BFRP复合材料增强钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

秦 堃

(绵阳职业技术学院建筑工程系，四川绵阳 621000 )

我国地震灾害频发，一方面，振动荷载下房屋建筑及桥梁等结构可能会直接破坏；另一方面，振动荷载下建筑结构的疲劳破坏问题是威胁其长久服役的重要威胁。因此，研究建筑结构抗震性能对工程抗震减灾具有重要意义［1-5］。

现有关于建筑结构抗震性能改良研究中，利用纤维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］通过LRS-FRP 约束混凝土的单调轴压试验，研究了FRP约束刚度对应力-应变关系的影响，发现塑性应变和应力损伤是影响LRS-FRP约束混凝土往复轴压性能的两个关键参数。曹玉贵等［7］构建了FRP包裹预损伤混凝土柱的应变模型，提出该模型能够准确描述FRP束缚下损伤混凝土的环向应变-轴向应变关系。然而，随着对FRP材料研究的逐渐推进与不断创新，学者们发现玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）具有更卓越的工程性能，BFRP材料的应用能够有效延迟混凝土裂缝的出现时间，大幅提高混凝土的变形能力［8-10］。黄镜渟等［11］基于试验等对BFRP材料加固的低强混凝土柱展开了试验研究，发现在BFRP材料能够有效改善钢筋混凝土柱的承载力、延性和耗能能力。黄加付等［12］对7根纤维布加固柱和1根对比柱进行了拟静力试验，指出玄武岩纤维布对钢筋混凝土方柱起到较好的约束作用，能大幅度提高钢筋混凝土柱的耗能性能和变形能力。

综上所述，BFRP复合材料能够大幅加强混凝土结构的工程性能，然而，目前对BFRP材料在工程结构抗震性能应用方面的研究还比较缺乏。本文将基于室内不同尺寸的未加固、BFRP加固的钢筋混凝土的分级增量加载振动试验，根据结果结合理论知识深入研究BFRP材料对钢筋混凝土柱构件抗震性能的影响及其工程应用前景。

1 试验设计

1.1 BFRP材料

试验研究采用的岩棉纤维复合材料（BFRP）为宁国市中电新型材料有限公司生产，是由玄武岩纤维及细砂经特殊工艺加工而成的纺织产品（图1）。岩棉纤维复合材料的密度为320g/m2，厚度为0.6mm，具有抗热、抗震、耐腐蚀等特点。室内对岩棉纤维复合材料展开了力学实验，得出材料的抗拉强度平均值为1539MPa，符合国家规范质量II级标准，具有抗拉强度较高的优点。

图1 BFRP复合材料Fig.1 BFRP composite

1.2 试样制备

为研究BFRP材料约束下钢筋混凝土柱结构的抗震性能，试验共设计制作了有、无BFRP材料包裹下钢筋混凝土柱。此外，为进一步探讨CFRP在对不同工程背景下的应用情况，进一步设置了BFRP材料加固下C15、C25、C35和C50四个混凝土强度。根据相关规范［12-13］的标准要求，对钢筋混凝土柱的配筋进行计算，纵筋采用HRB400级，直径为18mm；箍筋采用HRB300级，直径为6mm，混凝土柱的具体物理参数见表1。试样制备和养护过程严格参照相关规范进行［13-14］，养护制作完成并加固后的钢筋混凝土柱如图2所示。

表1 钢筋混凝土柱基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of reinforced concrete column

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

1.3 试验流程

本次试验研究对象为有无约束、不同混凝土强度等级条件下BFRP复合材料加固钢筋混凝土柱。利用MTS150液压伺服设备进行加载(图3)，该设备最大可实现1000kN轴向加载；利用大量程应变片对钢筋混凝土柱的表面横向变形进行监浊，应变片贴合位置为构件两端各4个、构件中部4个。计算得出上述不同尺寸的钢筋混凝土柱的屈服强度Fy，对混凝土柱进行分级增量振动加载，每级荷载下振荡次数为1个循环。其中第一级荷载为0.5Fy，此后每级增量为0.5Fy，直至达到峰值并进入残余阶段后停止试验。

