不同纖維布加固的鋼筋混凝土結構變形行為比較

摘 要：為了提升鋼筋混凝土結構的承載能力和變形能力，共設計了1種未加固和4種纖維布加固的混凝土試件，對比分析了未加固試件和纖維布加固混凝土試件的破壞形貌、荷載-應變曲線等。結果表明，纖維布加固混凝土試件的峰值應力從大至小順序為CFRP、NFRP、JFRP、GFRP、未加固試件，橫向最大拉應變從大至小順序為JFRP、NFRP、GFRP、CFRP、未加固試件，橫向最大拉應變從大至小順序為JFRP、NFRP、GFRP、CFRP、未加固試件。未加固和CFRP加固試件的破壞呈脆性破壞特征，而GFRP、JFRP和NFRP試件的破壞呈延性破壞特征。且CFRP試件的最大荷載最大，JFRP加固試件的位移最大，纖維布加固混凝土試件的承載能力和變形能力都要優于未加固試件。

關鍵詞：碳纖維布；玻璃纖維布；鋼筋混凝土；軸心受壓；破壞形貌

中圖分類號：TU375；TQ340.79 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0057-04

Comparison of deformation behavior of reinforced concretestructures reinforced with different fiber cloths

ZHANG Kemin

（Guangzhou Donghua Vocational College，Guangzhou 510080，China）

Abstract：In order to improve the bearing capacity and deformation capacity of reinforced concrete structures，a to?tal of 1 unreinforced and 4 fiber cloth reinforced concrete specimens were designed，and the failure morphology andload-strain curves of the unreinforced specimens and the fiber cloth reinforced concrete specimens were comparedand analyzed. The results showed that the peak stress of fiber-reinforced concrete columns is in the order of CFRP、NFRP、JFRP、GFRP、unreinforced specimens，the maximum transverse tensile strain is in the order of JFRP、NFRP、GFRP、CFRP、unreinforced specimens. The failure of unreinforced and CFRP reinforced specimens exhibit?ed brittle failure characteristics，while the failure of GFRP，JFRP，and NFRP specimens exhibited ductile failurecharacteristics. The maximum load of CFRP specimens was the highest，while the displacement of JFRP reinforcedspecimens was the highest. Fiber-reinforced concrete columns had better bearing capacity and deformation capacitythan those of unreinforced columns.

Key words：carbon fiber cloth；glass fiber cloth；reinforced concrete；axial compression；destructive morphology

纖維布粘貼在建筑結構表面，可以在一定程度上提高包裹結構的承載能力和變形能力 [1] ，起到抑制承載過程中的混凝土臌脹、開裂等作用，可以有效提高抗震性能和抗裂性能等，達到加固、補強等目的 [2-3] 。建筑結構的加固修補是保障既有結構固有性能、延長服役壽命的重要手段，常用的鋼筋混凝土加固的材料包括具有高強、高彈性模量的碳纖維，高延伸率和低彈性模量的玻璃纖維等 [4] ，采用單一的纖維布加固雖然可以在一定程度上改善建筑結構的力學性能，但是提升幅度有限，如研究了碳纖維布加固方式和加固厚度對混凝土梁性能的影響 [5] ；采用碳纖維布對6組混凝土短柱進行環向粘貼加固，研究結果表明可以采用CFRP纖維布增加混凝土圓柱的軸壓性能 [6] ；選取某大廈的框架剪力墻結構進行了加固，表明對相關節點采取玻璃纖維加固處理后，大廈的框架剪力墻結構抗震性能明顯提升 [7] ；研究了底部安裝碳纖維增強聚合物（CFRP）板加固鋼筋混凝土L形柱的斜向抗震性能 [8] 。然而，如何有效發揮多種纖維布（如多層纖維布、不同類型纖維布組合）的協同作用，改善單一纖維布加固建筑結構的不足是值得研究的課題 [9-11] 。

1 試件設計與加載

1. 1 試件設計

共設計了5組纖維布加固混凝土柱試件，分別為未加固試件、兩層玻璃纖維布（GFRP，厚度0.105 mm、彈性模量246 GPa、極限拉伸強度3 320 MPa）加固試件、兩層碳纖維布（CFRP，厚度0.156 mm、彈性模量42 GPa、極限拉伸強度1 052 MPa）、兩層碳纖維布CFRP+兩層玻璃纖維布 GFRP 的層間組合（簡稱JFRP）、兩層碳纖維布CFRP+兩層玻璃纖維布的兩層層內組合的（簡稱NFRP）加固試件。其中，纖維布加固示意圖如圖1所示。纖維布加固混凝土試件中的鋼筋選取HRB335鋼筋（抗拉強度425 MPa、屈服強度355 MPa、斷后伸長率22%）；箍筋選取直徑8 mm的HRB435鋼筋，配筋示意圖如圖1（b）所示。

