纤维布加固混凝土的轴压力学性能研究

陈 潋

（中铁三局集团有限公司，山西太原 030001）

钢筋混凝土结构是目前国内建筑工业的主流结构形式，在现代化厂房、住宅等领域具有绝对统治地位，随着近年来城市建设的不断扩大，基础建筑设施迎来了巨大发展机遇[1-2]，在人们生活和工业应用中起着举足轻重的作用。对于用于某些特定场所的钢筋混凝土，除了常规的钢筋混凝土结构所必须具备的承载性能和延性外，还会由于其独特的应用特性而要求具有更高的承载力[3]。随着近年来碳纤维、玻璃纤维等材料的开发应用，将具有质量轻、弹性模量高、热稳定性优异等特性的纤维材料用于钢筋混凝土建筑成为了加固混凝土的首选[4]，但是纤维的加入形式以及纤维加入对钢筋混凝土柱承载性能的研究报道仍然较少[5-7]，本文对比分析了两种纤维布和两种组合形式对钢筋混凝土柱承载性能的影响，结果有助于纤维布加固混凝土柱的推广与应用。

1 试验材料与方法

根据GB 50010-2010和GB 50367-2013的要求，共设计了五组纤维布加固混凝土试件，分别为L1、L2、L3、L4和L5，其中，L1为未无纤维布加固混凝土试件，L2为两层玻璃纤维（GFRP）加固试件，L3为两层纤维布（CFRP）加固试件，L4为层间组合的CFRP+GFRP加固试件（JFRP），L5为两层层内组合的CFRP+GFRP加固试件（NFRP）。其中，CFRP的厚度为0.16mm、弹性模量为42.48GPa、拉伸强度1067MPa，GFRP的厚度为0.11mm、弹性模量为257GPa、拉伸强度3330MPa。

试验所选取的混凝土为C25混凝土，钢筋为HRB335钢筋，所有构件中都设置有4根纵向受力钢筋。估计选取8mm的HPB300钢筋，图1为纤维布加固混凝土柱的配筋图，其中，箍筋间距为100mm、柱子两侧配置有10mm厚钢板。纤维布加固混凝土柱中应变片的选取需要根据所安装的位置来确定，箍筋处的应变片为电阻110Ω、规格为3mm×4mm，而混凝土处的应变片为电阻110Ω、规格为5mm×25mm，纤维布加固混凝土柱中应变片的位置示意图如图2和图3所示。

图1 纤维布加固混凝土柱的配筋图Fig.1 Reinforcement diagram of concrete column strengthened with f iber sheet

图2 纤维布加固混凝土柱中箍筋处的应变片布置图Fig. 2 Strain gauge layout of stirrup in concrete column strengthened with fiber sheet

图3 纤维布加固混凝土柱中混凝土处的应变片布置图Fig.3 Strain gauge layout of concrete in concrete column strengthened with fiber sheet

根据JGJ 55-2011制备纤维布加固混凝土，水泥为PI42.5硅酸盐水泥，混凝土的用水量为196kg/m3、水泥用量为275kg/m3；在制备过程中首先制备钢筋笼，尺寸为250mm×250mm×1000mm，然后按照钢筋笼规格进行模板浇筑。待混凝土凝固后将表面不平整处打磨刮平，按照GB 50367-2013将混凝土柱进行刷胶[8]，然后将纤维布和玻璃纤维布剪裁后进行粘贴，粘贴完成后采用滚筒抹平，室温养护72h，得到纤维布加固混凝土试件。

按照GB/T 50152对纤维布加固混凝土柱进行轴压试验，所用设备为1000T液压试验机，CFRP、GFRP、JFRP和NFRP的极限承载力预估分别为2190kN、1635kN、1900kN和2060kN；试验过程中预加载0.2倍的极限载荷，然后卸载并反复3次，之后采用分级加载的方式对混凝土柱进行加载试验，试件屈服前每级加载0.1倍极限载荷，屈服后每级加载0.05倍载荷，在破坏后采用位移加载方式进行直至完全破坏[9]。