图3 试验设备Fig. 3 Test equipment

2 试验结果分析

2.1 破坏形态特征

图4为不同条件下钢筋混凝土柱振动破坏特征形态图。由图4可知，CC-S1、CC-S2、CC-S3均呈现典型的脆性破坏特征，试件成弯剪破坏形态，破坏后柱表面出现多条相互交叉的斜裂缝；受混凝土强度等级影响，CC-S4试件破坏后呈弯曲破坏形态，破坏后试件底部出现较大的水平裂缝和竖向裂缝。对于BFRP加固后的钢筋混凝土柱，CC-BS1、CC-BS2和CC-BS3亦呈现出弯曲破坏形态，且表现出明显的延性变形破坏特征，柱体的横向变形明显；对于CC-BS4试件，钢筋混凝土柱表面仅出现少量横向裂纹，而试件的底部则出现了明显的破坏。

图4 未加固与BFRP加固混凝土柱振动破坏形态特征Fig.4 Vibration failure mode characteristics of unreinforced and BFRP reinforced concrete columns

2.2 滞回曲线特征

图5为振动荷载下钢筋混凝土柱滞回曲线试验结果。由图5可见，在分级加载振动试验条件下，钢筋混凝土柱的滞回曲线均具表现出了典型的材料滞回曲线特征，其滞回曲线整体明显呈“弓”形，在滞回环中部均出现了明显的“捏拢”现象。这表明在振动荷载作用下，混凝土柱在各节点区域均出现纵筋的屈服与滑移。“弓”形滞回曲线形态表明，钢筋混凝土柱具有较强的塑性变形能力，结构的低周反复荷载试验性能好，能够较好地吸收地震荷载产生的能量［15-16］。此外，BFRP加固钢筋混凝土柱的滞回曲线的滞回环较未加固构件的更加饱满，这表明CFRP复合材料加固后的钢筋混凝土柱在卸载过程中所释放的能量更少，其在反复加载过程中吸收的能量更多。

图5 振动荷载下钢筋混凝土柱结构滞回曲线Fig.5 Hysteretic curve of reinforced concrete column structure under vibration load

2.3 刚度退化特征

图6为不同钢筋混凝土柱构件的刚度退化曲线。在加载初期，钢筋混凝土柱的刚度迅速下降，而在振动荷载的作用下，混凝土产生了很大的横向变形，混凝土柱表面产生剥落，构件内部产生了一定程度的裂隙且损伤程度不断提高。随着损伤程度的提高，构件刚度退化速率不断降低。相同比例条件下，尺寸效应对钢筋混凝土柱构件的初始相对刚度产生了明显的影响，随着混凝土柱尺寸的增大，其初始刚度逐渐降低。此外，加固后的钢筋混凝土柱的相对刚度要略高于未加固的钢筋混凝土柱。BFRP加固钢筋混凝土柱的拟合指数函数的指数的绝对值均小于未加固构件，这表明BFRP加固构件的刚度衰减更慢。

图6 不同钢筋混凝土柱构件的刚度退化曲线Fig. 6 Stiffness degradation curves of different reinforced concrete column members

