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(xué)土木工程學(xué)院南京210096) (北京特希達(dá)科技集團(tuán)北京100011)
胡顯奇
(橫店集團(tuán)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(xué)性能、較好的穩(wěn)定性和較低的價(jià)格使其在土木工程中的應(yīng)用前景廣闊,但目前玄武巖纖維在土木工程中應(yīng)用的相關(guān)研究還極少。通過(guò)對(duì)連續(xù)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(duì)比試驗(yàn),對(duì)FRP種類和用量對(duì)加固效果的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)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(jià)比更好。
關(guān)鍵詞:混凝土圓柱 連續(xù)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(qiáng)復(fù)合材料(FRP)在土木工程特別是抗震加固中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(lǐng)域中的應(yīng)用最多,但價(jià)格相對(duì)較高,而且碳纖維原絲基本依賴進(jìn)口。GFRP和AFRP價(jià)格便宜,力學(xué)性能比CFRP差,且有些物理性能不理想,影響了其應(yīng)用。
連續(xù)玄武巖纖維( Continuous Basalt Fibre簡(jiǎn)稱CBF)是前蘇聯(lián)經(jīng)過(guò)了30多年研究開(kāi)發(fā)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(guò)鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維。它與碳纖維、芳綸等其他高科技纖維相比,具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如力學(xué)性能佳,耐高溫性能好,可在- 269~ 700C范圍內(nèi)連續(xù)工作,耐酸耐堿，抗紫外線性能強(qiáng),吸濕性低,有更好的耐環(huán)境性能等優(yōu)點(diǎn),因此很有發(fā)展前景,尤其是最近幾年,中國(guó)也有了CBF的批量生產(chǎn),開(kāi)始重視BF的推廣應(yīng)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值3 500MPa左右,彈性模量235CPa左右,極限拉伸應(yīng)變1.5%左右。連續(xù)玄武巖纖維1是根據(jù)廠家早期的玄武巖纖維無(wú)捻粗紗纖維絲束材性試驗(yàn)測(cè)得的力學(xué)指標(biāo)4,也是本試驗(yàn)所采用的材料,其拉伸強(qiáng)度1 835MPa, 彈性模量92GPa左右,極限拉伸應(yīng)變1 .99%左右。連續(xù)玄武巖纖維2表示最近廠家穩(wěn)定生產(chǎn)后一批玄武巖纖維布的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度2 332MPa,彈性模量06GPa,極限拉伸應(yīng)變2.4%左右。從圖1中可以看出,碳纖維的強(qiáng)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(yōu)勢(shì),但玄武巖纖維的拉伸應(yīng)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(yōu)勢(shì),因此,首先進(jìn)行了玄武巖纖維加固混凝土圓柱抗震性能的試驗(yàn)研究,并與碳纖維加固進(jìn)行了比較。
2試件設(shè)計(jì)及加固方案試驗(yàn)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(qū)段長(zhǎng)度800mm,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值4.3MPa,縱筋12中25mm,屈服強(qiáng)度382 . 4MPa,箍筋6@150,箍筋屈服強(qiáng)度319.8MPa;試驗(yàn)時(shí)軸壓力為1200kN。為了防止試驗(yàn)時(shí)柱根部與底座交界剛度突變處過(guò)早破壞、變形集中等,柱根部100mm范圍內(nèi)對(duì)縱筋、箍筋配置給予了特別加強(qiáng)(此區(qū)段不作為試驗(yàn)區(qū)段),則試驗(yàn)柱的有效長(zhǎng)度為700mm。并且附加纏繞3層CFRP給予特別加強(qiáng)。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(guò)程,纏繞中嚴(yán)格控制質(zhì)量,確保纖維絲柬均勻分布、均勻浸透樹(shù)脂膠體。待膠體完全固化后,進(jìn)行試驗(yàn),各試件基本試驗(yàn)參數(shù)及加固情況見(jiàn)表1。本文所列試件為課題組FRP抗震加固系列試驗(yàn)研究中的一部分，試件更詳細(xì)情況可參見(jiàn)
本文進(jìn)行了4個(gè)試件的試驗(yàn)。其中一個(gè)未加固試件作為標(biāo)準(zhǔn)柱,1層和4.5層CFRP布材包裹加固柱各一個(gè),CFRP性能根據(jù)同批產(chǎn)品拉伸試驗(yàn)得到，強(qiáng)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(gè)。主要研究不同力學(xué)性能的纖維對(duì)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(duì)于加固柱的破壞形式、耗能能力、位移延性等的影響。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。
3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1試件的破 壞形態(tài)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(dāng)加固量較小時(shí)(1層CFRP加固的柱CL1- 1.0C),加載過(guò)程中柱身首先出現(xiàn)斜向的剪切裂縫,柱身局部纖維發(fā)生斷裂,隨著側(cè)向位移的不斷增加,CFRP發(fā)生大范圍斷裂，試件失去承載能力,為彎剪破壞(圖4b),當(dāng)FRP加固用量較大時(shí),柱身的FRP直接承受剪力,并對(duì)混凝土提供有效的約束,避免了剪切破壞的發(fā)生,最后加固試件都發(fā)生了塑性鉸區(qū)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(cè)向位移角見(jiàn).表2。其中,峰值荷載為整個(gè)加載過(guò)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(shí)所對(duì)應(yīng)的側(cè)向位移,側(cè)向位移角定義為極限位移和柱有效高度的比值,試驗(yàn)結(jié)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(guò)早發(fā)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(fā)生了彎剪破壞,相對(duì)于未加固柱延性有所增強(qiáng),但最終還是發(fā)生了脆性的剪切破壞;對(duì)于彎曲破壞的柱CL2-4.5C和CL3-BF,延性很好,滯回環(huán)飽滿,耗能能力強(qiáng);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(duì)圓柱的抗震加固與CFRP布包裹加固對(duì)抗震性能提高都非常有效。
