0 引言

　　 目前，中国许多现有建筑物已进入“中年期或老年期”,并且由于老化过程中可能发生的各种损伤的积累，结构的耐久性和可靠性大大降低。据悉，我国每年拆除的建筑面积为4亿m^{2 [1]}。拆除和重建不仅造成了严重的资源浪费，而且不可避免地破坏了一些具有城市历史的建筑物。因此，建筑物的加固改造非常迫切。RC柱作为建筑结构中最基本的承重构件，在其建造和使用的过程中，因为人为因素、自然侵蚀和功能要求的诸多变化，常常会出现结构损伤和承载力不足等问题 ^[2]。为了更好地符合实际工程的需求，本文主要研究损伤RC柱的加固问题。近些年来，玻璃纤维增强塑料(GFRP)套管加固RC柱构件受到国内外学者的重视，并在工程结构中得到了很好的应用 ^[3,4,5,6,7]。目前，随着钢纤维混凝土(SFRC)在混凝土路面、桥面、机场跑道维修和隧道衬砌等领域的广泛应用，SFRC逐渐成为一种新型的加固材料 ^[8,9]。

　　 基于对旧建筑柱构件加固的需求和拓宽钢纤维砂浆应用范围，本研究提出GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固损伤RC柱的新概念。将GFRP管厚度作为变化参数，对1根未加固对比柱和4根加固柱进行轴压试验，研究了加固柱的极限承载力、荷载-应变关系和破坏特征，以研究其能否充分发挥材料的优势，弥补单一加固方式的不足，满足工程应用的要求。

1 试验方案

1.1 试件设计

　　 在本次试验中，共设计了5个试件，其中1根为未加固RC方形截面短柱试件RC-1,将其作为对比试件，其余4根柱为加固试件，包括钢纤维砂浆加固RC方形截面短柱试件SFRC-1及GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固损伤RC方形截面短柱试件GSFRC-1～GSFRC-3。未加固试件的尺寸为200mm×200mm, 纵向受力钢筋412,箍筋ϕ6@100(柱中间非加密区的间距为150mm)。复合加固试件GSFRC-1～GSFRC-3的GFRP套管纤维缠绕角度均为±61°,内径均为350mm, 壁厚分别为4,6,8mm, 试件高度均为1 000mm。试件的截面尺寸如图1所示，试件具体参数见表1。

　　 图1 试件的截面尺寸 

　　  

　　 试件设计参数 表1

试件编号	D(B)×L/mm	t/mm	γ	β
RC-1	200×1 000	—	0	—
SFRC-1	350×1 000	0	0.5%	二级
GSFRC-1	350×1 000	4	0.5%	二级
GSFRC-2	350×1 000	6	0.5%	二级
GSFRC-3	350×1 000	8	0.5%	二级

 

　　 注：D为GFRP套管内直径；B为原混凝土柱边长；L为试件高度；t为GFRP管厚度；γ为钢纤维体积率；β为原混凝土柱损伤程度，定义损伤程度分为三级，一级损伤为预估极限荷载的60%,二级损伤为预估极限荷载的80%,三级损伤为预估极限荷载100%,考虑到实际工程中，二级损伤居多，本次试验RC方形截面短柱的损伤程度均为二级损伤。

　　  

1.2 材料性能

　　 为确保浇筑质量和加固后的承载能力，后灌注用来加固的钢纤维砂浆采用的强度等级为M50。原柱混凝土和钢纤维砂浆分别根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011) ^[10]和《水泥复合砂浆钢筋网加固混凝土结构技术规程》(CECS 242∶2008) ^[11]来设计配合比，详见表2。

　　 本试验中箍筋、纵筋均依据《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010) ^[12]进行材料性能试验，测得的力学性能参数见表3。所使用的钢纤维根据《混凝土用钢纤维》(YB/T 151—2017) ^[13]进行选取，见表4。所用GFRP管根据《玻璃纤维增强塑料夹砂管》(GB/T 21238—2016) ^[14]进行选取，详细参数见表5。

　　 混凝土及砂浆配比 表2

混凝土种类	水/kg	水泥/kg	砂/kg	石/kg	钢纤维/kg
C40	205	500	593	1 152	0
M50	269	597	1 134	0	39

 

　　  

　　 钢筋力学性能 表3

材料种类	直径/mm	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	弹性模量/MPa
HPB300	6	226.5	317.1	2.1×105
HRB400	12	369.3	530.6	2.0×105

 

　　  

　　 钢纤维特征参数 表4

钢纤维类型	长度/mm	直径/mm	长径比	抗拉强度/MPa
端钩型	35	0.75	47	1 000

 

　　  

