FRP加固钢筋混凝土圆柱破坏模式研究

摘要：FRP加固钢筋混凝土圆柱在大量事实的例证面前，显示出了其卓越的抗震性能，但是对该种混凝土圆柱的破坏模式还没有系统地进行研究，而FRP加固混凝土圆柱破坏模式的预测与其抗震性能的评估有着密切联系。试验表明 ,当FRP加固混凝土圆柱从弯剪破坏向弯曲破坏过渡时，FRP应变发展规律会发生显著变化。控制FRP有效极限应变就可以对加固柱的破坏模式进行控制，并且FRP加固柱受剪承载力的计算也和FRP有效极限应变密切相关。建议了FRP加固混凝土圆柱有效极限应变值 ,给出了判别FRP加固混凝土圆柱破坏模式的方法 ,与试验结果比较表明该判别方法简单有效。

关键词：FRP加固；破坏模式；侧向位移系数

FRP加固是提高钢筋混凝土圆柱抗震性的主要手段，对FRP加固的钢筋混凝土柱的破坏模式进行系统研究，对于提出有效手段提高材料抗震性具有深远意义。目前的现有数据文献均是建立在混凝土梁或方柱研究的结果上的FRP应变计算以及取值，同时，在加固圆柱基础上的研究趋于空白，尤其是针对FRP加固柱破坏模式以及应变发展规律罹待补充。现阶段，普遍对基于建筑性能的设计理念认可度较高，所以在研究FRP加固钢筋混凝土圆柱要基于抗震性这一性能设计，对其破坏程度以及模式施行定量变化数据采集过程。再加上目前的技术可以对混凝土柱弯曲破坏时的变形程度通过计算解释，对剪切破坏甚至弯剪破坏的变形程度缺乏有效的计算方法，因而研究层次不够深入，对FRP加固混凝土圆柱的破换模式将对其预测准确度产生严峻的挑战。

一 钢筋混凝土圆柱破坏模式列举

钢筋混凝土圆柱提高抗震性能进行加固，主要是为了提高其自身耐受剪承载力、柱底塑性胶泥混凝土的约束力和柱底钢筋的搭接性要求。大量的实验研究证明，FRP环向包裹的钢筋混凝土柱可以提高其受剪承载力和约束柱底塑性铰区混凝土的理想加固方式。其加固后的钢筋混凝土圆柱的破坏模式多种多样，下面以广西地区集中常见模式为例做研究。

1、剪切破坏

如下图所示是为未加固柱的剪切破坏。在加载实验过程中，位于加载点和柱底座之间的位置首先产生主裂缝，主缝方向为斜向，宽度较大、箍筋断裂，与此同时保护层的混凝土也出现大面积的剥落、纵筋弯曲现象，此时的整个柱体侧向承载能力骤降，呈现出典型的剪切破坏。

2、弯剪破坏

如下图所示，分别为一层和三层CFRP加固柱的弯剪破坏，在加载试验过程中，位于柱底部位首先出现裂缝，裂缝为横向；继续加载后，柱体裂缝改为斜向的剪切裂缝，并伴随有柱体局部纤维的断裂；再继续加载，则试件承载力迅速下滑，产生大面积的断裂，最终试件破坏。

3、弯曲破坏

如下图所示，分别为三层半和两层半DFRP加固钢筋混凝土柱的弯曲破坏。在加载试验过程中，整个柱体出现裂缝的部位主要集中在柱底的塑性铰区域，并且裂缝现象过程缓慢，并未出现突然破坏的现象，而且试件的承载力下降缓慢，耗能能力和延性表现尚佳，中部柱体FRP应变值变小，塑性铰区的FRP应变值相对较大。

二 FRP加固钢筋混凝土圆柱破坏模式预测

（1）FRP加固钢筋混凝土圆柱承载力的计算

对FRP加固混凝土圆柱承载力的计算首先是要建立合适的FRP应力-应变关系的数学模型，然后通过线性分析或者非线性分析的方法在OPENSEES等软件中运行，得出不同侧向位移下钢筋混凝土柱所能负担的承受力。

在计算该承载力时，采用将钢筋混凝土圆柱的受剪承载力（Vrc）上叠加加固后的剪承载力贡献值（Vf）的简单叠加形式：V = Vrc +Vf；当柱体为全包CFRP加固方式时，Vf=πn tDEεctg θ/2

