FRP布加固鋼筋混凝土短柱軸壓性能試驗*

張芳源 陳會芳

（滄州交通學院，河北 黃驊 061100）

FRP是使用增強纖維材料與基體材料，經纏繞、模壓或拉擠等成型工藝制成的復合材料，常見如芳綸纖維增強復合材料（AFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）、碳纖維增強復合材料（CFRP）等。此類材料的比強度高、可設計性強、熱膨脹系數與混凝土相近，且抗腐蝕性和耐久性好，因此廣泛應用在混凝土結構中[1]。鋼筋混凝土短柱屬于承力構件，如果短柱本身的承載力不足，可能導致建筑倒塌，因此必須采用加固補強措施。以下通過試驗方案，探討了CFRP布加固鋼筋混凝土短柱后的軸壓性能改善情況，為施工應用提供依據。

1 試驗方案設計

1.1 鋼筋混凝土短柱設計

本試驗中，設計4根鋼筋混凝土短柱，編號為Z1～Z4。混凝土強度等級為C30，截面尺寸300mm×300mm，高度為1500mm。支模時，在短柱的四角處設置倒角，半徑為25mm，以避免棱角處的局部應力過大。鋼筋混凝土短柱的配筋見圖1。其中，Z1短柱不包裹CFRP布，不施加預應力；Z2短柱間斷包裹普通CFRP布，條帶間距為100mm，不施加預應力；Z3短柱間斷包裹普通CFRP布，條帶間距為100mm，施加預應力為纖維極限應變的10%；Z4短柱間斷包裹普通CFRP布，條帶間距為100mm，施加預應力為纖維極限應變的20%。

圖1 鋼筋混凝土短柱的配筋圖

1.2 CFRP布的力學性能指標

本試驗使用的CFRP布，是CFS-I-300單向纖維布。在試驗開始前，分別對混凝土、鋼筋、CFRP布、黏結膠進行力學性能測試，結果見表1。

表1 各種材料的力學性能測試結果

1.3 加固方案

CFRP布加固鋼筋混凝土短柱的步驟如下：①對短柱表面進行處理，保證平整干燥，有助于CFRP布與混凝土粘貼；②使用CFRP布對柱頭進行粘貼加固，防止局部受壓破壞；③CFRP布單層包裹短柱，并使用錨固裝置施加預應力。與此同時，用扳手同步交替旋緊上、下螺桿的螺母，準確控制預應力大小[2]；④預應力施加完成后，在CFRP布表面均勻涂抹黏結膠，保證纖維絲受力均勻。

1.4 測點布置

試驗中，荷載量大小使用壓力傳感器測量，位移量大小使用位移控制系統測量。混凝土應變片布置在短柱四周表面的中間，縱筋應變片布置在四根縱筋的中間，箍筋應變片布置在中間三個箍筋的四周截面上。

1.5 試驗加載方法

測點布置后，將短柱放置在液壓試驗機上進行試驗，加載方法如下：①調整短柱的位置，確保幾何對中；②先進行預加載，加載值為構件極限荷載值的20%，觀察縱筋的應變情況，適當調整短柱的位置；③再進行正式加載，初期加載級數為40kN，加載速度為0.5kN/min；縱筋屈服后，加載級數為10kN，加載速度為0.2kN/min；短柱接近破壞時，加載級數為5kN，加載速度為0.2 kN/min；④每一級加載后穩定2min，記錄應變值，并觀察短柱變化特征。

