BFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能试验研究

黄加付，王文赞，戴良军，陈刚，崔林钊，周安，3

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽建工集团有限公司，安徽 合肥 230009；3.安徽土木工程结构与材料重点实验室，安徽 合肥 230009)

0 引言

近年，纤维增强复合材料(FRP)在建筑结构抗震加固中得到越来越广泛的应用[1-2]。目前工程中使用的比较多的加固材料是碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFRP)和玻璃纤维(GFRP)，其中以CFRP在工程领域中的应用最多[3-4]，但其缺点是价格较高，原料依赖进口；GFRP和AFRP价格便宜，但力学性能和物理性能相对较差，影响总体加固效果。玄武岩纤维(BFRP)因其较好的耐腐蚀性与化学稳定性，高热稳定性，优良的延性，与树脂有很好的亲和力，原料开采方便、储量丰富，价格低廉等优点，逐渐进入抗震加固研究者的视野[5-6]。但是，目前关于玄武岩纤维加固混凝土结构抗震的研究处于起步阶段，专门针对玄武岩纤维布加固结构的技术规范也没有出台。

1 试验概况

1.1 材料性能

(1)混凝土强度。本次试验所用混凝土为C30等级混凝土，实测混凝土标准立方体试块[7]的抗压强度为24.8 MPa。

(2)钢筋力学性能。试验所用纵筋等级为HRB400级钢筋，直径为 20 mm；箍筋等级为HPB235，直径为6 mm。实测力学性能如下表1所列。

表1 钢筋实测力学性能

(3)纤维布性能。根据纤维布拉伸性能试验[8]，测得玄武岩纤维布和碳纤维布的主要力学性能参数见表2所列。

表2 纤维布材料性能参数

1.2 试件设计和制作

试件设计为倒T型悬臂方柱，方柱截面尺寸为300 mm×300 mm，柱高为1400 mm，柱固定在基础底座上，基础尺寸为1300 mm×300 mm×400 mm。柱身采用对称配筋，每侧配2根直径20 mm的HRB400级钢筋；箍筋选用直径为6 mm的HPB235级钢筋，箍筋间距分别为100m，150 mm，200 mm。基础纵筋采用6根直径22 mm的HRB400级钢筋，箍筋直径为6 mm的HPB235级钢筋，箍筋间距为100 mm，试件尺寸和配筋情况如图1所示。

图1 试件尺寸及配筋图(单位：mm)

试件采用立式浇筑制作，浇筑前在钢筋表面粘贴应变片，以便观测加载过程中纵筋屈服情况。试件加固在合肥工业大学结构试验室进行，因构件截面为方形，在试验加载过程中，柱角容易造成应力集中而导致纤维布提前破坏，不能充分发挥加固性能[9]。因此，在浇筑前对构件四个角进行倒角处理，倒角半径为30 mm。构件设计分组情况如下表3所列。

表3 构件设计表

1.3 加载方案

试验在合肥工业大学结构试验室进行，试件通过地脚螺栓和千斤顶固定于刚性地基上，柱顶水平方向采用500 kN的MTS液压伺服加载系统控制水平加载，采用荷载和位移混合控制的加载方式[10]。试验装置图如图2。

2 试验现象和结果分析

2.1 破坏形态

图2 试验装置实图

Z-0试件作为对比试件，该试件未包裹纤维布。在水平荷载加载到47.82 kN时，柱身出现第一条细微水平裂缝。当水平位移为10 mm时，水平荷载为57.19 kN，第一条出现的水平裂缝贯穿柱身，并新增3条细微裂缝，此时构件达到屈服。在反向加载到15 mm时，构件承载力达到最大值71.47 kN。随着水平位移增加，裂缝不断开展，构件承载力开始下降，直至水平位移加载至45 mm时，最先出现的斜裂缝开展到最大，柱底部混凝土被压碎，试件破坏。破坏现象如图3所示。

图3 未加固柱Z-0的破坏形态

加固柱Z-1采用横向包裹2层玄武岩纤维布进行加固。达到屈服位移前，加载过程中不时发出纤维布胶开裂噼啪的声音，柱身未见裂缝开展。试件屈服后，当水平位移加载到15 mm时，柱根与基础交界部位出现一条水平细微裂缝，加固区域上部出现一条细微斜裂缝，此时构件承载力达到最大值68.93 kN。此后，随水平位移增加，柱根部水平贯穿裂缝变成环向裂缝，底部裂缝发展超过柱身裂缝。水平位移达到45 mm时，因为柱底水平裂缝过大，构件承载力下降至最大承载力的85%，试件破坏。破坏现象如图4所示。