　　 GFRP管力学性能 表5

厚度 /mm	轴向极限 强度/MPa	环向极限 强度/MPa	轴向弹性 模量/MPa	环向弹性 模量/MPa
4	196	1 123	12 100	23 610
6	212	1 229	12 140	24 600
8	235	1 234	12 150	22 000

 

　　  

1.3 试验加载及测量

　　 本次试验在西安建筑科技大学结构与抗震实验室完成，采用2 000t微机控制电液伺服压剪试验机进行试验，根据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012) ^[15]制定分级加载程序。本次加载主要分为两个步骤，预加载和正式加载。预加载：取计算承载力的20%进行荷载施加，持荷5min, 检查侧向位移计和应变片是否工作正常，并且调整试件的对中情况，以使试验顺利进行。正式加载：在加载的初始阶段，每级加载为计算极限荷载的1/15;当荷载超过极限载荷的70%时，变为计算极限载荷的1/30;在接近极限载荷之前，将其缓慢而连续地加载，并设置静态应变采集系统进行连续采集，直到试件破坏为止。

　　 本次试验通过提前布置的位移、应变测点获取试验所需的相关数据。其测量的主要数据有：GFRP管的横向和纵向应变、钢纤维砂浆的横向和纵向应变和试件的纵向变形。其测点布置如图2、图3所示。在GFRP管各侧面四分点处布置三排横、纵向电阻应变片，在GFRP管中点布置3个侧向位移计，位移计之间间隔120°,在试件SFRC-1中点布置一排横、纵向应变片，在一侧面四分点处布置三个侧向位移计。

　　 图2 GSFRC系列试件测点布置  

　　  

　　 图3 试件SFRC-1测点布置 

　　  

2 试验现象

　　 对于未加固试件RC-1,在加载初期，钢筋和混凝土均处于弹性阶段，试件没有出现明显的变化。由于混凝土塑性变形的发展，压缩变形增加的速度快于荷载增长速度，同时，在相同荷载增量下，钢筋的压应力比混凝土的压应力增加得快。随着试件轴向压力的不断增加，在试件中上部开始出现多条细微裂缝，荷载继续增加，裂缝逐渐向中部发展，竖向荷载继续增加，裂缝的宽度逐渐增加，试件中部开始向外侧鼓出；当轴向压力达到峰值荷载的80%左右时，混凝土开始剥落；当试件达到极限荷载时，混凝土开始大片剥落，随着轴向位移的继续增加，试件承载力陡降，破坏较为突然，属于脆性破坏。其破坏形态如图4(a)所示。

　　 图4 试件破坏形态 

　　  

　　 对于钢纤维砂浆加固试件SFRC-1,在加载初期没有观察到明显的变化。此时，被压部件处于弹性阶段。当荷载增加到到峰值荷载的50%时，试件下部开始出现多条纵向细微裂纹；荷载继续增加，原有的纵向细微裂缝逐渐向上开始延伸；当荷载达到峰值荷载的70%时，试件上部区域开始出现多条纵向细微裂缝；荷载继续增加，试件上部区域和下部区域原有的纵向细微裂缝继续向中间延伸，在核心钢筋混凝土柱的四个角部形成四条贯通的纵向裂缝；当达到试件的极限承载力时，钢纤维砂浆的裂缝宽度逐渐增加，随着轴向位移的继续增加，试件承载力逐步下降，裂缝宽度逐渐增大，破坏较为缓慢，属于延性破坏。其破坏形态如图4(b)所示。

　　 对于复合加固试件GSFRC-1～GSFRC-3,加载初期，没有出现明显特征，表现出良好的弹性受力状态；当荷载增加到峰值荷载的70%左右时，GFRP管开始出现轻微的泛白；当荷载继续增加到峰值荷载的85%左右时，试件出现零星响声，这种响声是GFRP管的纤维撕裂声；当荷载持续增加到峰值荷载90%左右时，试件响声连续且声音变大；荷载继续增加，试件中上部的玻璃纤维沿缠绕方向被撕裂，并向四周扩展，试件最终破坏。其破坏形态如图4(c),(d),(e)所示。

3 试验结果分析

3.1 承载力

　　 表6给出了承载力的试验结果，由表6可知，未加固试件RC-1的极限承载力为1 462.4kN,钢纤维砂浆加固试件SFRC-1的极限承载力为2 372.1kN,复合加固试件GSFRC-1,GSFRC-2和GSFRC-3的极限承载力分别为7 608.3,10 350.3,11 700.5kN。与试件RC-1的极限承载力相比，试件GSFRC-1,GSFRC-2和GSFRC-3分别提高了420.3%,607.7%和700.1%。与试件SFRC-1的极限承载力相比，试件GSFRC-1,GSFRC-2和GSFRC-3分别提高了220.7%,336.3%和393.2%。

