BFRP布加固钢筋混凝土圆柱的抗震性能研究

黄镜渟，高 鹏，马翠玲，周 安

(1.合肥学院 城市建设与交通学院，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；3.中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 065000)

钢筋混凝土柱作为房屋和桥梁结构中重要的抗震构件，一旦破坏可能会引起结构的整体倒塌.一直以来，强度问题都是结构抗震设计的重点，但对延性抗震设计的重视却显不足，特别是早期规范对构件位移和延性要求偏低.而在保证柱一定强度的基础上，提高其变形能力，通过其自身变形来消耗地震能量，可有效保障结构的抗震安全.玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer, BFRP)具有优良的力学性能和价廉环保等优点，特别是其极限应变较高，适用于结构抗震加固工程[1-2].吴刚等[3]和Ouyang等[4]通过抗震试验发现外包BFRP可有效改善钢筋混凝土柱的强度、变形和耗能能力，特别是对极限位移的提高幅度可达峰值承载力的4～8倍，认为BFRP对柱变形性能具有很好的加固效果.Li等[5]、Ma等[6]、唐协波[7]则分别基于试验结果对BFRP加固柱进行了抗震性能参数分析，再次验证了BFRP约束能够显著提高钢筋混凝土柱的延性性能，且得出轴压比、FRP包裹层数和加载方式等参数对加固柱的变形能力皆有较大影响的结论.

由上述文献可知，现有针对BFRP的抗震试验多集中于剪跨比范围为3～5，轴压比低于0.6，加固方式为塑性铰区全包约束的情况，且所涉及的参数也有限.因此，本文采用BFRP全包和条带约束两种方法，对高轴压比钢筋混凝土短柱进行了低周反复侧向加载试验，分析了加固柱的受力性能，并在此基础上展开有限元分析，进一步研究其他参数对柱变形和承载能力的影响.

1 试验概况

1.1 试验设计

表1 钢筋的力学性能指标Tab.1 Mechanical properties of steel bars

表2 BFRP的力学性能指标Tab.2 Mechanical properties of BFRP sheets

表3 试件设计参数及试验结果Tab.3 Design parameters of specimens and test results

1.2 加载制度

试验装置详见图1.竖向恒定荷载采用自平衡装置加载，水平荷载采用MTS液压伺服作动器施加且遵循全位移控制加载制度.柱屈服前，采用0.25倍屈服位移作为位移增量进行加载，每级往复1次；屈服后，按照屈服位移的整数倍逐级加载直至荷载下降至85%峰值荷载时结束试验，每级往复2次.

图1 试验装置Fig.1 Test setup

试验加载过程中柱端的水平荷载和位移值由作动器上的传感器采集.并对柱塑性铰区位置的箍筋和BFRP布表面粘贴应变片以量测应变值，具体测点布置如图2所示.其中，S和F分别代表箍筋和BFRP布应变片.

图2 测点布置图Fig.2 Sketch of measured points

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

典型试件的破坏形态如图3所示.未加固柱LB0N3为剪切破坏，破坏时约10 mm宽的交叉主斜裂缝贯穿柱身混凝土，柱根部有大块混凝土脱落.未加固柱MB0N3为弯剪破坏，柱破坏时出现数条交叉的主斜裂缝，根部约200 mm高内混凝土碎裂崩出.加固柱皆呈现弯曲破坏形态，破坏时根部约50～200 mm 宽的BFRP 布断裂，混凝土压碎崩裂而出.其中高轴压比柱LB3N9混凝土压碎程度严重，条带约束柱MB3N3-P距柱底约300 mm处外露纵筋屈曲后折断.

图3 各试件破坏形态Fig.3 Failure pattern of specimens

2.2 滞回特性

各试件水平荷载P-加载点水平位移△滞回曲线如图4所示.由图可知，未加固柱LB0N3和MB0N3滞回曲线分别呈反S和弓形，形状较不饱满且“捏缩”效应较明显，极限位移偏小，显示柱较差的耗能和变形能力.BFRP加固柱滞回曲线则转变为梭形，峰值荷载、极限位移和滞回环面积较未加固前皆有增大，表明柱承载力、延性和耗能能力的增强.随着剪跨比增大，加固柱MB3N3较柱LB3N3承载力的减幅和极限位移的增幅皆可接近1倍；随着轴压比提高，加固柱MB3N9较柱MB3N3承载力有一定提高，但极限位移减小显著；等FRP加固量的条带加固柱MB3N3-P较全包加固柱MB3N3承载力和极限位移皆略小，滞回曲线的饱满程度也较低.

