光滑，加固效果越好，倒角柱加固效果明顯優于未倒角柱，在實際加固中可優先采用倒角截面。4)混雜纖維加固混凝土短柱承載力明顯優于未加固混凝土短柱，強度高于單一纖維的加固效果，延性和變形能力相對于單一的纖維得到了明顯的提高，克服了纖維抗拉強度低，延性差，價格高的特點，混雜纖維的協調匹配充分發揮了不同纖維的優勢，揚長避短，提高了承載力、延性和變形能力，降低了成本，建議在實際加固設計中采用這種層間混雜纖維進行加固。

［1］黃學杰，童谷生，梁進修.FRP加固混凝土柱研究綜述［J］.華東交通大學學報，2008，25(5):12-15.

［2］岳清瑞，葉列平.碳纖維片材加固混凝土結構技術規程［M］.北京:中國計劃出版社，2007.