预应力CFRP布加固混凝土大偏心受压柱试验研究

翟爱良，孙明杰，季昌良，陈树建，王纯合

(山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018)

0 前 言

采用CFRP材料加固混凝土偏压柱的研究，通常是采用普通加固，具体表现为在柱周缠绕CFRP布(一般为条带或全包形式)和在受拉侧粘贴CFRP布复合加固。这种普通加固能一定程度上改善柱的受力性能，但是往往不能充分利用CFRP材料的高强性能[1-4]。众所周知，与普通CFRP加固技术相比，预应力CFRP加固混凝土技术有很多优点，构件经施加预应力CFRP加固后，可以极大提高结构的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，提高构件的刚度，减少变形，有效抑制裂缝的形成开展，明显改善结构的工作性能，进一步发挥碳纤维布的高强性能[5-9]。针对以上混凝土柱普通CFRP材料加固方式存在的问题和预应力加固具有的优势，本文针对四根同等强度的混凝土大偏心受压柱(计算偏心距 e=140 mm)，采用预应力加固与普通加固方式进行试验对比，试验分析预应力CFRP布加固后大偏压柱的正截面受力性能，研究不同加固方式，对柱的抗压承载力影响。试验过程中张拉CFRP布以施加预应力，同时将张紧的CFRP布锚固住，采用自主研发的新型体外旋转式张拉锚固装置。使用这种装置对CFRP布施加预应力，施工工艺简单，能够很好地将碳纤维布与混凝土柱粘合在一起，且锚固牢靠，加固效果较好。

1 试验概况

1.1 试件制作及试验设计

试验设计四根混凝土柱，混凝土强度等级均为C30，各柱截面尺寸均为400 mm×200 mm，柱高均为1 200 mm，各柱均采用对称配筋，纵筋采用HRB335，；箍筋采用HPB235，纵筋配置与数量经计算满足大偏心受压柱要求，箍筋按规范要求配置，为防止柱两端出现局部受压破坏，各柱均在两端部按规范要求配置了钢筋网。具体配筋情况如图1所示。

图1 大偏心受压柱配筋图

各柱采用不同加固方式，见表1。

表1 各柱不同加固方式

大偏心受压柱加固采用湿粘法中的条带间断式部分包裹法和受拉侧纵向条带加固相结合；环向条带碳纤维布宽60 mm，长 1 600 mm，粘贴两层布，条带与条带之间间距45 mm；纵向条带碳纤维布宽60 mm，长1 600 mm，粘贴三层。普通碳纤维布粘贴施工工序均按照现行标准操作规程进行。对Z2柱受拉侧预应力碳纤维布纵向加固，采用自行开发的“拉锚一体化”机具对碳纤维布施加张拉力，张拉控制应力为其极限抗拉强度标准值的20%，张拉力值控制在15 kN。对Z3柱环向条带预应力碳纤维布加固，采用自行开发的“环向张拉锚固”机具对碳纤维布施加张拉力，张拉控制应力为其极限抗拉强度标准值的20%，张拉力值控制在10 kN，对碳纤维张拉完成后，机具自动形成锚固。

Z1、Z2、Z3加固柱碳纤维布布置情况如图2所示。

图2 Z1、Z2、Z3加固柱碳纤维布布置情况图

1.2 挠度测点布置与应变片布置

柱中间的挠度计量程50 mm，位于柱身中央处，上下的挠度计各距离中央的挠度计500 mm处。

应变片布置，为了测量每根受拉钢筋和受压钢筋的应变变化情况，在柱的受力纵筋的中部布置两片应变片，为了量测柱混凝土横向和纵向应变，在柱身碳纤维布之间混凝土表面上粘贴电阻应变片，为了测量纵向纤维布和横向纤维布的应变，沿碳纤维布的纤维方向布置长标距电阻应变片。

1.3 加载过程

试验采用YAW-3000F电液伺服液压机，该液压机可对2 500 mm高度的柱子进行压力试验，应变信息收集采用河北北戴河协力公司生产的XL3403G静态应变数据采集分析仪。试件两端采用刀铰，以保证柱两端是铰接的边界条件。

各柱在试验前均先对试件进行预加载，检查各仪器的工作性能，然后以极限荷载10%为级度逐级加载，各级载间停5分钟，以便于观测数据。加载速率约为5 kN/min。每一级加载均测量混凝土的应变、钢筋的应变、碳纤维应变以及各百分表的读数，同时应用读数显微镜及时测量裂缝宽度。加载示意如图3所示；刀铰示意如图4所示。

