玄武巖纖維與碳纖維加固混凝土圓形柱抗震性能比較研究
吳剛 顧冬生 吳智深 蔣劍彪'
(東南大學土木工程學院南京210096) (北京特希達科技集團北京100011)
胡顯奇
(橫店集團俄金玄武巖纖維有限公司上海200940)
摘要:玄武巖纖維由于其良好的力學性能、較好的穩定性和較低的價格使其在土木工程中的應用前景廣闊,但目前玄武巖纖維在土木工程中應用的相關研究還極少。通過對連續玄武巖纖維絲束纏繞與碳纖維布加固混凝土圓形柱抗震性能的對比試驗,對FRP種類和用量對加固效果的影響進行了研究。研究結果表明,這兩種纖維加固都可以有效地提高混凝土圓柱的抗震性能,而玄武巖纖維性價比更好。
關鍵詞:混凝土圓柱 連續玄武巖纖維 抗震加固 延性
COMPARATTVE STUDY ON SEISMIC PERFORMANCE OF CIRCULAR CONCRETE COLUMNS
STRENGTHENED WTTH BFRP AND CFRP COMPOSITES
Wu Gang Gu Dongsheng Wu Zhishen Jiang Jianbiao
(Collge of Civil Eninering, Southeast University Nanjing 210096) ( Bejjing Texida Technology Group Beijing 1001)1
Hu Xianqi
(Shanghai Russia & Gold Basalt Fiber Co., Ltd. Hengdian Group Shanghai 200940)
Abstract : Basalt fiber is expected to be widely applied in civil engineering for is fine mechanic performance, good stabilityand comparatively low price. However, there is sill litle research in the aspect concerning with the application of basatfiber in eivil Engineering. Comparative test on the seismic performance of circular concrete column strengthened with basaltfiber reinforced polymer ( BFRP) and carbon fber reinforced polymer (CFRP) was conducted. The infuence of fiber typeand fber amount on the strengthening ffeet was discussed. Test results show that BFRP and CFRP can both obviouslyimprove the seismic performance of circular concrete colunns , and more, BFRP has higher raio of performance to price.
Keywords : circular concrete columns continuous basalt fiber scismic retroft ductility
0引言
纖維增強復合材料(FRP)在土木工程特別是抗震加固中得到越來越廣泛的應用。目前在工程中用的比較多的FRP是碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(CFRP)和芳綸纖維(AFRP),其中尤以CFRP在工程領域中的應用最多,但價格相對較高,而且碳纖維原絲基本依賴進口。GFRP和AFRP價格便宜,力學性能比CFRP差,且有些物理性能不理想,影響了其應用。
連續玄武巖纖維( Continuous Basalt Fibre簡稱CBF)是前蘇聯經過了30多年研究開發的高科技纖維,是以天然的火山噴出巖作為原料,將其破碎后加人熔窯中,在1 450~ 1500C熔融后,通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續纖維。它與碳纖維、芳綸等其他高科技纖維相比,具有很多獨特的優點,如力學性能佳,耐高溫性能好,可在- 269~ 700C范圍內連續工作,耐酸耐堿，抗紫外線性能強,吸濕性低,有更好的耐環境性能等優點,因此很有發展前景,尤其是最近幾年,中國也有了CBF的批量生產,開始重視BF的推廣應用[1-31）
