作者：王振波，易杰东，刘 飞，乔 燕(1．南京工业大学土木学院，江苏南京211186；2．宿迁学院建筑工程系，江苏宿迁223800)
[摘要]为了研究高延性聚酯纤维加固钢筋混凝土方柱的轴心受压性能，设计了2组共9根不同加固形式、不同混凝土强度等级、不同纤维带层数的方柱。试验结果表明，纤维带能够有效约束混凝土变形，使混凝土抗压强度得以提高，构件的延性和承载力得到了显著改善和提高。加固间距越小，约束作用越强，以全包方式加固效果最好。承载力和延性随纤维带层数的增多而明显提高，但并不呈线性增长关系。
[关键词]高延性聚酯纤维；钢筋混凝土柱；轴压；承载力；延性
SRF( Super Reinforcement with Flexibility，简称SRF)加固技术是一种利用中等强度的粘结材料（聚氨基甲酸酯类）粘贴高延性聚酯增强材料的加固技术。从2001年开始，Toshimi Kabeyasawa发表了几篇关于SRF加固技术的文章。国内学者刘勋、施卫星等收集和整理了目前工程中常用的一些加固技术，阐明SRF加固技术是新型加固技术中最具代表性的，而且还可以对SRF材料施加预应力再外贴到结构上进行加固。杨熹微概括介绍了SRF加固技术的意义、特长和优点，并简单核算了该技术在加固中所需要的费用。吕清芳、朱虹等对SRF加固技术进行了简单的介绍。
研究和实践表明，加固后的柱子在轴向压力的作用下，核心混凝土由于受到纤维材料的约束而处于三向受压状态，其极限抗压强度和极限应变都得到了大幅度的提高。本文为了进一步探讨SRF对方形截面柱的约束机理，设计了SRF加固钢筋混凝土柱轴心受压试验，研究不同加固形式、不同混凝土强度等级、不同纤维带层数对SRF加固钢筋混凝土柱轴心受压的约束性能、承载力贡献以及加固后轴心受压柱的破坏模式。
1 试验方案
1.1 试件设计
本次试验试件混凝土设计强度等级为C30和
C40两种，方形截面柱试件共2组9根，所有试件均同一批浇筑。柱长为1200mm，截面尺寸为200mm×200mm，对称配筋。纵筋选用4根HRB335φ12的带肋钢筋，配筋率为1. 13%。箍筋选用HPB300圆钢φ6@ 150。试件尺寸及加固形式如图1所示，试件加固形式及主要试验结果见表1所示。
1.2 试件材料
1)混凝土
本试验所用水泥为42. 5R普通硅酸盐水泥；细骨料采用人工中砂，粗骨料为天然二号碎石；拌合水为普通自来水。C30混凝土的配合比为200: 386:635: 1179。C40混凝土配合比为200：484：601：1115 0
2)钢筋
试件中纵筋选用HRB335带肋钢筋，箍筋选用HPB300圆钢，所用钢筋均为同一批次钢筋。表2为钢筋的力学性能指标。
3)聚酯纤维带
本次试验选用东莞市某公司生产的高延性聚酯纤维带，其主要的力学性能指标见表3所示。
1.3试验加载与测量
本次试验在5000kN电液伺服长柱压力试验机上进行。试验所需要测量的数据有混凝土应变、纵筋应变、纤维带应变。对于加固柱，除在相同部位粘贴应变片外，还在柱中上、中、中下部的纤维带粘贴环向应变片，测量纤维带的环向应变，柱中上、中下部的混凝土粘贴纵、横向应变片，用于测量混凝土的纵向和横向应变。应变片布置如图2所示。校正试件和仪器仪表后，实施分级加载，采用位移控制法进行加载，加载速度0. 23 mm/s。开始时每级加载大致为未加固柱极限荷载的10 qo，每级加载稳定Imin后再读取数据，记录试件破坏现象。每级荷载持载5 min~ lOmin，然后再继续重复上述过程。当荷载达到极限承载力的80%~900/0后，级差降为原来一半，继续加载，记录试件破坏过程的现象。当荷载下降到最大荷载的80%时认为试件破坏，停止加载。
2 试验过程与现象