图3 试件加载示意图

图4 刀铰示意图

2 试验过程及破坏现象

2.1 试验柱Z0

试验柱Z0为对比柱，加载初期，随荷载P的增加，可以看到钢筋的荷载-应变成线性稳定增长态势，继续增大荷载P至325 N时，首先在远离轴向力的受拉侧，离柱顶510 mm出现裂缝1，宽约0.2mm，长约530 mm。加载至350 N时，分别离柱顶340 mm(裂缝2)，670 mm(裂缝3)处又出现 2条水平裂缝，初始裂缝宽度均在0.2 mm左右，上下两条裂缝长度分别为420 mm，790 mm。此时，裂缝1向柱北面，南面开展。随着荷载P的增加，裂缝不断增多，并贯穿三面向受压区延伸，在一段时间内，裂缝发展较稳定，构件处于带裂缝工作阶段。随着荷载P值的继续增加到575 N时，受拉钢筋首先屈服，裂缝1成为受拉主裂缝；继续增加荷载，受压区，混凝土应变达到极限抗压应变，在受压区混凝土薄弱处出现纵向裂缝，当荷载P达到640 N时，受压区混凝土压碎，此时受压钢筋已屈服，压碎区大致呈三角形，此时荷载P值已不能增加，开始回降，说明试件已不能承载，发生大偏压破坏。

2.2 试验柱Z1

试验柱Z1为普通CFRP加固，试件刚加载后，Z1柱钢筋的荷载-应变也大致成线性稳定增长态势。增加荷载至680 N时，受拉侧，位于离柱顶500 mm和600 mm处分别出现两条横向裂缝，裂缝宽度分别为0.10 mm，0.15 mm，离柱顶近的一条裂缝长度在15 mm左右，下边的一条裂缝在22 mm左右。P值的继续增加到730 N时，在轴向力一侧，受压区出现受压竖向裂缝。随着荷载 P值的继续增加到785N时，碳纤维布出现轻微“啪啪”的声音，受压区又出现了一些新裂缝，原裂缝开展较迅速，同时受拉区又发现一条新裂缝。当加载到890 N时，受拉侧粘贴碳纤维布处出现“咔咔”响声，受压区裂缝增加明显，出现压碎预兆。当加载到965 N时，压区条带间混凝土先压碎，随即此处横向碳纤维布撕裂，构件破坏。

2.3 试验柱Z2

试验柱Z2为受拉侧预应力CFRP加固，试验开始加载时，Z2柱受拉钢筋的荷载-应变变化明显比Z0柱和Z1柱的小，随着荷载P的增加，在轴向力近侧的受压区出现受压纵向裂缝，荷载P继续增加，受压区纵向裂缝不端扩展，受拉区出现轻微“啪啪”的声音，但是未发现混凝土横向裂缝。当加载到1 000 N时，柱周边零星掉落似混凝土碎屑，受拉侧碳纤维布出现剥离预兆。继续增加荷载至1 180 N时，压区横向CFRP布撕裂，构件破坏，此时受拉区依旧没发现明显的横向裂缝。

2.4 试验柱Z3

试验柱Z3也采用柱周预应力CFRP加固，试验开始加载时，钢筋的荷载-应变大致成线性稳定增长态势；与前边三个柱不同的是横向CFRP布的应变情况明显比前三根柱变化大些。加载一段时间后，除了柱顶端南区很小的局部由于浇筑不平，产生了很小的区域局部受压裂缝外，其它地方没见明显破坏现象。继续加载，受拉侧相继出现两条横向裂缝，一条宽0.25 mm左右，长50 mm左右；一条宽0.15 mm，长1.9 cm；继续加载，受压区陆续出现裂缝，受拉区出现一条新裂缝，宽0.15mm，长250 mm，其它横向裂缝开展缓慢。继续增加荷载至1 210 N时，碳纤维布再次出现“啪啪”的声音，混凝土开始起皮脱落。当加载到1 375 N时，压碎区的碳纤维布撕裂，CFRP布撕裂处混凝土立即压碎，同时受拉区纵向碳纤维布发生局部剥离。

综上所述，对比柱Z0发生典型的大偏压破坏。Z1，Z3受压区混凝土压碎，横向CFRP布撕裂破坏，Z2发生CFRP布剥离破坏。整个试验过程可见预应力CFRP布大偏压柱加固后，不仅能提高柱的承载力，同时能有效的改善柱的延性，抑制裂缝的开展。

3 试验结果及分析

3.1 正截面受压承载力

各柱的承载力试验结果如表2所示。

由表2可以看出，在大偏压柱纵横向粘贴CFRP布后，柱的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载都有很大的提高。这主要是因为横向粘贴CFRP布，加强了对柱的横向约束作用，提高了柱的抗压强度，纵向粘贴CFRP布，加强了大偏压柱受拉侧的抗拉能力，两者都增加了柱的刚度，特别是预应力加固后，效果明显。加固前，柱的破坏是典型的大偏压破坏，加固后柱的破坏变为小偏压破坏。柱变为小偏压后，横向预应力CFRP加固后柱Z3，比纵向预应力加固的柱Z2承载力提高效果好。