3.3 不同參數(shù)下FRP應(yīng)變特性及發(fā)展規(guī)律
在試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)試件柱身4個(gè)對(duì)稱面上從柱底150mm起,沿高度間隔50mm均勻布置應(yīng)變片,以監(jiān)測(cè)FRP應(yīng)變特征及發(fā)展規(guī)律,應(yīng)變片布置詳見(jiàn)圖6。圖7為柱4.5層CFRP加固的試件南面測(cè)點(diǎn)F13~ F16應(yīng)變和位移延性系數(shù)的關(guān)系,可以看出，從柱底向上應(yīng)變逐漸變小，基本呈線性分布,到10 倍位移延性系數(shù)時(shí)側(cè)向承載力衰減比較嚴(yán)重,柱身應(yīng)變的規(guī)律也有所變化。圖8為BFRP加固的試件CL3- BF南面測(cè)點(diǎn)F16 應(yīng)變和側(cè)向位移的關(guān)系,可以看出，隨著位移增大,應(yīng)變不斷變大,并且當(dāng)位移回歸為零時(shí)殘余應(yīng)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(cè)向位移18mm時(shí),南面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布,可見(jiàn)發(fā)生彎剪破壞的柱CL1-1.0C柱身中部FRP應(yīng)變大于柱底,而發(fā)生彎曲破壞的柱CL2-4.5C柱底應(yīng)變大于柱身應(yīng)變,最后破壞時(shí)也是柱底纖維首先破壞。
當(dāng)CFRP用量較小時(shí),CFRP對(duì)混凝土的約束和對(duì)裂縫的限制作用不大,故混凝土裂縫開(kāi)展迅速,相應(yīng)地，CFRP應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)也很快,如圖10中柱CL1 -1.0C柱身平均應(yīng)變和位移關(guān)系曲線所示。當(dāng)CFRP用量較大時(shí)，CFRP加固柱的受剪承載力得到提高,核心區(qū)的混凝土受到較強(qiáng)的約束。總體上,CFRP應(yīng)變發(fā)展較為緩慢,而且基本穩(wěn)定在某一固定值左右，對(duì)于BFRP加固的試件CL3- BF,纖維應(yīng)變發(fā)展規(guī)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(fā)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(fā)生彎曲破壞，延性好,滯回環(huán)飽滿,耗能能力強(qiáng)。對(duì)試件抗震耗能性能可以通過(guò)計(jì)算荷載-位移曲線下所包圍的面積來(lái)評(píng)估。本文對(duì)4.5層CFRP加固試件和BFRP加固試件每次位移加載下第一個(gè)滯回環(huán)的面積進(jìn)行了計(jì)算,以對(duì)比研究?jī)烧叩臏睾哪苄阅?。由圖11可見(jiàn),這兩個(gè)試件的耗能性能基本相當(dāng),只是在側(cè)向位移達(dá)到48mm時(shí)曲線稍有差別。從試驗(yàn)的滯回曲線可以看出,當(dāng)側(cè)向位移達(dá)到48mm時(shí),兩個(gè)試件的側(cè)向承載能力都有明顯的下降,對(duì)于BFRP加固的試件側(cè)向承載力的衰減稍好于4.5層CFRP加固的試件,體現(xiàn)出在相同側(cè)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(shù)β比較,β計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]?？梢钥闯?在約2倍屈服位移之后，相同位移等級(jí)下,玄武巖纖維加固試件有效粘滯阻尼系數(shù)稍好于4.5層CFRP約束試件。
4 FRP 加固混凝土柱承載力計(jì)算
4.1受彎承載力計(jì)算
加固柱受彎承載力的計(jì)算方法比較成熟5)。關(guān)鍵是選用合適的FRP約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型(6,] ,然后可用條帶法進(jìn)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(jì)算得到的CL2-4.5C和CL3- BF的彎矩-曲率曲線，可以看出,計(jì)算的受彎承載力與試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果比較吻合,基于該彎矩-曲率曲線可以系統(tǒng)分析各種參數(shù)對(duì)加固效果的影響。
4.2受剪承載力計(jì)算
FRP加固鋼筋混凝土圓柱抗剪承載力V計(jì)算公式一般采用簡(jiǎn)單疊加形式，即在鋼筋混凝土圓柱抗剪承載力Vec的基礎(chǔ)上,疊加FRP對(duì)加固柱抗剪承載力V; 的貢獻(xiàn)，表達(dá)形式為:
V=Vrc+Vf (1)
對(duì)于柱身全包FRP加固時(shí)，V;可由式(2)計(jì)算:
其中,Pr為FRP配纖率,當(dāng)采用柱身全包FRP加固時(shí)ρ:=2nrtID,nt為FRP層數(shù),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(yīng)變。
計(jì)算抗剪承載力的關(guān)鍵是有效拉應(yīng)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(guān),對(duì)BFRP加固時(shí)ε。的取值需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究,但在目前BFRP抗震加固試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少的情況下暫時(shí)可以參照規(guī)范確定10。
5結(jié)論
根據(jù)CFRP布材包裹與BF絲束纏繞加固墩柱的試驗(yàn)對(duì)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(jià)格要比CFRP便宜得多,所以在抗震加固中比CFRP有優(yōu)勢(shì),值得推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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9 Open System for Earthquake Engineering Simulation User Manual,University of Califomnia, Berkeley, Version 1.7,2006
10纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工程 應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(征求意見(jiàn)稿).2006
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