高延性混凝土加固震損混凝土短柱小偏心受壓性能試驗研究

寇佳亮，趙丹丹，黃 琪，周 恒

（1.西安理工大學土木建筑工程學院，陜西 西安 710048；2.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

引言

建筑結構在地震作用下，不可避免地會出現各種損傷和缺陷，使其承載能力大大縮減，給結構帶來安全隱患。如果推倒重建會造成不必要的經濟損失，為了消除這種隱患，節約成本，采用合理的加固方式尤為重要。傳統的加固方式多采用FRP 加固［1］或者噴射混凝土與鋼筋網聯合［2］加固，采用FRP 加固混凝土柱經常會出現局部斷裂的情況，而采用噴射混凝土與鋼筋網聯合加固，雖然能提高結構的承載力，加強整體性，由于設置鋼筋網工藝復雜，且施工時影響噴射混凝土施工質量，同時對噴層與受噴面之間的粘結也很不利。

高延性混凝土（high ductile concrete，簡稱HDC）的提出是來源于密歇根大學Victor C Li.教授［3］提出的工程水泥基復合材料（engineered cementitious composites，簡稱ECC）。HDC 作為一種新型的復合型材料，它的彈性模量較低，且變形能力較強，以及易于施工、適用面廣等諸多優點。利用HDC 加固震損混凝土柱，主要是通過約束柱的側向和橫向2 個方向上的變形，來對混凝土柱起到一定的加固作用，普通混凝土脆性大、延性小、變形能力差和破壞突然等缺點得到明顯改善。

國內外現有的研究大部分是關于ECC直接加固普通混凝土柱，對于ECC加固震損混凝土性能的研究很少。Ashour［4］研究了纖維增強聚合物（FRP）筋和鋼筋加固的工程水泥基復合材料（ECC）混凝土混合梁的受彎性能。對不同ECC 高度替代率、FRP與鋼筋組合的混雜加固組合梁進行了抗彎破壞試驗。Pan［5］對6根不同縱、橫向配筋率和ECC厚度的FRP加固ECC或ECC/混凝土組合梁進行了抗彎試驗。Parsa［6］研究了在橫向荷載和自重荷載作用下，用HPFRCC復合薄層加固已損壞和未損壞框架的方法。在國內，張富文等［7］通過纖維增強水泥基復合材料加固震損RC 框架抗震性能試驗。鄧明科［8］為了研究磚砌結構破壞形態、破壞機理、滯回特性和變形能力，采用ECC 這種材料來進行加固。周鐵鋼等［9］采用高延性纖維增強水泥基復合材料（ECC）對空斗墻體加固。褚顏貴等［10］對15 根普通箍筋約束工程纖維增強水泥基復合材料（ECC）方形截面短柱進行了軸心受壓破壞試驗。寇佳亮等［11］研究了高延性纖維混凝土在重復荷載下的疲勞性能。

已有的加固鋼筋混凝土柱的試驗研究大部分集中于軸心受壓柱，而實際的建筑工程中大部分受到偏心受壓的作用。基于此，本次試驗采用HDC 加固震損混凝土小偏壓短柱。首先洗掉震損柱表面的浮松層，其次再進行打磨處理柱的表面。完成以后采用HDC加固震損的受壓短柱，進行小偏心受壓試驗。加固之后主要從變形能力和承載力2個方面分析HDC的加固效果，為使用HDC這種材料加固震損混凝土結構提供準確的理論方法。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

本次試驗共制作了5 根混凝土短柱，編號為HDC-1～HDC-5。其中，HDC-1、HDC-2 偏心距為20 mm，HDC-3～HDC-5 偏心距為40 mm，均為小偏心受壓試驗。縱筋使用的是配筋率1.13%的HRB335 級熱軋鋼筋，直徑12 mm；箍筋為HPB300鋼筋，直徑8 mm，試件原尺寸均為200 mm × 200 mm×1 000 mm。為了研究HDC加固震損混凝土短柱偏心受壓性能的實際效果，本試驗分2次進行，首先對制作的5組原試件進行偏心受壓試驗，試驗結果表明：施加荷載之后受壓區開始出現細微豎向裂縫，當荷載持續不斷增加時，受壓區裂縫不斷擴展，受拉區出現橫向貫穿裂縫，大裂縫出現之后試件立馬破壞，相隔時間短暫，典型脆性破壞。其次，震損混凝土短柱利用HDC 加固之后養護3個月。養護期結束進行2次試驗。第2次試驗前，先對破壞的原柱清洗打磨，然后使用HDC 進行面層加固，加固厚度設定為20 mm。加固之后試件尺寸為240 mm×240 mm×1000 mm，試件尺寸及配筋如圖1所示，鋼筋測試強度見表1。