表2 承载力试验结果表

3.2 应变变化

3.2.1 钢筋应变

各柱柱中纵向钢筋应变值比较曲线见图5、图6所示。

图5 受拉钢筋荷载—应变曲线

从图5可以看出，大偏压柱经过CFRP布加固后，承载能力提高，纵向受拉钢筋应变变小，说明抗拉承载力由CFRP布和钢筋共同承担。从图上曲线的斜率看，加载初期，加固柱的受拉钢筋应变变化基本是线性的，曲线斜率较小。但随着荷载的增加，混凝土柱受拉侧开裂，受拉区混凝土退出工作，荷载主要由碳纤维布和钢筋承担，钢筋应变变大，曲线斜率变大。随着荷载增加，柱Z0钢筋应变变化曲线陡且直，加固柱钢筋应变变化都比较平缓。具体效果:Z2＞Z3＞Z1。

由图6可以看出，大偏压柱经过加固后，受压钢筋屈服荷载明显都有了一定程度的提高，受力性能都得到了一定程度地改善，预应力加固的Z2，Z3柱表现的尤为明显。受压钢筋屈服后，钢筋应变非线性增长，表现为应变曲线变陡变直。加固柱的曲线比未加固平缓光滑，具体为Z3＞Z2＞Z1＞Z0。

图6 受压钢筋荷载—应变曲线

由上述两图可以看出，钢筋应变曲线与试验现象有较好的一致性；通过钢筋应变曲线可以看出加固后柱的承载力和延性等受力性能得到了很大的改善，预应力加固效果比普通的效果好；柱在预应力加固后，横向预应力加固比纵向预应力加固对柱的承载力提高效果更好。

3.2.2 碳纤维布应变

各加固柱的碳纤维布的应变曲线如图7、图8所示。

从图7可以看出，加载初期，柱Z2的受拉侧碳纤维布应变比Z1，Z3大，这是因为受拉侧CFRP布经预应力加固后，使纵向碳纤维布更早更紧密地和钢筋混凝土结合在一起，对柱的约束由原来的被动约束变为主动约束，更早地参与了柱的承载。Z3柱尽管受拉侧的碳纤维布没有施加预应力，但也可以看出Z3柱的纵向碳纤维布应变比Z1大，这是因为Z3柱的横向碳纤维布被施加预应力后，对纵向碳纤维的附加锚固作用得到加强，一定程度上帮助了纵向受拉碳纤维布发挥高强性能。在加载后期，Z1柱的碳纤维布的应变变化比Z2柱快，Z2柱的应变变化比Z3变化快。这也说明了加固后柱的延性得到了提高，预应力的比普通的效果好。同时也可以看到在加载初期，受拉碳纤维布应变随荷载增加大致呈线性变化，变化趋势较缓。随着混凝土梁开裂，柱的挠度变大，碳纤维布更多的参与承载工作，应变变化较之前加快，表现为曲线坡度变大。但是各加固柱达到极限荷载破坏时，纵向碳纤维布的应变都没有达到极限，这与试验中纵向碳纤维布没有被拉断相符。

图7 受拉CFRP荷载—应变曲线

图8 横向碳纤维布的荷载—应变曲线

由图8可以看出，加载初期，碳纤维布的应变很小，直到承载力接近混凝土峰值强度附近，混凝土膨胀体积增大，碳纤维布套箍应变急剧增大，直至套箍被拉断，拉断时碳纤维布应变达到或接近其极限应变。同时在加载初期，Z3柱的应变变化较明显，说明CFRP套箍较早的参与了柱Z3的承载；但是随着荷载的增加，当套箍应变变化加快，Z1＞Z2＞Z3，这说明预应力加固后，柱的刚度增加了，延性变好了。

3.2.3 混凝土应变

各柱的混凝土的应变曲线如图9、图10、图11所示。

图9 受压区混凝土荷载—纵向应变曲线

图10 受压区混凝土荷载—横向应变曲线

图11 受拉区混凝土荷载—纵向应变曲线

由图9可以看出，加载初期，混凝土受压区纵向应变大致线性。此时各柱区别不明显；到非线性增长阶段，对比柱Z0混凝土的纵向变形发展较快，曲线陡直。而柱Z1，Z2，Z3由于CFRP加固，曲线还是相对较平缓，特别是柱Z3横向套箍施加预应力，效果更明显；在应变水平发展阶段，柱Z0柱身开始产生竖向裂缝发展迅速，有些应变片上的电阻丝被裂缝拉断而使读数终止，而加固柱变化相对较缓。构件破坏时加固柱压区混凝土被压碎在曲线未能反映出是因为压碎区未在测点处。总而言之，混凝土荷载—纵向应变曲线表现出加固柱的比对比柱的平缓，预应力加固的比普通加固的平缓，这说明加固后改善了柱的延性，预应力的效果尤为突出。

