预应力钢绞线-外包钢复合加固混凝土柱轴心受压试验研究*

司建辉 赵 侃 刘茂社

(西安理工大学土木建筑工程学院，西安 710048)

近些年来建筑行业高速发展的行业态势，带动着结构加固行业不断发展，目前应用较为广泛的加固方法有，增大截面法［1］、绕丝加固法［2-3］、外包型钢加固法［4-5］以及新兴的纤维布加固法［6］等。

其中，绕丝加固法以其施工方便，造价低廉的优点在实际工程中得到广泛地运用，目前国内外对于绕丝加固的研究中鲜有提出绕丝张拉应力的控制对于构件承载能力的影响，国内相关加固标准［7］对于绕丝加固法虽然有比较详细的施工方法，但无有效的计算式。外包型钢加固法是一种使用较为广泛的传统加固方法，分为湿式与干式两种情况。干式外包钢施工简便，但承载力提高幅度不大，整体工作性能不如湿式外包钢有效;湿式外包钢是在型钢与原构件之间用乳胶水泥或环氧树脂等黏结，保证了两种材料的协同工作能力，但其施工作业量较大，施工过程较为繁琐。

本文在绕丝加固法和外包型钢加固法的基础上，提出了预应力钢绞线 -外包钢复合加固方法［8-9］，即在干式外包钢的加固方法上，采用钢绞线水平绕丝的方式代替外包角钢间的焊接扁钢，简化了施工工序。同时，钢绞线的预应力可以保证角钢与混凝土柱的共同受力性能。通过复合加固方式，控制环绕钢绞线的张拉应力对轴心受压混凝土短柱进行研究分析，为实际工程中预紧力绕丝外包钢加固的运用提供一定的理论和试验依据。

1 预应力钢绞线-外包钢施工工艺

预应力钢绞线-外包钢复合加固混凝土柱的施工步骤如下：首先，在混凝土柱身四角上开凿角钢凹槽，将角钢及混凝土柱表面处理平整(同时对角钢侧面尖部进行轻微打磨处理)，保证角钢和混凝土柱身紧密贴合。在外包角钢的混凝土柱外侧，采用钢绞线水平绕丝方式，等间距绕丝。钢绞线采用U型卡固定，防止相对滑移。采用直径为10 mm的短钢筋，穿过钢绞线与柱身，用扭矩扳手卡口卡住短钢筋扭转一定的角度，并用细钢丝将短钢筋固定，从而控制钢绞线的张拉应力。复合加固如图1所示。

图1 复合加固示意Fig.1 Schematic diagram of combination strengthening

2 试验概况

2.1 试件设计

共进行了7根轴心受压的短柱试验，其中2根为对比试件，2根为预紧力绕丝加固，预应力均为1 kN。3根为预应力绕丝外包钢加固，预应力控制分别为1，2，3 kN。试件分组如表1所示。试件短柱截面尺寸为200 mm×200 mm，柱长1 000 mm，纵筋采用4根直径为12 mm的螺纹钢，箍筋间隔150 mm通长布置，为使试件受压均匀，构件上部布置240 mm×240 mm×20 mm的钢板。制作构件时，每根纵筋中部均布置应变片，柱体四面均布置混凝土应变片，其余应变片布置如图2所示。试验开始前，用打磨机将短柱上、下表面打磨平整，对角钢侧面尖部进行轻微打磨处理，并除去四周浮土，将柱身刷白后，画上5 cm×5cm的方格，以便后续控制绕丝间距及直观地观察试验过程中裂缝的发展。

表1 试件分组Table 1 Specimens grouping

图2 应变片布置示意Fig.2 Schematic diagram of strain gauge layout

2.2 材料选用

与试件混凝土同条件下养护的6个混凝土立方体试块，其混凝土立方体试块的实测平均抗压强度为23.9 MPa。试验采用型号为∟40×4的等肢角钢，屈服强度为σy=235 MPa。钢绞线选用1×7标准型且直径为4 mm的镀锌钢绞线。纵筋选用直径为12 mm的HRB335钢筋和直径为8 mm的HPB300钢筋。

