王梓旋 王亨 謝劍，3

1.天津大學建筑工程學院 300350

2.天津大學建筑設計規(guī)劃研究總院有限公司 300350

3.北京市既有建筑改造工程技術研究中心天津分中心 300350

引言

隨著我國城鎮(zhèn)化率的提高，我國進入了新建與加固并重的階段。在鋼筋混凝土柱的加固工程中，對混凝土柱進行橫向主動約束，可使其提前處于三向受壓狀態(tài)，有效克服約束材料應變滯后問題，充分發(fā)揮混凝土材料的力學性能［1］。目前，國內外學者提出了預應力鋼帶［2］、預應力鋼絞線［3］、預應力鋼箍［4］和預應力FRP［5］等主動預應力約束加固技術。研究表明［6］，用約束材料纏繞鋼筋混凝土柱來提高承載力，其提高程度是有限的，但可以顯著約束混凝土的橫向變形，提高其變形能力和延性。預應力鋼帶-外包鋼復合加固法在預應力鋼帶加固法的基礎上引入外包鋼，進一步提升承載能力，實現了承載力和延性雙向提升的高效加固。復合加固作為一種適合應用于抗震區(qū)的加固方式，其在循環(huán)荷載下的性能研究也顯得尤其重要。本文以不同加固方式和鋼帶間距為研究參數，通過試驗研究了預應力鋼帶-外包鋼復合加固混凝土短柱在循環(huán)軸壓荷載作用下的力學性能。

1 試驗概況

1.1 試件設計

共設計了10 個短柱試件，其中5 個單調加載（Z），5 個循環(huán)加載（R）。Z0／R0 為未加固試件，Z1／R1 為預應力鋼帶加固試件，Z2 ～Z4 和R2 ～R4 為復合加固試件。研究參數包括：不同的加固方式和鋼帶間距（C）。試件編號及詳細參數見表1。混凝土柱的尺寸均為150mm×150mm×550mm；所用鋼帶的寬度為32mm，厚度為0.9mm；所用外包鋼壁厚為3mm。混凝土設計強度等級為C30，在澆筑混凝土柱的同時預留6個邊長為100mm 的立方體試塊，將其與混凝土柱在同一條件下自然養(yǎng)護?；炷亮⒎襟w試塊抗壓強度平均值為36.28MPa。通過萬能拉伸試驗機對鋼帶和外包鋼的拉伸性能進行測試，實測結果見表2。

表1 各試件詳細設計參數及主要試驗結果Tab.1 Detailed design parameters and main test results of specimens

表2 鋼帶及外包鋼拉伸試驗結果Tab.2 Tensile test results of steel strip and external steel frame

1.2 復合加固流程

加固流程如下：

（1）試件倒角處理：為了優(yōu)化預應力的施加，通過切割機和角磨機進行半徑為30mm 的倒角處理。

（2）放置外包鋼：將弧形外包鋼放置在柱邊4 個倒角處，并用皮筋進行臨時固定。

（3）張拉鋼帶及錨固：由氣泵提供動力，通過拉緊器和錨固器進行鋼帶的張拉及錨固。

1.3 預應力測量

試驗中通過氣泵氣壓值的大小來控制預應力施加的大小，測試發(fā)現本試驗氣泵壓力值在使用過程中恒定在0.8MPa。在試驗前，對鋼帶預拉應變進行測量，測量方法為在同一條鋼帶上粘貼3 個應變片，在張拉過程中進行應變采集。試驗發(fā)現，鋼帶平均預應力比為0.31，見表3。

表3 初始預拉應變和預應力比Tab.3 Initial pretension strain and prestress ratio

1.4 加載裝置及測量裝置

試驗在天津大學結構實驗室5000kN 電液伺服壓力試驗機上進行。柱子豎向位移通過百分表測量試驗機頂底板相對位移得到。試驗開始前，將高強石膏涂抹在已打磨過的柱端，并施以一定壓力至高強石膏硬化，以保證試件為全截面均勻受壓。

1.5 加載制度

試件Z0 ～Z4 采用單調位移加載，直至試件破壞，加載速率為0.5mm／min。試件R0 ～R4 采用單次循環(huán)加載，加載階段采用等位移加載，每級加載0.5mm（R0 每級加載0.25mm），加載速率為0.5mm／min；卸載階段采用力控制，卸載速率為10kN／s，在荷載為5kN時停止。

2 試驗現象

2.1 未加固柱破壞

未加固混凝土柱試件R0 組在循環(huán)加載初期沒有明顯的變化，循環(huán)加載到峰值荷載的50%～70%時，在柱中部出現細小微裂縫；之后隨著加載等級的增加，裂縫向兩端延伸；到達峰值荷載后一個循環(huán)內斜裂縫貫通，荷載快速下降。破壞結果如圖1b所示。

