玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土圆形柱抗震性能比较研究

                         吴刚  顾冬生   吴智深                                             蒋剑彪'

(东南大学土木工程学院南京210096)                                     (北京特希达科技集团北京100011)

胡显奇

(横店集团俄金玄武岩纤维有限公司上海200940)

摘要:玄武岩纤维由于其良好的力学性能、较好的稳定性和较低的价格使其在土木工程中的应用前景广阔,但目前玄武岩纤维在土木工程中应用的相关研究还极少。通过对连续玄武岩纤维丝束缠绕与碳纤维布加固混凝土圆形柱抗震性能的对比试验,对FRP种类和用量对加固效果的影响进行了研究。研究结果表明,这两种纤维加固都可以有效地提高混凝土圆柱的抗震性能,而玄武岩纤维性价比更好。

关键词:混凝土圆柱  连续玄武岩纤维   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

纤维增强复合材料(FRP)在土木工程特别是抗震加固中得到越来越广泛的应用。目前在工程中用的比较多的FRP是碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFRP),其中尤以CFRP在工程领域中的应用最多,但价格相对较高,而且碳纤维原丝基本依赖进口。GFRP和AFRP价格便宜,力学性能比CFRP差,且有些物理性能不理想,影响了其应用。

连续玄武岩纤维( Continuous Basalt Fibre简称CBF)是前苏联经过了30多年研究开发的高科技纤维,是以天然的火山喷出岩作为原料,将其破碎后加人熔窑中,在1 450~ 1500C熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。它与碳纤维、芳纶等其他高科技纤维相比,具有很多独特的优点,如力学性能佳,耐高温性能好,可在- 269~ 700C范围内连续工作,耐酸耐碱，抗紫外线性能强,吸湿性低,有更好的耐环境性能等优点,因此很有发展前景,尤其是最近几年,中国也有了CBF的批量生产,开始重视BF的推广应用[1-31）

1、碳纤维和玄 武岩纤维比较

图1示出玄武岩纤维与碳纤维性能的比较,其中碳纤维片材的拉伸强度标准值3 500MPa左右,弹性模量235CPa左右,极限拉伸应变1.5%左右。连续玄武岩纤维1是根据厂家早期的玄武岩纤维无捻粗纱纤维丝束材性试验测得的力学指标4,也是本试验所采用的材料,其拉伸强度1 835MPa, 弹性模量92GPa左右,极限拉伸应变1 .99%左右。连续玄武岩纤维2表示最近厂家稳定生产后一批玄武岩纤维布的力学性能，拉伸强度2 332MPa,弹性模量06GPa,极限拉伸应变2.4%左右。从图1中可以看出,碳纤维的强度和弹性模量比玄武岩纤维高,在抗弯抗剪加固中碳纤维更有优势,但玄武岩纤维的拉伸应变要比碳纤维高,故在缠绕加固混凝土柱提高其延性等抗震性能方面更有优势,因此,首先进行了玄武岩纤维加固混凝土圆柱抗震性能的试验研究,并与碳纤维加固进行了比较。

2试件设计及加固方案试验中钢筋混凝土圆柱的直径360mm,试件总高度1 600mm,呈工字形,底部墩子起固定作用,柱区段长度800mm,混凝土立方体抗压强度平均值4.3MPa,纵筋12中25mm,屈服强度382 . 4MPa,箍筋6@150,箍筋屈服强度319.8MPa;试验时轴压力为1200kN。为了防止试验时柱根部与底座交界刚度突变处过早破坏、变形集中等,柱根部100mm范围内对纵筋、箍筋配置给予了特别加强(此区段不作为试验区段),则试验柱的有效长度为700mm。并且附加缠绕3层CFRP给予特别加强。粘贴纤维前,将试件表面打磨平整,清除浮渣、灰尘,依次均匀涂刷底涂、找平层,粘贴、缠绕加固纤维,图2示意了玄武岩丝束缠绕加固操作过程,缠绕中严格控制质量,确保纤维丝柬均匀分布、均匀浸透树脂胶体。待胶体完全固化后,进行试验,各试件基本试验参数及加固情况见表1。本文所列试件为课题组FRP抗震加固系列试验研究中的一部分，试件更详细情况可参见