2.3 试验加载方法

采用西安理工大学结构大厅微机控制电液伺服5 000 kN长柱压力试验机加载试验，在试件调整对中以后，先进行0.3 Nu(预计极限荷载)的预加载，预加载2～3次，并观察位移数据、应变示数是否正常。在加载初期为力控制加载，加载速度为1 kN/s，当荷载达到200 kN以后，荷载值每增加20 kN，持荷5 min，当荷载值达到800 kN以后，加载方式改为采用位移加载，加载速度为0.3 mm/min。试验加载的过程中，全程观察裂缝的出现和发展趋势，及时记录应变及位移数据，观察构件的破坏过程。数据采集装置采用DH3815静态数据采集仪，加载装置如图3所示。

图3 加载示意Fig.3 Loading diagram

图4 典型破坏形式Fig.4 Typical failure mode

3 试验结果及分析

3.1 试验现象

试验中的标准柱RC1，在轴压过程中，开裂荷载较小。当达到极限荷载的60%时，构件中上部出现裂缝，并且发展比较迅速，达到极限荷载之前，有较大混凝土块体脱落，主裂缝基本贯通，破坏较为突然，属于传统的脆性破坏。1 kN预应力钢绞线绕丝的混凝土短柱，在加载前期，钢绞线无明显变化，随着荷载增加，钢绞线开始慢慢拉紧并发出响动，柱截面混凝土受压外凸，钢绞线受拉约束，变形较大，并伴随小块混凝土掉落，达到极限荷载后，下降段比较平缓，破坏形态相较于标准柱缓和。

预应力钢绞线-外包钢的复合加固构件，由于初始预应力和外包钢的套箍作用，其开裂荷载大幅提升，轴压初期，便听到钢绞线紧绷的声音。当RC-3荷载达到其极限荷载的70% ～80%时，构件中下部开始出现细小竖向裂缝，但裂缝的宽度及长度发展缓慢或者无明显发展趋势。RC-4、RC-5中下部出现竖向裂缝时，荷载分别达到各自极限荷载的61%和56%左右。与预应力相关，且呈反比例关系。当达到构件极限荷载的90% ～95%时，构件中上部出现明显斜裂缝，且出现较为集中，发展较为迅速，进而上部混凝土被压碎。在构件破坏后的下降段，趋势缓和，达到极限荷载65%，出现水平段。同时，部分角钢中上部也产生屈服弯曲现象。

3.2 试件承载力分析

为了准确控制预应力，采用水平绕丝方式，因而对于该种方式进行单组试验，试验结果表明：水平绕丝对于承载力和延性都有一定程度的提高和改善［10］。各个试验组承载力数据如表2所示。

表2 试件参数及试验结果Table 2 Specimen parameters and experimental results

预应力钢绞线-外包钢复合加固方式可以通过钢绞线预应力与角钢的复合作用，对核心混凝土提供侧向压力，使混凝土处于三向受力状态，预应力的作用可以有效提高钢绞线、角钢与混凝土短柱的整体性，从而提高其共同受力的能力。相比较传统的绕丝加固和外包钢加固方式，随着钢绞线预应力的增加，复合加固的套箍作用，对原构件产生较大的侧向约束力，使其在受压初期便提供约束，大幅提高构件的承载力。不同预应力复合加固方式对于承载力的影响，随着预应力的增加，分别提高 15.2%、37.5% 、42.9% ，提高效果比较明显。

国内外对于绕丝加固的研究较为广泛。相比较于本文中试验数据所绘制的荷载-位移曲线(图5)，魏洋根据其试验结果绘制的荷载 -位移曲线(图 6)［11］，呈“断崖式”的下降，本文的加固构件在达到极限荷载以后的下降曲线，显得更加平滑，比较缓和，体现了较好的延性，也是本文加固方式对于传统绕丝加固性能的改良。

3.3 荷载-应变关系

图7绘制了钢筋混凝土短柱的荷载-应变，正向应变为箍筋荷载-应变，负向应变为混凝土荷载-应变。从图中可以直观看出：当轴心受压荷载较小时，图线整体呈线性增长，此时各部件均处于弹性阶段;并且随着荷载增加，图线呈非线性变化，逐渐进入塑性阶段。当荷载达到极限荷载的70% ～90%时，混凝土受压应变增大，箍筋应变增加变快，此时，复合加固构件开始发挥较大作用，直至充分发挥约束。并且随着钢绞线预应力的增加，复合加固构件对于短柱的横向约束作用的发挥时间，更为提前，也更为充分。当达到极限荷载后，混凝土的应变值开始缓慢降低，相比较于未加固短柱的混凝土应变值的突然降低，极大延缓了构件的破坏。

