改性纤维编织网增强混凝土加固钢筋混凝土柱抗震性能

尹世平，李 耀，刘 鸣，杨 扬

(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏 徐州 221116)

纤维编织网增强混凝土(textile reinforced concrete,TRC)由碳玻混编纤维编织网和细粒混凝土组成，是一种新型的水泥基复合材料.TRC具有限裂效果好、承载能力高等优点[1-2]，且在用于修复加固时基本不改变构件的尺寸[3-5]，因此国内外学者对其加固性能展开了一系列的相关研究.

Ortlepp等[6]研究了柱截面对TRC加固钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)柱的约束效果的影响，试验结果表明，随着柱截面越接近圆形，TRC加固柱的轴心受压承载能力提高越高.Bournas等[7]通过试验研究了TRM(textile reinforced mortar,织物增强砂浆)加固承载力不足的钢筋混凝土柱的抗震性能，结果表明，TRM通过延缓塑性铰区钢筋的屈服并减少搭接钢筋的黏结滑移，可以大幅度提高柱的变形能力和耗能能力.Al-Salloum等[8]对5个抗震不足的梁柱边节点进行水平往复荷载作用下的拟静力试验，试验结果表明，TRM加固可以有效地提高抗震不足的梁柱节点的抗剪强度和延性，其效果与FRP(fiber reinforced polymer/plastic,纤维增强复合材料)相当，并且具有较好的耗能能力.Alhaddad等[9]对TRC加固的外部梁柱节点在模拟地震荷载下进行了试验，并与基于非线性有限元分析提出的预测模型进行对比，结果表明，文中提出的模型能够很好地预测出TRC加固试件在地震荷载作用下的反应.Yin等[10]研究了加固锈蚀后的RC柱的抗震性能，结果表明，不同锈蚀环境下，TRC对锈蚀率大的试件约束效率更高；先加固后锈蚀的加固方式要优于先锈蚀后加固的加固方式；TRC加固能够比较有效地提高锈蚀环境下RC柱的抗震能力.

此外，梁兴文等[11]、Shafiq等[12]和韩建平等[13]研究表明，在混凝土中掺入体积适量的短切纤维后，混凝土的延性得到提高.这是目前改善混凝土结构构件抗震性能的可选措施之一.

综上可知，TRC加固RC柱抗震性能的研究较少，且短切纤维对结构构件抗震性能有良好的改善作用.因此，本文从不同PVA(polyvinyl alcohol,聚乙烯醇)纤维掺量和截面形式两个方面，展开TRC加固RC柱抗震性能的研究.

1 试验概况

1.1 试验设计

试验中共设计制作7根钢筋混凝土柱.其中，1根未加固方柱作为对比柱，1根圆柱，1根矩形柱，其余4根均为方柱.试件中圆柱直径300 mm，矩形柱截面尺寸为250 mm×300 mm，其余方柱柱身截面尺寸均为300 mm×300 mm，所有柱的剪跨比均为3.8，柱的总高度为1 740 mm.选用纵筋直径为14 mm，选用箍筋直径为8 mm.为防止试验过程中柱根部与底座交界处因变形过于集中，导致试件过早发生破坏并影响理论分析，距柱根部100 mm范围内采取箍筋加密，间距为50 mm.试件具体几何尺寸及配筋如图1所示.试件基本参数见表1，表中C1为文献[3]中的试件.

图1 试件尺寸及配筋详图(单位：mm)Fig.1Specimen size and reinforcement detailings (unit:mm)

表1 试件基本参数Tab.1 Basic parameters of specimens

1.2 加固方案

首先，对柱根部高度600 mm范围的柱身进行人工凿毛处理；其次，用水湿润柱身，并清洗表面浮灰及杂质；再次，在加固区域柱身表面均匀涂抹细粒混凝土2～3 mm,细粒混凝土在搅拌过程中已掺入PVA纤维；然后，将浸过水泥净浆的纤维编织网环裹在柱身表面，保持纤维编织网碳纤维束与径向平行；最后，在纤维编织网表面均匀涂抹1层细粒混凝土，完成1层加固.重复以上步骤完成2层加固.

1.3 材料选用

1.3.1混凝土

试验中试件浇筑均采用商品混凝土，设计强度等级为C40，养护28 d后测得标准立方体试块抗压强度为42.1 MPa.

