套箍加固鋼筋混凝土中長柱的試驗研究*

毛德均， 錢永久， 宋 帥

(1 昆明學(xué)院建筑工程學(xué)院， 昆明 650214； 2 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031；3 太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 太原 030024)

0 引言

鋼筋混凝土(RC)柱是各類RC橋梁結(jié)構(gòu)的基本組成構(gòu)件，也是主要承重構(gòu)件，如簡支梁橋的橋墩、上承式拱橋的拱上立柱，其安全性能關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用。大量在役RC柱由于長期使用后功能退化，或受地震等自然災(zāi)害、改變結(jié)構(gòu)的使用功能、設(shè)計不周、施工質(zhì)量差等影響，導(dǎo)致其承載力不足、安全可靠性降低時，需要對其進行加固，目前常用的加固方法有：增大截面加固法、置換混凝土加固法、體外加預(yù)應(yīng)力加固法、外粘型鋼加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法、粘貼鋼板加固法等[1-2]。套箍加固是指通過沿原RC構(gòu)件的環(huán)向增設(shè)新的RC套箍層，使新舊兩部分形成整體共同受力，從而恢復(fù)和提高結(jié)構(gòu)的承載能力。這種加固方法屬于增大截面加固法范疇，但與普通的單側(cè)或雙側(cè)增大截面加固法相比又有其獨特的特點[3]，在國內(nèi)外的RC墩、柱加固工程中時有應(yīng)用[3-6]。

RC柱可按長細比λ劃分為短柱、中長柱和細長柱三種類型，每種類型柱的破壞各有特點[7]。實際應(yīng)用時中長柱用得多，短柱、細長柱用得少。既有國內(nèi)外試驗研究成果表明，套箍加固效果十分顯著，能有效提高RC柱的承載力、剛度和變形能力[8-11]。但既有試驗研究的試件長細比λ較小、以短柱為主，對套箍加固RC中長柱的試驗研究鮮見開展。

基于以上背景，本文進行了2根普通鋼筋混凝土中長柱(軸壓、偏壓各1根)和6根采用套箍加固的鋼筋混凝土中長柱(軸壓、偏壓各3根)的靜力破壞試驗，通過試驗結(jié)果分析，研究了套箍加固RC中長柱的破壞特征、加固效果和受力性能，可以作為這方面試驗資料的補充和積累，為相關(guān)人員更加深入地認(rèn)識套箍加固RC柱的加固效果和受力性能提供參考。利用承載力試驗結(jié)果，對《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》(JTG/T J22—2008)[12](簡稱公路橋梁加固規(guī)范)和《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367—2013)[13](簡稱混凝土加固規(guī)范)承載力計算方法的結(jié)果表現(xiàn)進行了對比分析，可為相關(guān)人員理解和運用規(guī)范計算方法提供指導(dǎo)。

1 試驗概況

1.1 試件參數(shù)及截面設(shè)計

本次試驗共制作了8根RC柱，軸壓、偏壓各4根。試件加固前的截面尺寸為20cm×20cm(軸壓)和15cm×20cm(偏壓)，套箍層厚度為5cm，試件參數(shù)及承載力實測值見表1，表1中對比柱為未加固柱；l為試件長度；λ為長細比，括號外(內(nèi))分別為試件加固前(后)的λ值；e0為偏心距；Nu為承載力實測值。從表1可以看出，試件加固后的λ相對于加固前有明顯降低，加固前λ越大，加固后λ的相對降低幅度也越大。

試件參數(shù)及承載力 表1

圖1 試件截面與配筋情況/cm

1.2 材料屬性

核心柱采用C20普通混凝土，配合比見表2。套箍層采用C30自密實微膨脹混凝土，配合比見表3。根據(jù)立方體抗壓強度實測值fcu，通過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[14]中給出的軸心抗壓強度fc、軸心抗拉強度ft和彈性模量Ec計算公式，得到混凝土的力學(xué)性能見表4。

受力主筋和箍筋分別采用HRB335和HPB300鋼筋。主筋力學(xué)性能見表5。

C20混凝土各材料用量及配合比 表2

C30混凝土各材料用量及配合比 表3

混凝土的力學(xué)性能 表4

主筋力學(xué)性能 表5

圖2 加載裝置

圖3 軸壓加固試件的破壞形態(tài)

圖4 偏壓加固試件的破壞形態(tài)

