变电站纤维布加固混凝土的抗震性能研究

2021-09-22张涛

粘接 2021年9期

张涛

摘要：针对传统变电站钢筋混凝土中低强混凝土配筋柱抗震性能差的问题，提出用玄武岩纤维复合材料（BFRP）对变电站低强混凝土配筋柱进行加固。分析了轴压比，剪跨比和加固方式对混凝土配筋柱抗震性能影响。结果表明：未经BFRP布加固的试件破坏形态主要为脆性弯剪，极限位移为40mm。经过BFRP布加固后，破坏形态转为弯曲破坏，极限位移增长至120mm。在同等BFRP布包裹的情况下，全包加固方式承载力和对抗震性能的优化明显优于条带加固方式;随轴压比的增加，试件塑性变形能力明显降低。随剪跨比的提高，试件承载力明显增加，极限位移明显减小。

关键词：抗震性能;玄武岩纤维;低周反复侧向加载试验;低周反復侧向加载试验

中图分类号：TP392 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0067-05

Study on Seismic Behavior of Concrete Strengthened with Fiber Sheet in Substation

Zhang Tao

（Yangzhou Power Supply Company， Yangzhou 225001， China）

Abstract：In order to solve the problem of poor seismic performance of low-strength concrete reinforced columns in traditional substations， basalt fiber reinforced polymer （BFRP） was used to reinforce the low-strength concrete reinforced columns. The influences of axial compression ratio， shear-span ratio and strengthening methods on seismic behavior of reinforced concrete columns are analyzed. The results show that the failure mode of the specimens strengthened without BFRP sheets is brittle bending shear and the ultimate displacement is 40mm. After strengthening with BFRP sheets， the failure mode turns to flexural failure and the limit displacement increases to 120mm. In the case of the same BFRP wrap， the bearing capacity and seismic performance of the all-wrapped method are better than those of the strip reinforcement method， and the plastic deformation capacity of the specimen decreases with the increase of axial compression ratio. With the increase of shear-span ratio， the bearing capacity of the specimen increases significantly， and the ultimate displacement decreases significantly.

Key words：seismic performance; basalt fiber; low cycle repeated lateral loading test; low cycle repeated lateral loading test

随着现代建筑行业发展，对建筑的质量要求也随之增加。传统钢筋混凝土中柱混凝土抗震性能差，无法满足现行抗震标准的要求。在出现地震时，有较高的倒塌风险，给人民群众的安全带来了极大的隐患。为提升低强混凝土配筋柱抗震性能，国内很多学者也作出很多研究。如江世永[1]以剪跨比和轴压比为变量，对经过预损伤处理，再用碳纤维布进行加固修复的试件和不加固试件进行反复荷载下的抗震性能试验，证实了碳纤维布能有效对损伤混凝土进行加固;王作虎[2]则通过低周反复荷载试验和有限元分析，研究了CFRP筋参数对其抗震性能的影响，证实了碳纤维增强复合材料对高强混合配筋柱的极限承载力、变形能力、屈服强度和极限强度都有明显优化的作用。以上专家的研究为纤维复合材料加固混凝土配筋柱抗震性能提升奠定了基础。但这些研究只停留于高强混凝土，对低强混凝土的研究还较为局域。基于此，本文尝试以玄武岩纤维布为主要材料，以轴压比，剪跨比和加固方式为参数，对低强混凝土配筋柱抗震性能进行优化。为提升低强混凝土配筋柱抗震性能提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验主要材料：水泥（河南垒固建筑工程有限公司，P.O42.5）、天然砂（山东同业环保工程有限公司，II级中砂）、碎石（灵寿县耀泰矿产品有限公司，粒径：5mm～31.5mm）、聚羧酸减水剂（济南汇锦川化工有限公司，CP）、粉煤灰（盐城市科建环保工程有限公司，I级）。

本试验主要设备：液压伺服作动器（济南胜工试验机有限公司，MTS）、千斤顶（江苏荣美液压设备制造有限公司，JRCS-101）、应变测试系统（华矿重工有限公司，JM3813）