1、碳纖維和玄 武巖纖維比較
圖1示出玄武巖纖維與碳纖維性能的比較,其中碳纖維片材的拉伸強度標準值3 500MPa左右,彈性模量235CPa左右,極限拉伸應變1.5%左右。連續玄武巖纖維1是根據廠家早期的玄武巖纖維無捻粗紗纖維絲束材性試驗測得的力學指標4,也是本試驗所采用的材料,其拉伸強度1 835MPa, 彈性模量92GPa左右,極限拉伸應變1 .99%左右。連續玄武巖纖維2表示最近廠家穩定生產后一批玄武巖纖維布的力學性能，拉伸強度2 332MPa,彈性模量06GPa,極限拉伸應變2.4%左右。從圖1中可以看出,碳纖維的強度和彈性模量比玄武巖纖維高,在抗彎抗剪加固中碳纖維更有優勢,但玄武巖纖維的拉伸應變要比碳纖維高,故在纏繞加固混凝土柱提高其延性等抗震性能方面更有優勢,因此,首先進行了玄武巖纖維加固混凝土圓柱抗震性能的試驗研究,并與碳纖維加固進行了比較。
2試件設計及加固方案試驗中鋼筋混凝土圓柱的直徑360mm,試件總高度1 600mm,呈工字形,底部墩子起固定作用,柱區段長度800mm,混凝土立方體抗壓強度平均值4.3MPa,縱筋12中25mm,屈服強度382 . 4MPa,箍筋6@150,箍筋屈服強度319.8MPa;試驗時軸壓力為1200kN。為了防止試驗時柱根部與底座交界剛度突變處過早破壞、變形集中等,柱根部100mm范圍內對縱筋、箍筋配置給予了特別加強(此區段不作為試驗區段),則試驗柱的有效長度為700mm。并且附加纏繞3層CFRP給予特別加強。粘貼纖維前,將試件表面打磨平整,清除浮渣、灰塵,依次均勻涂刷底涂、找平層,粘貼、纏繞加固纖維,圖2示意了玄武巖絲束纏繞加固操作過程,纏繞中嚴格控制質量,確保纖維絲柬均勻分布、均勻浸透樹脂膠體。待膠體完全固化后,進行試驗,各試件基本試驗參數及加固情況見表1。本文所列試件為課題組FRP抗震加固系列試驗研究中的一部分，試件更詳細情況可參見
本文進行了4個試件的試驗。其中一個未加固試件作為標準柱,1層和4.5層CFRP布材包裹加固柱各一個,CFRP性能根據同批產品拉伸試驗得到，強度為3 945MPa,彈性模量為249.6GPa,極限延伸率為1.52%。玄武巖絲束纏繞加固柱1個。主要研究不同力學性能的纖維對于鋼筋混凝土圓柱抗震性能的影響，討論纖維用量和種類對于加固柱的破壞形式、耗能能力、位移延性等的影響。試驗裝置見圖3。
3試驗結果及分析3.1試件的破 壞形態試件的破壞模式如圖4所示，未加固墩柱為典型的脆性剪切破壞(圖4a)。當加固量較小時(1層CFRP加固的柱CL1- 1.0C),加載過程中柱身首先出現斜向的剪切裂縫,柱身局部纖維發生斷裂,隨著側向位移的不斷增加,CFRP發生大范圍斷裂，試件失去承載能力,為彎剪破壞(圖4b),當FRP加固用量較大時,柱身的FRP直接承受剪力,并對混凝土提供有效的約束,避免了剪切破壞的發生,最后加固試件都發生了塑性鉸區約束失效的彎曲破壞,4.5層CFRP加固的柱CI2和BFRP加固的柱CI3破壞均屬此情況(圖4c、4d)。
3.2 荷載位移曲線
各試件的峰值荷載、極限位移及側向位移角見.表2。其中,峰值荷載為整個加載過程的最大水平荷載,極限位移定義為試件破壞或水平荷載下降至0.85倍峰值荷載時所對應的側向位移,側向位移角定義為極限位移和柱有效高度的比值,試驗結果取正反方向的平均值。
圖5給出了各試件的滯回曲線，可以看出:未加固柱過早發生剪切破壞，極限位移極小,延性極差,耗能能力低;1.0層CFRP加固的柱發生了彎剪破壞,相對于未加固柱延性有所增強,但最終還是發生了脆性的剪切破壞;對于彎曲破壞的柱CL2-4.5C和CL3-BF,延性很好,滯回環飽滿,耗能能力強;比較CL2-4.5C與CL3- BF,兩者的滯回曲線比較接近,表明CBF絲束纏繞對圓柱的抗震加固與CFRP布包裹加固對抗震性能提高都非常有效。
3.3 不同參數下FRP應變特性及發展規律
