BFRP復合材料增強鋼筋混凝土柱抗震性能試驗研究

秦 堃

(綿陽職業技術學院建筑工程系，四川綿陽 621000 )

我國地震災害頻發，一方面，振動荷載下房屋建筑及橋梁等結構可能會直接破壞；另一方面，振動荷載下建筑結構的疲勞破壞問題是威脅其長久服役的重要威脅。因此，研究建筑結構抗震性能對工程抗震減災具有重要意義［1-5］。

現有關于建筑結構抗震性能改良研究中，利用纖維布合成材料加固混凝土柱是重要研究方向之一。白玉磊等［6］通過LRS-FRP 約束混凝土的單調軸壓試驗，研究了FRP約束剛度對應力-應變關系的影響，發現塑性應變和應力損傷是影響LRS-FRP約束混凝土往復軸壓性能的兩個關鍵參數。曹玉貴等［7］構建了FRP包裹預損傷混凝土柱的應變模型，提出該模型能夠準確描述FRP束縛下損傷混凝土的環向應變-軸向應變關系。然而，隨著對FRP材料研究的逐漸推進與不斷創新，學者們發現玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）具有更卓越的工程性能，BFRP材料的應用能夠有效延遲混凝土裂縫的出現時間，大幅提高混凝土的變形能力［8-10］。黃鏡渟等［11］基于試驗等對BFRP材料加固的低強混凝土柱展開了試驗研究，發現在BFRP材料能夠有效改善鋼筋混凝土柱的承載力、延性和耗能能力。黃加付等［12］對7根纖維布加固柱和1根對比柱進行了擬靜力試驗，指出玄武巖纖維布對鋼筋混凝土方柱起到較好的約束作用，能大幅度提高鋼筋混凝土柱的耗能性能和變形能力。

綜上所述，BFRP復合材料能夠大幅加強混凝土結構的工程性能，然而，目前對BFRP材料在工程結構抗震性能應用方面的研究還比較缺乏。本文將基于室內不同尺寸的未加固、BFRP加固的鋼筋混凝土的分級增量加載振動試驗，根據結果結合理論知識深入研究BFRP材料對鋼筋混凝土柱構件抗震性能的影響及其工程應用前景。

1 試驗設計

1.1 BFRP材料

試驗研究采用的巖棉纖維復合材料（BFRP）為寧國市中電新型材料有限公司生產，是由玄武巖纖維及細砂經特殊工藝加工而成的紡織產品（圖1）。巖棉纖維復合材料的密度為320g/m2，厚度為0.6mm，具有抗熱、抗震、耐腐蝕等特點。室內對巖棉纖維復合材料展開了力學實驗，得出材料的抗拉強度平均值為1539MPa，符合國家規范質量II級標準，具有抗拉強度較高的優點。

圖1 BFRP復合材料Fig.1 BFRP composite

1.2 試樣制備

為研究BFRP材料約束下鋼筋混凝土柱結構的抗震性能，試驗共設計制作了有、無BFRP材料包裹下鋼筋混凝土柱。此外，為進一步探討CFRP在對不同工程背景下的應用情況，進一步設置了BFRP材料加固下C15、C25、C35和C50四個混凝土強度。根據相關規范［12-13］的標準要求，對鋼筋混凝土柱的配筋進行計算，縱筋采用HRB400級，直徑為18mm；箍筋采用HRB300級，直徑為6mm，混凝土柱的具體物理參數見表1。試樣制備和養護過程嚴格參照相關規范進行［13-14］，養護制作完成并加固后的鋼筋混凝土柱如圖2所示。

表1 鋼筋混凝土柱基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of reinforced concrete column

圖2 CFRP加固混凝土柱Fig.2 Concrete column strengthened with CFRP

1.3 試驗流程

本次試驗研究對象為有無約束、不同混凝土強度等級條件下BFRP復合材料加固鋼筋混凝土柱。利用MTS150液壓伺服設備進行加載(圖3)，該設備最大可實現1000kN軸向加載；利用大量程應變片對鋼筋混凝土柱的表面橫向變形進行監濁，應變片貼合位置為構件兩端各4個、構件中部4個。計算得出上述不同尺寸的鋼筋混凝土柱的屈服強度Fy，對混凝土柱進行分級增量振動加載，每級荷載下振蕩次數為1個循環。其中第一級荷載為0.5Fy，此后每級增量為0.5Fy，直至達到峰值并進入殘余階段后停止試驗。