加固試件的界面植筋率 表6

界面處理完成后，綁扎套箍層鋼筋，安置模板，澆筑套箍層混凝土前，用清水噴灑核心柱混凝土表面，使其在套箍層混凝土澆筑過程中保持濕潤。套箍層混凝土養(yǎng)護28d后進行加載試驗。

1.3 測試內(nèi)容及加載方案

人工觀測記錄試件在各級荷載下的開裂、裂縫發(fā)展及破壞等現(xiàn)象。在試件L/2(其中L為柱高度)截面的新舊受力主筋和新舊混凝土表面粘貼應(yīng)變片，測量各級荷載下的縱向應(yīng)變。在試件L/4，L/2，3L/4截面布置位移計，測量各級荷載下的橫向撓曲變形。參照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[15]，取試驗過程中達到的最大荷載作為試件極限承載力實測值。

加載裝置如圖2所示，為一臺1 000t級試驗機，該試驗機可以在加載過程中對荷載進行實時監(jiān)控。試驗邊界條件為鉸支。為防止試件發(fā)生局部承壓破壞，在其上下底面粘貼16mm厚鋼板。試件安裝就位后，先進行預(yù)加載，以檢驗加載、量測系統(tǒng)是否正常工作，同時消除誤差。正式加載分級勻速進行，應(yīng)變、位移值采用智能應(yīng)變測試儀全程自動采集。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

主要對加固試件的試驗現(xiàn)象進行描述分析。軸壓加固試件主要表現(xiàn)為材料破壞、失穩(wěn)破壞不明顯，典型破壞形態(tài)如圖3所示，在荷載達到其Nu的80%～85%時，柱四周發(fā)生豎向開裂破壞，開裂前無明顯異常。開裂后隨著荷載增大，破壞區(qū)域的裂縫數(shù)量增多，主要裂縫寬度增大、長度變長。荷載接近Nu時伴隨有破壞區(qū)混凝土壓碎、保護層局部剝落、露出鋼筋的現(xiàn)象。試驗完成后查看破壞區(qū)，發(fā)現(xiàn)露出的鋼筋向外彎曲，鋼筋內(nèi)側(cè)混凝土壓碎。刨開破碎的混凝土，未發(fā)現(xiàn)套箍層和核心柱粘結(jié)脫開。

偏壓加固試件也主要表現(xiàn)為材料破壞、失穩(wěn)破壞不明顯，典型破壞形態(tài)如圖4所示，在荷載達到一定值時，離荷載較遠側(cè)混凝土出現(xiàn)受拉開裂，開裂前無明顯異常。開裂后隨著荷載增大，受拉側(cè)裂縫數(shù)量增多，主裂縫寬度增大、長度沿柱截面高度方向擴展；荷載繼續(xù)增大，受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)開裂、起皮掉渣。荷載接近Nu時，受壓區(qū)混凝土壓碎。試驗完成后未發(fā)現(xiàn)破壞區(qū)域的套箍層與核心柱粘結(jié)脫開。

未加固試件PYDB是加固試件PY-1的直接對比柱，加固前二者e0和λ相同，加固后試件PY-1的偏心率e0/h減小為0.30，λ也由12減小為8。試件PYDB的開裂荷載約為其Nu的30%，而試件PY-1的開裂荷載約為其Nu的50%，試件PY-1受拉開裂明顯延遲，且加載過程中的主裂縫寬度比試件PYDB小，但混凝土壓碎區(qū)比試件PYDB大，說明偏壓構(gòu)件加固后的破壞形態(tài)有一定改變，原因是套箍加固使試件的偏心率和長細比有所減小。

所有加固試件的破壞位置均不在跨中，而是偏向于加載端。有研究表明，RC柱破壞可能發(fā)生在柱中段或接近柱端，不同的破壞位置分布體現(xiàn)了不同的能量釋放形式[16]。就本次試驗講，不排除破壞較早發(fā)生的可能性。今后開展此類試驗，為取得比較理想的破壞形態(tài)和防止破壞過早發(fā)生，應(yīng)對柱端部區(qū)段進行局部加強。試驗完成后，鑿掉加固試件的加載端鋼板，典型試件加載端套箍層與核心柱粘結(jié)狀況如圖5所示，從圖5可以看出，加載端的套箍層和核心柱粘結(jié)狀況保持良好，雖然此處在試驗過程中應(yīng)力集中明顯。