2.2 預應力鋼帶加固柱破壞

預應力鋼帶加固混凝土柱試件R1 組在循環(huán)加載初期沒有明顯的變化；加載到峰值荷載時，中間鋼帶間未約束區(qū)方柱角部混凝土小面積裂縫開展，隨后經過2 ～3 個循環(huán)，中部未約束區(qū)裂縫開展，隨后成片碎裂，最終被擠壓破碎，鋼帶斷開試驗結束。破壞過程和結果如圖1d所示。

2.3 復合加固柱破壞

復合加固試件在加載前中期的現象基本相同：加載初期無明顯現象，荷載上升階段伴隨著鋼帶拉緊發(fā)出的響聲，加載到峰值荷載左右混凝土出現微裂紋。根據加載后期鋼帶和外包鋼的破壞順序以及試件最終破壞形態(tài)，可以將試件分為以下兩類：（1）R2 試件在鋼帶之間的外包鋼先發(fā)生了明顯的局部的屈曲外凸，然后鋼帶斷開，混凝土壓碎；（2）R3 和R4 試件在加載后期鋼帶斷開之前外包鋼未發(fā)現明顯的屈曲外凸，鋼帶斷開后外包鋼局部屈曲外凸，混凝土被壓碎。復合加固試件破壞照片以R3 為例，如圖1f所示。

此外，單調加載試件的最終破壞模式與對應的循環(huán)加載試件類似，見圖1a、1c和1e所示。

圖1 試件典型破壞模式Fig.1 Failure modes of specimens

3 試驗結果及分析

通過分析不同試件的荷載-位移曲線，研究不同試驗參數對加固效果的影響規(guī)律。各試件的主要試驗結果如表1 所示。

3.1 荷載-位移曲線

圖2 給出了所有試件的荷載-位移曲線以及循環(huán)加載工況下的包絡線，各試件具有部分相同的循環(huán)加載特征。在加載初期，試件處于彈性階段，試件總體變形較小，卸載后的殘余變形也較小，加載時曲線斜率變化較小。彈塑性工作階段，加載時曲線的斜率隨加載位移的增大而減小，卸載后的殘余變形不斷增大。隨著位移進一步增大，試件進入塑性階段，位移迅速增大，變形恢復較小。

從圖2 可以看出，循環(huán)加載下的荷載位移曲線包絡線與相應的單調軸壓下荷載-位移曲線基本吻合，表明不同加載方式對加固效果的影響很小，復合加固的抗震性能良好。對于預應力鋼帶加固組R1，鋼帶對核心混凝土有效的側向約束，限制了混凝土豎向裂縫的延伸和開展；預應力的施加，可以主動約束核心混凝土，進一步促使豎向裂縫寬度減小和彌合。所以R1 試件的峰值荷載和峰值位移與R0 相比有所增加。對于復合加固組R2 ～R4，預應力鋼帶的作用下，混凝土和外包鋼在加載前期能夠協同受力，外包鋼提供全截面的側向壓力，在加載中期減小了鋼帶間未約束區(qū)的破壞，試件的峰值荷載和峰值位移進一步提高。

對比圖2a、2b、2d，循環(huán)荷載作用下，從承載力提升幅度來看，預應力鋼帶加固提升了38%，復合加固提升了81%；從峰值位移提升幅度來看，預應力鋼帶加固提升了59%，復合加固提升了103%。對于復合加固試件來說，外包鋼承受了一部分荷載且對鋼帶的約束力起到了分散作用，大大提升了試件的承載能力和變形能力。對比圖2c、2d、2e 曲線，鋼帶間距分別為100mm、75mm和50mm 時，試件的峰值荷載分別提高65%、81%和101%，試件的峰值位移分別提升64%、103%和154%。減小鋼帶間距有利于對外包鋼和混凝土形成更強的約束，從而提升試件的承載力和變形能力。

根據圖2 曲線中的共同特征，圖3 表明了典型的循環(huán)荷載-位移曲線及其包絡線，并指出其中的關鍵參數，以便于后續(xù)的結果分析。圖3中，當加載到A點（Δun，Pun）時卸載，卸載至B點時，殘余變形為Δca；再加載至上一級位移加載等級C點（Δun，Pnew），最后加載至新的位移加載等級D 點（Δre，Pre），完成一個卸載-加載循環(huán)。