图4 各试件滞回曲线Fig.4 Hysteretic loop curves of specimens

2.3 承载力和变形性能

各试件骨架曲线和试验结果详见图5和表3，其中，屈服点位置按通用屈服弯矩法[10]确定.当柱剪跨比由3.9降至2.1时，未加固柱LB0N3较柱MB0N3的峰值荷载和位移延性系数分别显著增大和减小.加固后，柱MB3N3的峰值荷载和延性系数分别提高了24.2%和118.0%，而柱LB3N3的相同指标则提高了23.3%和155.5%.而LB3N3的BFRP极限应变为1.33%，大于柱MB3N3的1.17%.说明BFRP对低剪跨比柱的约束更有效，能够显著改善柱的承载力和延性.

图5 各试件骨架曲线Fig.5 Skeleton curves of specimens

随着轴压比由0.3增至0.9，加固柱MB3N9较柱MB3N3的峰值荷载和累计耗能分别增大了24.2%和4.9%，延性系数则减小了5.8%，显示出加固柱的变形能力随着轴压比增大而减小.测点显示加固柱MB3N9的BFRP极限应变为1.46%，远大于柱MB3N3的1.17%.柱轴力较大时，柱截面受压区面积较大，核心区混凝土侧向膨胀加剧，BFRP的约束作用也更强.

等BFRP加固量的条带加固柱MB3N3-P与全包加固柱MB3N3的承载力相近，但前者的位移延性系数较后者提高了17.5%，主要由于条带纤维布加固柱中未约束混凝土区域侧向膨胀明显，而其各条带的BFRP工作应变值略高，实现的约束效果较好.

3 有限元模型建立

3.1 单元选择与材料本构关系

本文采用有限元软件ABAQUS对BFRP加固钢筋混凝土柱进行抗震性能分析.混凝土采用8节点减缩积分实体单元C3D8R；纵筋和箍筋采用2节点桁架单元T3D2；BFRP采用4节点缩减积分膜单 元M3D4R.本模型未直接建立纵筋和混凝土的滑移单元，而在选取的纵筋本构模型中考虑了二者之间的粘结滑移情况.

图6 往复荷载下材料的本构模型Fig.6 Constitutive model of materials under cyclic load

3.2 模型验证

图7给出了典型试件的滞回曲线试验和模拟对比结果，各柱有限元分析结果与试验曲线在整体趋势、承载力和极限位移等方面皆吻合较好.而因模拟柱卸载路径受纵筋的Clough本构模型影响较大，模拟柱与试验柱的卸载刚度稍显差别.表4则为各试件峰值荷载和极限位移模拟值和试验值的对比结果.该表显示柱峰值荷载和极限位移试验值与模拟值比值基本在0.94～1.10的范围内.仅未加固柱LB0N3的极限位移比值较大，主要原因为该柱试验时钢筋与混凝土之间粘结滑移较大，而模拟时未直接设立二者之间的滑移界面单元.并对表4比值数据进行统计分析，统计指标包括平均值AVE、标准差SD和变异系数COV.结果可得峰值荷载比值的AVE、SD和COV值分别为1.05、0.03和0.03，而极限位移比值的相同指标则分别为1.05、0.13和0.12，说明该模型具有较高的精确度.

图8(a)显示出试件MB0N3试验柱在破坏时距柱底约200 mm高范围内出现了明显的交叉斜裂缝，而模拟柱混凝土等效塑性应变较大值分布区域与试验柱混凝土开裂及剥落区域相对应.图8(b)表明破坏时试件MB3N3试验柱根部有约50 mm宽BFRP布断裂，而模拟柱BFRP最大应变分布位置与试验柱BFRP断裂位置相对应.综上所述，该有限元模型可以较准确地模拟出BFRP加钢筋混凝土柱的破坏形态.