1.2 配合比设计

按照一般混凝土制备比例对混凝土配合比进行设计。具体配合比设计如表1所示[3]。

1.3 试验方法

1.3.1 试件制备

（1）制备两种类型，直径为300mm的圆柱试件，一种类型柱高1850mm，第二种类型柱高为1300mm（两种类型皆包含基座高度400mm）。试件尺寸和配筋如图1所示。

（2）提前制备试件支模。圆柱支模主体为PVC管，在管道拐角放置倒角半径为25mm圆弧木条。按照表1比例拌和混凝土一次浇筑而成。

（3）柱外包方式为3层BFRP外包，约束方式分为两种，分别为是全包柱底600mm內全包和，和柱底800mm内用200mm宽纤维布包裹，包裹间隔为100mm，两种约束方式所用纤维布用量相同。轴压比为0.3、0.6、0.9.具体参数设置如表2所示。

表2中，命名规则为：字母B表示BFRP，后面数字代表包裹层数;字母S后数字表示混凝土等级;字母A后数字表示轴压比;L表示剪跨比为2.08，没有则默认为3.91;P代表条带约束方式，没有则默认全包方式。

1.3.2 试验过程

（1）用反力墙上固定的液压伺服作动器对圆柱施加低周水平荷载，用弧形钢板夹具连接作用器水平施力端和圆形截面试件[4]。该连接方式可以保证试件的自由转动和加载点的准确。

（2）施加竖向荷载的装置为自设计的平衡装置。将试件放在基座上，然后将反力梁放于基座中间的矩形槽口中。将150kN千斤顶置于试件顶部，提供竖向压力。在千斤顶上放置上反力梁。用精轧螺丝钢分别穿过上下反力梁前后两端开的圆孔，锚紧。此方法可在实现自平衡加载的同时不约束施加水平荷载时桩顶水平位移，同时，千斤顶不断施加竖向压力[5]。

（3）将柱脚用反力架紧压于地面，基座右侧与水平千斤顶连接，左侧混凝土与反力墙连接。用厚钢板以及两侧锚接的钢拉杆进行固定。具体加载装置如图2所示。

1.4 加载制度

提前利用竖向千斤顶加载至预定值，使之保持恒定状态，然后进行水平低周反复荷载试验。水平荷载的施加方法为全位移控制[6]。具体方法为：通过数值模拟结果可知，未加固柱屈服位移为10mm，在试件屈服前，加载位移步长为2.5mm，每级循环一次;试件屈服后，加载位移步长为5mm，位移步长的增加由加载位移根据屈服位移决定，每级循环2次。具体加载制度如图3所示。

1.5 测点布置与数据采集

MTS液压伺服加载系统自动采集水平荷载和位移。在试件关键位置表面粘贴应变片，用JM3813应变测试系统采集应变数据。在条带加固柱距离柱底350mm和450mm处增加BFRP应变测点，其余应变片布置与其他试件一致。具体应变片布置如图4所示。在图4中，Z表示纵筋应变片;C表示混凝土应变片;F表示BFRP布应变片;G表示箍筋应变片。

2 结果与讨论

2.1 破坏形态

图5为未加固柱和加固柱试件的破坏形态，其中（a）为S25A3破坏形态、（b）为B3S25A3破坏形态。由图5（a）可知，未经加固的试件破坏形态为脆性弯剪。在试件破坏时，在圆柱外侧又交叉状主斜裂缝出现，在距离试件根部275mm范围，部分混凝土脱落，纵筋外露，弯曲。当继续加载水平位移至5mm，离柱底165mm、365mm和565mm处有出现横向裂缝。继续增加位移，裂缝逐渐蔓延加宽，直至彻底贯通圆柱。位移为15mm时，柱底产生斜裂缝;继续加载位移至20mm时，柱身主斜裂缝基本形成，并持续加宽。当位移加载至40mm时，柱承载力急速下降，试件遭到破坏。由图5（b）可知，经过BFRP加固后，柱破坏性形态转换为具有一定延展性的弯曲破坏。在圆柱破坏时，距离根部80mm左右BFRP布断裂，侧方有混凝图碎块蹦出。当位移为20mm时，距离柱底160mm、360mm、560mm处出现细微横向裂缝;位移为40mm时，距离柱底560mm处出现明显横向裂缝;当位移加载至60mm时，距离柱底约80mm和160mm处横向裂缝宽度达到3mm;继续加载位移至100mm时，距离柱底60mm处BFRP布局部断裂。当位移增加到120mm时，BFRP脱落，此时实际承载力下降较为明显，试件破坏。这就证明经过BFRP布加固后混凝土试件延性增加。