表1 鋼筋基本力學性能Table 1 Mechanical properties of reinforcement

圖1 試件尺寸及配筋詳圖（單位：mm）Fig.1 Specimen dimensions and details of reinforcement（unit：mm）

1.2 材料性質

此次試驗所用的原材料主要有P.O 42.5R 普通硅酸鹽水泥（出自銅川某公司）、一級粉煤灰（出自大唐發電廠）、砂（灞河河砂，最大粒徑1.18 mm）、減水劑（聚羧酸高效減水劑）、PVA 纖維（型號為KURARAYK-II，摻入體積比2%，纖維性能指標如表2 所示）。采用HDC 配合比為：水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶減水劑=1∶1∶0.72∶0.58∶0.03。

表2 PVA纖維性能指標Table 2 Performance indexes of PVA fibers

試驗開始前使用相同的配合比制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的小試塊測試試件的抗壓強度，采用尺寸為350 mm×50 mm×15 mm的啞鈴型拉伸試件測試HDC的抗拉強度。實測數據值見表3和表4。

表3 HDC試塊的抗壓強度Table 3 Compressive strength of HDC

表4 HDC試塊的抗拉強度Table 4 Tensile strength of HDC

1.3 試驗加載與測試內容

本次試驗采用的機器為YAW-5 000 F液壓伺服試驗機。初始加載時設置預加荷載50 kN，當達到預期的目標值荷載之后換為等位移加載（加載速度為0.2 mm/min），當達到峰值荷載0.6 Fmax 后停止加載。軸向力使用壓力傳感器測量，變形數據為系統儀器自動采集。將位移計安裝在液壓伺服機底座上，利用其測量構件縱向變形；與此同時為了測試試件的橫向變形，需在相鄰的直角側面中間各設置一個位移計。試驗加載裝置如圖2和圖3所示。

圖2 試驗加載與測試裝置圖Fig.2 Loading and test device

圖3 實際受壓加載圖Fig.3 Actual compression loading diagram

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象和破壞形態

對于加固前偏心距為20 mm的試件1、試件2、偏心距40 mm的試件4，剛開始加載時，柱的外部表面無明顯變化，當荷載持續增加，且達到極限荷載60%左右，柱子的受壓側開始出現裂縫，且多分布于上側柱頂。荷載增加，裂縫開始擴展，出現多條豎向裂縫，且較為集中。快接近峰值荷載時，混凝土柱下部突然出現橫向裂縫，隨著荷載增加，受壓區混凝土豎向裂縫增多，混凝土下部被壓碎剝落，宣告破壞。而對于加固前偏心距為40 mm的試件3、試件5，初始裂縫開裂更早，從加載到破壞，豎向裂縫在較短時間內延伸較快，構件最終破壞時受壓區混凝土大塊剝離，且破壞區段也更長，預兆不明顯，屬于脆性破壞。

對于加固后試件HDC-1，在加載至71 kN 時，首條豎向裂縫出現，長約3 cm，距離柱頂部約2 cm，同時在柱子的北邊（受壓區）出現一條豎向裂縫。荷載繼續增加，在混凝土柱北面出現多條較為密集的豎向裂縫，且多居于下部。加載至1 150 kN時，在柱子的南邊（受拉區）下側出現一條長約25 cm 的橫向微裂縫，加載至最大荷載1 420 kN 時，柱子北邊下側形成一道貫穿整個面的斜裂縫，并向相鄰兩個面延伸，同時伴有纖維撕裂的“滋滋”聲，卸載至1 219 kN 時，縱向位移達到5.33 mm，橫向位移達到15.1 mm，當荷載下降到峰值荷載的60%左右，柱子破壞。破壞時柱縱向變形量達到8.95 mm，橫向變形量達到22.2 mm。

對于加固后試件HDC-2，加載至654 kN 時，在柱子北邊（受壓區）處出現第一條長約4 cm 的豎向裂縫，距離柱底部約18 cm。加載至800 kN時，在柱子東邊出現一條豎向裂縫，長約10 cm，且位于柱下側。隨著荷載的不斷增大，裂縫之間相互貫穿，縫寬也不斷增大，繼續加載至1 377 kN 時，聽到持續的纖維撕裂聲，在柱子的南邊（受拉區）下側出現一條長約22 cm的橫向裂縫，這時縱向位移達到7.7 mm，橫向位移達到9.22 mm。加載至最大荷載1 525 kN 時，在柱子東邊底部出現一條長13 cm 的橫向裂縫與主裂縫交叉，最終，柱子角部受壓區HDC被壓裂，試件破壞。