图7 模拟与试验结果滞回曲线对比Fig.7 Comparison of hysteretic loop curves between simulation and tested results

表4 模拟结果与试验数据对比Tab.4 Comparison between and test data simulation results

图8 模拟与试验结果破坏形态对比Fig.8 Comparison of failure modes between simulation and tested results

4 有限元结果分析

为了更全面地掌握BFRP加固钢筋混凝土柱抗震变形能力的影响参数，本部分增加了BFRP包裹层数、纵筋配筋率和箍筋配箍率三种参数，以模拟柱MB3N3为基准，变化单一参数值进行分析与讨论.试件具体参数范围如表5所列.

表5 试件参数范围Tab.5 Parametric range of specimens

4.1 包裹层数

图9为包裹层数对构件水平荷载-加载点水平位移骨架曲线的影响.该图表明，随着BFRP包裹层数的增加，加固柱峰值位移后移，承载力提高，荷载下降趋势更平缓，极限位移增大，说明柱承载力和变形能力改善明显.当包裹层数由2层增至3层时，加固柱承载力和极限位移分别提高了约9%和12%，而由4层增至5层时仅分别提高了约3%和2%.此结果表明，对于轴压比为0.3且弯剪比为0.96的柱，当包裹层数超过4层后，BFRP对承载力和变形能力的增强效果明显降低.

图9 包裹层数组柱骨架曲线Fig.9 Skeleton curves of columns with different BFRP layers

4.2 纵筋配筋率

为研究纵筋配筋率对BFRP加固钢筋混凝土柱抗震性能的影响.模拟结果分析如图10所示，随着纵筋配筋率增大，加固柱初始刚度、屈服荷载和位移皆增大，峰值荷载显著提高.当纵筋配筋率由1.7%升至2.7%时，柱的极限位移增大，增强了其延性性能；而由2.7%增至3.2%时，柱的极限位移几乎未变，反对其延性产生不利影响.这是由于纵筋的增多表明混凝土部分承担的压力下降，从而延缓了混凝土的破坏，使柱延性变好；但当纵筋增量较大时，又易使柱发生剪切或粘结破坏，使延性变差.

图10 纵筋配筋率组柱骨架曲线Fig.10 Skeleton curves of columns with different longitudinal reinforcement ratio

4.3 箍筋配箍率

箍筋配箍率ρsv对加固柱的抗震变形性能影响如图11所示.该图显示，随着箍筋配箍率增大，加固柱初始刚度、屈服位移、屈服和峰值荷载皆未出现明显变化.当箍筋配筋率由0.23%增至0.40%时，加固柱骨架曲线仍基本重合；但当继续增至0.54%以上时，柱骨架曲线的水平平台段长度增大，极限位移提高显著.该结果说明，当箍筋配筋率的提高幅度达2倍以上时，柱的变形能力才明显增强.

图11 箍筋配箍率组柱骨架曲线Fig.11 Skeleton curves of columns with different stirrup ratio

5 结论

通过BFRP加固钢筋混凝土圆柱的抗震试验及有限元分析，可以得到以下结论：

(1) 试验结果表明，BFRP全包或条带约束钢筋混凝土柱皆可有效提高柱的承载力、变形和耗能能力，使加固后柱的破坏形态为弯曲破坏；

(2) 试验结果亦显示，剪跨比对加固柱变形能力的影响较其他参数更为显著.随着剪跨比的减小，BFRP加固柱的变形性能大幅减小，且BFRP对低剪跨比加固柱变形能力的提升效果更优.随着轴压比的增大，加固柱的延性性能也明显降低.等BFRP加固量下条带较全包加固柱的极限位移和累计耗能较小，说明其抗震性能略差；

(3) 有限元结果表明，对于轴压比较低且呈弯剪破坏形态的柱，其加固后延性随着包裹层数的增加而提高，但当层数超过4层后，BFRP对柱变形性能的提高效果不再明显.随着纵筋配筋率的增大，加固柱的变形能力持续增大，但当达到3.2%时，柱延性性能反而降低.箍筋配箍率仅对加固柱的极限位移有较大影响，且当其由0.23%升至0.54%以上时，柱变形能力明显提高.