由图10可以看出，在加载初期，加固试件的混凝土横向应变的曲线和对比试件的曲线略有偏离，比对比件的曲线平缓，说明加固后由于碳纤维布的约束作用，限制了混凝土的横向变形，使横向应变值相对较小。对混凝土的横向约束作用主要是条带套箍起的作用，因此Z3柱由于对套箍施加预应力进行的加固，对混凝土横向约束作用最明显，产生的混凝土的横向应变值最小。曲线在受压钢筋屈服处发生斜率突变，曲线变得更陡直，此时柱的压力主要由混凝土承担，加速了混凝土的横向膨胀，向外挤压横向碳纤维布，使得碳纤维布应变变化加快。在达到柱的极限荷载时，有的柱的横向碳纤维布应变达到极限应变，这与破坏时横向碳纤维布会发生撕裂现象相吻合。

由图11可以看出，加固柱Z1，Z2，Z3柱的曲线与Z0柱相比斜率较小，也就是说CFRP布加固后的受拉区混凝土的纵向应变变化比对比柱小，这是因为加固柱在受拉侧粘贴了纵向碳纤维布，对混凝土的纵向变形有了约束，Z3柱的纵向碳纤维布施加了预应力后，混凝土的纵向应变变化最慢，说明预应力加固更快更好的发挥了CFRP布的高强性能。加载初期，受拉区混凝土纵向应变随荷载增加呈线性变化，趋势平缓。随后加载过程中，Z0柱由于受拉钢筋屈服，混凝土纵向应变急剧增加；Z1，Z2，Z3柱由于柱受拉侧纵向的CFRP布加固后，在整个承载过程中，受拉钢筋并未屈服，因此混凝土没有大的纵向应变曲线突变，只是在出现小裂缝时才会发生很小的突变。

3.3 挠度

各柱柱中侧向挠度的比较曲线如图12所示。可以看出，钢筋混凝土大偏心受压柱经加固后，极限承载能力提高同时而挠度减小。构件的荷载挠度曲线反映了构件的刚度，挠度减小说明刚度增强。从挠度曲线的斜率来看，在加载初期，所有试验柱的荷载挠度曲线的变化基本是线性的，对比柱Z0明显比加固柱斜率大。说明Z1，Z2，Z3柱被加固后，刚度就有较大提高，尤其Z2柱的斜率减小很明显，说明CFRP布在施加预应力后，对柱的约束由被动约束转为主动约束，CFRP布应力应变滞后的现象明显减少，参与共同承载的时间提前。随着荷载增大，CFRP布对混凝土约束作用逐渐增强，使得构件刚度提高的幅度越来越明显。预应力加固柱Z2，Z3的刚度提高的尤为明显。Z2、Z3的曲线后期总体上较平缓，破坏呈明显的延性，说明预应力CFRP布加固柱提高了柱的刚度，延缓了裂缝的开展，经加固后的柱延性较好，预应力加固的比普通加固的效果更好。

图12 各柱柱中侧向挠度的曲线图

4 结论与建议

(1)本次大偏压柱试验过程中，研发了一套体外旋转式张拉与锚固装置。该装置较好的完成了对CFRP布的张拉与锚固工作。整个预应力加固施工过程这套机具使用很便捷，并且造价低，可以重复利用，适宜实际工程加固推广使用。

(2)大偏压柱在纵横向粘贴CFRP布加固后，柱的承载力有了明显的提高；柱受拉区混凝土裂缝比未加固的出现的晚，裂缝分布均匀且裂缝宽度小，说明加固后柱子的延性明显提高。

(3)大偏压柱在纵横向粘贴CFRP布加固后，柱的破坏形态由典型多的大偏压破坏，转变为小偏压破坏，破坏时受拉区未出现明显的横向受拉主裂缝。

(4)大偏压柱在纵横向粘贴CFRP布加固，并在对横向的CFRP布施加预应力比纵向施加预应力对柱的整体承载力提高效果更明显。

(5)普通 CFRP加固存在应变滞后现象，对CFRP材料施加预应力后，大大减少了滞后现象，充分发挥了CRRP材料高强性能，在采用CFRP布加固实际工程中应优先采用对CFRP布施加预应力的加固方式。

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