改性纖維編織網(wǎng)增強混凝土加固鋼筋混凝土柱抗震性能

尹世平，李 耀，劉 鳴，楊 揚

(1.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

纖維編織網(wǎng)增強混凝土(textile reinforced concrete,TRC)由碳?；炀幚w維編織網(wǎng)和細?；炷两M成，是一種新型的水泥基復合材料.TRC具有限裂效果好、承載能力高等優(yōu)點[1-2]，且在用于修復加固時基本不改變構(gòu)件的尺寸[3-5]，因此國內(nèi)外學者對其加固性能展開了一系列的相關(guān)研究.

Ortlepp等[6]研究了柱截面對TRC加固鋼筋混凝土(reinforced concrete,RC)柱的約束效果的影響，試驗結(jié)果表明，隨著柱截面越接近圓形，TRC加固柱的軸心受壓承載能力提高越高.Bournas等[7]通過試驗研究了TRM(textile reinforced mortar,織物增強砂漿)加固承載力不足的鋼筋混凝土柱的抗震性能，結(jié)果表明，TRM通過延緩塑性鉸區(qū)鋼筋的屈服并減少搭接鋼筋的黏結(jié)滑移，可以大幅度提高柱的變形能力和耗能能力.Al-Salloum等[8]對5個抗震不足的梁柱邊節(jié)點進行水平往復荷載作用下的擬靜力試驗，試驗結(jié)果表明，TRM加固可以有效地提高抗震不足的梁柱節(jié)點的抗剪強度和延性，其效果與FRP(fiber reinforced polymer/plastic,纖維增強復合材料)相當，并且具有較好的耗能能力.Alhaddad等[9]對TRC加固的外部梁柱節(jié)點在模擬地震荷載下進行了試驗，并與基于非線性有限元分析提出的預測模型進行對比，結(jié)果表明，文中提出的模型能夠很好地預測出TRC加固試件在地震荷載作用下的反應(yīng).Yin等[10]研究了加固銹蝕后的RC柱的抗震性能，結(jié)果表明，不同銹蝕環(huán)境下，TRC對銹蝕率大的試件約束效率更高；先加固后銹蝕的加固方式要優(yōu)于先銹蝕后加固的加固方式；TRC加固能夠比較有效地提高銹蝕環(huán)境下RC柱的抗震能力.

此外，梁興文等[11]、Shafiq等[12]和韓建平等[13]研究表明，在混凝土中摻入體積適量的短切纖維后，混凝土的延性得到提高.這是目前改善混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的可選措施之一.

綜上可知，TRC加固RC柱抗震性能的研究較少，且短切纖維對結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能有良好的改善作用.因此，本文從不同PVA(polyvinyl alcohol,聚乙烯醇)纖維摻量和截面形式兩個方面，展開TRC加固RC柱抗震性能的研究.

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

試驗中共設(shè)計制作7根鋼筋混凝土柱.其中，1根未加固方柱作為對比柱，1根圓柱，1根矩形柱，其余4根均為方柱.試件中圓柱直徑300 mm，矩形柱截面尺寸為250 mm×300 mm，其余方柱柱身截面尺寸均為300 mm×300 mm，所有柱的剪跨比均為3.8，柱的總高度為1 740 mm.選用縱筋直徑為14 mm，選用箍筋直徑為8 mm.為防止試驗過程中柱根部與底座交界處因變形過于集中，導致試件過早發(fā)生破壞并影響理論分析，距柱根部100 mm范圍內(nèi)采取箍筋加密，間距為50 mm.試件具體幾何尺寸及配筋如圖1所示.試件基本參數(shù)見表1，表中C1為文獻[3]中的試件.

圖1 試件尺寸及配筋詳圖(單位：mm)Fig.1Specimen size and reinforcement detailings (unit:mm)

表1 試件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of specimens

1.2 加固方案

首先，對柱根部高度600 mm范圍的柱身進行人工鑿毛處理；其次，用水濕潤柱身，并清洗表面浮灰及雜質(zhì)；再次，在加固區(qū)域柱身表面均勻涂抹細?；炷?～3 mm,細?；炷猎跀嚢柽^程中已摻入PVA纖維；然后，將浸過水泥凈漿的纖維編織網(wǎng)環(huán)裹在柱身表面，保持纖維編織網(wǎng)碳纖維束與徑向平行；最后，在纖維編織網(wǎng)表面均勻涂抹1層細?；炷?，完成1層加固.重復以上步驟完成2層加固.