1.3.2钢筋

试验中钢筋采用C14和A8，并对钢筋的屈服强度、抗拉强度及延伸率进行测试，其主要力学性能指标见表2.表中，fy为钢筋屈服强度；fu为钢筋抗拉强度；δ为钢筋伸长率.

1.3.3纤维编织网

纤维编织网由碳玻纤维束混编而成，其中碳纤维束用于增强方向，玻璃纤维束默认只起固定作用，纤维束的尺寸间距为10 mm×10 mm.纤维编织网具体见图2，其力学性能见表3.

表2 钢筋力学性能指标Tab.2 Mechanical properties of steel bars

1.3.4细粒混凝土

TRC基体中使用的细粒混凝土主要由水泥、粉煤灰、硅灰和细骨料组成，其实验室配合比见表4.细粒混凝土养护28 d后测得抗压强度为52.5 MPa.

图2 纤维编织网Fig.2 Textiles

表3 纤维编织网力学性能Tab.3 Mechanical properties of textiles

1.3.5PVA纤维

试验中采用的PVA纤维由日本可乐丽公司生产，其力学性能见表5.

表4 细粒混凝土配合比Tab.4 Mixing proportions of fine grained concrete kg·m-3

表5 PVA纤维的力学及几何参数Tab.5 Properties and geometric parameters of PVA

1.4 加载方案及测试内容

本试验采用MTS电液伺服加载系统进行加载.水平方向采用100 t水平作动器加载，竖向轴力采用带有导轨的100 t作动器施加，保证了试验过程中施加的轴向力基本不变.试验装置如图3所示.

在施加低周往复荷载前，先施加一定轴向力进行试压以消除试验误差，然后再将轴向力施加至预定值，待施加轴力经过一定时间保持不变后开始试验.试验过程中采用力-位移混合加载机制[14]，试件屈服前采用力控制，循环1 次.试件屈服后改为位移控制，每级位移增加1倍的屈服位移，循环 3 次.当试件的水平荷载下降至峰值荷载的85% 时，试验结束.

图3 试验加载装置Fig.3 Test setup

试验中主要测试柱加载点处水平力、水平位移、柱底座水平位移以及柱根部附近纵筋应变.位移计编号为 1～2，应变片测点编号为S1～S12，详见图4.以上数据采用 DH3816 静态设备实时采集，裂缝发展使用裂缝宽度观测仪观测，精度为 0.02 mm.

图4 测点布置图Fig.4 Layout of measuring point

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程

2.1.1试件C1

试件C1在水平荷载P= 36 kN时，距柱根部约260 mm和420 mm处产生水平裂缝，长度约为200 mm，缝宽0.04 mm.当P= 92 kN时，柱根部200 mm高度内的钢筋应变达到屈服应变，水平裂缝沿整个截面发生贯通现象，最大缝宽0.54 mm，试件进入位移控制阶段.当加载至2Δy(Δy为试件的屈服位移)的第1次循环时，水平荷载达到峰值点，裂缝数量增多，缝宽增大，混凝土保护层剥落，尤其是柱根部混凝土发生大面积压碎现象.最后加载至3Δy时，柱身塑性铰区域的混凝土压碎，箍筋外鼓，承载力迅速下降，试验结束.

2.1.2试件C2

在水平荷载P=72 kN时，距柱根部250 mm范围内，柱角两侧出现了多条水平裂缝，缝宽0.02 mm，裂缝最大长度约50 mm，与未加固试件C1相比，试件C2的开裂荷载明显提高.继续施加荷载，原有裂缝继续发展，几乎没有新的水平裂缝产生.在水平荷载达到108 kN时，水平裂缝增多，并出现沿柱面的贯通裂缝，试件屈服.位移加载控制后，水平裂缝继续发展，数量增多，TRC加固层表面有少量剥落，并伴有纤维编织网轻微断裂声.最后加载至4Δy时，柱塑性铰区部分TRC加固层与老混凝土剥离，内部混凝土有轻微压碎现象，试件承载力下降至峰值荷载的85%，试验结束.