在試驗時，每個試件柱身4個對稱面上從柱底150mm起,沿高度間隔50mm均勻布置應變片,以監測FRP應變特征及發展規律,應變片布置詳見圖6。圖7為柱4.5層CFRP加固的試件南面測點F13~ F16應變和位移延性系數的關系,可以看出，從柱底向上應變逐漸變小，基本呈線性分布,到10 倍位移延性系數時側向承載力衰減比較嚴重,柱身應變的規律也有所變化。圖8為BFRP加固的試件CL3- BF南面測點F16 應變和側向位移的關系,可以看出，隨著位移增大,應變不斷變大,并且當位移回歸為零時殘余應變也不斷變大。圖9為彎剪破壞柱CL1- 1.0C和彎曲破壞柱CL2-4.5C在側向位移18mm時,南面測點應變分布,可見發生彎剪破壞的柱CL1-1.0C柱身中部FRP應變大于柱底,而發生彎曲破壞的柱CL2-4.5C柱底應變大于柱身應變,最后破壞時也是柱底纖維首先破壞。
當CFRP用量較小時,CFRP對混凝土的約束和對裂縫的限制作用不大,故混凝土裂縫開展迅速,相應地，CFRP應變增長也很快,如圖10中柱CL1 -1.0C柱身平均應變和位移關系曲線所示。當CFRP用量較大時，CFRP加固柱的受剪承載力得到提高,核心區的混凝土受到較強的約束。總體上,CFRP應變發展較為緩慢,而且基本穩定在某一固定值左右，對于BFRP加固的試件CL3- BF,纖維應變發展規律和試件CL2 -4.5C基本相同。
3.4 滯回耗能分析
圖5給出了各試件的滯回曲線,可以看出:未加固柱發生剪切破壞，極限位移小，延性差,耗能能力極低;1.0層CFRP加固柱抗震性能有所改善,但最后破壞形式為剪切破壞;試件CI2-4.5C、CL3- BF發生彎曲破壞，延性好,滯回環飽滿,耗能能力強。對試件抗震耗能性能可以通過計算荷載-位移曲線下所包圍的面積來評估。本文對4.5層CFRP加固試件和BFRP加固試件每次位移加載下第一個滯回環的面積進行了計算,以對比研究兩者的滯回耗能性能。由圖11可見,這兩個試件的耗能性能基本相當,只是在側向位移達到48mm時曲線稍有差別。從試驗的滯回曲線可以看出,當側向位移達到48mm時,兩個試件的側向承載能力都有明顯的下降,對于BFRP加固的試件側向承載力的衰減稍好于4.5層CFRP加固的試件,體現出在相同側向約束剛度情況下,BFRP在混凝土圓柱抗震加固中也能有很好的抗震耗能性能。
圖12為試件CL2-4.5C和CI3-BF有效粘滯阻尼系數β比較,β計算方法見參考文獻[4]。可以看出,在約2倍屈服位移之后，相同位移等級下,玄武巖纖維加固試件有效粘滯阻尼系數稍好于4.5層CFRP約束試件。
4 FRP 加固混凝土柱承載力計算
4.1受彎承載力計算
加固柱受彎承載力的計算方法比較成熟5)。關鍵是選用合適的FRP約束混凝土的應力-應變關系模型(6,] ,然后可用條帶法進行非線性分析8,或者選用目前一些通用的非線性分析軟件,如OPENSEES(9]。圖13給出了計算得到的CL2-4.5C和CL3- BF的彎矩-曲率曲線，可以看出,計算的受彎承載力與試驗值符合較好,CL3- BF和CI2 -4.5C的彎矩-曲率曲線較為接近,這也與試驗結果比較吻合,基于該彎矩-曲率曲線可以系統分析各種參數對加固效果的影響。
4.2受剪承載力計算
FRP加固鋼筋混凝土圓柱抗剪承載力V計算公式一般采用簡單疊加形式，即在鋼筋混凝土圓柱抗剪承載力Vec的基礎上,疊加FRP對加固柱抗剪承載力V; 的貢獻，表達形式為:
V=Vrc+Vf (1)
對于柱身全包FRP加固時，V;可由式(2)計算:
其中,Pr為FRP配纖率,當采用柱身全包FRP加固時ρ:=2nrtID,nt為FRP層數,1為單層FRP厚度, D為圓柱的直徑,E,為FRP彈性模量,θ為斜裂縫與柱軸線的夾角,一般偏保守地取為45°,εp為FRP有效拉應變。
計算抗剪承載力的關鍵是有效拉應變的確定，其取值與截面形式、FRP種類、破壞模式等很多因素有關,對BFRP加固時ε。的取值需要進一步系統研究,但在目前BFRP抗震加固試驗數據較少的情況下暫時可以參照規范確定10。
5結論
根據CFRP布材包裹與BF絲束纏繞加固墩柱的試驗對比情況，可以看出:BFRP加固能顯著提高混凝土圓柱的抗震性能，特別是其價格要比CFRP便宜得多,所以在抗震加固中比CFRP有優勢,值得推廣應用。
參考文獻
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8過鎮海.混凝土的強度和本構關系-原理和應用，北京:中國建筑工業出版社,2004
9 Open System for Earthquake Engineering Simulation User Manual,University of Califomnia, Berkeley, Version 1.7,2006
10纖維增強復合材料工程 應用技術規范(征求意見稿).2006
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