秦 堃

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，四川綿陽 621000 )

我國地震災(zāi)害頻發(fā)，一方面，振動(dòng)荷載下房屋建筑及橋梁等結(jié)構(gòu)可能會(huì)直接破壞；另一方面，振動(dòng)荷載下建筑結(jié)構(gòu)的疲勞破壞問題是威脅其長(zhǎng)久服役的重要威脅。因此，研究建筑結(jié)構(gòu)抗震性能對(duì)工程抗震減災(zāi)具有重要意義［1-5］。

現(xiàn)有關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)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(diào)軸壓試驗(yàn)，研究了FRP約束剛度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，發(fā)現(xiàn)塑性應(yīng)變和應(yīng)力損傷是影響LRS-FRP約束混凝土往復(fù)軸壓性能的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。曹玉貴等［7］構(gòu)建了FRP包裹預(yù)損傷混凝土柱的應(yīng)變模型，提出該模型能夠準(zhǔn)確描述FRP束縛下?lián)p傷混凝土的環(huán)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系。然而，隨著對(duì)FRP材料研究的逐漸推進(jìn)與不斷創(chuàng)新，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）具有更卓越的工程性能，BFRP材料的應(yīng)用能夠有效延遲混凝土裂縫的出現(xiàn)時(shí)間，大幅提高混凝土的變形能力［8-10］。黃鏡渟等［11］基于試驗(yàn)等對(duì)BFRP材料加固的低強(qiáng)混凝土柱展開了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)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(duì)7根纖維布加固柱和1根對(duì)比柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，指出玄武巖纖維布對(duì)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(fù)合材料能夠大幅加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的工程性能，然而，目前對(duì)BFRP材料在工程結(jié)構(gòu)抗震性能應(yīng)用方面的研究還比較缺乏。本文將基于室內(nèi)不同尺寸的未加固、BFRP加固的鋼筋混凝土的分級(jí)增量加載振動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果結(jié)合理論知識(shí)深入研究BFRP材料對(duì)鋼筋混凝土柱構(gòu)件抗震性能的影響及其工程應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 BFRP材料

試驗(yàn)研究采用的巖棉纖維復(fù)合材料（BFRP）為寧國市中電新型材料有限公司生產(chǎn)，是由玄武巖纖維及細(xì)砂經(jīng)特殊工藝加工而成的紡織產(chǎn)品（圖1）。巖棉纖維復(fù)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(diǎn)。室內(nèi)對(duì)巖棉纖維復(fù)合材料展開了力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得出材料的抗拉強(qiáng)度平均值為1539MPa，符合國家規(guī)范質(zhì)量II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具有抗拉強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 BFRP復(fù)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(jié)構(gòu)的抗震性能，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了有、無BFRP材料包裹下鋼筋混凝土柱。此外，為進(jìn)一步探討CFRP在對(duì)不同工程背景下的應(yīng)用情況，進(jìn)一步設(shè)置了BFRP材料加固下C15、C25、C35和C50四個(gè)混凝土強(qiáng)度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［12-13］的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)鋼筋混凝土柱的配筋進(jìn)行計(jì)算，縱筋采用HRB400級(jí)，直徑為18mm；箍筋采用HRB300級(jí)，直徑為6mm，混凝土柱的具體物理參數(shù)見表1。試樣制備和養(yǎng)護(hù)過程嚴(yán)格參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行［13-14］，養(yǎng)護(hù)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(shù)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(yàn)流程

本次試驗(yàn)研究對(duì)象為有無約束、不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)條件下BFRP復(fù)合材料加固鋼筋混凝土柱。利用MTS150液壓伺服設(shè)備進(jìn)行加載(圖3)，該設(shè)備最大可實(shí)現(xiàn)1000kN軸向加載；利用大量程應(yīng)變片對(duì)鋼筋混凝土柱的表面橫向變形進(jìn)行監(jiān)濁，應(yīng)變片貼合位置為構(gòu)件兩端各4個(gè)、構(gòu)件中部4個(gè)。計(jì)算得出上述不同尺寸的鋼筋混凝土柱的屈服強(qiáng)度Fy，對(duì)混凝土柱進(jìn)行分級(jí)增量振動(dòng)加載，每級(jí)荷載下振蕩次數(shù)為1個(gè)循環(huán)。其中第一級(jí)荷載為0.5Fy，此后每級(jí)增量為0.5Fy，直至達(dá)到峰值并進(jìn)入殘余階段后停止試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備Fig. 3 Test equipment

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)特征

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

圖4 未加固與BFRP加固混凝土柱振動(dòng)破壞形態(tài)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(dòng)荷載下鋼筋混凝土柱滯回曲線試驗(yàn)結(jié)果。由圖5可見，在分級(jí)加載振動(dòng)試驗(yàn)條件下，鋼筋混凝土柱的滯回曲線均具表現(xiàn)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(huán)中部均出現(xiàn)了明顯的“捏攏”現(xiàn)象。這表明在振動(dòng)荷載作用下，混凝土柱在各節(jié)點(diǎn)區(qū)域均出現(xiàn)縱筋的屈服與滑移?！肮毙螠厍€形態(tài)表明，鋼筋混凝土柱具有較強(qiáng)的塑性變形能力，結(jié)構(gòu)的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)性能好，能夠較好地吸收地震荷載產(chǎn)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(huán)較未加固構(gòu)件的更加飽滿，這表明CFRP復(fù)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(fù)加載過程中吸收的能量更多。

