钢筋混凝土柱是建筑物中最重要最常用的承重构件,随着使用时间的增长,许多构件会出现一些损伤,会严重影响建筑物的正常使用,所以必须进行加固。目前混凝土柱的加固方法有很多,比如增大截面法 ^[1,2]、外包钢加固法 ^[3,4,5]、绕丝加固法 ^[6]等。关于绕丝加固的影响效果,很多国内外学者做过相应的研究。王用锁 ^[7]进行了体外绕丝约束混凝土轴压特性的试验研究,初步证实了体外绕丝能很好地约束混凝土侧向变形,造成核心混凝土三向受力,从而提高了混凝土强度和它的变形能力。魏洋 ^[8]进行了绕丝加固混凝土柱轴压性能试验及承载力计算,得出了绕丝加固混凝土柱破坏模式是缓和的,是一种延性破坏的结论。潘明远 ^[9]进行了钢筋混凝土矩形截面柱绕丝加固的受力性能研究,得出了用绕丝加固可以提高柱的承载能力,并且提高的幅度随着绕丝间距的减小而增大的结论。

　　 本课题组关于绕丝加固进行了大量试验研究,并取得一定的研究成果。尹太龙 ^[10]进行了绕丝加固预损钢筋混凝土柱的抗震性能试验,证实加固柱的抗震性能、延性性能与预损伤程度成反比关系。李亮 ^[11]通过钢丝加固受损钢筋混凝土柱轴心受压试验,证实绕丝加固可以提高受损柱的承载力和延性,而且提高幅度与受损的程度有关。在上述研究成果的基础上,笔者提出了采用预应力钢绞线加固受损钢筋混凝土柱的试验研究。

　　 预应力钢绞线加固技术 ^[12,13]具有耐老化、对结构自重增加少、易于施工、不发生粘结破坏、能充分发挥钢绞线高强性能等优点。可以对混凝土柱施加主动约束,使混凝土提前处于三向受压应力状态,约束横向膨胀,抑制新裂缝的产生和闭合旧裂缝,有效提高混凝土柱的承载能力和变形能力。郭俊平、邓宗才 ^[14]等进行了预应力钢绞线网加固混凝土圆柱的轴压性能试验,研究结果为后续的研究提供了帮助。

　　 目前预应力钢绞线加固受损钢筋混凝土柱的有关研究文献很少。为了研究预应力钢绞线加固技术对于受损钢筋混凝土柱的加固效果,本文通过轴心受压试验,对比了不同受损程度下钢筋混凝土柱的承载能力、钢筋应变及混凝土应变,主要从承载力及延性两方面探讨绕丝加固的效果,为实际工程的应用提供了参考。

　　 图1给出了试件的尺寸和箍筋应变片分布。混凝土强度等级为C30,混凝土柱截面采用200×200,柱高为1 000mm,纵筋采用HRB335,直径12mm,箍筋采用HPB300,直径8mm,箍筋间距为150mm,通长布置,保护层厚度为25mm。具体分组情况见表1,其中试件RC1为对比柱。应变片主要布置在钢筋混凝土柱中部位置的纵筋、中上部位置箍筋和柱混凝土表面上。具体如下:每根柱的箍筋上布置12个应变片,纵筋上布置4个应变片(每根纵筋1个应变片),柱中位置处每侧混凝土表面布置1个应变片,共4个应变片;将布置应变片的4根箍筋分别编号为A,B,C,D,图1中A-1,A-2为箍筋A上的2个应变片,余同。

　　 与试件混凝土同条件下养护的5个混凝土立方体试块的立方体抗压强度为35.8MPa,将此值代入《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)公式f_cu=α₁α₂f_cu,k可得出混凝土轴心抗压强度为24.0MPa。其中α₁为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比,C50混凝土以下取0.76;α₂为高强度混凝土的脆性折减系数,C40混凝土及以下取1.0;f_cu,k为混凝土立方体抗压强度标准值;f_cu为混凝土轴心抗压强度。试验选用1×7标准型且直径为4mm的镀锌钢绞线进行加固。