2 試驗現象

2.1 Z1鋼筋混凝土短柱的變化

（1）加載初期，Z1短柱無明顯變化，混凝土與鋼筋的應變增長較慢。

（2）加載至極限荷載的60%，短柱頂部出現縱向裂縫，隨之裂縫延伸并增多，縱筋應變明顯增大。

（3）加載至極限荷載的90%，短柱底部出現縱向裂縫，中上部混凝土鼓脹、有碎屑剝落。

（4）加載至極限荷載1760kN，短柱出現貫通式裂縫，混凝土保護層大面積剝落，破壞后縱筋并未屈服。

2.2 Z2鋼筋混凝土短柱的變化

（1）加載初期，Z2短柱無明顯變化，混凝土與鋼筋的應變增長較慢。

（2）加載至極限荷載的70%，短柱頂部出現縱向裂縫，柱頂CFRP布的應變突然增大。

（3）加載至極限荷載的90%，頂部裂縫向下延伸，中部混凝土鼓脹、未加固區域剝落，鋼筋屈服，CFRP布的應變值突變。

（4）加載至極限荷載1950kN，短柱下部未加固區出現裂縫，CFRP布開裂，混凝土破壞。

2.3 Z3鋼筋混凝土短柱的變化

（1）加載初期，Z3短柱無明顯變化，混凝土與鋼筋的應變增長較慢。

（2）加載至極限荷載的60%，短柱頂部未加固區出現縱向裂縫，隨之裂縫向下延伸，CFRP布的應變突然增大。

（3）加載至極限荷載的90%，部分鋼筋屈服，上部CFRP布部分開裂、應變值突變，混凝土小面積脫落。

（4）加載至2115kN，短柱中上部未加固區域的混凝土鼓脹、碎屑剝落；中部CFRP布的部分纖維絲斷裂，混凝土破壞。

2.4 Z4鋼筋混凝土短柱的變化

（1）加載初期，Z4短柱無明顯變化，混凝土與鋼筋的應變增長較慢。

（2）加載至極限荷載的60%，短柱頂部未加固區出現縱向裂縫，CFRP布的應變值明顯增大。

（3）加載至極限荷載的80%，頂部縱向裂縫向下延伸，中部CFRP布的應變值明顯增大，部分鋼筋屈服。

（4）加載至極限荷載的90%，CFRP布出現脫膠聲，CFRP布的應變值突變，裂縫進一步增多，所有鋼筋屈服。加載至2302kN，CFRP布大量開裂，未加固區域的混凝土鼓脹、碎屑剝落，短柱嚴重破壞。

3 試驗結果分析

3.1 承載力分析

（1）從短柱的承載力試驗結果看，使用CFRP布加固短柱后，Z2、Z3、Z4短柱的承載力均提高，提高幅度分別為10.8%、20.2%和30.8%，見表2。

表2 鋼筋混凝土短柱的承載力試驗結果

（2）相較于Z2短柱，Z3與Z4短柱的承載力提高更明顯，分析原因在于：短柱軸向受壓時，縱向裂縫從無到有、逐漸變多延伸，將完整的混凝土結構劃分為多個小塊，最終失去承載力而發生破壞[3]。使用CFRP布加固后，CFRP布具有較強的彈性，沒有明顯屈服點。當混凝土結構受壓膨脹，CFRP布的包裹作用產生約束，可控制裂縫延伸發展，避免出現貫通式裂縫，因此短柱的極限承載力提高。

（3）在未加固區域，混凝土膨脹導致CFRP布被拉斷，失去約束作用后裂縫進一步發展，最終短柱破壞。

3.2 縱筋應變分析

（1）從縱筋的應變值變化看，加載初期短柱無明顯變化，加固、未加固的混凝土與鋼筋的應變增長較慢。

（2）當荷載增加至Z1短柱的極限承載力時，混凝土結構破壞，鋼筋并未屈服；Z2、Z3、Z4短柱的縱筋繼續線性增長。而且相較于Z1短柱，加固后的短柱縱筋彈性增長，且預應力越大、彈性增長越大。

（3）當縱筋應變達到0.002時，加固短柱的應變值突變，縱筋的應變增長速度加快；混凝土破壞時，加固短柱的縱筋應變值明顯高于未加固短柱。分析認為：預應力CFRP布加固短柱，不僅能控制裂縫形成發展，還能增大混凝土與縱筋之間的摩擦力，發揮出縱筋的塑性變形作用，從而延緩混凝土的破壞速度，提高短柱的極限應變能力[4]。