1.3 材料選用

1.3.1混凝土

試驗中試件澆筑均采用商品混凝土，設(shè)計強度等級為C40，養(yǎng)護28 d后測得標準立方體試塊抗壓強度為42.1 MPa.

1.3.2鋼筋

試驗中鋼筋采用C14和A8，并對鋼筋的屈服強度、抗拉強度及延伸率進行測試，其主要力學性能指標見表2.表中，fy為鋼筋屈服強度；fu為鋼筋抗拉強度；δ為鋼筋伸長率.

1.3.3纖維編織網(wǎng)

纖維編織網(wǎng)由碳玻纖維束混編而成，其中碳纖維束用于增強方向，玻璃纖維束默認只起固定作用，纖維束的尺寸間距為10 mm×10 mm.纖維編織網(wǎng)具體見圖2，其力學性能見表3.

表2 鋼筋力學性能指標Tab.2 Mechanical properties of steel bars

1.3.4細?；炷?/p>

TRC基體中使用的細?；炷林饕伤?、粉煤灰、硅灰和細骨料組成，其實驗室配合比見表4.細?；炷琉B(yǎng)護28 d后測得抗壓強度為52.5 MPa.

圖2 纖維編織網(wǎng)Fig.2 Textiles

表3 纖維編織網(wǎng)力學性能Tab.3 Mechanical properties of textiles

1.3.5PVA纖維

試驗中采用的PVA纖維由日本可樂麗公司生產(chǎn)，其力學性能見表5.

表4 細?；炷僚浜媳萒ab.4 Mixing proportions of fine grained concrete kg·m-3

表5 PVA纖維的力學及幾何參數(shù)Tab.5 Properties and geometric parameters of PVA

1.4 加載方案及測試內(nèi)容

本試驗采用MTS電液伺服加載系統(tǒng)進行加載.水平方向采用100 t水平作動器加載，豎向軸力采用帶有導軌的100 t作動器施加，保證了試驗過程中施加的軸向力基本不變.試驗裝置如圖3所示.

在施加低周往復荷載前，先施加一定軸向力進行試壓以消除試驗誤差，然后再將軸向力施加至預定值，待施加軸力經(jīng)過一定時間保持不變后開始試驗.試驗過程中采用力-位移混合加載機制[14]，試件屈服前采用力控制，循環(huán)1 次.試件屈服后改為位移控制，每級位移增加1倍的屈服位移，循環(huán) 3 次.當試件的水平荷載下降至峰值荷載的85% 時，試驗結(jié)束.

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Test setup

試驗中主要測試柱加載點處水平力、水平位移、柱底座水平位移以及柱根部附近縱筋應(yīng)變.位移計編號為 1～2，應(yīng)變片測點編號為S1～S12，詳見圖4.以上數(shù)據(jù)采用 DH3816 靜態(tài)設(shè)備實時采集，裂縫發(fā)展使用裂縫寬度觀測儀觀測，精度為 0.02 mm.

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of measuring point

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞過程

2.1.1試件C1

試件C1在水平荷載P= 36 kN時，距柱根部約260 mm和420 mm處產(chǎn)生水平裂縫，長度約為200 mm，縫寬0.04 mm.當P= 92 kN時，柱根部200 mm高度內(nèi)的鋼筋應(yīng)變達到屈服應(yīng)變，水平裂縫沿整個截面發(fā)生貫通現(xiàn)象，最大縫寬0.54 mm，試件進入位移控制階段.當加載至2Δy(Δy為試件的屈服位移)的第1次循環(huán)時，水平荷載達到峰值點，裂縫數(shù)量增多，縫寬增大，混凝土保護層剝落，尤其是柱根部混凝土發(fā)生大面積壓碎現(xiàn)象.最后加載至3Δy時，柱身塑性鉸區(qū)域的混凝土壓碎，箍筋外鼓，承載力迅速下降，試驗結(jié)束.