　　 试验采用扭矩扳手对钢绞线施加预应力,这种施加预应力的方式具有耗时少、成本低的优点。在西安理工大学材料工程学院材料实验室使用电脑式伺服控制材料试验机进行拉伸试验,整理得出一组具有85%保证率的钢绞线预应力-扭矩的对应关系曲线。本次试验预应力控制在1kN左右,试验过程中严格遵守要求。施工工艺如下:1)根据加固部位的尺寸,确定钢绞线所应采取的长度;2)将钢绞线两端用U型卡扣固定;3)通过扭矩扳手扭动短钢筋来对钢绞线施加预应力;4)固定短钢筋。预应力施加装置如图2所示。

　　 加载装置如图3所示。试验在西安理工大学结构大厅500t液压伺服长柱试验机上进行,试验时,对比柱以0.2N_u(N_u为预估的极限荷载)预加载3次,检查应变片和位移计(采用位移计测量柱的位移,其位置见图3)是否正常工作,同时调整试件对中整平情况。然后以1kN/s的速度开始加载,每100kN持荷3min,500kN以后每20kN持荷5min,900kN时转为位移控制(速度为0.2mm/min),直至破坏。加固柱的加载方案和对比柱一样,只是在加载前期,当柱出现所需要的裂缝宽度时立即停止加载,将柱卸下来进行加固,然后再进行试验。试验时使用DH3815静态数据采集仪采集混凝土、纵筋、箍筋和位移计的数据,加载系统记录荷载位移数据,观察记录试件破坏形态和破坏过程。

　　 试件的典型破坏形式如图4所示。对比柱在加载初期,试件从外观看没有发生明显的变化,荷载增加到极限荷载的60%时,柱顶部出现第一条细微竖向裂缝,随着荷载继续增加,不断出现新的裂缝,裂缝宽度不断扩展。当对比柱破坏时柱身呈现许多大竖向裂缝,部分混凝土脱落。

　　 加固受损柱在加载初期,没有发生明显的变化,随着荷载的增加,当达到各自极限荷载的60%～70%时,原有的初始裂缝开始缓慢变大,并且逐渐出现新的其他细微裂缝,到达峰值荷载之后,荷载下降缓慢,甚至出现了平缓段,此时钢绞线处于紧绷状态,混凝土碎片不断脱落。荷载继续下降,直至完全破坏。加固柱破坏时,钢绞线均未被拉断。剪断钢绞线发现,混凝土呈碎屑状掉落。

　　 对比不同加固柱的破坏现象发现,损伤程度越小的加固柱,其荷载下降越缓慢,平缓段持续的时间越长,极限承载力越高。

　　 图5为试件的荷载-位移曲线。由图5可以看出,加载初期,位移随荷载的增加而增大,各试件的荷载-位移曲线几乎重合,荷载与位移为直线关系,此阶段是弹性阶段。随着荷载继续增加,荷载与位移呈明显的曲线关系,此阶段为弹塑性阶段;加固柱由于有预应力钢绞线的存在,其荷载较对比柱有所提高,表明在此阶段预应力钢绞线的加固效果开始体现出来,采用预应力钢绞线加固可以提高柱的极限荷载。通过表2可以看出,加固柱RC2,RC3,RC4,RC5较对比柱RC1极限荷载分别提高了6.8%,5.5%,3.5%,0.4%。对比后发现,加固柱的极限荷载与受损程度有关,损伤程度越小,加固柱极限荷载的提高幅度越大,即便是受损严重的柱,经过预应力钢绞线加固后,也基本与未损伤柱极限荷载相当。

　　 当到达极限荷载后,对比柱荷载下降迅速,变形过程短。加固柱的钢绞线处于紧绷状态,有效地约束了混凝土的横向变形,其荷载-位移曲线下降较为平缓,有明显的下降平缓段,说明其荷载退化比较慢,预应力钢绞线加固受损柱的破坏形式是一种塑性破坏。

　　 图6为荷载-纵筋应变曲线(负应变为压应变,余同),其中纵筋应变取自于4根纵筋应变的平均值。在荷载达到1 000kN之前,荷载与纵筋应变呈直线关系,表明此阶段预应力钢绞线对于纵筋的影响效果非常小。在达到峰值荷载后,对比柱的纵筋应变继续增加,但是增加的幅度不大,随后纵筋应变开始减小,纵筋极限应变为1 325με。加固柱由于有预应力钢绞线提供的约束作用,荷载到达峰值后纵筋应变有一个很明显的增加阶段,其纵筋极限应变较对比柱都有所提高,加固柱RC2,RC3,RC4,RC5的纵筋极限应变分别为1 590,1 544,1 466,1 377με,较对比柱RC1分别提高了20.0%,16.7%,10.6%,3.9%。对比分析后发现,加固柱纵筋极限应变与其受损的程度有关,受损程度越小,纵筋极限应变越大,并且加固柱在峰值荷载后纵筋应变增长速度加快,表明预应力钢绞线加固充分发挥了钢筋和混凝土的材料性质,提高了纵筋极限应变值。