3.3 CFRP布應變分析

加固短柱的所有CFRP布中，短柱上部的CFRP布破壞嚴重，下部的CFRP布受力很小，因此我們選擇中間部位的CFRP布進行應變分析。

（1）在加載初期，因施加的荷載小，此時混凝土的膨脹不明顯，因此CFRP布的應變增加較慢。

（2）隨著荷載增大，混凝土出現裂縫，此時預應力越大的CFRP布其應變增長越慢，原因在于：預應力越大，對混凝土產生的約束作用越強，控制混凝土進一步膨脹，混凝土的橫向變形減小。而且，與未施加預應力的Z2短柱相比，施加環向預應力使CFRP布更早地參與加固工作，解決了應力滯后的問題。

（3）荷載進一步增大后，裂縫延伸、變多，CFRP布的應變增長加快，并且出現突變。尤其當荷載增加至縱筋屈服時，出現貫通式裂縫，CFRP布應變增長迅速，直至CFRP布破壞。

（4）Z3、Z4短柱的CFRP布應變峰值，明顯高于Z2短柱的CFRP布，說明施加預應力后，能對混凝土產生約束作用，發揮出FRP材料質量輕、強度高的優勢[5]。

3.4 延性分析

在荷載作用下，分析短柱的軸向位移情況，結果顯示：

（1）加載初期，4個短柱的軸向位移變化小，增長緩慢。

（2）隨著荷載增大，CFRP布加固后的短柱，軸向位移增長量小于未加固的短柱，原因在于：CFRP布對短柱產生側向約束作用，減小了混凝土的橫向應變量，相同荷載條件下的軸向位移更小。

（3）繼續加載至縱筋屈服，此時短柱縱向、橫向的變形增長明顯，軸線位移出現拐點，后續發展趨于平穩。

（4）當混凝土接近破壞時，軸向位移量明顯減小，相較于Z1短柱，加固后的短柱軸向位移量減小更加平穩，發生破壞后的極限軸向位移量更大。說明：在CFRP布的環向加固作用下，盡管混凝土出現多處裂縫，但整個構件依然能持荷工作，短柱的延性得到提升。而且，施加的預應力越大，延性提升幅度越大，混凝土的變形性能越好。

3.5 軸壓承載力分析

根據約束混凝土極限抗壓強度的擬合回歸曲線，可以得到預應力CFRP布約束鋼筋混凝土短柱中，約束混凝土的極限抗壓強度fcc計算公式是：

式中fco代表無約束混凝土抗壓強度；ks代表預應力CFRP布包裹的混凝土強度計算式中的截面形狀系數；fel代表軸壓狀態下CFRP布提供的有效約束應力。

參考《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[6]，預應力CFRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓承載力Nu計算公式是：

式中fs代表混凝土軸心抗壓強度設計值；As代表混凝土局部受壓面積；Acc代表混凝土局部受壓凈面積。

將式（2）帶入式（1），即可得到預應力CFRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓承載力Nu計算公式是：

利用式（3），對本試驗中短柱的軸壓承載力進行計算，并與試驗值進行比較，結果見表3。分析可見，CFRP布加固鋼筋混凝土短柱后，承載力計算值與試驗值較為接近，兩者的誤差≤5%，可作為計算軸壓承載力的方法。

表3 CFRP布加固鋼筋混凝土短柱的軸壓承載力

4 結語

綜上所述，通過本次研究得到以下結論：

（1）使用預應力CFRP布加固鋼筋混凝土短柱，相較于普通CFRP布加固，CFRP布能更早地參與加固工作，在混凝土破壞時提高CFRP布的極限應變。

（2）使用預應力CFRP布加固鋼筋混凝土短柱，相較于未加固的構件能顯著提高軸心受壓承載力、延性等指標，且施加的預應力越大，性能提升越明顯。

（3）預應力CFRP布加固鋼筋混凝土短柱后，破壞部位集中在未加固區域，提示加固補強作業時，對結構進行全面包裹加固。