圖5 加載端粘結(jié)狀況

2.2 承載力

承載力試驗結(jié)果見表1。從表1可知，試件ZY-2加固前的理論承載力和試件ZYDB相同，而加固后其承載力是試件ZYDB的2.7倍；試件ZY-3加固前的理論承載力小于試件ZYDB，加固后其承載力為試件ZYDB的2.5倍。試件PY-1加固前的理論承載力和試件PYDB相同，加固后的承載力是試件PYDB的3.9倍。對于試件PY-2和PY-3，前者僅偏心距比試件PYDB大，后者長細比和偏心距都比試件PYDB大，二者加固前的承載力無疑都低于試件PYDB，而加固后的承載力分別是試件PYDB的3.3倍和3.0倍。承載力試驗結(jié)果表明：套箍對RC中長柱的加固效果較為顯著，加固后柱的承載力可以實現(xiàn)成倍增長。

2.3 荷載-應(yīng)變關(guān)系

同類加固試件的荷載-應(yīng)變曲線變化規(guī)律一致，以試件ZY-3和PY-2為代表進行說明，二者的荷載-應(yīng)變曲線如圖6所示。圖6中的HC，TC分別表示核心柱、套箍層混凝土受壓區(qū)邊緣的縱向應(yīng)變，HS，TS分別表示核心柱、套箍層的鋼筋縱向應(yīng)變。

由圖6(a)可知，在加載過程中，軸壓加固試件各部分的荷載-應(yīng)變曲線基本重合，即套箍層和核心柱的應(yīng)變變化同步，這符合軸壓構(gòu)件的受力特點，曲線在局部位置存在偏差，原因是初始缺陷及加載偏差影響，使試件并非處于理想軸壓狀態(tài)。試件破壞時各測點的應(yīng)變值偏低，原因是柱破壞區(qū)域偏向于加載端，不在應(yīng)變測點附近。本次試驗核心柱的初始荷載N1為0，根據(jù)理論分析和軸壓加固試件在加固后的應(yīng)變表現(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，若N1≠0，則軸壓試件在加固后的受力過程中核心柱的總應(yīng)變將大于套箍層總應(yīng)變。

由圖6(b)可知，在加載過程中，偏壓加固試件的核心柱應(yīng)變始終小于套箍層，這是偏壓構(gòu)件的受力特點決定的。故對于偏壓構(gòu)件，核心柱承受適度的N1具有積極作用，可以增大其總應(yīng)變，進而提高核心柱的材料強度發(fā)揮程度。實際工程中，構(gòu)件必定是在持荷狀態(tài)下加固，如在N1作用下恰能使核心柱在加固后受力過程中的應(yīng)變與套箍層保持基本一致，則加固構(gòu)件的受壓區(qū)新舊部分都能比較充分地發(fā)揮承載作用。

2.4 荷載-橫向撓曲變形

加固試件的最終橫向撓曲變形基本符合半波正弦規(guī)律。圖7為加固試件的典型荷載-橫向撓曲變形圖。由圖7可見，偏壓加固試件的撓度最大點位置在加載過程中基本保持不變，而軸壓加固試件的撓度最大點位置在加載過程中可能保持不變，也可能動態(tài)變化。軸壓與偏壓加固試件最大撓度位置均不在跨中，而是偏向于加載端，這與破壞位置偏向加載端相吻合。加載初期，撓度分布與正弦分布偏離較遠，而撓度分布在加載過程中是一個動態(tài)調(diào)整的過程，隨著荷載增大，試件內(nèi)力自行調(diào)整，撓度分布也隨之調(diào)整，越來越接近于半波正弦曲線。

2.5 截面應(yīng)變分析

加固試件在加載過程中的截面應(yīng)變分布符合平截面假定。以試件ZY-1和PY-1為例進行說明。圖8(a)，(b)分別為試件ZY-1和PY-1的截面應(yīng)變分布。由圖8(a)可見，在加載過程中，軸壓加固試件的套箍層和核心柱應(yīng)變變化幅度基本同步，即截面應(yīng)變在加載過程中呈線性分布。由圖8(b)可知，在加載過程中，偏壓加固試件的應(yīng)變沿截面高度也呈線性分布。因此，若采取了有效措施確保套箍層和核心柱形成整體、共同受力，則平截面假定可用于套箍加固鋼筋混凝土中長柱的受力分析。本次試驗采取的界面處理措施得當(dāng)，可為工程加固提供參考。本文試驗試件的核心柱初始荷載N1=0，不難理解，當(dāng)N1≠0時，平截面假定同樣成立，因為構(gòu)件在加固后受力過程中產(chǎn)生的截面應(yīng)變分布狀態(tài)與N1無關(guān)。