1. 2 試樣制備

纖維布加固混凝土試件制備過程中預先根據JGJ 55—2011《建筑施工安全檢查標準》制備混凝土 [8] ，采用P·O42.5硅酸鹽水泥制備混凝土制備（設定用水量為180 kg/m 3 、水泥用量為264.4kg/m 3 、粗骨料用量為1168 kg/m 3 、細砂用量為778 kg/m 3 ）。然后制備尺寸為250 mm ×250 mm ×1 000 mm的鋼筋籠，其中，縱筋長度和保護層厚度分別設定為950 mm和30 mm，將縱筋和箍筋按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》進行綁扎 [9] 。混凝土配制和鋼筋籠制作完成后進行澆筑，室溫標準養護28 d。按照GB 50367—2013《混凝土結構加固設計規范》，將纖維布粘貼在鋼筋混凝土柱四周，并用固化膠水進行固化 [10] ，室溫養護3 d后備用。

1. 3 測試與表征

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》、GB 50367—2006《混凝土結構加固設計規范》、GBT 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》[11] ，在工程實驗室軸壓試驗機上進行了纖維布加固混凝土短柱的軸壓性能試驗，采用荷載-位移控制方式。預先以極限荷載的0.2倍荷載進行加載，然后采用逐級加載方式直至混凝土柱進入屈服狀態，之后采用位移加載方式直至試件破壞 [12] 。加載過程中使用DH 3820數據采集儀記錄應變 [13] ，采用Nikon數碼相機拍攝破壞形貌。

2 結果與分析

2. 1 破壞形貌

對于未加固柱，當軸心受壓加載至峰值荷載80%時，混凝土柱的角落處出現微裂紋并伴隨著混凝土的開裂聲，繼續增加荷載會使得混凝土柱的裂縫數量增多、裂縫寬度增大，并最終形成斜向主裂縫；GFRP加固試件在荷載加載至70%附近時開始發生纖維布撕裂聲，在荷載達到峰值荷載90%時混凝土柱中部發生褶皺、鼓脹，隨后混凝土中的鋼筋開始發生屈服，并最終造成混凝土柱發生破壞，此時柱的裂縫數量相對有所減少、裂縫寬度有所減小；對于CFRP試件，在荷載加載至80%時，混凝土中部區域發生臌脹，繼續增加荷載纖維布會發出撕裂，在達到峰值荷載后出現碳纖維布崩斷現象，整體可見碳纖維布與鋼筋混凝土發生了協同作用，破壞時柱體的裂縫數量相對未加固混凝土柱更少、裂縫寬度相對較窄。對于JFRP試件，荷載加載至80%時柱體可見纖維布撕裂和混凝土破碎的聲音，在峰值荷載達到90%時纖維布發生崩斷，隨后出現柱體鼓脹并出現混凝土小試塊破碎，柱體裂紋密集。對于NFRP試件，荷載加載至85%時柱體才開始出現纖維布撕裂聲，在荷載加載至峰值荷載附近時出現纖維布崩斷現象，隨后產生柱體鼓脹和鋼筋屈服，纖維布下混凝土發生一定程度破碎，整體呈現彈塑性變形特征，表明此時的纖維布與鋼筋混凝土柱發生了協同變形作用 [14-15] 。

2. 2 受力分析

纖維布加固混凝土柱的應力、橫向最大拉應變和縱向最大壓應變統計結果如表1所示。

由表1可知，GFRP試件的峰值應力、橫向最大拉應變和縱向最大壓應變分別為29 MPa、1 462 με和3 095 με；對于CFRP試件，其峰值應力、橫向最大拉應變和縱向最大壓應變分別為37.9 MPa、1 114 με和1 835 με；對于JFRP和NFRP試件，前者的峰值應力、橫向最大拉應變和縱向最大壓應變分別為33MPa、2 421 με和3 690 με，后者的峰值應力為35.5 MPa、橫向最大拉應變為2309με、縱向最大壓應變為3463με。

未加固混凝土柱和4種不同類型的纖維布加固混凝土柱的峰值應力從大至小順序依次為CFRP、NFRP、JFRP、GFRP、未加固試件，橫向最大拉應變從大至小順序依次為 JFRP、NFRP、GFRP、CFRP、未加固試件。由此可見，碳纖維布和玻璃纖維布組合加固混凝土柱試件都具有較好的抵抗變形的能力，這主要與纖維布加固可以對混凝土柱起到有效約束作用有關 [16] 。