以实验中实测的FRP应变值与利用公式计算出的FRP贡献值为对比，可以得出试件随着侧向位移的变化情况图：

观察变化曲线图可以得出，产生剪切破坏的试件由于DFRP加固量小，对混凝土的包裹力度不足，圆柱的裂缝较宽，FRP贡献值衰减严重，圆柱被破坏时的受剪贡献值基本等于零，剪力逐渐转移至DFRP上，直至到达DFRP应变的极限值，产生剪切破坏。与此同时，产生弯曲破坏的试件，其受剪能力在FRP的约束下，衰减情况较轻，而DFRP应变值发展亦不明显，柱体在塑性铰区对混凝土的约束失效后发生弯曲破坏。

由上可知，FRP应变最终状态对不同破坏模式有主动的影响作用。根据本次在广西所做的60组试件FRP应变测试数据分析，FRP平均极限应变值为材料单向拉伸的70%时，产生弯剪破坏；CFRP加固混凝土圆柱极限阶段有效应变取材料单向拉伸极限应变的一半，也即7500με；DFRP加固混凝土圆柱极限阶段有效应变，取材料单向拉伸极限应变的三分之一，也即100000με。

（2）FRP加固钢筋混凝土圆柱破坏模式的预测

下图所示表示了混凝土柱受剪承载力与延性系数的关系。

图中受剪承载力与位移延性系数密切相关，当位移延性系数为2和某一较大值μ时，为转折点：小于2时，受剪承载力保持不变，且为最大值；大于μ时，受剪承载力保持不变，且为最小值；位于2和μ之间则呈现出线性变化特征。利用这些曲线图形，可以得出FRP加固钢筋混凝土圆柱破坏模式的预测：图中a区域表示试件侧向荷载需求值处于受剪承载力曲线下方时，发生弯曲破坏的情况；图中b区域表示试件侧向荷载需求值介于极值之间时，发生具有一定延性的剪切破坏的情况；图中c区域表示试件侧向荷载需求值大于受剪承载力初期强度时，发生脆性剪切破坏的情况。

钢筋混凝土的受剪承载力分为混凝土、箍筋和轴压力对其贡献的值表示，而这些因素中，以混凝土的贡献值部分与位移延性系数直接相关联。

为了更好地预测评估受剪承载力计算方式的有效性，我们采用的受弯承载力使用的是试验曲线。受剪承载力在2倍延性位移以内收到的剪承载力为极大值；延性位移增加后，混凝土受剪承载力贡献逐渐变小；当延性位移增加至6倍时，贡献值变为极小值。受弯承载力相对应的侧向力需求一直小于受剪承载力值时，试件发生弯曲破坏；侧向力需求大于受剪承载力时，也即受弯承载力曲线与受剪承载力曲线有交点，试件发生弯剪性破坏。值得引起注意的是对于两条交线的交点，理论值与试件实际测试所得值不一定完全一致，这与试验所能达到精度的能力有很大关联，并且难于控制，因而目前尚不能准确判断其产生弯剪破坏的侧向位移极值。

三 结论

综合上述实验分析可以得出以下结论：

（1）在经过FRP加固后的钢筋混凝土圆柱，其抗震性能有显著的提高，加固量的提高，可以将试件的破坏模式从脆性的剪切破坏逐渐发展到弯曲破坏，并表现出良好的延性和耗能性能。

（2）经过FRP加固后的钢筋混凝土圆柱，FRP应变规律在剪切破坏模式和弯剪破坏模式的数据表现规律有明显的不同。在FRP加固量增长的过程中，道道某一关键点时，FRP的应变增长速率急速下降；再当FRP加固增长量满足弯曲破坏的前提下，继续增加，那么此时的加固柱延性和承载力性能提高不明显。

（3）FRP的应变能力与FRP加固钢筋混凝土圆柱的破坏模式关系紧密，上文探讨了不同FRP加固钢筋混凝土圆柱破坏模式下的FRP有效应变值，并提出了相应的判别FRP加固钢筋混凝土圆柱破坏模式的方法，经验证，该方法简单易懂，并且与实验数据符合情况良好。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。