圖3 試驗設備Fig. 3 Test equipment

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態特征

圖4為不同條件下鋼筋混凝土柱振動破壞特征形態圖。由圖4可知，CC-S1、CC-S2、CC-S3均呈現典型的脆性破壞特征，試件成彎剪破壞形態，破壞后柱表面出現多條相互交叉的斜裂縫；受混凝土強度等級影響，CC-S4試件破壞后呈彎曲破壞形態，破壞后試件底部出現較大的水平裂縫和豎向裂縫。對于BFRP加固后的鋼筋混凝土柱，CC-BS1、CC-BS2和CC-BS3亦呈現出彎曲破壞形態，且表現出明顯的延性變形破壞特征，柱體的橫向變形明顯；對于CC-BS4試件，鋼筋混凝土柱表面僅出現少量橫向裂紋，而試件的底部則出現了明顯的破壞。

圖4 未加固與BFRP加固混凝土柱振動破壞形態特征Fig.4 Vibration failure mode characteristics of unreinforced and BFRP reinforced concrete columns

2.2 滯回曲線特征

圖5為振動荷載下鋼筋混凝土柱滯回曲線試驗結果。由圖5可見，在分級加載振動試驗條件下，鋼筋混凝土柱的滯回曲線均具表現出了典型的材料滯回曲線特征，其滯回曲線整體明顯呈“弓”形，在滯回環中部均出現了明顯的“捏攏”現象。這表明在振動荷載作用下，混凝土柱在各節點區域均出現縱筋的屈服與滑移。“弓”形滯回曲線形態表明，鋼筋混凝土柱具有較強的塑性變形能力，結構的低周反復荷載試驗性能好，能夠較好地吸收地震荷載產生的能量［15-16］。此外，BFRP加固鋼筋混凝土柱的滯回曲線的滯回環較未加固構件的更加飽滿，這表明CFRP復合材料加固后的鋼筋混凝土柱在卸載過程中所釋放的能量更少，其在反復加載過程中吸收的能量更多。

圖5 振動荷載下鋼筋混凝土柱結構滯回曲線Fig.5 Hysteretic curve of reinforced concrete column structure under vibration load

2.3 剛度退化特征

圖6為不同鋼筋混凝土柱構件的剛度退化曲線。在加載初期，鋼筋混凝土柱的剛度迅速下降，而在振動荷載的作用下，混凝土產生了很大的橫向變形，混凝土柱表面產生剝落，構件內部產生了一定程度的裂隙且損傷程度不斷提高。隨著損傷程度的提高，構件剛度退化速率不斷降低。相同比例條件下，尺寸效應對鋼筋混凝土柱構件的初始相對剛度產生了明顯的影響，隨著混凝土柱尺寸的增大，其初始剛度逐漸降低。此外，加固后的鋼筋混凝土柱的相對剛度要略高于未加固的鋼筋混凝土柱。BFRP加固鋼筋混凝土柱的擬合指數函數的指數的絕對值均小于未加固構件，這表明BFRP加固構件的剛度衰減更慢。

圖6 不同鋼筋混凝土柱構件的剛度退化曲線Fig. 6 Stiffness degradation curves of different reinforced concrete column members