3 结果讨论

3.1 混凝土强度影响

钢筋混凝土柱结构的承载应力-位移骨架曲线如图7所示。由图7可知，在不同强度混凝土的影响下，加固与未加固的钢筋混凝土构件的承载能力均逐渐增大，且延性位移均逐渐降低。对于BFRP加固的钢筋混凝土构件， C15钢筋混凝土构件的最大荷载为69.42kN，最大位移为50.83mm；而C50钢筋混凝土构件的最大荷载为101.14kN，最大位移为30.26mm。未加固构件的承载承载能力相对提高45.69%，变形能力降低40.47%。对于BFRP加固的钢筋混凝土构件，由骨架曲线可知， C15钢筋混凝土构件的最大荷载为85.14kN，最大位移为132.63mm。随着混凝土强度等级的逐渐提高，钢筋混凝土构件的最大承载能力亦不断提高，分别达到97.24kN、112.73kN以及122.16kN，混凝土强度等级对钢筋混凝土构件的承载能力影响明显；钢筋混凝土结构构件的最大位移不断降低，相较于C15级构件，其最大位移分别降低13.27%、18.58%及23.01%。综上所述，受混凝土强度等级影响，振动荷载下未加固和BFRP加固的钢筋混凝土柱构件的承载能力逐渐增强，但塑性变形能力降低。

图7 钢筋混凝土构件抗应力-位移关系Fig. 7 Stress displacement relationship of reinforced concrete members

3.2 BFRP材料加固效果

根据钢筋混凝土柱构件的滞回曲线可知（图5），BFRP加固后钢筋混凝土构件的滞回环更加饱满，其对振动荷载能量吸收能力更强。振动荷载下未加固和加固后的钢筋混凝土构件力学参数指标见表2。由表2可知，BFRP材料加固后的钢筋混凝土柱的承载能力加强，且其变形能力也有所增强。不同混凝土强度等级下，未加固钢筋混凝土构件的最大承受荷载分别为69.42kN、78.35kN、89.30kN和101.14kN，而加固后的混凝土构件的最大承受荷载分别为85.14kN、97.24kN、112.73kN和122.16kN。加固后钢筋混凝土构件的承载能力大幅增强，不同混凝土强度等级下构件的承载能力分别相对提升22.64%、24.11%、23.23%及20.78%。振动荷载下未加固构件的最大位移分别为50.83mm、46.15mm、34.47 mm和30.26 mm，加固后的钢筋混凝土构件最大变形则分别达到未加固构件2.61、2.68、2.85和3.01倍。分析认为，由于加固后的钢筋混凝土柱表面有CFRP复合材料的包裹，因此混凝土柱的侧向变形得到了束缚，因此加固后的钢筋混凝土柱的变形能力产生了明显的提高，其在屈服点、峰值点及最终破坏点的变形均远大于未加固材料。此外，BFRP材料的束缚能够有效抑制钢筋混凝土构件的变形与破坏，钢筋混凝土构件的承载能力也有所增强。

表2 振动荷载下钢筋混凝土构件力学参数指标Table 2 Mechanical parameter indexes of reinforced concrete members under vibration load

4 结论

为研究BFRP加固后钢筋混凝土柱结构的抗震性能，室内对不同条件下的钢筋混凝土构件展开了分级增量加载振动试验，深入研究了混凝土强度等级和BFRP材料加固对结构抗震性能的影响。

（1）相较于普通未加固钢筋混凝土柱，振动荷载下BFRP加固钢筋混凝土结构具有更强的塑性变形能力，其滞回曲线整体明显呈“弓”形，滞回曲线的滞回环更加饱满，能够较好地吸收地震荷载产生的能量，抗震性能较好。

（2）振动荷载作用下，钢筋混凝土柱构件的相对刚度随着粘性系数的增大而不断降低，但降低速度逐渐变慢；相较于未加固钢筋混凝土构件，BFRP加固后的钢筋混凝土柱的刚度衰减更慢，变形能力更好。

（3）受混凝土强度等级影响，振动荷载下未加固和BFRP加固的钢筋混凝土柱构件的承载能力逐渐增强，但塑性变形能力降低。

（4）BFRP材料加固后的钢筋混凝土柱的承载能力和变形能力更强。不同混凝土强度等级下构件的承载能力分别相对提升22.64%、24.11%、23.23%和20.78%，最大变形则分别达到未加固构件2.61、2.68、2.85和3.01倍。