2.1.3试件C3

试件C3的开裂荷载为96 kN，与试件C2相比，亦有明显提高.首条水平裂缝距柱根部约170 mm，裂缝宽度0.04 mm，裂缝长度约50 mm.继续增加荷载，裂缝发展缓慢.在水平荷载达到112 kN时，试件屈服，进入位移控制阶段.当加载至2Δy时，柱两侧面出现大量细微斜裂缝，原有水平裂缝进一步发展，同时柱角附近出现少量竖向裂缝；继续加载，柱面产生少量细小微裂缝，原有竖向裂缝继续发展.加载至4Δy时，试件承载力下降，试验结束.

2.1.4试件C4

在水平荷载P=94 kN时，在距柱根部140 mm和150 mm处各出现1条水平裂缝，缝宽均为0.04 mm；水平荷载为96 kN时，在140 mm高度处水平裂缝沿柱面贯通.随着荷载的增加，柱面出现少量细微裂缝，原有裂缝继续发展，裂缝宽度增加.当水平荷载P=116 kN时，试件屈服，试验加载进入位移控制.当加载至2Δy时，能够听到轻微的纤维编织网断裂的声音，柱面不再产生新的裂缝，原有裂缝继续发展；当加载至4Δy时，柱角处纤维网断裂，TRC加固层与老混凝土剥离，内部混凝土被压碎，试件承载力降至峰值荷载的85%，试验结束.

2.1.5试件C5

在水平荷载P=92 kN时，出现首条水平裂缝，裂缝宽度0.10 mm，高度约120 mm.随着继续加载，裂缝数量明显增加，且裂缝长度均较长，原有裂缝继续发展.当水平荷载P=100 kN时，柱面出现大量微裂缝，后期加载过程中也不会继续发展；同时，试件屈服，试验进入位移控制阶段.当加载至Δy时，荷载控制阶段产生的不连续裂缝逐渐连接起来形成了主裂缝；加载至2Δy时，柱面出现大量裂缝且长度较长，甚至产生贯通柱面的水平裂缝，柱根部也产生少量竖向细微裂缝.最后加载至4Δy时，试件TRC加固层起皮，有被压溃的趋势，试件水平荷载承载力下降较快，试验结束.

2.1.6试件C6

当水平荷载P=68 kN时，试件C6在距柱根部70 mm处出现首条裂缝，缝宽0.04 mm，同时试件屈服.随着加载位移增大，圆柱面形成多条环形裂缝.与试件C3相比，试件C6裂缝位置较高，破坏范围较大.当加载至4Δy时，细小裂纹逐渐发展形成大面积的表层砂浆剥落，能够听到轻微纤维编织网断裂的声音，此时试件承载力达到最大值.位移循环至8Δy时，承载力降低至峰值荷载的85%以下，试验结束.

2.1.7试件C7

在水平荷载P=64 kN时，在距柱根部140 mm和210 mm处同时出现2条裂缝，裂缝产生位置也高于试件C3.当水平荷载P=104 kN时，钢筋屈服，由于TRC加固层的约束作用，当加载至2Δy的第1次循环时才开始出现贯通裂缝，同时柱根部边缘处出现少量竖向裂缝.当位移循环达到3Δy时，试件承载力开始下降，柱两侧开始出现斜向裂缝，纤维网断裂声响也逐渐变多.在4Δy的第1次循环时，距柱根部170 mm处纤维网断裂，加固层严重外鼓，柱根部混凝土压碎，此时试件承载力下降明显.当试验加载至5Δy时，柱根部TRC加固层与老混凝土分离，试件破坏.

2.2 破坏形态分析

各试件的破坏形态如图5所示.由图可知，各试件破坏均为弯曲破坏.与未加固柱C1相比，加固柱破坏程度明显较轻，内部混凝土并没有大范围的压碎现象，TRC有效地约束了内部混凝土，且加固柱的塑性铰区高度降低.

对于掺入不同体积掺量的加固柱，在加载过程中随着主裂缝的形成，在主裂缝附近会生成许多细小微裂缝，但随着纤维掺量的增加，生成微裂缝的情况也不尽相同.总体来看，在PVA纤维体积掺量为0.5%时裂缝宽度相对较小，且适当体积掺量的PVA短切纤维可以推迟裂缝出现的时间，改善TRC加固柱的裂缝发展.