對于加固后試件HDC-3，加載至492 kN時，柱子受壓區（北邊）出現第一條豎向裂縫，大約長18 cm，且距離柱頂部約8 cm。繼續加載至805 kN時，在柱子西邊上側出現一條長約5 cm的豎向裂縫，位于頂部約10 cm處。同時在東邊出現一條豎向裂縫，長約7 cm，且距離柱頂約12 cm。當荷載持續增加，裂縫持續擴展、延伸，伴隨著纖維持續的斷裂聲，在柱子北邊形成兩條較大的豎向裂縫，并向相鄰兩面貫通。加載至最大荷載1 020 kN 時，在柱子南邊（受拉區）上側出現眾多細長橫向裂縫，此時縱向位移達到7.2 mm，橫向位移達到20.9 mm。相比于偏心距為20 mm的試件，HDC-3、HDC-5的破壞區段更長。

對于加固后試件HDC-4，加載至570 kN 時，在柱子的東邊出現長約6 cm 的細長裂縫，且距頂部約7 cm。當加載至680 kN時，初始裂縫延伸至25 cm。隨著軸向荷載的不斷增加，柱子北邊（受壓區）的豎向裂縫開始明顯增多，大部分裂縫集中于柱子的下側，且橫向交錯的裂縫多集中于混凝土邊角部。加載至1 000 kN 時，柱子西邊上側頂部出現一條長約15 cm的豎向裂縫，這時繼續加載至1 277 kN時，柱子西邊下側出現2條5 cm的縱向裂縫，并伴有持續的纖維撕裂聲，這時縱向位移達到7.20 mm，橫向位移達到9.6 mm。加載至最大荷載1 436 kN 時，柱子西邊多條裂縫相互貫穿，形成一條長約40 cm、縫寬約3.5 cm 的斜裂縫，并延伸至柱子南邊（受拉區）形成一條斜向裂縫。

對于加固后試件HDC-5，加載至480 kN 時，在柱子頂部的北邊（受壓區）上出現第一條長約15 cm 的豎向裂縫。加載至540 kN 時，柱子的南邊（受拉區）上側出現一條長約5 cm 的豎向裂縫，距頂部約15 cm 處。隨著豎向荷載的不斷增大，受壓區的裂縫不斷擴展、延伸，多為細長豎裂縫。繼續加載至1 043 kN 時，在柱子南邊出現多條橫向裂縫，這時縱向位移達到7.18 mm，橫向位移達到20.59 mm。加載至最大荷載1 078 kN時，在柱子東邊下側角部出現兩條相互交叉的斜裂縫，并且在其周圍有多條密集的細微裂縫，并伴有纖維的撕裂聲。最終，縱向位移達到8.7 mm，橫向位移達到33.6 mm。卸載之后，可以明顯的看出柱子的橫向變形，充分表現出良好的變形能力。

各柱破壞形態及澆筑過程見圖4所示。

圖4 試件破壞形態及澆筑過程Fig.4 Failure mode and pouring process of specimens

2.2 荷載-位移曲線

根據偏心柱受力情況繪制出混凝土短柱加固前與加固后荷載-位移對比曲線如圖5所示。試驗測得的柱參數如表5所示。

表5 HDC加固震損混凝土短柱試驗結果Table 5 Test results of HDC reinforced seismic damaged concrete short columns

圖5 加固前后荷載-位移曲線對比圖Fig.5 Comparison of load-displacement curves before and after reinforc

2.2.1 峰值荷載

加固之前的構件達到峰值荷載之后，曲線下降速度及其快；對于加固后試件，在持續變形的情況下，仍有很高的承載能力。從圖5（a）～圖5（e）中可以看出加固前和加固后荷載-位移曲線相似，且未加固試件峰值荷載為683～936 kN，采用HDC加固后峰值荷載為1 020～1 525 kN，加固后比加固前峰值荷載提高了49%～63%。

2.2.2 峰值荷載對應地位移

加固之前的試件，當達到峰值荷載之后，短時間內即發生破壞，而采用HDC加固之后，峰值荷載對應地位移明顯有很大的提高，且表現出良好的延性特征。從圖5（a）～圖5（e）可得到未加固的試件峰值荷載對應地位移約為3.3～5.43 mm，而利用HDC加固后的峰值荷載對應地位移約為4.43～6.64 mm，提高幅度在34%～39%。

