CFRP板纵向加固RC柱在水平低周循环荷载下的 力学性能研究与应用
强旭红，陈岩松，姜旭，谭成 （同济大学土木工程学院，上海200092）
摘要：开发了一种纵向粘贴CFRP(Carhon Fiber Reinforced Polymer 碳纤维增强复合材料)板的 RC（Reinforced Comnecrete，钢筋混凝土）柱抗弯加固系统，该加固系统由纵向粘贴在柱 表面的预制CFRP板和防止柱底CFRP板脱粘的混凝土加厚层组成.为研究纵向粘贴CFRP板对RC柱的抗弯性能影响，设计并开晨了5根足尺矩形RC柱的水平低周循环加载试验，研究结果表明：粘贴CFRP板加图能有效延缓柱的开裂：柱的破坏模式得到明显改善：相较于未加固柱子，粘贴1层CFRP板和2层CFRP板加固的RC柱极限承载力分别提高了15.1%和17.4%；加响，反而会降低柱的延性，相较于仅采用增大柱底益面的方式加固的对照柱，粘贴1层CFRP板 固后柱的抗弯承载力和剧度得到提高，但增加CFRP板的层数对极限强度和刚度没有显著影和2层CFRP板加固的试验柱的延性系数分别降低16.2%和35.1%；试验过程中，由于柱与基础节点承载力的限制，CFRP的最大应变仅达到极限应变的24%，抗拉强度未得到充分发挥.该加固方法已在某医院加图工程中得到应用，跟踪研究表明，加固后柱子的抗弯承载力有明显提升，加固方法得到工程业界的认可.
关键词：钢筋混凝土柱；抗弯加图；水平低周循环加载；碳纤维增强复合材科板：纵向粘贴中图分类号：TU375：TU599文献标志码：A
RC Columns Strengthened with Vertically Adhesive-bonded CFRPPlates under Lateral Cyclic Loading: Study on Mechanical Properties and Application
QIANG Xuhong CHEN Yansong JIANG Xu' TAN Cheng (Collee of Civil Engiering Tngj Univerity Shangai 092 Chna)
Abstract: A strengthening system for RC columns with adhesivebonded vertical carbon fiber reinforeedpolymer (CFRP) plates was proposed Th strengthening system consisted of prefabricaled vertical CFRP plates adhesively bxmded to the column surface and a conerete jacket preventing the CFRP plates from debnding. To
investigate the effeet of adhesivebxnded CFRP plates on flexural behavior five fullscale rectangular RC columnswere tested under lateral cyclie loading. Experimental results showed that the cracking load of CFRP=strengthenedcums was signifieantly improved pared to that of the referene clumn. The ltimate load=carrying capacitiesof the CFRPstrengthened columms were improed by 15.1% and 17.4% respectively. The flexural capacity andstiffness were improved by adhesively bonded vertical CFRP plates. However no significant improvement in loadthe strengthened columns decreased by 16.2% and 35.1% respectively. Since the limitation of columnfoundation carrying capacity and stiffiness of columns was observed for different amounts of CFRP