圖5 振動(dòng)荷載下鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dòng)荷載的作用下，混凝土產(chǎn)生了很大的橫向變形，混凝土柱表面產(chǎn)生剝落，構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)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(gòu)件剛度退化速率不斷降低。相同比例條件下，尺寸效應(yīng)對(duì)鋼筋混凝土柱構(gòu)件的初始相對(duì)剛度產(chǎn)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(duì)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(shù)函數(shù)的指數(shù)的絕對(duì)值均小于未加固構(gòu)件，這表明BFRP加固構(gòu)件的剛度衰減更慢。

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

3 結(jié)果討論

3.1 混凝土強(qiáng)度影響

鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)的承載應(yīng)力-位移骨架曲線如圖7所示。由圖7可知，在不同強(qiáng)度混凝土的影響下，加固與未加固的鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力均逐漸增大，且延性位移均逐漸降低。對(duì)于BFRP加固的鋼筋混凝土構(gòu)件， C15鋼筋混凝土構(gòu)件的最大荷載為69.42kN，最大位移為50.83mm；而C50鋼筋混凝土構(gòu)件的最大荷載為101.14kN，最大位移為30.26mm。未加固構(gòu)件的承載承載能力相對(duì)提高45.69%，變形能力降低40.47%。對(duì)于BFRP加固的鋼筋混凝土構(gòu)件，由骨架曲線可知， C15鋼筋混凝土構(gòu)件的最大荷載為85.14kN，最大位移為132.63mm。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的逐漸提高，鋼筋混凝土構(gòu)件的最大承載能力亦不斷提高，分別達(dá)到97.24kN、112.73kN以及122.16kN，混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力影響明顯；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大位移不斷降低，相較于C15級(jí)構(gòu)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(qiáng)度等級(jí)影響，振動(dòng)荷載下未加固和BFRP加固的鋼筋混凝土柱構(gòu)件的承載能力逐漸增強(qiáng)，但塑性變形能力降低。

圖7 鋼筋混凝土構(gòu)件抗應(yīng)力-位移關(guān)系Fig. 7 Stress displacement relationship of reinforced concrete members

3.2 BFRP材料加固效果

根據(jù)鋼筋混凝土柱構(gòu)件的滯回曲線可知（圖5），BFRP加固后鋼筋混凝土構(gòu)件的滯回環(huán)更加飽滿，其對(duì)振動(dòng)荷載能量吸收能力更強(qiáng)。振動(dòng)荷載下未加固和加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)參數(shù)指標(biāo)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(qiáng)，且其變形能力也有所增強(qiáng)。不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，未加固鋼筋混凝土構(gòu)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(gòu)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(gòu)件的承載能力大幅增強(qiáng)，不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下構(gòu)件的承載能力分別相對(duì)提升22.64%、24.11%、23.23%及20.78%。振動(dòng)荷載下未加固構(gòu)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(gòu)件最大變形則分別達(dá)到未加固構(gòu)件2.61、2.68、2.85和3.01倍。分析認(rèn)為，由于加固后的鋼筋混凝土柱表面有CFRP復(fù)合材料的包裹，因此混凝土柱的側(cè)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(chǎn)生了明顯的提高，其在屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)及最終破壞點(diǎn)的變形均遠(yuǎn)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(gòu)件的變形與破壞，鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力也有所增強(qiáng)。

表2 振動(dòng)荷載下鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table 2 Mechanical parameter indexes of reinforced concrete members under vibration load

4 結(jié)論

為研究BFRP加固后鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)的抗震性能，室內(nèi)對(duì)不同條件下的鋼筋混凝土構(gòu)件展開了分級(jí)增量加載振動(dòng)試驗(yàn)，深入研究了混凝土強(qiáng)度等級(jí)和BFRP材料加固對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

（1）相較于普通未加固鋼筋混凝土柱，振動(dòng)荷載下BFRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)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(huán)更加飽滿，能夠較好地吸收地震荷載產(chǎn)生的能量，抗震性能較好。

（2）振動(dòng)荷載作用下，鋼筋混凝土柱構(gòu)件的相對(duì)剛度隨著粘性系數(shù)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(gòu)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(qiáng)度等級(jí)影響，振動(dòng)荷載下未加固和BFRP加固的鋼筋混凝土柱構(gòu)件的承載能力逐漸增強(qiáng)，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(qiáng)。不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下構(gòu)件的承載能力分別相對(duì)提升22.64%、24.11%、23.23%和20.78%，最大變形則分別達(dá)到未加固構(gòu)件2.61、2.68、2.85和3.01倍。