图5 本试验荷载-位移曲线Fig.5 Load displacement curves of test

图6 文献［11］荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves from literature［11］

图7 RC柱荷载-应变曲线Fig.7 Load displacement curves of RC columns

本次试验中复合加固的角钢，不仅可以间接通过横向约束对混凝土短柱易被破坏的部位进行加固，提高其承载力［12-13］。而且因为其本身一定的刚性，也可以直接承受轴向压力，对极限承载力的提高，发挥其最大优势。如图8所示，在复合加固短柱受压过程中，由于初始钢绞线的预应力，增加了角钢与混凝土柱表面的相对摩擦力，并且随着承载力增加，轴心混凝土受压外凸，进一步增加了两者之间的相互作用。角钢与混凝土的应变变化，在整个试验中基本协调一致，没有明显的分叉，说明：这种复合加固可以大大降低传统外包钢加固中出现的角钢应力滞后现象，提高构件的整体性。且在达到极限荷载以后，角钢应变持续增加，混凝土应变相对减小，在破坏阶段，轴心混凝土承载破坏降低的同时，角钢的作用有效地填补了混凝土降低的承载力，使其破坏不会发生传统的脆性破坏，一定程度上改善了构件的延性。

图8 角钢与混凝土荷载-应变曲线Fig.8 Load-displacement curve of angle steel and concrete

4 预应力钢绞线-外包钢复合加固承载力计算

4.1 计算公式

对于约束混凝土以提高承载力的研究，国内外相关领域的研究比较广泛。卢毅焱等在对于碳纤维布和角钢的加固试验中，将构件承载力的计算分为受碳纤维布约束的混凝土承载力 Nc、角钢承载力Nj、钢筋承载力 Ns，并提出相关的承载力计算系数［14］。在 GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》中，对外包型钢混凝土加固的说明中，也给出了外包钢加固承载力的计算式：

本文所研究的预应力钢绞线-外包钢复合加固方式为新型加固方式，钢绞线通过预应力，将角钢和混凝土柱连接成一个整体，共同作用。显著提高了原构件的各向性能，且对于承载力，主要有受侧向约束的核心混凝土承载力，以及钢筋和外包型钢提供。由于钢丝绳上预紧力的不同，对于核心受压混凝土极限压应变不同，因而需要乘一个复合加固的提高系数，则预应力钢绞线-外包钢混凝土短柱的承载力计算式为：

式中：N为复合加固后轴向压力设计值，kN;φ为轴心受压构件稳定系数，按照 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》采用;K为复合加固提高系数，根据钢绞线的不同，取值 y=0.142x+1.007;fc为混凝土抗压强度;Ac为受压混凝土面积;fy为钢筋抗压强度;Ay为受压钢筋截面积;αs为角钢利用系数，本文αs取0.49;fj为角钢抗压强度;Aj为受压角钢截面积。

4.2 轴压短柱试验值和计算值比较

由表3可知：通过本文承载力算式的计算值与原试验承载力值误差范围控制在6%以内。

表3 轴压短柱试验值和计算值比较Table 3 Comparison of experimental and calculated values of short columns under axial compression

5 结束语

1)预应力钢绞线-外包钢复合加固法可以大幅提高轴压构件的极限承载力，并且随着预应力的增加，加固构件的承载力也会不断提高。

2)由于侧向预应力及角钢的复合加固约束作用，构件体现出了良好的延性，与传统绕丝法“断崖式”下降相比，极大改善了脆性破坏的破坏特征。

3)本文所提出的预应力钢绞线-外包钢复合加固法，与绕丝加固法，外包钢加固法相比较，施工方法更为简便，且加固效果更为优越，可以有效地针对构件薄弱区进行加固，同样也适用于紧急加固的施工工程。

4)通过控制预应力的大小，可以保证加固角钢和原构件的整体性，两者相互协调，共同受力。并且随着预应力增加，整体性更好，角钢的“滞后效应”有了很大改良，角钢的利用效率也随之提高。

5)针对预应力钢绞线-外包钢复合加固方法，通过数据的分析对比，提出适用于该复合加固方式的承载力计算式，以便为使用该加固方式提供参考。

·信 息·

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