新型FRP片材加固前后RC柱的抗剪承载力

　　1、 引言

　　现有的很多钢筋混凝土构件出现裂缝、钢筋外露锈蚀、保护层脱落等影响建筑物正常使用的质量问题。

　　对钢筋混凝土结构进行加固补强已经成为建筑行业的一个重要问题。纤维复合材料(FRP)由于其高效、高强、轻质、高弹模、耐腐蚀、施工方便等特点和施工技术的逐渐成熟在钢筋混凝土结构的加固中得到越来越广泛的使用。针对 FRP 加固钢筋混凝土柱(简称 RC 柱)的性能，国内外学者也做了大量的研究，发现 FRP加固钢筋混凝土柱能有效提高水平承载力、延性、耗能能力，避免纵筋发生屈服，阻止试验柱发生剪切破坏，提高桥墩的抗震性能。然而，FRP 加固钢筋混凝土柱抗剪承载力的研究主要集中于方形截面柱，针对圆柱截面抗剪承载力的研究却相对较少。

　　本文在阅读相关文献，综合研究国内外学者研究结果的基础上，采用两种本课题组自主发明的新型FRP 片材——碳纤维薄板(CFL)和芳纶纤维薄板(AFL)对钢筋混凝土圆柱进行加固，通过拟静力试验对纤维薄板加固钢筋混凝土圆柱的抗剪承载力进行研究和探索。试验进行了 3 个纤维加固 RC 柱和一个对比柱的研究，分析了加固前后 RC 柱的抗剪承载力，同时探讨了影响抗剪承载力的影响因素。

　　2、 试件设计

　　试验共设计 4 根混凝土圆柱，试件尺寸均为Φ388x1500。试验柱的尺寸配筋图如图 1 所示。试件混凝土立方块抗压强度实测平均值为 43.8MPa。

　　加固时纤维薄板下边缘与柱底预留 0.5cm～1cm 的间隙，防止加固柱在水平位移较大时，底座对纤维薄板造成挤压致使纤维薄板过早发生破坏。根据 Priestley 和 Park提出的塑性铰长度计算得本试验试件加固区的高度 Lp = 192mm。考虑塑性铰区的受剪修复，根据滕锦光的建议，取加固区高度 h=1.5D=582mm，本试验中取为 600mm。各试件的参数和加固情况如表 2、图 2 所示。其中 CA-0 作为对比柱不采用 FRP 加固；CA-1 环向螺旋满布缠绕 AFL，缠绕高度为 600mm;CA-2 和 CA-3 在纵向粘贴三条碳纤维薄板(CFL) 同时环向间距缠绕三条 AFL(间距为 15cm)，缠绕高度为 600mm。

　　3、 加载方案

　　加载前将试件底端与试验室地板锚固。通过千斤顶张拉两根高强钢棒实现对试件轴向加压，轴压大小恒定在柱轴向极限承载力的20%；通过MTS液压作动器采用位移控制模式来实现水平方向的往复荷载。在加载初期，峰值位移增量为△/L=0.25%，且每个位移峰值循环1次，直到△/L=1%，其中△为柱端水平位移，L为柱水平荷载作用点至基础底座顶面的高度。在柱端峰值位移率达到△/L=1%以后每个位移峰值重复3次循环，相应的位移峰值为△/L=1%、1.5%、2%、3%、4%、6%、8%.....直到试验柱水平荷载下降到试验柱水平极限荷载的85%时，试验终止。试验荷载如图3所示。对CA-3试件采用位移控制，仅正向加载然后回到初始加载点，峰值增量同往复水平荷载加载一致。

　　在试验过程中，作动器与控制室计算机相连，将采集到的荷载、位移等数据实时传输到计算机上，并绘出荷载-位移滞回曲线，以达到实时控制的目的。

　　4、 结果分析

　　各试验柱正反向水平承载力具体情况如表3所示。由于混凝土浇筑差异，试验柱制作误差、测量误差、轴压力不完全恒定等因素的影响，试验柱在拟静力试验下，正反向水平承载力大小并不能完全对称。由表3可知，AFL满包螺旋缠绕加固柱CA-1的平均承载力较未加固柱CA-0提高了19.1%。采用AFL环向间距缠绕包裹加固的CA-2平均承载力较CA-0仅提高9%，表明满包比间距包裹FRP对提高RC抗剪承载力效果更好；而采用CA-2相同方式加固并承受单调水平荷载作用下的CA-3水平承载力较CA-0提高了31.1%，因为CA-2柱角CFL交替承受拉应力而发生剥离，而单调加载的CA-3因柱底CFL粘贴完好，水平承载力提高较大。总体上来说，粘贴AFL后柱的抗剪承载力明显的提高。

　　从各试验柱的极限位移试验数据可以看出：加固后的RC柱极限位移有了较大幅度的提高，且加固方式对其提高程度影响不大。从各试验柱的破坏模式对比可以看出，加固后的RC柱破坏模式从延性较差的剪切破坏转变成延性较好的弯曲破坏。总体上说，FRP加固混凝土柱能有效限制RC柱侧向变形，改善RC柱延性，改善RC柱的力学性能。

　　将各钢筋混凝土柱在低周往复水平荷载作用下，其顶端每一级荷载第一次循环正负向峰值点所连成的曲线(即骨架曲线)如图 4 所示。从图 4 中我们可以看出，在加载初期，曲线表现为线性增长且重合，说明在此阶段纤维薄板并未发挥作用，对 RC 柱水平承载力基本没有影响。随着水平位移的不断增加，试验柱水平荷载的增长速率逐渐减弱，在达到峰值荷载后，各试验柱水平荷载均出现不同程度的下降，直到试验结束。试件 CA-3 的骨架曲线远高于 CA-0，在单调水平荷载作用下，CA-3 与 CA-2 不同，其 CFL 上不会因出现压力而发生剥离。在柱 CA-3 受拉侧，CFL 发挥出较大作用，约束了环向裂缝的产生及发展；而受压侧混凝土不断产生裂缝并发展，并出现压碎、剥落，使得水平承载力有所下降。

　　5、 结论

　　本文分别对FRP约束钢筋混凝土柱的抗剪承载力进行了试验研究，得到以下主要结论：(1)通过试验研究表明，环向缠绕粘帖AFL对RC圆柱的抗剪承载力提高效果明显，且满包比间距缠绕AFL对抗剪承载力的提高更为显著；(2)由于CA-2柱角CFL交替承受拉应力而发生剥离，而单调加载的CA-3因柱底CFL粘贴完好，CA-2抗剪承载力相对未加固柱提高9%，而CA-3抗剪承载力相对未加固柱提高31.1%，表明侧向粘贴CFL对RC柱的抗剪承载力也有一定的提高作用；(3)FRP加固能大幅度提高(提高幅度66.6%)混凝土柱的极限位移，改善RC柱的侧向变形能力，并且可以将混凝土柱的弯剪破坏改善为延性相对较好的弯曲破坏,改善RC柱的力学性能。