本文进行了4个试件的试验。其中一个未加固试件作为标准柱,1层和4.5层CFRP布材包裹加固柱各一个,CFRP性能根据同批产品拉伸试验得到，强度为3 945MPa,弹性模量为249.6GPa,极限延伸率为1.52%。玄武岩丝束缠绕加固柱1个。主要研究不同力学性能的纤维对于钢筋混凝土圆柱抗震性能的影响，讨论纤维用量和种类对于加固柱的破坏形式、耗能能力、位移延性等的影响。试验装置见图3。

3试验结果及分析3.1试件的破 坏形态试件的破坏模式如图4所示，未加固墩柱为典型的脆性剪切破坏(图4a)。当加固量较小时(1层CFRP加固的柱CL1- 1.0C),加载过程中柱身首先出现斜向的剪切裂缝,柱身局部纤维发生断裂,随着侧向位移的不断增加,CFRP发生大范围断裂，试件失去承载能力,为弯剪破坏(图4b),当FRP加固用量较大时,柱身的FRP直接承受剪力,并对混凝土提供有效的约束,避免了剪切破坏的发生,最后加固试件都发生了塑性铰区约束失效的弯曲破坏,4.5层CFRP加固的柱CI2和BFRP加固的柱CI3破坏均属此情况(图4c、4d)。

3.2 荷载位移曲线

各试件的峰值荷载、极限位移及侧向位移角见.表2。其中,峰值荷载为整个加载过程的最大水平荷载,极限位移定义为试件破坏或水平荷载下降至0.85倍峰值荷载时所对应的侧向位移,侧向位移角定义为极限位移和柱有效高度的比值,试验结果取正反方向的平均值。

图5给出了各试件的滞回曲线，可以看出:未加固柱过早发生剪切破坏，极限位移极小,延性极差,耗能能力低;1.0层CFRP加固的柱发生了弯剪破坏,相对于未加固柱延性有所增强,但最终还是发生了脆性的剪切破坏;对于弯曲破坏的柱CL2-4.5C和CL3-BF,延性很好,滞回环饱满,耗能能力强;比较CL2-4.5C与CL3- BF,两者的滞回曲线比较接近,表明CBF丝束缠绕对圆柱的抗震加固与CFRP布包裹加固对抗震性能提高都非常有效。

3.3   不同参数下FRP应变特性及发展规律

在试验时，每个试件柱身4个对称面上从柱底150mm起,沿高度间隔50mm均匀布置应变片,以监测FRP应变特征及发展规律,应变片布置详见图6。图7为柱4.5层CFRP加固的试件南面测点F13~ F16应变和位移延性系数的关系,可以看出，从柱底向上应变逐渐变小，基本呈线性分布,到10 倍位移延性系数时侧向承载力衰减比较严重,柱身应变的规律也有所变化。图8为BFRP加固的试件CL3- BF南面测点F16 应变和侧向位移的关系,可以看出，随着位移增大,应变不断变大,并且当位移回归为零时残余应变也不断变大。图9为弯剪破坏柱CL1- 1.0C和弯曲破坏柱CL2-4.5C在侧向位移18mm时,南面测点应变分布,可见发生弯剪破坏的柱CL1-1.0C柱身中部FRP应变大于柱底,而发生弯曲破坏的柱CL2-4.5C柱底应变大于柱身应变,最后破坏时也是柱底纤维首先破坏。

当CFRP用量较小时,CFRP对混凝土的约束和对裂缝的限制作用不大,故混凝土裂缝开展迅速,相应地，CFRP应变增长也很快,如图10中柱CL1 -1.0C柱身平均应变和位移关系曲线所示。当CFRP用量较大时，CFRP加固柱的受剪承载力得到提高,核心区的混凝土受到较强的约束。总体上,CFRP应变发展较为缓慢,而且基本稳定在某一固定值左右，对于BFRP加固的试件CL3- BF,纤维应变发展规律和试件CL2 -4.5C基本相同。