对比不同截面形式的加固柱发现，圆形加固柱表面形成多条环形裂缝，无明显斜裂缝产生，而矩形加固柱侧面出现明显斜向裂缝，这说明TRC加固圆柱具有良好的弯曲破坏特征，而矩形加固柱的破坏形态不如加固圆柱和方柱.

a 试件C1

b 试件C2

c 试件C3

d 试件C4

e 试件C5

f 试件C6

g 试件C7

2.3 滞回曲线

各试件主要试验结果见表6.表中，Py为试件屈服时的水平荷载，Δy为与屈服荷载对应的水平位移，Pm为试件所能承受的最大水平荷载，Δm为与峰值点荷载对应的水平位移，Pu为试件的破坏荷载，Δu为与破坏荷载对应的水平位移.其中，屈服点的位置按Park法[15]确定，峰值荷载为整个加载过程的最大水平荷载，极限荷载为水平荷载下降至 0.85 倍峰值荷载时所对应的荷载.各试件滞回曲线关系见图6.

表6 各试件试验结果Tab.6 Test results of columns

a 试件C1

b 试件C2

c 试件C3

d 试件C4

e 试件C5

f 试件C6

g 试件C7

与试件C1相比，试件C2～C7的滞回环数量相对增多，滞回环面积增大，说明加固构件的耗能能力提高.对比试件C2～C5发现，试件C2～C4滞回曲线要比试件C5饱满，试件C5“捏缩”现象要更明显.试件C5的极限位移要小于其他加固试件，这说明当PVA纤维体积掺量较大时，试件的延性会有所降低，对试件的性能造成不利影响.分析原因认为纤维掺量增加后，纤维之间相互交叉的作用增强，提高了混凝土内部的屈服剪切应力，导致工作性能降低.

与试件C3和试件C7相比，试件C6滞回环更加密集，在位移控制阶段承载力变化幅度不大，但具有较大的变形，说明圆柱在反复荷载作用下具有良好的延性.结合表6，由图6可知，试件C3滞回曲线相对更加饱满，耗能能力大于圆柱和矩形柱.

2.4 骨架曲线

各试件的骨架曲线如图7所示.

由2.1节可知，与试件C1相比，试件C2～C5的开裂荷载分别提高100%、166.67%、161.11%和155.56%，而比较C2～C5发现，与试件C2相比，试件C3～C5的开裂荷载也都有所增加，分别提高了33.33%、30.56%和27.78%.这说明TRC加固能够约束RC柱核心混凝土，限制裂缝的发展，延迟裂缝出现的时间.此外，掺入一定量的PVA纤维后限制裂缝发展效果更加显著.这是因为PVA纤维的体积掺量在一定范围内时，纤维会阻断混凝土内部水分的散失通道，使水分不易散失，改善构件的抗裂性能.对于屈服荷载和峰值荷载，TRC加固构件有所提高，但增幅有限.

a 试件C1～C5

b 试件C3、C6、C7

由2.1节可知，试件C3、C6和C7的开裂荷载较C1也有较大幅度提高.由表6和图7b可知，与试件C6和C7相比，试件C3的屈服荷载分别提高73.88%和13.29%，峰值荷载分别提高89.02%和25.47%.这说明在配置相同纵筋的情况下，TRC加固方柱的承载能力优于圆柱和矩形柱.对于圆柱承载能力较低，分析原因认为，因截面形式的原因，圆柱混凝土受压区面积小，受拉区纵筋少于矩形柱和方形柱，且对比未加固柱可知，TRC加固层会增加试件的刚度，承担部分水平荷载，提高加固试件的峰值荷载，但增幅有限，即TRC加固层对水平峰值荷载贡献不大.

2.5 延性

由表6对比发现，与试件C2相比，未加固试件C1的位移延性系数降低了8.64%，这是因为TRC加固层本身具有良好的延性，加之与老混凝土之间黏结性能良好，改善了加固柱的延性；试件C3的位移延性系数提高了10.37%，而试件C4和C5的位移延性系数分别降低了6.05%和4.90%，这说明PVA纤维的体积掺量超过一定的范围会对TRC的力学性能产生不利影响.分析认为，在TRC基体-细粒混凝土中PVA纤维的体积掺量过大时，PVA纤维不能均匀地分散在细粒混凝土中，在掺合搅拌过程中会出现“结团”现象，导致PVA纤维和TRC基体的整体性能降低，进而影响TRC的力学性能.此外，经过比较计算，试件C6和试件C7的延性系数分别比试件C3提高了107.20%和13.26%，说明加固圆柱的延性明显优于加固方柱，但对于矩形加固柱，其延性系数大于加固方柱，这说明TRC能够更好地提高矩形柱的延性.