圖2 荷載-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves

圖3 循環(huán)荷載-位移曲線中關鍵參數Fig.3 Key parameters in load-displacement curves

3.2 殘余變形

殘余變形（Δca）是卸載曲線與位移坐標軸的交點（圖3 中B點）所對應的位移。為保證試驗機軸力的穩(wěn)定性，避免試驗機上頂板與試件脫開，本試驗卸載階段荷載僅卸載至5kN，為方便取值，本文將卸載荷載為5kN時所對應的位移取為殘余變形。本試驗中每個試件的殘余變形與卸載點位移之間的關系曲線如圖4 所示。通過圖4a可以看出：卸載點位移在2mm 左右時，未加固試件R0 對應的殘余變形為1.23mm，預應力鋼帶加固試件R1 對應的殘余變形為0.84mm，復合加固試件Z3 對應的殘余變形為0.69mm。與未加固柱相比，相同卸載位移下，加固柱的殘余變形明顯減小，預應力鋼帶的存在有利于試件的變形恢復，減小混凝土的塑性變形。從圖4b 可以看出：從殘余變形來看，相同卸載位移下，不同鋼帶間距的殘余變形相差不大，說明改變鋼帶間距對混凝土塑性應變的影響不大。

圖4 殘余變形與卸載點位移關系Fig.4 Relationship between residual deformation and unloading point displacement

3.3 承載力退化

承載力退化反映結構累積損傷，是結構抗震性能的重要指標［7］。本文承載力退化系數αi按式（1）計算：

從圖2 荷載-位移曲線可以看出，當試件完成一次循環(huán)加卸載后再加載至上一次循環(huán)的卸載點時，荷載會有所降低，這與混凝土在循環(huán)荷載作用下的強度退化密切相關。本試驗中每個試件的承載力退化與卸載點位移之間的關系曲線如圖5所示。從圖5a 可以看出，未加固試件R0 隨著卸載位移的增加，混凝土柱的強度衰減越來越嚴重，表現在承載力退化系數隨著卸載位移的增大而減小，這表明隨著卸載位移的增加，混凝土中舊的裂縫不斷擴張，新的裂縫不斷產生，混凝土損傷累積加大導致承載力下降更快；預應力鋼帶加固試件R1 由于預應力鋼帶的約束作用，限制了裂縫的開展且促進了裂縫的彌合，后期的承載力退化系數有所增加；復合加固試件R3 由于外包鋼對鋼帶應力的分散作用，使得混凝土側向類似于全截面受壓，進一步減小了承載力的退化。從圖5b 可以看出，鋼帶間距減小，試件加載后期的承載力退化呈現減輕的趨勢。

圖5 承載力退化與卸載點位移關系Fig.5 Relationship between bearing capacity degradation and unloading point displacement

3.4 剛度退化

剛度退化可反映混凝土內部的損傷程度及其損傷演化過程［8］。為簡化計算，假定卸載點A與塑性應變點B之間的割線斜率為卸載剛度：

本試驗中每個試件的剛度退化與卸載點位移之間的關系曲線如圖6 所示。從圖6a 可以看出，復合加固試件由于外包鋼的引入增加了前期剛度，而且在整個位移加載過程中剛度退化速度較為緩慢，復合加固表現出良好的延性。從圖6b可以看出，鋼帶間距減小，試件的后期剛度退化速度有所放緩。鋼帶間距減小，試件的延性增大，表現出良好的后期性能。

圖6 剛度退化與位移關系Fig.6 Relationship between stiffness degradation and displacement

4 結論

本文進行了預應力鋼帶-外包鋼復合加固混凝土柱單軸循環(huán)加載試驗，通過分析不同試件的破壞特征、荷載-位移曲線、殘余變形、承載力退化和剛度退化，研究復合加固在循環(huán)軸壓作用下的作用規(guī)律；同時對比研究了不同加固方式和鋼帶間距參數對加固性能的影響。試驗研究發(fā)現：

1.循環(huán)加載下的荷載位移曲線包絡線與相應的單調軸壓下荷載-位移曲線基本吻合，不同加載方式對加固效果的影響很小。

2.在反復荷載作用下，從承載力提升角度講，與未加固試件相比，預應力鋼帶加固試件提升了38%，復合加固提升了81%；從變形能力提升角度講，與未加固試件相比，預應力鋼帶加固試件提升了59%，復合加固提升了103%；減小鋼帶間距有利于提高試件承載力和變形能力。

3.與未加固柱相比，加固柱的殘余變形明顯減??；改變鋼帶間距對混凝土塑性應變的影響不大。

4.與預應力鋼帶加固試件相比，復合加固試件加載后期的承載力退化進一步減小；鋼帶間距減小，試件加載后期的承載力退化呈現減輕的趨勢。

5.復合加固試件前期剛度增加，后期剛度退化速度較為緩慢；鋼帶間距減小，試件的后期剛度退化速度放緩，表現出良好的延性。