3.4 滞回耗能分析

图5给出了各试件的滞回曲线,可以看出:未加固柱发生剪切破坏，极限位移小，延性差,耗能能力极低;1.0层CFRP加固柱抗震性能有所改善,但最后破坏形式为剪切破坏;试件CI2-4.5C、CL3- BF发生弯曲破坏，延性好,滞回环饱满,耗能能力强。对试件抗震耗能性能可以通过计算荷载-位移曲线下所包围的面积来评估。本文对4.5层CFRP加固试件和BFRP加固试件每次位移加载下第一个滞回环的面积进行了计算,以对比研究两者的滯回耗能性能。由图11可见,这两个试件的耗能性能基本相当,只是在侧向位移达到48mm时曲线稍有差别。从试验的滞回曲线可以看出,当侧向位移达到48mm时,两个试件的侧向承载能力都有明显的下降,对于BFRP加固的试件侧向承载力的衰减稍好于4.5层CFRP加固的试件,体现出在相同侧向约束刚度情况下,BFRP在混凝土圆柱抗震加固中也能有很好的抗震耗能性能。

图12为试件CL2-4.5C和CI3-BF有效粘滞阻尼系数β比较,β计算方法见参考文献[4]。可以看出,在约2倍屈服位移之后，相同位移等级下,玄武岩纤维加固试件有效粘滞阻尼系数稍好于4.5层CFRP约束试件。

4 FRP 加固混凝土柱承载力计算

4.1受弯承载力计算

加固柱受弯承载力的计算方法比较成熟5)。关键是选用合适的FRP约束混凝土的应力-应变关系模型(6,] ,然后可用条带法进行非线性分析8,或者选用目前一些通用的非线性分析软件,如OPENSEES(9]。图13给出了计算得到的CL2-4.5C和CL3- BF的弯矩-曲率曲线，可以看出,计算的受弯承载力与试验值符合较好,CL3- BF和CI2 -4.5C的弯矩-曲率曲线较为接近,这也与试验结果比较吻合,基于该弯矩-曲率曲线可以系统分析各种参数对加固效果的影响。

4.2受剪承载力计算

FRP加固钢筋混凝土圆柱抗剪承载力V计算公式一般采用简单叠加形式，即在钢筋混凝土圆柱抗剪承载力Vec的基础上,叠加FRP对加固柱抗剪承载力V; 的贡献，表达形式为:

V=Vrc+Vf       (1)

对于柱身全包FRP加固时，V;可由式(2)计算:

其中,Pr为FRP配纤率,当采用柱身全包FRP加固时ρ:=2nrtID,nt为FRP层数,1为单层FRP厚度, D为圆柱的直径,E,为FRP弹性模量,θ为斜裂縫与柱轴线的夹角,一般偏保守地取为45°,εp为FRP有效拉应变。

计算抗剪承载力的关键是有效拉应变的确定，其取值与截面形式、FRP种类、破坏模式等很多因素有关,对BFRP加固时ε。的取值需要进一步系统研究,但在目前BFRP抗震加固试验数据较少的情况下暂时可以参照规范确定10。

5结论

根据CFRP布材包裹与BF丝束缠绕加固墩柱的试验对比情况，可以看出:BFRP加固能显著提高混凝土圆柱的抗震性能，特别是其价格要比CFRP便宜得多,所以在抗震加固中比CFRP有优势,值得推广应用。

参考文献

1胡显奇,申屠年.连续玄武岩纤维在军工及民用领城的应用.高科技纤维与应用,2005(12)

2吴刚,胡显奇,蒋剑彪,等.连续玄武岩纤维在墩柱抗震加固中的应用研究//2005年全国FRP会议论文集.西安:2005

3顾冬生,吴刚,吴智深,等.CFRP加園高轴压比钢筋混凝土短圆柱抗震性能试验研究.工程抗震与加固改造，2006(12)

4吴刚，魏洋,蒋剑彪,等.玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土矩形柱抗震性能比较研究.工业建筑,2007 ,37(6);14- 18

5 Seible F. Scismic Retrofit of RC Columns with Continuous Carbon FiberJackets. ASCE, Journal of Composites for Construction, 1997(3):52 -62

6吴刚,吕志涛. FRP约束混凝土圆柱无软化段时的应力-应变关系研究.建筑结构学报,2003,24(5);1-8

7吴刚,吕志涛,吴智深. FRP约柬混凝土圆柱有软化段时的应力-应变关系研究.土木工程学报2006,39(11);7-14

8过镇海.混凝土的强度和本构关系-原理和应用，北京:中国建筑工业出版社,2004

9 Open System for Earthquake Engineering Simulation User Manual,University of Califomnia, Berkeley, Version 1.7,2006

10纤维增强复合材料工程 应用技术规范(征求意见稿).2006

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