2.1.2試件C2

在水平荷載P=72 kN時，距柱根部250 mm范圍內(nèi)，柱角兩側(cè)出現(xiàn)了多條水平裂縫，縫寬0.02 mm，裂縫最大長度約50 mm，與未加固試件C1相比，試件C2的開裂荷載明顯提高.繼續(xù)施加荷載，原有裂縫繼續(xù)發(fā)展，幾乎沒有新的水平裂縫產(chǎn)生.在水平荷載達到108 kN時，水平裂縫增多，并出現(xiàn)沿柱面的貫通裂縫，試件屈服.位移加載控制后，水平裂縫繼續(xù)發(fā)展，數(shù)量增多，TRC加固層表面有少量剝落，并伴有纖維編織網(wǎng)輕微斷裂聲.最后加載至4Δy時，柱塑性鉸區(qū)部分TRC加固層與老混凝土剝離，內(nèi)部混凝土有輕微壓碎現(xiàn)象，試件承載力下降至峰值荷載的85%，試驗結(jié)束.

2.1.3試件C3

試件C3的開裂荷載為96 kN，與試件C2相比，亦有明顯提高.首條水平裂縫距柱根部約170 mm，裂縫寬度0.04 mm，裂縫長度約50 mm.繼續(xù)增加荷載，裂縫發(fā)展緩慢.在水平荷載達到112 kN時，試件屈服，進入位移控制階段.當加載至2Δy時，柱兩側(cè)面出現(xiàn)大量細微斜裂縫，原有水平裂縫進一步發(fā)展，同時柱角附近出現(xiàn)少量豎向裂縫；繼續(xù)加載，柱面產(chǎn)生少量細小微裂縫，原有豎向裂縫繼續(xù)發(fā)展.加載至4Δy時，試件承載力下降，試驗結(jié)束.

2.1.4試件C4

在水平荷載P=94 kN時，在距柱根部140 mm和150 mm處各出現(xiàn)1條水平裂縫，縫寬均為0.04 mm；水平荷載為96 kN時，在140 mm高度處水平裂縫沿柱面貫通.隨著荷載的增加，柱面出現(xiàn)少量細微裂縫，原有裂縫繼續(xù)發(fā)展，裂縫寬度增加.當水平荷載P=116 kN時，試件屈服，試驗加載進入位移控制.當加載至2Δy時，能夠聽到輕微的纖維編織網(wǎng)斷裂的聲音，柱面不再產(chǎn)生新的裂縫，原有裂縫繼續(xù)發(fā)展；當加載至4Δy時，柱角處纖維網(wǎng)斷裂，TRC加固層與老混凝土剝離，內(nèi)部混凝土被壓碎，試件承載力降至峰值荷載的85%，試驗結(jié)束.

2.1.5試件C5

在水平荷載P=92 kN時，出現(xiàn)首條水平裂縫，裂縫寬度0.10 mm，高度約120 mm.隨著繼續(xù)加載，裂縫數(shù)量明顯增加，且裂縫長度均較長，原有裂縫繼續(xù)發(fā)展.當水平荷載P=100 kN時，柱面出現(xiàn)大量微裂縫，后期加載過程中也不會繼續(xù)發(fā)展；同時，試件屈服，試驗進入位移控制階段.當加載至Δy時，荷載控制階段產(chǎn)生的不連續(xù)裂縫逐漸連接起來形成了主裂縫；加載至2Δy時，柱面出現(xiàn)大量裂縫且長度較長，甚至產(chǎn)生貫通柱面的水平裂縫，柱根部也產(chǎn)生少量豎向細微裂縫.最后加載至4Δy時，試件TRC加固層起皮，有被壓潰的趨勢，試件水平荷載承載力下降較快，試驗結(jié)束.