　　 试件试验结果 表6

试件 编号	fcu, k1 /MPa	fcu, k2 /MPa	fcc /MPa	Npu /kN	Nu /kN	Npu /Nu
RC-1	48.1	72.1	—	1 440.4	1 462.4	0.98
SFRC-1	48.1	72.1	—	2 302.2	2 372.1	0.97
GSFRC-1	48.1	72.1	77.6	7 594.1	7 608.3	1.00
GSFRC-2	48.1	72.1	106.1	10 321.9	10 350.3	1.00
GSFRC-3	48.1	72.1	129.5	12 687.8	11 700.5	1.08

 

　　 注： f_{cu, k1}和f_{cu, k2}分别为原柱混凝土和后浇钢纤维砂浆立方体抗压强度； f_cc为约束后的混凝土抗压强度；N_u和N_pu分别为短柱极限承载力试验值与计算值。

　　  

　　 图5 承载力提高率与GFRP 管厚度关系曲线  

　　  

　　 图5为GFRP管厚度对承载力提高幅度的影响。由图可知，当其他条件相同时，GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固损伤RC方形截面短柱的承载力提高率随GFRP管壁厚度的增加而降低。

　　 图6 试件SFRC-1钢纤维砂浆荷载-应变曲线 

　　  

　　 图7 GFRP管上部荷载-应变曲线  

　　  

　　 图8 GFRP管中部荷载-应变曲线 

　　  

　　 以上研究表明，GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固法可以大幅度地提高加固柱的承载力。当其他条件都相同时，承载力随着GFRP管厚度的增加而增大，但承载力提高率随GFRP管厚度的增大而减小。

3.2 荷载-应变曲线

　　 采集静态应变电阻箱的数据，得到试件SFRC-1钢纤维砂浆测点的横向和纵向应变值和试件GSFRC-1～GSFRC-3的GFRP管测点的横向和纵向应变，分析试件在轴心受压作用下钢纤维砂浆的荷载-应变曲线和GFRP管的荷载-应变曲线，如图6～9所示。

　　 如图6所示，试件SFRC-1在加载初期，钢纤维砂浆的应变随着荷载的增加呈现弹性发展，处于弹性阶段，观察荷载-应变曲线斜率，对比左右两条曲线，钢纤维砂浆的纵向应变增长速率和横向应变相似。这说明在加载初期，核心RC柱尚未鼓曲屈服，即钢纤维砂浆尚未开始通过承受拉力来发挥其环向约束作用。当荷载继续增加到峰值荷载的60%左右时，钢纤维砂浆的荷载-应变曲线不再呈弹性变化，开始出现非线性变化，曲线的斜率不断变小并慢慢趋于平稳，纵向应变和横向应变的增长速率逐渐接近，钢纤维砂浆与核心RC柱之间的相互作用不断加强。最后，随着荷载的徐徐增加，钢纤维砂浆的应变快速发展，直至达到极限状态。

　　 对比分析试件GSFRC-1,GSFRC-2和GSFRC-3的荷载-应变曲线，可以发现初始加载时，复合加固柱的横向应变随荷载的增加而呈线性增大，而GFRP管的荷载-纵向应变曲线的斜率相对小于荷载-横向应变曲线的斜率，表明在加载初期，横向应变相对较小的GFRP管尚未与钢纤维砂浆加固柱进入协同工作，即GFRP管尚未通过承受拉力来发挥其环向套箍作用。从图7～9可以看出，当继续增加荷载到某一定值时，试件的荷载-横向应变曲线不再呈弹性发展，在相同荷载的增量下，横向应变值开始呈现成倍增长，说明试件内部的受力机理开始出现变化，钢纤维砂浆加固柱开始压溃破坏而丧失承载力，由GFRP管开始进入约束机理，承受来自钢纤维砂浆加固柱挤压对GFRP管所产生的横向拉伸应力。

3.3 荷载-位移曲线

　　 由电液伺服微机系统自动采集轴向压力和竖向位移，分析试件在轴心受压作用下对应的荷载-位移曲线。如图10所示，未加固RC-1试件和钢纤维砂浆加固试件SFRC-1的荷载-位移曲线有很明显的下降段，相对于复合加固试件GSFRC-1～GSFRC-3,其延性较好；但承载力却远远不如。不同厚度的GFRP管复合加固试件的荷载-位移的关系近似为双折线，因此可分为两个阶段。如图11所示，第一阶段为弹性阶段，第二阶段为弹塑性阶段。由图11可见，折线第二阶段的斜率与GFRP管的约束刚度密切相关，8mm厚的GFRP管“约束刚度”最大，双折线转折点(第一、二阶段的分界点)最高，极限承载力也最大。

　　 图9 GFRP管下部荷载-应变曲线 

　　  

　　 图10 试件荷载-位移曲线 

　　  

　　 图11 复合加固试件荷载-位移曲线 

　　  

