为验证约束加固柱抗震性能提高和锚钉锚固效果,设计3个方形柱试件.其中,C为未加固的对比柱,B1和B1A为采用一层双向纤维布约束加固的钢筋混凝土柱,但B1A在布端部采用FRP锚钉对纵向纤维进行锚固.柱尺寸为300 mm×300 mm×1 300 mm,底座尺寸为300 mm×500 mm×1 700 mm,混凝土强度均为C30,纵筋强度等级为HRB400,直径28 mm; 箍筋强度等级为HRB335,直径6 mm.如图3所示,试验采用玄武岩双向纤维布,其弹性模量为87.0 GPa,抗拉强度为1 740.0 MPa,厚度为0.12 mm,延伸率2.0%.试验所用粘结剂抗拉强度为48.5 MPa,弹性模量为3 200.0 MPa.

试验采用位移加载控制方法,在柱端施加低周往复水平荷载,直至加载到试件承载力下降到峰值荷载85%时停止试验.加载过程中,水平荷载直接由作动器上的力传感器采集,水平位移由“与加载点位于同一水平面”的位移计采集.在柱的两侧表面沿轴向方向布置4个电阻式应变片,用来测量塑性铰区纵向纤维布的应变变化情况,如图4所示.

图3 双向纤维布
Fig.3 Bidirectional FRP sheets

图4 试件示意图
Fig.4 Sketch of specimen

柱C设计预期为剪切破坏,柱B1和B1A为弯剪破坏.为实现破坏模式转变,对柱B1和B1A采取一层双向布全包约束加固.但在柱B1A底座两侧各布置2个FRP锚钉,间距150 mm,边距75 mm.

根据第2节方法,各项参数取值有纤维布断裂应变ε_f=0.02,纵向纤维丝面积A_p=36 mm²,混凝土抗压强度设计值f_c=20.1 MPa,群锚影响系数φ_s=1.0,群锚锥体破坏投影面积A_n=112 500 mm².由式(1)计算出单个锚钉静力承载力N_a=31.3 kN.由式(2)算出锚钉抗震承载力设计值N_d=21.9 kN.然后由柱宽几何条件确定初始扇面角度α=30°,将N_d和α代入式(3)得锚钉主杆截面积A_d≥32.8 mm²,取A_d=55.0 mm²; 将N_a代入式(4)得主杆埋置深度h≥63.2 mm,取h=100.0 mm; 再通过式(5)验算群锚锥形破坏受拉承载力N_c=27.4>21.9 kN,满足条件.然后将N_d和h代入式(6)得底座开孔直径d₀≥7.7 mm,取d₀=13.0 mm; 最后通过式(7)得扇面面积A_f≥10 440 mm²,取A_f=11 775 mm²,扇丝长度L=150 mm.最终确定FRP锚钉尺寸如图4所示,具体参数如表1.

表1 FRP锚钉计算尺寸
Tab.1 Calculation of FRP anchor

制作过程中首先将纤维布按尺寸裁剪,把主杆纤维编织成麻花状绳,并在杆两端采用固定销.随后将主杆浸泡环氧树脂,在树脂固化24 h后对杆长进行裁剪.最后,对于扇面部分的纤维布拆解为丝状.制作完成的锚钉如图5所示.

图5 锚钉成品
Fig.5 Anchor product

安装锚钉时,首先在底座上标识出主杆位置并钻孔,注入达到孔深一半高度的环氧树脂,将锚钉主杆插入孔洞内.之后再用环氧树脂填满,控制孔洞内树脂密实无气泡.最后在柱上纤维布贴好后,将扇面纤维丝分散到纤维布表面上,再刷一层环氧树脂.对于双层布约束加固柱时则将锚钉扇面粘贴在两层布之间.锚钉安装完成如图6所示.

图6 锚钉安装
Fig.6 Anchor installation

未加固的对比柱C在加载初期柱下部出现裂缝; 随荷载增加,裂缝逐渐增多并延伸; 当临近极限荷载时,主斜裂缝沿柱高度从中部位置贯穿.C的剪切破坏形态如图7(a)所示.

图7 柱典型破坏形态
Fig.7 Typical failure mode of column

双向布约束柱B1在加载后不久在底部出现纤维布轻微撕裂; 极限状态时,出现纤维布裂缝迅速扩展和贯通,最终破坏形态如图7(b).加载停止后,剥开纤维布可见柱混凝土有较长的剪切裂缝贯通,同时塑性铰区混凝土有压碎现象,柱的弯剪破坏形态如图7(c).有锚钉的双向布约束柱B1A在极限状态时,纤维布从柱底向上拉裂,柱承载力迅速下降,最终破坏形态如图7(d).剥开纤维布后发现,柱底有水平弯曲裂缝和交叉斜向剪切裂缝,但混凝土压碎现象较明显,如图7(e).在B1A加载至水平位移值10 mm时,FRP锚钉仍保持完整状态如图8(a)所示; 随加载位移增加,柱表面纤维布逐步出现裂纹,锚钉周围混凝土也开始出现裂缝.当加载位移为40 mm时,柱内纵筋和箍筋先后屈服,柱底部混凝土压碎现象明显,主杆的部分纤维丝开始断裂,锚钉承载力达最大值,如图8(b)所示.之后构件承载力迅速下降,继续加载柱端水平位移至50 mm时,柱底部的纤维布和锚钉均完全断裂,如图8(c)所示.

图8 FRP锚钉典型破坏过程
Fig.8 Typical failure process of FRP anchor

各试件荷载-位移滞回曲线如图9所示,其中横坐标为作动器施加的水平荷载,纵坐标为其加载点的水平位移.柱C滞回曲线显现出明显的“捏缩”现象,呈现出反S形.可以观察到箍筋最先屈服,随后荷载达到峰值后,构件迅速破坏,延性较差,显现为典型的剪切破坏.但柱B1和B1A采用双向布加固后,柱中均出现纵筋和箍筋的先后屈服,是典型的弯剪破坏,加固柱的极限位移和峰值荷载较C均有不同程度的增长,滞回曲线形状更加饱满,耗能能力提升,可见使用双向纤维布加固能明显提高RC柱抗震性能.其中使用FRP锚钉的柱B1A峰值荷载较柱B1提升12.2%,这说明FRP锚钉能约束双向布中纵向纤维,使其能和纵筋共同承担拉力,进一步提高构件的抗弯承载力.

图9 荷载-位移曲线
Fig.9 Load-displacement curve

柱B1和B1A的纵向纤维应变如图 10所示,其中横坐标为应变片高度,纵坐标为每个应变片在正负向加载循环中应变峰值的绝对值,应变片位置见图4.可见无锚固柱B1的纵向纤维应变没有充分发挥,经FRP锚钉锚固后的B1A,在距柱底250 mm和450 mm高度的纵向纤维应变有明显提高,说明使用锚钉实现对纵向纤维的有效锚固,充分发挥其抗拉强度.

图 10 塑性铰区内纵向纤维应变图
Fig.10 Strain of longitudinal fiber in plastic hinge region