从9个试件的试验情况和破坏形态来看，不论采取何种加固方式的加固柱承载力比未加固柱都要有不同程度的提高，横向应变和纵向应变均有所增加，破坏过程更加缓慢，延性更好。
1)未加固柱
未加固柱在轴向压力作用下，开始阶段应力与应变呈线性关系，外观没有明显变化。当荷载增加到260kN时，柱中上部开始出现竖向裂缝。随着荷载的增加，裂缝逐渐增多并且继续变长、变宽，表皮混凝土保护层外鼓，并伴随有混凝土开裂的噼啪声。当达到峰值应力的80%左右时，表层混凝土呈片状剥落，部分纵筋被压屈，核心区混凝土破坏。
2)全包柱
柱Z I-2在220kN时，有断断续续的噼啪声发出。继续加载，声音发出频率不断提高，经过最大荷载降至lOOOkN时，柱中部1/3范围内出现明显的膨胀并伴随有巨大的噼啪声，但此时仍持载了较长时间，而且之后还稍有提高。柱Z I一5在柱中部加固区域发生破坏，混凝土被压碎，往外膨胀。将破坏后的构件纤维带撕下，混凝土大片剥落，钢筋压曲。通过对Z I．2、Z I一5两组全包加固试件的试验结果比较发现，粘贴纤维带层数越多对试件核心混凝土的约束力越强，试件的承载力提高幅度越大，破坏时混凝土的破碎越严重，粉末越细。
3)50mm、lOOmm间距加固柱
柱Z I．3在1250kN时出现一连串的劈裂声，伴有混凝土碎片飞出，构件中上、下部位都出现裂缝。在1160kN时出现了很长时间持载现象，随后柱中下部混凝土往外膨胀，裂缝往上延伸，发展很宽，构件破坏。柱Z I一3破坏形态如图3所示。柱Z I一6在235KN时，有噼啪声发出。在1400kN时，柱中上部发出连续而响亮的噼啪声，在荷载下降至1350kN时出现持载现象，此时柱中上部混凝土发生膨胀，柱中部一侧出现鼓曲。柱ZⅡ一1混凝土强度等级为C40，在破坏前1500kN时混凝土表面开始膨胀，破坏后1200kN时裂缝继续往柱中部延伸，纤维带被绷紧，表面泛白。将破坏部位纤维带撕下时，发现内部混凝土已被压碎，瞬间崩落，钢筋被压曲。lOOmm间距加固柱加载初期基本与50mm间距加固柱一致，没有明显变化。最后破坏形态也与50mm间距加固柱相似。
在加载至极限荷载时，可以发现两种破坏形态：全包柱是由于混凝土的膨胀，聚酯纤维带应变的增大，使得混凝土的横向约束减小，最后混凝土被压碎破坏；对于间距加固柱，横向应变发展到一定程度时，易使得混凝土与纤维带发生剥落，不能有效约束混凝土的变形。这两种破坏都有明显的预兆，属于延性破坏。
3试验结果与分析
3.1 承载力分析
通过对表1的分析可以看出，SRF加固钢筋混凝土柱能够明显提高构件的承载力，与未加固试件相比承载力都有不同程度的提高，提高幅度介于10. 3%~42. 70/0之间。另外，通过分析可以得出以下几点结论：
1)相同层数对比，lOOmm间距加固效果较差，而50mm间距和全包加固效果相差不是很大。
2) -层加固，全包比50mm间距承载力提高4. 1%，50mm间距比lOOmm间距承载力提高12.2%；两层加固，全包比50mm间距承载力提高4.0 010.50mm间距比lOOmm间距承载力提高8. 1010，仔细比较数据可以发现，随着加固间距的减小，加固效果成倍提高。
3)-层全包相对于未加固构件承载力提高了28.7 qo，两层全包比一层全包承载力提高13.9 010；一层50mm间距加固相对于未加固构件承载力提高了24.6 010，两层50mm间距比一层50mm间距加固承载力提高了14. 0%，发现随着加固层数的增多，承载力的提高并不呈线性增长。
4)通过Z I一3与Z I_4、ZⅡ一1与ZⅡ一2的对比发现，Z I一3的承载力比Z I 4的承载力提高了125kN，ZⅡ一1的承载力比ZⅡ．2的承载力提高了103kN，不同强度等级混凝土同条件比较时两者相差不大，说明混凝土强度等级的提高对纤维带加固效果的影响不是很大。