其他加固试件破坏现象和Z-1基本相似，此处不再累述。

图4 加固柱Z-1的破坏形态

2.2 滞回曲线和骨架曲线

各试件的荷载-位移曲线如下图5所示，对比分析可得:在水平荷载较小时，各试件的滞回曲线基本呈直线状，卸载后残余变形很小，试件耗能很少，随着水平荷载增加，曲线逐渐向位移轴靠近，滞回环更加丰满，试件耗能增加；对比柱滞回曲线呈弓形[11]，包围面积较小，“捏缩”现象明显，在承载力达到最大之后，就急剧下降，试件延性较差，耗能能力不大，而加固后的试件，滞回曲线更加饱满，达到最大承载力之后，承载力下降缓慢，达到破坏荷载时，没有出现明显的“捏缩”现象，有较好的塑形变形，耗能能力得到增加。

各试件的骨架曲线如下图6所示，从试件骨架曲线对比分析可得出以下几个特点:各骨架曲线初始上升阶段基本重合，说明横向粘贴纤维布对试件的初始刚度影响不大；纤维布加固柱的骨架曲线下降段比对比柱更长，并且下降相对平缓，说明经纤维布加固的柱屈服后的变形能力得到增加，延性性能得到了提高；通过对比试件Z-1、Z-2和Z-3的骨架曲线可知，试件的延性随着纤维布加固用量增加而提高；对比Z-3、Z-4和Z-5曲线可知，采用玄武岩纤维布加固的试件加固效果要优于采用碳纤维布加固和两种纤维布混合加固，采用碳纤维加固与混合加固的试件延性下降平台接近重合，两种加固方式效果相近；对比Z-1、Z-6和Z-7曲线可知，随着箍筋间距增加，骨架曲线下降段延伸增长，说明玄武岩纤维布对低配箍率的构件抗震加固效果更好。

2.3 应变分析

图5 试件的滞回曲线

图6 试件的骨架曲线

部分试件的箍筋和BFRP应变如图7所示，图中箍筋和BFRP的应变皆取自于距离柱底150 mm处的箍筋和BFRP上应变片在达到正向峰值位移时的数值。从图中可以得出如下规律:

(1)对比柱的箍筋应变随位移增加发展较快，应变值较大；加固柱的箍筋应变发展较慢，应变值较小。

(2)在试件达到屈服位移之后，纤维布的应变发展突然加快，纤维布的应变值明显高于箍筋的应变值，而且此时加固柱的箍筋应变值小于对比柱。这说明在试件屈服之后，纤维布对混凝土起到明显的约束作用，从而使箍筋对混凝土的约束作用得到减小。

(3)Z-1采用2层BFRP布进行加固，BFRP的最大应变值为9450με，达到极限拉应变的0.438倍。Z-2采用3层BFRP布进行加固，BFRP的最大应变值为2637με，说明随着层数增加，纤维布的加固效率降低。

图7 纤维布和箍筋应变

3 结论

(1)未加固的柱裂缝出现较早，开展的较快，柱破坏的也较快。经过FRP加固的柱的破坏发生在柱根和基础交界处，柱根处裂缝开展快于柱身，柱破坏相对较慢，说明通过横向粘贴FRP能够较好的提高钢筋混凝土柱的变形能力。

(2)通过增加BFRP加固用量，可以起到提高钢筋混凝土柱的延性性能和耗能性能的作用，但是当加固到一定量时，提高效率将会减弱。因此，在加固用量方面存在一个最优加固量，本试验条件下的最优加固量是粘贴3层BFRP。

(3)在FRP约束强度比相近的情况下，BFRP加固的柱的变形能力基本相当于CFRP加固的柱。可见，在钢筋混凝土柱的抗震加固方面，BFRP 可以代替CFRP，成为抗震加固的主要材料之一。

(4)未加固柱和加固柱的屈服位移接近一致，说明横向粘贴FRP对钢筋混凝土柱的弹性工作阶段影响不大。