4 承载力计算

　　 复合加固柱的轴压承载力主要由核心混凝土承担，GFRP套管不受轴力，只提供径向约束力，在对轴心受压复合加固柱承载力进行计算时，引入了以下假定：1)加固后复合截面的总轴力N由原RC柱、后浇的钢纤维砂浆和纵向受力钢筋三部分所承担的轴力叠加组成；2)新、旧两部分混凝土及加固GFRP套管共同工作，不考虑其相对滑移，应变协调，满足变形协调条件；3)不考虑原RC柱的箍筋作用。因为核心混凝土受到GFRP套管的强力约束作用而处于三向压缩状态，可引用Richart等提出的混凝土受主动约束应力作用下的强度计算公式 ^[16]:

　　 fcc=fco+k1 fl         (1)fcc=fco+k1 fl         (1)

　　 式中： f_cc为受约束之后混凝土抗压强度； f_co为受约束之前混凝土抗压强度； f_l为约束应力；k₁为约束后应力提高系数。

　　 fco=fc1Ac1+fc2Ac2Ac1+Ac2         (2)fco=fc1Ac1+fc2Ac2Ac1+Ac2         (2)

　　 式中： f_c1和f_c2分别为原柱混凝土和后浇部分钢纤维砂浆的轴心抗压强度；A_c1和A_c2分别为原柱混凝土和后浇部分钢纤维砂浆的截面面积。

　　 根据试验研究可知，加固部分钢纤维砂浆强度利用率和核心RC柱损伤程度对GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固RC柱轴压承载力具有不利的影响，因此本文引入强度利用系数α和损伤系数ψ,通过查阅参考文献[17],加固部分钢纤维砂浆与原构件协同工作时，加固用钢纤维砂浆的强度利用系数近似取α=0.8。此值为查阅文献之后预估近似值，当有充分根据时，可适当调整。通过对大量参考文献数据和试验数据的回归拟合分析，得：

　　 ψ=−2.625 β2+3.575 β−0.35         (3)ψ=-2.625 β2+3.575 β-0.35         (3)

　　 式中β为损伤程度，本文方形截面RC短柱的损伤程度均为二级损伤， β取为0.8。

　　 修正后的约束前混凝土圆柱体抗压强度为：

　　 fco=ψfc1Ac1+αfc2Ac2Ac1+Ac2         (4)k1=2.2(flfco)−0.16         (5)fco=ψfc1Ac1+αfc2Ac2Ac1+Ac2         (4)k1=2.2(flfco)-0.16         (5)

　　 钢纤维砂浆加固柱受纵向压力后，横向产生膨胀，GFRP管约束加固柱的横向变形，对加固柱产生径向约束应力，根据力的平衡条件，得到GFRP套管对加固柱的约束应力：

　　 fl=fftD/2         (6)fl=fftD/2         (6)

　　 式中f_f为GFRP管环向极限抗拉强度。

　　 根据叠加原理可得到GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固RC柱的极限承载力公式为：

　　 Npu=fccAc+ fyAs         (7)Νpu=fccAc+ fyAs         (7)

　　 式中：A_c为复合加固柱截面面积；f_y为纵向钢筋屈服强度；A_s为纵向钢筋截面面积。

　　 根据式(7)可求出GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固RC柱试件的极限承载力，极限承载力试验值与计算值对比结果见表6。由表6中的数据可知，二者比值的平均值约为1.03,标准差约为0.038,理论计算结果与试验结果吻合良好，满足计算精度要求，可为工程应用提供参考。

5 结论及建议

　　 (1)未加固RC柱发生剪切破坏，钢纤维砂浆加固RC柱发生剪切破坏，GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固RC柱因GFRP管撕裂而发生脆性破坏。

　　 (2)试件轴压承载力随着GFRP管厚度的增大而增加，增加幅度最大为53.8%;与钢筋混凝土柱的峰值荷载相比，用单一的钢纤维砂浆加固，峰值荷载约能提高1.6倍；用GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固，其峰值荷载最大能提高8.0倍。

　　 (3)基于Richart等提出的混凝土受主动约束应力f_l作用下的强度计算公式，提出了适用于GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固损伤RC短柱的轴压承载力公式，计算值与试验值吻合良好。

　　 (4)GFRP套管与钢纤维砂浆复合加固能大幅度提高RC柱的极限承载能力，但其延性相对来说比较差，这主要是由于GFRP管本身是脆性材料，与此同时GFRP管的强力约束使钢纤维砂浆加固柱仅发挥出很小的塑性变形。采用单一的钢纤维砂浆加固可以在保证一定的承载力的前提下，既提高加固RC柱的延性，又降低加固成本。

　　 合适的复合加固方式还需进一步的研究。为满足实际使用需要应开展更多新型复合加固和新型材料的研究。