3.2 荷载-位移关系分析
图4为试验测得的SRF加固钢筋混凝土柱的轴压荷载，位移（P-A）关系曲线。试件从加载到破坏，大致可分为三个阶段：弹性工作阶段、弹塑性工作阶段、软化阶段。
1)弹性工作阶段：加载初期，试件的荷载一位移曲线非常接近直线，由于混凝土的横向膨胀很小，纤维带的应变也很小，与对比试件的荷载一位移曲线基本重合。这一阶段中，心混凝土产生了稳定的裂缝，但卸载之后裂缝能够自动闭合。继续加载，加固试件的曲线略有偏离对比试件，说明此时纤维带对核心混凝土的约束作用已经开始发挥但值较小。
2)弹塑性工作阶段：随着构件裂缝的不断扩展，核心混凝土进入到弹塑性阶段。这一阶段，试件开始出现塑性变形并且横向变形不断增大，此时纤维带的约束力已经达到了较大值。从荷载．位移曲线可以看出，此阶段中，由于纤维带约束作用的存在，使得混凝土裂缝的发展得到了延缓，试件的抗压刚度有所提高，曲线明显脱离对比试件的曲线而向上发展。
3)软化阶段：这一阶段中，试件发生了较大的横向变形，并伴随有混凝土往外鼓出现象。混凝土到达峰值应力后，横向膨胀变形急剧增加，纤维带环向应变显著增长，约束作用增强，这使得荷载一位移曲线下降段变得较为平缓，混凝土的极限压应变得以提高，纵向钢筋的塑性变形能力得到了充分发挥，推迟了受压区混凝土的破坏，构件的延性和承载力得到了显著改善和提高。
3.3影响约束效果因素的分析
1)加固形式
图5对比了全包柱、50mm及lOOmm间距加固柱的荷载一横向应变曲线，可以看出：混凝土强度等级相同、加固层数相同的构件，全包柱的延性及承载力得到较大提高，50mm距加固柱的加固效果次之，lOOmm距加固柱的效果最差。通过比较可以得出以下结论：随着纤维带加固间距的减小，纤维带对构件的约束作用越强，混凝土的应变发展越充分，构件
的承载力和延性提高越明显。
2)混凝土强度等级
图6对比了不同混凝土强度等级构件的荷载一横向应变曲线。由比较可以看出，虽然混凝土强度等级提高，加固后构件的承载力提高，但纤维带对承载力提高的贡献不如混凝土等级对承载力的贡献大，这一点可以从混凝土的极限压应变看出。故混凝土强度等级提高产生的效果不能作为纤维带的加固效果，两者具体关系有待进一步研究。
3)纤维带层数
从图7可以看出，SRF加固钢筋混凝土的承载力和延性随着纤维带层数的增多而明显提高，两层效果明显好于一层。一层全包相对于未加固构件承载力提高了28.7%，两层全包比一层全包承载力提高13.9%；一层50mm间距加固相对于未加固构件承载力提高了24. 6%，两层50mm间距比一层50mm间距加固承载力提高了14.0%，但承载力的提高与纤维带层数并不呈线性增长关系。由于本次试验受条件所限，只研究到两层加固，至于最佳的加固层数有待进一步研究。
4 结语
1) SRF加固钢筋混凝土柱的方法是行之有效的，加固后试件裂缝出现较晚、发展缓慢，承载力和延性都有不同程度的提高，其中承载力提高较为明显。
2)纤维带的加固形式和间距的大小对加固效果的影响还是比较大的。加固间距越小，约束作用越强，加固效果呈加倍的提高趋势，构件破坏前纤维带间的混凝土剥落现象越不明显，以全包方式加固效果最好，条带次之。
3) SRF加固钢筋混凝土的承载力和延性随着纤维带层数的增多而明显提高，同时可以发现承载力的提高与纤维带层数并不呈线性增长关系，由于本次试验受条件所限，只研究到两层加固，至于最佳的加固层数还有待进一步研究。
4)当混凝土受压产生横向变形时，纤维带能够有效约束其变形，使得其抗压强度得以提高，纵向钢筋的塑性变形能力也得到了充分发挥，推迟了受压区混凝土的破坏，构件的延性和承载力得到了显著改善和提高。