2.1.6試件C6

當水平荷載P=68 kN時，試件C6在距柱根部70 mm處出現(xiàn)首條裂縫，縫寬0.04 mm，同時試件屈服.隨著加載位移增大，圓柱面形成多條環(huán)形裂縫.與試件C3相比，試件C6裂縫位置較高，破壞范圍較大.當加載至4Δy時，細小裂紋逐漸發(fā)展形成大面積的表層砂漿剝落，能夠聽到輕微纖維編織網(wǎng)斷裂的聲音，此時試件承載力達到最大值.位移循環(huán)至8Δy時，承載力降低至峰值荷載的85%以下，試驗結(jié)束.

2.1.7試件C7

在水平荷載P=64 kN時，在距柱根部140 mm和210 mm處同時出現(xiàn)2條裂縫，裂縫產(chǎn)生位置也高于試件C3.當水平荷載P=104 kN時，鋼筋屈服，由于TRC加固層的約束作用，當加載至2Δy的第1次循環(huán)時才開始出現(xiàn)貫通裂縫，同時柱根部邊緣處出現(xiàn)少量豎向裂縫.當位移循環(huán)達到3Δy時，試件承載力開始下降，柱兩側(cè)開始出現(xiàn)斜向裂縫，纖維網(wǎng)斷裂聲響也逐漸變多.在4Δy的第1次循環(huán)時，距柱根部170 mm處纖維網(wǎng)斷裂，加固層嚴重外鼓，柱根部混凝土壓碎，此時試件承載力下降明顯.當試驗加載至5Δy時，柱根部TRC加固層與老混凝土分離，試件破壞.

2.2 破壞形態(tài)分析

各試件的破壞形態(tài)如圖5所示.由圖可知，各試件破壞均為彎曲破壞.與未加固柱C1相比，加固柱破壞程度明顯較輕，內(nèi)部混凝土并沒有大范圍的壓碎現(xiàn)象，TRC有效地約束了內(nèi)部混凝土，且加固柱的塑性鉸區(qū)高度降低.

對于摻入不同體積摻量的加固柱，在加載過程中隨著主裂縫的形成，在主裂縫附近會生成許多細小微裂縫，但隨著纖維摻量的增加，生成微裂縫的情況也不盡相同.總體來看，在PVA纖維體積摻量為0.5%時裂縫寬度相對較小，且適當體積摻量的PVA短切纖維可以推遲裂縫出現(xiàn)的時間，改善TRC加固柱的裂縫發(fā)展.

對比不同截面形式的加固柱發(fā)現(xiàn)，圓形加固柱表面形成多條環(huán)形裂縫，無明顯斜裂縫產(chǎn)生，而矩形加固柱側(cè)面出現(xiàn)明顯斜向裂縫，這說明TRC加固圓柱具有良好的彎曲破壞特征，而矩形加固柱的破壞形態(tài)不如加固圓柱和方柱.

a 試件C1

b 試件C2

c 試件C3

d 試件C4

e 試件C5

f 試件C6

g 試件C7

2.3 滯回曲線

各試件主要試驗結(jié)果見表6.表中，Py為試件屈服時的水平荷載，Δy為與屈服荷載對應(yīng)的水平位移，Pm為試件所能承受的最大水平荷載，Δm為與峰值點荷載對應(yīng)的水平位移，Pu為試件的破壞荷載，Δu為與破壞荷載對應(yīng)的水平位移.其中，屈服點的位置按Park法[15]確定，峰值荷載為整個加載過程的最大水平荷載，極限荷載為水平荷載下降至 0.85 倍峰值荷載時所對應(yīng)的荷載.各試件滯回曲線關(guān)系見圖6.

表6 各試件試驗結(jié)果Tab.6 Test results of columns

a 試件C1

b 試件C2

c 試件C3

d 試件C4

e 試件C5

f 試件C6

g 試件C7

與試件C1相比，試件C2～C7的滯回環(huán)數(shù)量相對增多，滯回環(huán)面積增大，說明加固構(gòu)件的耗能能力提高.對比試件C2～C5發(fā)現(xiàn)，試件C2～C4滯回曲線要比試件C5飽滿，試件C5“捏縮”現(xiàn)象要更明顯.試件C5的極限位移要小于其他加固試件，這說明當PVA纖維體積摻量較大時，試件的延性會有所降低，對試件的性能造成不利影響.分析原因認為纖維摻量增加后，纖維之間相互交叉的作用增強，提高了混凝土內(nèi)部的屈服剪切應(yīng)力，導致工作性能降低.