2. 3 應力-應變曲線

圖2為未加固柱和4種纖維布加固混凝土柱的橫向荷載-應變曲線。

由圖2可知，無論是未加固柱還是纖維布加固柱，荷載-應變曲線中經歷了彈性變形階段、強化階段和破壞階段 [17] ，但是不同纖維布加固混凝土柱的荷載-應變曲線存在較大差異，具體表現在： （1）未加固柱和纖維布加固柱的荷載在彈性變形階段都會隨著應變增加而快速增大，此時纖維布的約束效果還未體現； （2）隨著應變的增加，試件逐漸進入強化階段，此時混凝土柱會產生變形，纖維布加固混凝土柱由于有纖維布的加固而起到了約束作用，一定程度上可以有效提升混凝土柱的承載能力和變形能力；GFRP、JFRP和NFRP試件具有相對更好的塑性變形能力； （3）相同應變條件下，NFRP加固試件的荷載相對更大、其次為JFRP試件。從纖維布加固混凝土柱的橫向荷載-應變曲線可知，未加固和CFRP加固試件的破壞呈脆性破壞特征，而GFRP、JFRP和NFRP試件的破壞呈延性破壞特征。

圖3為纖維布加固混凝土柱中箍筋的縱向荷載-應變曲線。

由圖3可知，與橫向荷載-應變曲線相似的是，無論是未加固柱還是纖維布加固柱，荷載-應變曲線都經歷了彈性變形階段、強化階段和破壞階段。其中，CFRP、NFRP和JFRP試件的縱向荷載-應變曲線較為相似，即在縱向上表現出較高的承載能力的同時具有良好的應變能力；GFRP試件在縱向承載上具有良好的塑性變形能力和較高的承載能力；纖維加固試件的縱向承載能力和變形能力都優于未加固試件。這主要與纖維布加固可以與鋼筋混凝土發揮協同作用而提高承載能力和變形能力有關 [18] 。

圖4為纖維布加固混凝土柱的橫向荷載-位移曲線。

由圖4可知，在加載階段，未加固柱和纖維布加固混凝土柱試件都會經歷彈性變形階段和彈塑性變形階段，前者的特征表現為位移增加的同時荷載增大，后者的特征表現為荷載增加到一定程度時迅速減小。彈性變形階段的荷載主要由混凝土承擔，而纖維布主要起支撐作用，而彈塑性變形階段，在荷載超過纖維布的有效約束能力時，纖維布會發生撕裂并伴隨著混凝土柱變形直至破壞，荷載會迅速降低。從橫向荷載-位移曲線中對比分析可知，纖維布加固混凝土柱的最大荷載和破壞時的最大位移都要明顯高于未加固試件，且CFRP試件的最大荷載最大，JFRP加固試件的位移最大，可見，纖維布加固混凝土柱的承載能力和變形能力都要優于未加固柱，這主要與加載過程中纖維布可以與鋼筋混凝土柱發生協同變形作用有關 [19-20] 。

圖5為纖維布加固混凝土柱的縱向荷載-位移曲線。

由圖5可知，在加載初期，未加固柱和纖維布加固混凝土柱試件的縱向荷載都會隨著位移增加而增大，但是相較橫向荷載-位移曲線而言，纖維布加固混凝土柱處于彈性變形的階段相對較短；隨著位移的逐漸增大，相同變形位移下，未加固和纖維布加固混凝土柱的荷載都小于未加固柱，這主要是因為在纖維布加固混凝土柱變形過程中，纖維布可以對鋼筋混凝土柱起到一定約束作用，且CFRP、NFRP和JFRP試件中的纖維布加固效果會相對較好。

3 結語

（1）纖維布加固混凝土柱的峰值應力從大至小順序依次為CFRP、NFRP、JFRP、GFRP、未加固試件，橫向最大拉應變從大至小順序依次為JFRP、NFRP、GFRP、CFRP、未加固試件；

（2）無論是未加固柱還是纖維布加固柱，荷載-應變曲線中經歷了彈性變形階段、強化階段和破壞階段，但是不同纖維布加固混凝土柱的荷載-應變曲線存在較大差異。未加固和CFRP加固試件的破壞呈脆性破壞特征，而GFRP、JFRP和NFRP試件的破壞呈延性破壞特征；

（3）纖維布加固混凝土柱的最大荷載和破壞時的最大位移都要明顯高于未加固試件，且CFRP試件的最大荷載最大，JFRP加固試件的位移最大，纖維布加固混凝土柱的承載能力和變形能力都要優于未加固柱。

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