plates. The duetility factor ofjoint capacity the strength of CFRP plates was not fully developed and the CFRP strain at column failure was 24%of the ultiate strain. In adition the proposed strengthening system was applied in a hospital strengthening project.propsed srengthening system has been regnized by the civil enginerin industry. A followup study showed that the flexural capacity of strengthened columns was significantly improved. The
Key words: RC columns; flexural strengthening: lateral cyelic load ; carbon fiber reinforeed polymer ( CFRP)plate; vertically adhesivebonding
前，而且旧的柱子普遍存在结构损伤，如材料性能退化、结构开裂和腐蚀、变形过大等，承载力不能满足使用需求，在后续长期的服役过程中，这些老旧桥梁的柱子容易形成塑性铰，引发相应的剪切破坏、粘良好. 贴破坏或纵筋屈服
与新建工程不同的是，结构加固修复工程的首要.通过加固可提高柱子在循环荷载下的抗弯性能、或
柱子是结构抵抗荷载的重要构件，在水平力作加固梁和FRP加固柱.FRP加固能改善混凝土梁的用下，特别是地震作用下，柱节点处往往会产生较大抗弯性能，根据是否施加预应力，又可分为非预应力的弯矩.为确保整体结构的完整性，设计时依据"强FRP加固和预应力FRP加固.相较于非预应力FRP柱弱梁"原则确保塑性较先出现在梁段上而非柱子的被动加固方法，预应力FRP加固能充分发挥材料上.然面，现代抗震设计体系的构建过程相对社会发抗拉强度大的优势，显著提高混凝土梁的抗弯承载展与工程建造的进程存在滞后性.以美国为例，大约力，有效减小度和裂缝扩展.Qiang等采用自主 60%的现存桥梁修建于现代抗震设计规范发布之研发的机械锚固系统对RC梁进行CFRP板预应力加固.结果显示，梁的承载力和CFRP的强度利用率得到显著提高，且CFRP的预应力水平长效监测表明，预应力损失极小.CFRP预应力抗弯加固的效果
针对FRP加固RC柱的性能，国内外学者开展了广泛研究”不同于提高轴向承载力，FRP横向包要目标是阻止既有损伤恶化，需要在原结构体系的裹加固已被证明能有效改善圆柱或类圆柱抗震性基础上，分析损伤机理，采取针对性的加固措施，并能，特别是对纵筋配筋不足的柱或存在混凝确保加固体系与原结构能协同工作近年来，对有土侵蚀的柱性能改善尤为显著.值得一提的是， 抗弯缺陷的混凝土柱进行加固的研究变得越来越重CFRP布包裹加固对结构表面有较高要求，尖锐棱角或平整度较低会产生应力集中导致FRP发生断裂，能量吸收和耗散能力，而最有效的加固方法之一从而削弱加固效果.横向包裹加固法同样适用于提就是对混凝土进行约束传统的加固技术往往采高在地震中损伤的RC柱承载力而以CFRP-用加厚混凝土层和钢套箍加固这两种方法凭借UHPC为代表的组合加固对受损严重的RC柱修复效中.然面，上述加固方法存在施工周期长、自重大和RC柱在低周反复荷载作用下的抗震性能，发现采用耐久性差等缺点，近些年来，纤维增强聚合物（FRP）外包CFRP加固后，锈蚀加固柱的抗剪承载力提高了性强等特点，被广泛用在钢筋混凝土加固研究领高.Li等和Yousd等对CFRP包裹柱的塑性铰形 域，根据加固构件的不同，研究对象主要分为FRP成机理进行了理论研究.Parghi等提出了CFRP包
襄柱的分数阶乘分析理论.除了加固结构缺陷柱，Wang等研究证明了横向包裹CFRP也能进一步提高高强RC柱的延性和抗震性能、
性，并具有一定的抗压强度，因面耐久性更好：相较于环向包覆约束加固，纵向粘贴加固法能适应非圆截面和平整度较低的结构截面，并能有效避免应力集中，施工难度更低，可操作性更强：纵向粘贴CFRP板加固方法提高了柱身的整体性和抗弯能力，从而增强结构的抗震性能.此加固方法已在某医院的加 固工程中取得首次应用，说明该方法已得到了设计及施工单位的认可.本文主要研究柱在水平低周荷载作用下的力学性能，实际工程中还需考虑轴向荷载进行综合评估和设计.