與試件C3和試件C7相比，試件C6滯回環(huán)更加密集，在位移控制階段承載力變化幅度不大，但具有較大的變形，說明圓柱在反復荷載作用下具有良好的延性.結(jié)合表6，由圖6可知，試件C3滯回曲線相對更加飽滿，耗能能力大于圓柱和矩形柱.

2.4 骨架曲線

各試件的骨架曲線如圖7所示.

由2.1節(jié)可知，與試件C1相比，試件C2～C5的開裂荷載分別提高100%、166.67%、161.11%和155.56%，而比較C2～C5發(fā)現(xiàn)，與試件C2相比，試件C3～C5的開裂荷載也都有所增加，分別提高了33.33%、30.56%和27.78%.這說明TRC加固能夠約束RC柱核心混凝土，限制裂縫的發(fā)展，延遲裂縫出現(xiàn)的時間.此外，摻入一定量的PVA纖維后限制裂縫發(fā)展效果更加顯著.這是因為PVA纖維的體積摻量在一定范圍內(nèi)時，纖維會阻斷混凝土內(nèi)部水分的散失通道，使水分不易散失，改善構(gòu)件的抗裂性能.對于屈服荷載和峰值荷載，TRC加固構(gòu)件有所提高，但增幅有限.

a 試件C1～C5

b 試件C3、C6、C7

由2.1節(jié)可知，試件C3、C6和C7的開裂荷載較C1也有較大幅度提高.由表6和圖7b可知，與試件C6和C7相比，試件C3的屈服荷載分別提高73.88%和13.29%，峰值荷載分別提高89.02%和25.47%.這說明在配置相同縱筋的情況下，TRC加固方柱的承載能力優(yōu)于圓柱和矩形柱.對于圓柱承載能力較低，分析原因認為，因截面形式的原因，圓柱混凝土受壓區(qū)面積小，受拉區(qū)縱筋少于矩形柱和方形柱，且對比未加固柱可知，TRC加固層會增加試件的剛度，承擔部分水平荷載，提高加固試件的峰值荷載，但增幅有限，即TRC加固層對水平峰值荷載貢獻不大.

2.5 延性

由表6對比發(fā)現(xiàn)，與試件C2相比，未加固試件C1的位移延性系數(shù)降低了8.64%，這是因為TRC加固層本身具有良好的延性，加之與老混凝土之間黏結(jié)性能良好，改善了加固柱的延性；試件C3的位移延性系數(shù)提高了10.37%，而試件C4和C5的位移延性系數(shù)分別降低了6.05%和4.90%，這說明PVA纖維的體積摻量超過一定的范圍會對TRC的力學性能產(chǎn)生不利影響.分析認為，在TRC基體-細?；炷林蠵VA纖維的體積摻量過大時，PVA纖維不能均勻地分散在細?；炷林校趽胶蠑嚢柽^程中會出現(xiàn)“結(jié)團”現(xiàn)象，導致PVA纖維和TRC基體的整體性能降低，進而影響TRC的力學性能.此外，經(jīng)過比較計算，試件C6和試件C7的延性系數(shù)分別比試件C3提高了107.20%和13.26%，說明加固圓柱的延性明顯優(yōu)于加固方柱，但對于矩形加固柱，其延性系數(shù)大于加固方柱，這說明TRC能夠更好地提高矩形柱的延性.

2.6 剛度退化

參照文獻[16]中建議的折算割線剛度來分析各試件的剛度退化情況.試件相對剛度退化曲線如圖8所示.其中，η為各滯回環(huán)割線剛度與屈服剛度的比值，β為峰值位移與屈服位移的比值.