2.2 轴压比

图6为轴压试件水平荷载-位移曲线。由图6知，BFRP加固后，圆柱曲线变得更加丰满，形状也由菱形慢慢朝梭形转变。同时，图形也更加偏向Y轴发展，总滞回环数猛烈增加，这就说明圆柱承载力、变形性能和耗能都得到了明显的增加 [7]。对比图形可知，随着轴压的增加，加固柱的水平承载力至峰值后，下降速度增加，极限位移也减小。轴压比为0.9时，试件塑性变形能力较轴压比为0.6、0.3时显著变差。

2.3 加固方式

图7为加固方式组试件水平荷载-位移滞回曲线，对比图7与图6（f）可知，在BFRP加固量相同的情况下，全包加固圆柱的水平承载力略大于条带加固柱[8]。且全包加固圆柱荷载达到峰值后下降速度比条带加固柱荷载达到峰值后下降速度更慢，滞回曲线饱和度更高，极限位移相对较大。

2.4 剪跨比

图8剪跨比组试件水平荷载-位移滞回曲线。由图8可知，当剪跨比为2.08时，没有经过加固的试件滞回曲线表现出反S型，形状不规则，具有较显著的“捏缩”效应。试件极限位移较小，承载力高。这就说明了试件耗能和变形能力差[9]。而经过BFRP布加固后，试件水平荷载-位移滞回曲线表现为梭形，圆柱承载力、延性和耗能能力得到明显的改善[10]。对比图5（b）和图4（d）可知，剪跨比由3.91下降至2.08，剪跨比为2.08的试件水平荷载-位移滞回曲线图像更偏向Y轴发展。这就证明随着剪跨比的降低，承载力增幅和极限位移减幅都达1倍左右。

3 结论

本文通过低周反复侧向加载试验，对BFRP 加固前后试件破坏形态进行研究，并分析了轴压比，剪跨比和加固方式对玄武岩纤维复合材料加固低强混凝土配筋柱抗震性能的影响。具体结论如下：

（1）未经BFRP布加固的试件破坏形态主要为脆性弯剪;经过BFRP布加固后，试件的破坏形态转变为具有一定延展性的弯曲破坏。未加固柱的极限位移为40mm，经BFRP布加固后，试件极限位移增加至120mm。证实BFRP布能够有效增加混凝土试件延性，进而增加了混凝土试件的抗震性能。

（2）轴压比试验结果表明，经过BFRP布加固的试件承载力、变形性能和耗能都得到明显的提高。在同等BFRP布包裹的情况下，随着轴压比的增加，试件塑性变形能力明显降低。

（3）试件抗震性能受加固方式的影响，在BFRP加固量相同的情况下，全包方式加固的试件承载力和对抗震性能的优化明显优于条带加固的试件。

（4）剪跨比为2.08时，未经加固的试件“捏缩”效应较为显著。此时试件承载力虽高，极限位移较小。经BFRP布加固后，试件承载力、延性和耗能能力得到明显优化。随试件剪跨比的提高，试件承载力明显增加，极限位移则明显减小。

参考文献

[1]江世永，陶帅，飞渭，等.碳纤维布加固震损CFRP筋高韧性纤维混凝土柱抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2019，40（06）：109-124.

[2]刘灿.碳纤维布和角钢加固的混凝土柱抗震性能研究[J/OL].山东农业大学学报（自然科学版）：1-6[2021-06-17].

[3]王作虎，罗义康，刘杜，等.CFRP筋-高强钢筋/高强混凝土柱的抗震性能[J/OL].复合材料学报：1-11[2021-06-17].

[4]孙泽阳，郑忆，吴刚.钢连续纤维复合筋及其增强混凝土结构研究现状[J/OL].南京工业大学学报（自然科学版）：1-10[2021-06-17]

[5]邢国华，杨成雨，高志宏，等.配置多重复合箍筋的钢筋混凝土框架结构抗震性能[J].建筑科学与工程学报，2020，37（01）：58-66.