　　 图7为荷载-混凝土应变曲线,其中混凝土应变取自4个混凝土应变片的平均值。由图可看出,对比柱RC1达到极限荷载后,其混凝土应变直接下降,极限应变为1 241με。加固受损柱由于有预应力钢绞线提供的横向约束力,在达到极限荷载后混凝土应变没有立即下降,反而不断增加。加固柱RC2,RC3,RC4,RC5的混凝土极限应变分别为1 855,1 737,1 557,1 277με,较对比柱RC1分别提高49.5%,40%,25.5%,2.9%。对比加固柱RC2,RC3,RC4,RC5得知,预应力钢绞线加固可以提高混凝土的极限应变,并且混凝土应变和加固柱受损的程度有关。受损程度越小,加固柱的混凝土极限应变越大。

　　 预应力钢绞线加固后的钢筋混凝土柱承载力由纵筋承载力和约束混凝土承载力两部分组成,参考潘明远 ^[9]试验研究提出了预应力绕丝加固柱承载力计算公式:

　　 $\begin{array}{l}{\rm N}{}_{\text{u}}=f{}_{{\text{y}}^{\prime }}A{}_{{\text{s}}^{\prime }}+f{}_{\text{c},\text{c}}A{}_{\text{c}}(1)\\ f{}_{\text{c},\text{c}}=bf{}_{\text{c}}(2)\end{array}$

　　 式中:N_u为预应力绕丝加固柱的极限承载力;f_y′为纵向钢筋的抗压强度,MPa;A_s′为纵向钢筋的截面面积;f_c,c为被约束混凝土的轴心抗压强度,MPa;A_c为被约束混凝土的截面面积;b为预应力绕丝提高系数;f_c为非约束混凝土的轴心抗压强度,MPa。

　　 通过分析处理RC1,RC2的试验数据,预应力为1kN时,预应力绕丝提高系数b为1.078。

　　 由于加固柱承载力与受损程度有关,并且主要是混凝土受到损坏,所以在上述公式(1),(2)的基础上,提出了预应力钢绞线加固受损柱的承载力公式:

　　 ${\rm N}=f{}_{{\text{y}}^{\prime }}A{}_{{\text{s}}^{\prime }}+\text{ϕ}f{}_{\text{c},\text{c}}A{}_{\text{c}}(3)$

　　 式中:N为预应力钢绞线加固受损柱的极限承载力;ϕ为损伤系数(适用于预加力为1kN),根据受损程度的不同,取值ϕ=-0.137 ×C_w+1.026 ,其中C_w为裂缝宽度,mm。

　　 根据推导的理论公式(3),可计算出钢筋混凝土柱的理论承载力,与试件的承载力试验值对比如表3所示。

　　 可以看出,试件承载力的试验值与计算值的比值都接近1,误差比较小,证明本文所提出的公式(3)的极限承载力的计算结果和试验结果吻合较好。

　　 基于施加主动约束力的想法,提出了预应力钢绞线加固技术,并通过试验,验证了该加固技术的可行性和优越性。得到如下结论:

　　 (1)采用预应力钢绞线加固可以提高受损柱的极限承载力,提高的幅度随着受损程度的增大而减小。较对比柱RC1,加固柱RC2,RC3,RC4,RC5的极限承载力分别提高了6.8%,5.5%,3.5%,0.4%。

　　 (2)绕丝加固受损柱与未受损柱相比,混凝土应变和纵筋应变均有一定程度提高,预应力绕丝加固后受损柱破坏历程长,破坏模式缓和,是一种延性破坏。

　　 (3)本文提出了预应力钢绞线加固受损钢筋混凝土柱极限承载力的计算公式,该公式计算的极限承载力和试验结果吻合较好,可为工程设计提供指导。