2.2.3 極限位移

HDC 具有良好的粘結性能，能夠很好的約束混凝土的橫向膨脹，采用HDC 加固混凝土柱極限位移有明顯的提高。從圖5（a）～圖5（e）可得到未加固試件的極限位移為3.85～5.58 mm，采用HDC 加固后的極限位移為5.9～7.6 mm，極限位移的提高幅度在21%～63%。

2.3 荷載-跨中撓度關系曲線

試驗測得的各柱參數如表5所示。繪制出混凝土短柱加固前與加固后荷載－跨中撓度對比曲線如圖6所示。

圖6 加固前后荷載-跨中撓度曲線對比圖Fig.6 Comparison of load-midspan deflection curves

2.3.1 跨中撓度

通過HDC對柱進行加固，偏心受壓荷載作用下跨中撓度有明顯改善，通過圖6（a）～圖6（e）可得HDC加固之后混凝土柱的延性有明顯改善。未加固試件破壞時的跨中撓度為9.5～15.3 mm，采用HDC加固后破壞時的跨中撓度為18.9～33.6 mm，加固后比加固前跨中撓度提高了87%～133%。

2.4 承載力及延性分析

根據試驗所測得的荷載-位移曲線得到各試件的承載力及位移延性系數見表6。

表6 承載力及位移延性系數Table 6 Bearing capacity and ductility coefficient of displacement

通過表6可知：

（1）加固前普通小偏心混凝土柱位移延性系數在1.03～1.17，加固后小偏心HDC混凝土柱位移延性系數在1.15～1.37，加固后混凝土柱延性系數比加固前提高了10.6%-17.3%。采用HDC加固震損偏心混凝土柱的延性系數普遍比未加固的普通混凝土延性要好。

（2）加固前偏心距為20 mm 的混凝土柱延性系數在1.03～1.04，偏心距為40 mm 的混凝土柱延性系數在1.04～1.17；加固后偏心距為20 mm 的混凝土柱延性系數在1.17～1.22，偏心距為40 mm 的混凝土柱延性系數在1.15～1.37，在偏心率影響因素下，無論采用HDC 加固震損混凝土柱還是未加固普通混凝土柱，當偏心距在不斷增大時，試件的延性系數在持續變好。

（3）采用HDC 加固之后，偏心受壓柱的峰值荷載、極限位移有不同程度的提高，且峰值荷載對應地位移也有很大程度的提升。其中峰值荷載提高幅度在49%～63%，峰值荷載對應地位移提高幅度在34%～39%，極限位移提高幅度在21%～63%。偏心距為20 mm 的加固震損混凝土柱與偏心距為40 mm 的混凝土柱相比，偏心距較小的混凝土柱，其峰值荷載提高幅度大。

2.5 HDC加固原理分析

HDC 是一種新型復合材料，延性高，耐損傷能力強且耐久性和強度（抗壓、抗拉）好，能良好的控制裂縫的開展。且根據文獻［18］當構件發生小偏心受壓破壞時，是否考慮HDC 的受拉作用對計算結果影響較小。使用HDC加固震損混凝土柱提高強度，原因如下：

（1）通過HDC與混凝土柱表面優良的粘結性能，使HDC面層與柱成為整體，共同受力；

（2）利用HDC的高韌性、高強度（抗拉）性能提高了混凝土柱受壓之后的延性和抗壓強度；

（3）混凝土在HDC加固層約束下，延緩了裂縫的產生，可以明顯提高混凝土柱的抗壓能力；

（4）HDC 具有良好的高耐損傷能力，使用HDC 加固混凝土柱可以有效地提高抗裂性能，裂縫有了明顯改善。

以上結果及分析均表明，在HDC的加固作用下，已震損的混凝土柱峰值荷載、峰值荷載對應地位移及極限位移都有不同程度的提高，HDC的加固作用明顯。

3 HDC加固震損混凝土短柱偏壓承載力計算

3.1 HDC加固震損小偏壓柱承載力計算方法

通過對相關研究結論進行綜合分析，首先建立HDC加固層對震損小偏壓柱核心混凝土的有效側向約束應力計算公式，再考慮HDC加固層間接參與軸向受力，建立加固震損小偏壓柱的正截面承載力計算公式。

