纤维布加固技术因为其轻质、高强、高效、施工便捷等优点, 已广泛应用于混凝土工程的加固中^[1]。赵海东等^[2]研究了CFRP环向围束加固钢筋混凝土圆柱在轴心受压作用下的破坏特征、受力性能和破坏机理, 试验结果显示, 加固后混凝土柱的极限承载力与延性有明显增加。Jiang等^[3]提出了FRP环向围束加固混凝土在抗压强度和受压作用的应力-应变曲线, 之后其他学者针对该加固方法的理论研究多是基于文献[3]中的应力-应变曲线。De Luca等^[4]完成了GFRP加固足尺矩形混凝土木柱的轴压试验, 试验结果显示GFRP环向围束可以显著增加混凝土的极限应变, 对正方形截面柱体的加固效果优于矩形截面柱体。Wang等^[5]提出了FRP环向围束法加固矩形截面混凝土柱的设计方法, 利用该方法计算出的加固混凝土柱轴压强度与试验结果吻合较好。欧阳煜等^[6]研究了GFRP约束混凝土方形截面柱的受力性能和侧限机理, 并提出了GFRP加固混凝土方形截面柱的轴压极限承载力计算公式, 与试验结果吻合较好。文献[2, 6]中研究结果显示, 混凝土柱粘贴CFRP, GFRP加固后轴压承载力提高约10%~30%, 但破坏较为突然。

　　 近年来, 国外研究机构研发了低弹模新型大断裂应变纤维布 (简称LRS FRP) , 主要包括聚对苯二甲酸乙二醇酯 (polyethylene terephthalate, 简称PET) 纤维布和酸乙二酯 (polythylene naphthalate, 简称PEN) 纤维布, 通常由塑料瓶和废塑料等循环利用材料制成^[7]。与普通纤维布相比, LRS FRP的变形能力很大, PET断裂应变可超过7%, PEN断裂应变可超过5%。由于LRS FRP除具有FRP材料的各种优点外, 还表现出优秀的延性和环保性, 因此已有学者开展LRS FRP加固混凝土结构的研究。龙跃凌等^[7]研究了LRS FRP约束混凝土圆柱 (直径150mm, 高300mm) 的轴压性能, 并进行了变参数的应力-应变全曲线研究, 研究参数有LRS FRP种类、包裹厚度、混凝土强度等。结果显示:LRS FRP可显著增加混凝土极限强度和极限应变;在包裹厚度相同时, 随混凝土强度等级提高, 对混凝土极限强度和应变的提高幅度减小。Dai等^[8]对比了LRS FRP和普通FRP的受拉力学性能, 在LRS FRP和普通FRP加固混凝土圆柱试块 (直径152mm, 高304mm) 试验基础上, 验证了已有FRP加固理论的准确性, 并提出了适用于LRS FRP环向围束法加固混凝土圆柱在轴压作用下的应力-应变曲线。

　　 本文通过5根环向粘贴LRS FRP加固混凝土矩形柱的轴心受压试验, 研究两种类型LRS FRP (型号PET600和PEN600) 和不同粘贴层数对柱轴心受压性能的影响, 为工程应用提供依据。

　　 本次试验共设计5根钢筋混凝土柱, 所有试件截面尺寸为300mm×300mm, 高为1 200mm, 混凝土强度等级为C25, 沿截面四周布置了812的纵筋, 在柱顶端和底端各150mm范围内布置了6@50的箍筋, 在柱中间段共布置了6@172箍筋。

　　 试件C1, C2为未加固对比混凝土柱, 试件C8~C10为粘贴LRS FRP加固混凝土柱。试件C8在柱身四周水平粘贴1层型号为PET600的LRS FRP, 试件C9在柱身四周粘贴2层型号为PET600的LRS FRP, 试件C10在柱身四周粘贴2层型号为PEN600的LRS FRP。LRS FRP宽度均为300mm, 沿柱高共粘贴4圈纤维布, 均采用封闭式连续粘贴, 纤维方向与柱轴线方向垂直, 每层搭接长度为100mm, 搭接缝沿柱轴向交错布置。试件尺寸和加固方案详见图1。

　　 采用LRS FRP加固时, 首先对柱体的4条竖向棱边进行倒角处理, 清理表面后涂抹LRS FRP专用底胶, 最后粘贴LRS FRP。

　　 本次试验量测了加载时混凝土柱中纵筋的应变变化, 应变片粘贴位置见图1。本试验还在每个柱体4个立面中心粘贴竖向与横向的应变片用于测量柱体表面应变。

　　 在正式加载前均预加荷载300k N, 用以测试加载设备和采集系统是否正常工作, 并减少系统误差。本试验正式加载采用位移控制, 加载速率为0.2mm/min。

　　 钢筋混凝土柱所用混凝土预留3个150mm×150mm×150mm的试块, 试验当天按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T 50081—2002) ^[9]进行抗压测试, 测得混凝土平均抗压强度为25.88MPa。

　　 按照《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》 (GBT 3354—2014) ^[10], 两种类型LRS FRP (型号PET600和PEN600) 各预留5根材性试样, 测试浸胶纤维布的抗拉强度、伸长率和抗拉弹性模量, 试验结果如表1所示。

