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(xué)結(jié)構(gòu)工程學(xué)科土木工程系，吉林延吉 133002)

纖維復(fù)合材料(Fiber-Reinforced Plastic，亦稱為 Fiber Reinforced Polymer Materials，簡(jiǎn)稱FRP)是一種以碳、玻璃、芳綸等纖維與按一定比例拌合的環(huán)氧樹脂等基體材料合成的高性能復(fù)合材料。由于其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工速度快、維護(hù)費(fèi)用低、耐腐蝕、耐疲勞、不明顯增加構(gòu)件截面尺寸等優(yōu)點(diǎn)［1］，近年來(lái)，在混凝土結(jié)構(gòu)加固中得到了廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)層間混雜纖維加固混凝土短柱進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)22個(gè)尺寸為150 mm×150 mm×450 mm的混凝土方柱試件，設(shè)計(jì)強(qiáng)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(jìn)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(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 纖維布材料的力學(xué)指標(biāo)

1.2 加固方案

本次試驗(yàn)是將CFRP，GFRP，AFRP三種纖維互相搭配形成復(fù)合纖維進(jìn)行加固，加固方式見(jiàn)表2。粘貼纖維布是按照《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(2003)［2］規(guī)范進(jìn)行的。試件在室溫條件下養(yǎng)護(hù)7 d后開始試驗(yàn)。

表2 試件編號(hào)、主要參數(shù)及加固方式

1.3 測(cè)點(diǎn)布置和數(shù)據(jù)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(yīng)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(yīng)變片用來(lái)測(cè)量加載過(guò)程中混凝土和纖維的受拉應(yīng)變和受壓應(yīng)變，應(yīng)變數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)均由自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

素混凝土柱:當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力的80%時(shí)，柱中間出現(xiàn)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(dá)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(dá)到極限值70%時(shí)，能聽到內(nèi)部混凝土破裂聲，局部纖維出現(xiàn)外鼓現(xiàn)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(dá)到極限值的80%時(shí)，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(shí)，試件局部呈現(xiàn)大幅度外鼓現(xiàn)象，最終因中部纖維被拉斷，內(nèi)部混凝土被炸開，試件喪失承載力，破壞過(guò)程中能聽到強(qiáng)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(dá)到極限承載力70%時(shí)，能聽到內(nèi)部纖維拉斷聲，但表面纖維未見(jiàn)破損，柱中部有較明顯的外鼓現(xiàn)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(nèi)部混凝土呈剪切破壞。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 不同加固層數(shù)對(duì)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(shù)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(yīng)變小于未加固的柱，且隨著層數(shù)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(tài)，控制了混凝土的豎向變形，從而延緩了混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)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(duì)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(shuō)明纖維的抗拉強(qiáng)度對(duì)混凝土的加固效果影響較大。還可以看出碳纖維抗拉強(qiáng)度最高，但其單層厚度最小，芳綸纖維抗拉強(qiáng)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(guān)。2)混凝土柱的極限豎向應(yīng)變隨著纖維層數(shù)的增加而增大。但在相同荷載作用下，對(duì)于不同的材料，纖維對(duì)混凝土的豎向約束平均應(yīng)變并不相同，且隨著層數(shù)的增加而減小，這表明纖維對(duì)混凝土的豎向約束效果與材料的厚度有關(guān)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖1 不同層數(shù)纖維加固效果

圖2 不同種類纖維加固應(yīng)變圖

2.2.3 倒角柱與非倒角柱加固效果對(duì)比

由表3和圖3可以看出，在采用相同纖維及加固層數(shù)相同的條件下，倒角的混凝土柱加固效果明顯優(yōu)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(fā)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(duì)比分析

1)從表3和圖 4可以看出，相對(duì)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(yōu)于未加固的混凝土試件。2)相對(duì)于A2，試件A1G1，C1A1的承載力分別高出3.28%和7.35%，其中對(duì)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(yōu)于單一纖維加固效果，說(shuō)明混雜纖維能夠充分協(xié)調(diào)纖維材料之間的性能不足，做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，從而進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能。

圖3 倒角柱與非倒角柱加固對(duì)比

圖4 混雜纖維加固效果

3 結(jié)語(yǔ)

1)FRP橫向包裹加固混凝土短柱，可明顯提高構(gòu)件的軸向承載力和構(gòu)件的延性，限制構(gòu)件的豎向應(yīng)變。2)FRP加固混凝土短柱，承載力和延性隨著纖維層數(shù)的增加而增大，但不成比例，加固效果與材料的抗拉強(qiáng)度和材料的厚度有關(guān)。3)截面光滑度對(duì)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(yōu)于未倒角柱，在實(shí)際加固中可優(yōu)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(yōu)于未加固混凝土短柱，強(qiáng)度高于單一纖維的加固效果，延性和變形能力相對(duì)于單一的纖維得到了明顯的提高，克服了纖維抗拉強(qiáng)度低，延性差，價(jià)格高的特點(diǎn)，混雜纖維的協(xié)調(diào)匹配充分發(fā)揮了不同纖維的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高了承載力、延性和變形能力，降低了成本，建議在實(shí)際加固設(shè)計(jì)中采用這種層間混雜纖維進(jìn)行加固。

［1］黃學(xué)杰，童谷生，梁進(jìn)修.FRP加固混凝土柱研究綜述［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25(5):12-15.

［2］岳清瑞，葉列平.碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［M］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.