3.1.1 基本假定

對于HDC加固的震損小偏壓柱正截面承載力進行分析，作出如下基本假定：

（1）截面變形后仍保持平截面；

（2）HDC加固層與混凝土界面相對滑移可以近似忽略；

（3）加固層對震損小偏壓混凝土柱的約束處于三向受力的狀態：即縱向受壓、徑向受壓和環向受拉。考慮HDC的受拉作用對計算結果影響較小，故不考慮HDC層的受拉作用。

3.1.2 有效約束面積

小偏心受壓與軸心受壓密切相關，小偏心受壓可看成由軸心受壓過渡為受彎狀態。因此，當偏心受壓軸向力N為0時可近似看為受彎狀態，彎矩M為0 時可看為軸心受壓。在偏心受壓構件中，當軸向力與彎矩的比值逐漸增大，試件將從軸心受壓狀態轉變為受彎狀態。

當構件受到外部施加的壓力，核心區混凝土會發生橫向變形，外部包裹的HDC 向內約束混凝土，HDC 對混凝土的約束力多分布在角部，且不均勻，因此當核心區混凝土發揮作用時，有效約束區域如圖7 所示，其面積記為A1。核心受壓區的有效約束在峰值荷載的60%（即破壞荷載）前發揮作用。

圖7 橫截面核心混凝土有效約束區Fig.7 Effective confinement zone of core concrete in cross section

有效約束區的混凝土面積并不是理想的形狀，需對面積進行修正，Mander［12］等引入有效約束系數ke，

式中，A1為橫截面有效約束面積。

假設二次拋物線將有效區與非有效區分開，約束界線的邊切角為為θ，可得：

式中：A2面積表示弱約束區，而Mander等［12］對矩形鋼筋混凝土柱取θ1= 45°。

本次試驗柱為方形截面，故

假定有效側向約束應力σle沿著四周均勻分布，定義其表達式為：

式中：ff為HDC的抗拉強度；t為加固層厚度，本次試驗加固層厚度為20 mm。

3.1.3 核心區混凝土強度

考慮HDC 側向約束需依據文獻［13］引入折減系數γu，且有0＜γu≤1［14-15］。文獻［14］中混凝土方柱等效直徑Dc≥100 mm 時適用公式γu= 1.67Dc-0.112，由于偏壓受力下的偏心距作用，混凝土截面受力并不均勻，且混凝土在偏心距方向主要承受豎向荷載。根據混凝土平截面假定，該約束應力呈線性變化。

由統一強度理論［16］得出：

將式（6）代入式（7），可得：

3.1.4 偏壓承載力

鋼筋混凝土柱在HDC 加固作用下，承載能力和變形性能得到很大改善，受壓區混凝土能保持良好的完整性。在計算小偏心受壓柱承載力，混凝土原強度fc用等效強度fc1替代。小偏心受壓柱受力情況如圖8所示。

圖8 小偏心受壓極限承載力分析圖Fig.8 Analytical diagram of ultimate bearing capacity under small eccentricity compression

根據力的平衡條件及對受拉鋼筋合力點取矩，得到計算公式：

根據文獻［18］有相對受壓區高度ξb為0.572；且有

式中：εcp，εy為鋼筋屈服應變，取εy=0.002。

3.2 計算結果分析

通過以上計算分析具體數據如表7 所示。從表7 可以明顯看出，通過試驗所得數據與計算所得數據之比約為0.9，二者之間較為符合。

表7 計算結果與實驗結果比較Table 7 Comparison between the calculated results and the experimental results

4 結論

通過5個HDC加固震損混凝土短柱小偏心受壓試驗，對HDC加固震損混凝土短柱的受力性能進行了研究，得出以下結論：

（1）利用HDC加固震損混凝土短柱可以有效控制裂縫的開展，增強兩個界面之間的粘結性能，短柱的承載能力及其變形能力有很大的提升，同時使用HDC加固震損混凝土結構可有效延長結構使用年限。

（2）采用HDC 加固震損偏心混凝土柱可有效改善小偏心受壓構件的脆性破壞，且受壓承載力有明顯提高，峰值荷載的提高幅度在49%～63%，同時增大震損混凝土短柱的變形能力，峰值荷載對應地位移提高幅度在34%～39%，極限位移的提高幅度在21%～63%，延長了震損混凝土結構的使用壽命。

（3）利用HDC 加固震損偏心受壓柱，HDC 對混凝土的四周約束，延緩了裂縫的產生，構件的延性有明顯的改善，承載力有明顯的提高。與此同時，HDC 有良好的粘結性能，與震損之后的粗糙粘結面粘結良好，使其兩者之間可以相互變形協調，共同受力，在對震損混凝土加固方面具有重要意義。

（4）從HDC加固法的工作機理出發，提出加固混凝土柱小偏壓承載力計算公式，將承載力計算結果與試驗所得到的數據進行對比，結果較為接近，說明該公式較為合理。