　　 未加固对比试件C1, C2在加载至2 000k N时, 柱体下半段沿纵筋位置出现竖向裂缝并逐渐扩大, 在顶部加载端有局部混凝土逐渐被压碎。破坏时, 柱体下半段出现较宽的竖向裂缝和少量的水平裂缝, 在水平裂缝处混凝土出现轻微外鼓, 但箍筋未露出。

　　 加固试件C8~C10在加载至2 000k N前, 柱体未发生明显变形。在极限承载力下降阶段, 柱体下半段各面均发生明显的柱体外鼓现象, 在外鼓区域附近LRS FRP出现褶皱, 但未发生撕裂和脱胶。试件破坏特征见图2。

　　 荷载与位移试验结果汇总见表2。试件荷载-位移曲线对比见图3。

　　 由表2和图3可知:1) 两个对比试件C1, C2的极限承载力和变形能力均比较相近, 平均承载力为2 436.4k N, 平均极限位移为6.27mm。2) 粘贴1层PET600的加固试件C8和粘贴2层PET600的加固试件C9极限承载力与对比试件C1, C2相近, 但极限位移大幅提高, 较对比试件C1, C2平均值分别提高了44.5%和36.2%。3) 粘贴2层PEN600的加固试件C10的极限承载力提高了12.2%, 其极限位移较对比试件C1, C2平均值提高了39.9%。4) 粘贴2层LRS FRP的加固试件C9, C10在加载后期仍能承担50%~60%的极限荷载, 表现出很好的维持结构整体性的能力。

　　 试件C9, C10在加载后期, 由于LRS FRP约束了混凝土变形, 随着LRS FRP水平应变的急剧增加, 提供的有效约束应力持续增加 (图7) , 构件的承载力会出现暂时小幅的增长, 但并不会恢复到构件的破坏荷载, 即85%的极限荷载。

　　 本文根据实测的荷载-位移曲线, 用能量等效面积法计算试件的名义屈服位移Δ_y^[11], 再用荷载下降至0.85P_u的极限位移Δ_u来计算各试件的延性系数μ_Δ, 计算结果见表2和图4。

　　 由表2和图4可知:粘贴1层PET600的加固试件C8, C9的延性系数较对比试件C1, C2平均值有所增加, 分别增加了32.4%和16.2%;但粘贴2层PEN600的加固试件C10的延性系数较对比试件C1, C2平均值降低了23.4%。

　　 试验测量了试件各侧面中心处混凝土或LRS FRP的竖向应变和水平应变, 各试件4个面的平均竖向应变和平均水平应变对比见图5 (图中数值为负的曲线代表竖向平均应变, 数值为正的曲线代表水平平均应变) 。同时利用VIC-3D非接触全场应变测量系统量测了试验过程中试件西面应变场变化, 接近破坏时其水平应变场如图6所示。为研究试件表面水平应变沿高度的变化, 根据VIC-3D的测试结果提取了当构件达到极限荷载时、竖向位移达到一定值 (试件C8, C9达到10mm;试件C10达到10, 20mm) 时以及试验最终状态时试件西面不同高度处左右两侧和中间位置的水平应变, 并绘制了水平应变沿高度变化曲线图, 如图7所示。

　　 由图5~7可知:1) 当荷载达到峰值时, 未加固对比试件竖向平均压应变均在2 000με左右, 加固试件竖向平均压应变均在3 000με左右;未加固对比试件和PET600加固试件水平平均拉应变均在500με左右, PEN600加固试件水平平均拉应变在1000με左右。2) 在图5中5个试件的下降段, 随着加固试件C9, C10荷载缓慢下降, 试件表面应变缓慢增加, 粘贴2层LRS FRP给试件提供了足够的约束, 使试件的竖向应变不会发生突变。3) 随着竖向位移的不断增大, 底部LRS FRP提供的水平约束逐渐增大, 而顶部水平约束几乎不变。

　　 测量了在混凝土试件中间高度处每根纵筋的竖向应变, 各试件纵筋平均应变对比见图8。由图8可知, 在加荷初期, 钢筋和混凝土共同工作, 试件纵筋应变基本呈线性增加;接近极限荷载时, 试件内纵筋压应变在200~1 000με之间, 远没有达到屈服, 说明试件内纵筋未完全发挥作用, 由于混凝土已进入非线性阶段, 导致纵筋应变在未达到屈服时也呈非线性变化。

　　 参考文献[1, 3], 建议粘贴LRS FRP加固混凝土试件承载力的计算式为:

　　 式中:E_l为纤维布的抗拉弹性模量, MPa;t为纤维布厚度, mm;ε_l为纤维布有效拉应变, 参考极限承载力状态实测PET600和PEN600的拉应变, 计算时PET600取500με, PEN600取1 000με;b, h分别为矩形截面试件的宽度和高度, mm。

　　 计算值与试验值对比如表3所示。由表3可知, 本文建议计算公式的计算结果与试验结果符合工程精度要求。

　　 (1) 采用环向围束粘贴PET600和PEN600两种LRS FRP加固后, 虽然混凝土柱的轴压承载力仅提高12%, 但能显著提高其变形能力;且在试件破坏后仍能承担50%~60%的极限荷载, 表现出很好的维持结构整体性的能力。

　　 (2) VIC-3D测试结果能准确测量LRS FRP水平约束作用的变化, 与试验结果吻合。采用LRS FRP加固混凝土柱时, 应适当加强对柱底端的约束。

　　 (3) 本文提出的LRS FRP加固混凝土柱轴压承载力计算方法能很好地预测试验结果, 满足工程精度要求。