与此同时，大量研究分析表明，CFRP加固方法对方形截面柱的抗震性能存在不利影响FRP约束圆柱可提供连续且均匀的侧向约束力，加固效 果较好，但FRP对方柱的约束不均匀，加固效果较差李玉鹏研究了柱截面形状尺寸对CFRP加固混凝土柱单轴受压性能的影响.试验表明：方柱加固效果较圆柱差，主要是因为方柱存在四个棱角，尖锐棱角导致应力集中且削弱了碳纤维布对方柱平面段的约束力.魏洋等"采用CFRP横向包襄加固混 凝土短柱时特地对转角进行圆角化处理，减小转角的负面影响，以确保加固的质量，试验结果显示，CFRP加固过的试件从剪切破坏转变为弯曲破坏，但继续增加CFRP加固量，承载力无明显提高.Yang等指出，由于在转角处应力集中度较高，RC柱的横截面形状对FRP系统的加固性能有显著影响，通 过增大转角半径可以增强FRP加固系统的加固效果.上述研究均表明，柱的方形截面是限制横向包襄CFRP系统加固性能的重要原因.
1试验方案
1.1试验试件
分别对两组RC柱进行水平低周循环加载.第1组为2根试验柱：C1柱和C2柱.C1为参考柱，净高3000mm.如图1（a）所示；C2采用全截面加厚混凝 土层100mm进行加固，如图1（b）所示.第2组由3根试验柱组成：C3柱、C4柱和C5柱.C3为参考柱，净高为（3000500）mm，柱底段的混凝土加厚100mm，如图1（c）所示：C4在柱两侧各用一层纵向CFRP板加固：C5则是在柱两侧各用两层纵向CFRP板加固，C4和C5的净高均为（3000500）mm.纵向CFRP板 加固：用环氧树脂胶将CFRP板粘贴在与加载方向平行的两个对称立面上，每个侧面对称布置两道CFRP板，与柱高等长.每粘贴一层CFRP板，用滚筒沿板的纤维布置方向（长度方向）用力压实，确保胶合剂填充饱满直至从板边缘溢出；在柱底环绕浇筑厚埋人混凝土中，起到对板的握襄和黏结作用：在柱上 100 mm、高500mm的加厚层，并将CFRP板的底部部打人钢板压条.用以约束碳纤维板，以防脱粘.实际工程中，考虑到施工的可行性和便捷性，对CFRP底端仍可以围绕柱底浇筑加厚层，将板理入混凝土内，对上部则可以采用碳纤维布环向包覆约束或压条约束.
克服柱角应力集中的传统解决方案是改变柱截面形状或在塑性铰位置处增设加劲装置”就柱子的截面形式而言，FRP约束圆柱的效率更高，面方柱 的加固效果会大打折扣，在FRP加固前先将方柱圆角化，增大方柱的倒角半径，可显著提高FRP约束的有效性（.Moshiri等提出了一种纵向CFRP板加固系统以及各类锚固系统，有研究证明，对纵向CFRP板进行适当的锚固可有效提高细长柱的水平 刚度和强度”），表层嵌固法（Near Surface Mounted NSM）为垂直锚固CFRP提供了另一种新的方式，但开槽的工作量相对较大表层嵌固纵向CFRP能够提高柱的轴向和水平承载力[]
本文提出了一种新的矩形RC柱抗弯加固技术，该新型加固系统由外部粘贴的纵向CFRP板和柱底 部的加厚混凝土层组成，分别对采用加厚混凝土层或纵向粘贴CFRP板加固的5根足尺矩形RC柱进行水平低周循环加载试验，揭示了矩形柱的破坏模式、滞后环、包络曲线、极限承载力、刚度退化行为、延展性和能量耗散能力，并分析了纵向CFRP的应变分布.该加固方法的优势和创新点在于：相较于碳纤维 布，加固使用的CFRP板具有更高的材料密度和均一
矩形柱与混凝土柱基均为整体浇筑.试验柱的尺寸和配筋详见图1.每根柱的纵筋配置为1625（490.9mm²），配筋率为2.2%.的纵筋都伸人到混凝土柱基内700mm，确保地震作用下有足够的锚固长度.箍筋配筋亚10@170（78.5mm²）.试验柱的混凝土保护层厚为50mm.表1汇总了各试验柱 的详细信息.