3 結果討論

3.1 混凝土強度影響

鋼筋混凝土柱結構的承載應力-位移骨架曲線如圖7所示。由圖7可知，在不同強度混凝土的影響下，加固與未加固的鋼筋混凝土構件的承載能力均逐漸增大，且延性位移均逐漸降低。對于BFRP加固的鋼筋混凝土構件， C15鋼筋混凝土構件的最大荷載為69.42kN，最大位移為50.83mm；而C50鋼筋混凝土構件的最大荷載為101.14kN，最大位移為30.26mm。未加固構件的承載承載能力相對提高45.69%，變形能力降低40.47%。對于BFRP加固的鋼筋混凝土構件，由骨架曲線可知， C15鋼筋混凝土構件的最大荷載為85.14kN，最大位移為132.63mm。隨著混凝土強度等級的逐漸提高，鋼筋混凝土構件的最大承載能力亦不斷提高，分別達到97.24kN、112.73kN以及122.16kN，混凝土強度等級對鋼筋混凝土構件的承載能力影響明顯；鋼筋混凝土結構構件的最大位移不斷降低，相較于C15級構件，其最大位移分別降低13.27%、18.58%及23.01%。綜上所述，受混凝土強度等級影響，振動荷載下未加固和BFRP加固的鋼筋混凝土柱構件的承載能力逐漸增強，但塑性變形能力降低。

圖7 鋼筋混凝土構件抗應力-位移關系Fig. 7 Stress displacement relationship of reinforced concrete members

3.2 BFRP材料加固效果

根據鋼筋混凝土柱構件的滯回曲線可知（圖5），BFRP加固后鋼筋混凝土構件的滯回環更加飽滿，其對振動荷載能量吸收能力更強。振動荷載下未加固和加固后的鋼筋混凝土構件力學參數指標見表2。由表2可知，BFRP材料加固后的鋼筋混凝土柱的承載能力加強，且其變形能力也有所增強。不同混凝土強度等級下，未加固鋼筋混凝土構件的最大承受荷載分別為69.42kN、78.35kN、89.30kN和101.14kN，而加固后的混凝土構件的最大承受荷載分別為85.14kN、97.24kN、112.73kN和122.16kN。加固后鋼筋混凝土構件的承載能力大幅增強，不同混凝土強度等級下構件的承載能力分別相對提升22.64%、24.11%、23.23%及20.78%。振動荷載下未加固構件的最大位移分別為50.83mm、46.15mm、34.47 mm和30.26 mm，加固后的鋼筋混凝土構件最大變形則分別達到未加固構件2.61、2.68、2.85和3.01倍。分析認為，由于加固后的鋼筋混凝土柱表面有CFRP復合材料的包裹，因此混凝土柱的側向變形得到了束縛，因此加固后的鋼筋混凝土柱的變形能力產生了明顯的提高，其在屈服點、峰值點及最終破壞點的變形均遠大于未加固材料。此外，BFRP材料的束縛能夠有效抑制鋼筋混凝土構件的變形與破壞，鋼筋混凝土構件的承載能力也有所增強。

表2 振動荷載下鋼筋混凝土構件力學參數指標Table 2 Mechanical parameter indexes of reinforced concrete members under vibration load

4 結論

為研究BFRP加固后鋼筋混凝土柱結構的抗震性能，室內對不同條件下的鋼筋混凝土構件展開了分級增量加載振動試驗，深入研究了混凝土強度等級和BFRP材料加固對結構抗震性能的影響。

（1）相較于普通未加固鋼筋混凝土柱，振動荷載下BFRP加固鋼筋混凝土結構具有更強的塑性變形能力，其滯回曲線整體明顯呈“弓”形，滯回曲線的滯回環更加飽滿，能夠較好地吸收地震荷載產生的能量，抗震性能較好。

（2）振動荷載作用下，鋼筋混凝土柱構件的相對剛度隨著粘性系數的增大而不斷降低，但降低速度逐漸變慢；相較于未加固鋼筋混凝土構件，BFRP加固后的鋼筋混凝土柱的剛度衰減更慢，變形能力更好。

（3）受混凝土強度等級影響，振動荷載下未加固和BFRP加固的鋼筋混凝土柱構件的承載能力逐漸增強，但塑性變形能力降低。

（4）BFRP材料加固后的鋼筋混凝土柱的承載能力和變形能力更強。不同混凝土強度等級下構件的承載能力分別相對提升22.64%、24.11%、23.23%和20.78%，最大變形則分別達到未加固構件2.61、2.68、2.85和3.01倍。