2.6 刚度退化

参照文献[16]中建议的折算割线刚度来分析各试件的刚度退化情况.试件相对刚度退化曲线如图8所示.其中，η为各滞回环割线刚度与屈服刚度的比值，β为峰值位移与屈服位移的比值.

由图8a可知，对未加固柱C1，其刚度退化较加固柱C2～C5更加明显，特别是初始刚度衰减程度更大；而对于加固柱，TRC加固层在试件屈服以后对RC柱核心混凝土有较好的约束作用，保证了加固柱的刚度不致退化过快，且TRC加固柱的退化曲线总长度也相对较长，说明其抗震性能较好，TRC加固RC柱的效果良好.对于加固柱C2～C5，通过对比可以发现，在试件屈服后，位移控制的第1个循环加载过程中，各试件的刚度也都有不同程度的衰减，其中试件C3的衰减速率相对较慢，说明在TRC基体中掺入适量的PVA纤维有助于延缓TRC加固柱的刚度退化，保证加固柱在大位移循环时能够有足够的变形能力.

a 试件C1～C5

b 试件C3、C6、C7

由图8b可知，在位移循环初始阶段，3种截面形式的试件刚度退化都较快，且圆柱和矩形柱退化速率大于方柱.在达到峰值荷载后，试件C3的曲线斜率要大于试件C6和试件C7的曲线斜率，即方柱的刚度退化速率较快，圆柱和矩形柱在位移循环后期刚度退化更加缓慢.这说明经过TRC加固后圆柱和矩形柱在地震中的变形能力提高.此外，圆柱在临近破坏时，曲线出现很长一段“平台”，说明圆柱具有更好的延性.

2.7 耗能能力

试件累积耗能可通过滞回曲线所包围的面积来表示，各试件耗能曲线如图9所示.

由图9a可知，随着水平位移的增加，各试件的耗能能力明显增强，且与未加固柱C1相比，加固试件C2～C5的耗能速率较大，耗能的增长幅度更大.由表6可以得出，与试件C1相比，试件C2～C5耗能能力分别提高了34.55%、35.53%、8.56%和4.15%，说明TRC加固有效提高了加固构件的耗能能力，但是随着PVA纤维体积掺量的增大，TRC加固构件的总耗能呈现出先增大后减小的趋势.这说明对于PVA纤维来说，过大的体积掺量会影响TRC的加固效果，降低TRC加固柱的抗震性能.

由图9b可知，在位移加载初期，各试件的耗能速率相差不大，说明在试件屈服前后，截面形式对试件耗能无明显影响，但是由于试件屈服判别存在误差，导致试件C3在达到屈服时就已经耗能，初始耗能大于C6和C7.结合表6可知，当试件破坏时，试件C3、C6和C7的累积耗能分别为49.70 kN·m、45.42 kN·m和33.21 kN·m，方柱的总耗能最大，圆柱其次，矩形柱最小.这说明截面形式对加固柱的累积耗能有一定的影响.

a 试件C1～C5

b 试件C3、C6、C7

3 结论

通过6根TRC加固柱和1根对比柱的低周往复加载试验，深入分析了不同PVA纤维掺量和截面形式对TRC加固柱抗震性能的影响.基于以上试验数据和分析，主要得到以下结论：

(1)TRC加固能够有效约束RC柱核心区混凝土，限制裂缝的发展，减缓构件屈服后的刚度退化速率，降低试件塑性铰区的破坏高度，改善RC柱的破坏形态.

(2)在TRC良好加固效果的基础上，PVA纤维能够进一步延迟构件裂缝出现时间，限制裂缝的发展，提高加固构件的开裂荷载和峰值荷载，增强加固构件的变形能力.

(3)当PVA纤维掺量在一定范围内时，会提高TRC的力学性能，增强TRC的加固效果，但是掺量过高后会对TRC造成不利影响.基于本文试验数据，PVA纤维体积掺量在0.5%左右时TRC加固柱的抗震性能最佳，这也为后期研究侵蚀环境下TRC基体中掺入PVA纤维加固RC构件提供了一定的理论依据.

(4)方形柱的承载能力最强，但总的来看，TRC加固圆柱的延性、屈服后刚度退化以及耗能能力均优于其他两种截面形式的TRC加固柱，其抗震性能更好.