圖6 加固試件的荷載-應(yīng)變曲線

圖7 加固試件的荷載-橫向撓曲變形

圖8 加固試件的截面應(yīng)變分布

3 承載力計算

公路橋梁加固規(guī)范和混凝土加固規(guī)范都有可用于計算套箍加固RC中長柱承載力的方法，且兩種方法之間有所差別。將加固試件的Nu與由這兩部規(guī)范得出的承載力計算值進行對比。加固試件的承載力結(jié)果對比見表7，表7中的NJ和NG分別為公路橋梁加固規(guī)范和混凝土加固規(guī)范得出的加固試件的承載力計算值。承載力計算值與實測值有關(guān)的統(tǒng)計分析結(jié)果見表8，表8中的m，D和CV分別表示計算值與實測值比值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。

加固試件的承載力結(jié)果對比 表7

統(tǒng)計分析結(jié)果 表8

由表7和8可以看出，對于軸壓加固試件的承載力計算，公路橋梁加固規(guī)范和混凝土加固規(guī)范的結(jié)果表現(xiàn)存在差異，具體為后者結(jié)果總體表現(xiàn)優(yōu)于前者，前者相對于后者結(jié)果偏大，具體原因在文獻[17]中作了詳細分析，故不作贅述。對于偏壓加固試件的承載力計算，公路橋梁加固規(guī)范和混凝土加固規(guī)范的結(jié)果表現(xiàn)與軸壓加固試件結(jié)果表現(xiàn)相同，原因是混凝土加固規(guī)范受壓區(qū)的套箍層縱鋼筋乘了系數(shù)0.9對其強度進行折減，而公路橋梁加固規(guī)范無此處理；對于受壓區(qū)混凝土的強度，混凝土加固規(guī)范采用的是核心柱和套箍層兩種混凝土的組合強度，而公路橋梁加固規(guī)范采用的是核心柱混凝土強度；對于新舊受拉鋼筋的應(yīng)力計算，公路橋梁加固規(guī)范和混凝土加固規(guī)范差異較大，且混凝土加固規(guī)范偏心距計入了附加偏心距，公路橋梁加固規(guī)范則未計入，二者公式之間的種種差別綜合導(dǎo)致計算結(jié)果有上述表現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)在本次試驗參數(shù)設(shè)置條件下，加固試件主要表現(xiàn)為材料破壞、失穩(wěn)破壞不明顯，破壞發(fā)生位置偏向加載端，今后開展此類試驗，應(yīng)對柱端部區(qū)段進行局部加強，以取得比較理想的破壞形態(tài)和防止破壞過早發(fā)生。套箍加固后偏壓柱的破壞形態(tài)會發(fā)生改變，原因是套箍加固使試件的偏心率和長細比有所減小。

(2)套箍對RC中長柱的加固效果較為顯著，加固后柱的承載力可以實現(xiàn)成倍增長。

(3)在加固后的受力過程中，軸壓構(gòu)件的核心柱和套箍層應(yīng)變變化同步，偏壓構(gòu)件的核心柱應(yīng)變始終小于套箍層。故對核心柱施加初始荷載N1會使軸壓構(gòu)件的核心柱總應(yīng)變大于套箍層；而適度的N1有利于提高偏壓構(gòu)件核心柱的材料強度發(fā)揮程度。

(4)套箍加固RC中長柱的最終橫向撓曲變形基本符合半波正弦曲線分布規(guī)律。

(5)加固后軸壓、偏壓柱的縱向應(yīng)變均符合平截面假定。本次試驗采取的界面處理措施得當(dāng)，保證了套箍層與核心柱形成整體共同工作，可為工程加固提供參考。

(6)對試驗試件的承載力計算，《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》(JTG/T J22—2008)和《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367—2013)結(jié)果表現(xiàn)存在差異，具體為后者結(jié)果總體表現(xiàn)優(yōu)于前者，前者相對于后者結(jié)果偏大。