2 试验结果与分析

图4为纤维布加固混凝土柱的破坏宏观形貌。在轴压试验过程中，L1试件在峰值荷载80%左右时发生霹雳吧啦的声音，同时柱体出现微裂缝，随着载荷继续增大，裂纹逐渐扩展，柱体产生鼓胀和斜裂缝，峰值载荷后柱体破坏较快。对于L2试件，在加载过程中，当载荷加载至70%峰值载荷时即有纤维布撕裂的声音，在加载至90%峰值载荷时纤维布持续撕裂并造成柱体中部区域纤维布崩断，随后承载力缓慢下降，在继续增大载荷时，混凝土柱逐渐发生破坏，但是柱体表面裂缝数量较少，一定程度上反映出纤维布有助于提升混凝土柱的轴压性能。对于L3试件，在加载至峰值载荷的80%时，混凝土柱中部区域发生鼓胀现象；在达到90%峰值荷载时，出现纤维布撕裂的声音，并持续至峰值荷载，且到达峰值载荷后纤维布突然崩断并伴随着嘶吼的声音，混凝土碎块有向外迸溅的态势，但是纤维布的断口较为平整且与混凝土完全分离，这说明在加载过程中纤维布与混凝土发生了良性协同作用[10]，而脆性破坏特征仍然较为明显。对于L4试件，在加载至峰值载荷80%时，混凝土柱表面纤维布开始出现泛白的现象并伴随有噼里啪啦的声音，可见此时的纤维布已经处于受力状态；当载荷到达峰值载荷时，纤维布发生崩断而后承载力发生降低，在峰值载荷90%时出现混凝土柱的鼓胀，外表面纤维布发生撕裂，内部混凝土发生压碎现象。对于L5试件，在加载至峰值载荷85%时，混凝土柱表面纤维布开始发生噼里啪啦的声音，继续加载至峰值载荷时，纤维布逐渐发生崩断，承载力下降且中部混凝土发生鼓胀和破坏，纤维布的缺口也逐渐扩展，混凝土柱整体呈现出弹塑性破坏特征[11]。

图4 纤维布加固混凝土柱破坏宏观形貌Fig.4 Macroscopic failure morphology of concrete columns strengthened with fiber sheet

表1为纤维布加固混凝土柱的峰值应力和应变统计结果。可见，纤维布加固混凝土柱的峰值应力、横向最大拉应变和纵向最大压应变都要大于未采用纤维布加固的混凝土柱，且L4和L5试件具有相对较大的峰值应力、横向最大拉应变和纵向最大压应变。

表1 纤维布加固混凝土柱的峰值应力和应变Table 1 Peak stress and strain of concrete columns strengthened with f iber sheet

表2为纤维布加固混凝土柱的峰值应变统计结果。可见，纤维布加固混凝土柱的纵筋最大应变都远大于未进行纤维布加固的混凝土柱，且相应地箍筋最大应变也都高于未进行纤维布加固的混凝土柱，这也说明对混凝土柱进行纤维布加固可以更好地发挥混凝土中纵筋和箍筋的作用，使得在轴压过程中纵筋和箍筋可以更好地起到协调变形的作用而提升整体混凝土柱的抗震性能[12]。

表2 纤维布加固混凝土柱中钢筋的峰值应变Table 2 Peak strain of steel bars in concrete columns strengthened with f iber sheet

图5和图6分别为纤维布加固混凝土柱的纵向荷载-位移曲线和横向荷载-位移曲线。由纵向荷载-位移曲线和横向荷载-位移曲线可见，在轴压性能测试开始阶段，荷载随着位移呈现快速增长的趋势，曲线走势较为陡峭，此时纤维布加固混凝土处于弹性变形阶段[13]，纤维布未体现出对混凝土的约束作用；随着荷载的持续加大，纤维布加固混凝土柱逐渐进入弹塑性变形阶段，但是相较而言，纤维布加固混凝土柱L3的位移荷载曲线的变化趋势与L1较为相似，这表明在加载过程中纤维布单独加固并没有起到预期的效果；相较而言，GFRP、JFRP和NFRP混凝土柱的曲线相对更加平缓，表明这几种方式可以较好地提升混凝土柱的延性，整个加载阶段体现出了良好的弹塑性变形形态，一定程度上体现出纤维布对混凝土柱的良好约束作用[14]。

图5 纤维布加固混凝土柱的纵向荷载-位移曲线Fig.5 Longitudinal load displacement curve of concrete column strengthened with fiber sheet

图6 纤维布加固混凝土柱的横向荷载-位移曲线Fig.6 Transverse load displacement curve of concrete column strengthened with fiber sheet

3 结论

（1）纤维布加固混凝土柱的峰值应力、横向最大拉应变和纵向最大压应变都要大于未采用纤维布加固的混凝土柱，且L4和L5试件具有相对较大的峰值应力、横向最大拉应变和纵向最大压应变。

（2）纤维布加固混凝土柱的纵筋最大应变都远大于未进行纤维布加固的混凝土柱，且相应地箍筋最大应变也都高于未进行纤维布加固的混凝土柱。

（3）JFRP和NFRP试件相较未采用纤维布加固的混凝土柱的承载力分别提升了34%和43%，最大压应变分别提升了196%和178%，纵向钢筋的最大应变分别提升652%和552%；相较于CFRP试件，JFRP和NFRP试件的最大承载力也提升了约85%左右，表明组合方式更加有利于提升纤维布加固混凝土的承载力和延性。