由圖8a可知，對未加固柱C1，其剛度退化較加固柱C2～C5更加明顯，特別是初始剛度衰減程度更大；而對于加固柱，TRC加固層在試件屈服以后對RC柱核心混凝土有較好的約束作用，保證了加固柱的剛度不致退化過快，且TRC加固柱的退化曲線總長度也相對較長，說明其抗震性能較好，TRC加固RC柱的效果良好.對于加固柱C2～C5，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在試件屈服后，位移控制的第1個循環(huán)加載過程中，各試件的剛度也都有不同程度的衰減，其中試件C3的衰減速率相對較慢，說明在TRC基體中摻入適量的PVA纖維有助于延緩TRC加固柱的剛度退化，保證加固柱在大位移循環(huán)時能夠有足夠的變形能力.

a 試件C1～C5

b 試件C3、C6、C7

由圖8b可知，在位移循環(huán)初始階段，3種截面形式的試件剛度退化都較快，且圓柱和矩形柱退化速率大于方柱.在達到峰值荷載后，試件C3的曲線斜率要大于試件C6和試件C7的曲線斜率，即方柱的剛度退化速率較快，圓柱和矩形柱在位移循環(huán)后期剛度退化更加緩慢.這說明經(jīng)過TRC加固后圓柱和矩形柱在地震中的變形能力提高.此外，圓柱在臨近破壞時，曲線出現(xiàn)很長一段“平臺”，說明圓柱具有更好的延性.

2.7 耗能能力

試件累積耗能可通過滯回曲線所包圍的面積來表示，各試件耗能曲線如圖9所示.

由圖9a可知，隨著水平位移的增加，各試件的耗能能力明顯增強，且與未加固柱C1相比，加固試件C2～C5的耗能速率較大，耗能的增長幅度更大.由表6可以得出，與試件C1相比，試件C2～C5耗能能力分別提高了34.55%、35.53%、8.56%和4.15%，說明TRC加固有效提高了加固構(gòu)件的耗能能力，但是隨著PVA纖維體積摻量的增大，TRC加固構(gòu)件的總耗能呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.這說明對于PVA纖維來說，過大的體積摻量會影響TRC的加固效果，降低TRC加固柱的抗震性能.

由圖9b可知，在位移加載初期，各試件的耗能速率相差不大，說明在試件屈服前后，截面形式對試件耗能無明顯影響，但是由于試件屈服判別存在誤差，導致試件C3在達到屈服時就已經(jīng)耗能，初始耗能大于C6和C7.結(jié)合表6可知，當試件破壞時，試件C3、C6和C7的累積耗能分別為49.70 kN·m、45.42 kN·m和33.21 kN·m，方柱的總耗能最大，圓柱其次，矩形柱最小.這說明截面形式對加固柱的累積耗能有一定的影響.

a 試件C1～C5

b 試件C3、C6、C7

3 結(jié)論

通過6根TRC加固柱和1根對比柱的低周往復加載試驗，深入分析了不同PVA纖維摻量和截面形式對TRC加固柱抗震性能的影響.基于以上試驗數(shù)據(jù)和分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)TRC加固能夠有效約束RC柱核心區(qū)混凝土，限制裂縫的發(fā)展，減緩構(gòu)件屈服后的剛度退化速率，降低試件塑性鉸區(qū)的破壞高度，改善RC柱的破壞形態(tài).

(2)在TRC良好加固效果的基礎(chǔ)上，PVA纖維能夠進一步延遲構(gòu)件裂縫出現(xiàn)時間，限制裂縫的發(fā)展，提高加固構(gòu)件的開裂荷載和峰值荷載，增強加固構(gòu)件的變形能力.

(3)當PVA纖維摻量在一定范圍內(nèi)時，會提高TRC的力學性能，增強TRC的加固效果，但是摻量過高后會對TRC造成不利影響.基于本文試驗數(shù)據(jù)，PVA纖維體積摻量在0.5%左右時TRC加固柱的抗震性能最佳，這也為后期研究侵蝕環(huán)境下TRC基體中摻入PVA纖維加固RC構(gòu)件提供了一定的理論依據(jù).

(4)方形柱的承載能力最強，但總的來看，TRC加固圓柱的延性、屈服后剛度退化以及耗能能力均優(yōu)于其他兩種截面形式的TRC加固柱，其抗震性能更好.