图1构造细节（单位：mm）
Fig.1 Details of columns( unit;mm)
表1试验柱的详细信息Tab.1 Details of specimens
分组 编号 JMP 柱底截面处理 CFRP层数 配置/mm 织筋配置/mmC1 35.2 原度/mm加厚层高度mm 0 3至10170 16亚251 C2 34.8 100 3 000 0 106170 16要25 20要162 C4 C3 36.1 35.8 100 100 500 500 0 1 3至100170 108170 16亚25 20至16 16要25 20至16C5 35.3 100 500 2 106170 1625 2016
注订表示本研究所用混凝土的抗压强度.
试验柱均采用同一批次的混凝土从柱基浇筑至柱体.其中，第1组的C2在柱身硬化后再浇筑 加厚层：第2组中的C4和C5先将预制CFRP板纵向粘贴在柱子表面，再浇筑混凝土加厚层.
本文使用的CFRP板为厚2mm、宽100mm的商用单向纤维板.依据《定向纤维增强聚合物基复合材 料拉伸性能试验方法）（GB/T3354-2014）测试了碳纤维原丝的力学性能，并对加固用的CFRP板进行抽检，测定了其抗拉强度、弹性模量和极限伸长率等力学性能指标，均符合《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范）（GB50728-2011）中碳纤维复合材（条形板）高强I级的技术指标要求.表2列出了纤维原丝 和CFRP板的力学性能.用于粘贴CFRP板的环氧树
1.2材料特性
试验采用的混凝土主要组分为石灰石骨料、粉煤灰和普通硅酸盐水泥，水灰比为0.36.实测28d抗543 MPa. 压强度平均值为35.0MPa.纵筋实测屈服强度为
1.3试验装置和加载制度
2试验结果与讨论
2.1开裂与失效模式
脂力学性能如下：黏结强度为2.5MPa，断后伸长率1.3%，抗压强度为82MPa.弹性模量为3500MPa.
表2碳纤维复合材料的力学性能
Tab.2 Mechanical properties of carbon fiher posite
materials纤推原丝 材料 抗拉强度/MPa 4920 弹性模量/CPa极限伸长率% 240 1.70CFRP板 2431 162 1.61
试验装置如图2所示，通过一台负载水平2000kN的双作用致动器进行试验加载，加载过程分为两个阶段：一阶段为荷载控制加载，二阶段是位移比（柱水平位移与柱长的比值）控制加载.如图3所示，P是根据截面法计算得出的理论屈服荷载.水平加载联 序为每个荷载水平循环加载两次，直至达到屈服荷载：然后在每个位移比水平循环加载两次，直到荷载下降到极限承载力的85%.
试验柱两侧致动器高度处安装有2个线性变量差动传感器（LVDT）.用于监测循环荷载作用下的水平位移；内部纵筋和箍筋上共布设有24处应变传感 片.具体位置见图4（a）.此外，在加厚混凝土层上方50mm位置的CFRP板布设了16个应变片，分布长度450mm，具体位置见图4（b）.
需要说明的是，本文提出的CFRP纵向粘贴加固系统，旨在利用CFRP材料优越的抗拉性能加固RC柱，目的是提高柱的抗弯承载力.轴压荷载一定程度上能延缓混凝土的开裂和钢筋的屈服，对柱子的抗 弯性能有提升作用，故在试验设计时忽略轴压荷载因素对柱子抗弯性能的影响，因此未设置轴向荷载.后续分析中，不同柱之间抗弯能力的差异仅受不同加固措施的影响.
参考柱CI在加载初期表现出弹性行为.当荷载加至200kN时（约为极限荷载的40%），柱底部出现水平裂缝：在侧移达到60mm时，柱拐角处出现竖向裂缝；当侧移达到120mm，观察到柱底混凝土压碎 和剥落，水平和垂直裂缝迅速发展并深人柱子内部；当侧移达到150mm时，箍筋失效，柱底纵筋屈曲，如
（a)柱底加厚层加图
(b)CFRP 和柱底增厚加固
（e）底部；埋入加厚层：上部：打入钢板压条
图2试验装置Fig.2 Test setap
图3循环加载方案
