玄武岩纤维加固混凝土短柱试验研究.pdf

低温建筑技术 2 0 1 1年第 1 1 期 ( 总 1 6 1期 ) 玄武岩纤维加 固混凝土短柱试 验研 究 陈筱妹 ， 俞可权。 ( 1 华南理工大学 土木交通学院 广州5 1 0 6 4 0 1 ； 2 同济大学结构工程与防灾研究所 上海2 0 0 0 9 2 ) 【 摘 要】 针对工程中大量存在的结构短柱现象， 本文研究了玄武岩纤维布( B F R P ) 加固矩形短柱的抗震性 能。试验结果表明： 使用 B F R P加固混凝土短柱， 试件极限承载力提高效果不明显 ， 但极限位移大幅提高， 抗震耗 能能力增强 ， 破坏模式由剪切破坏转变为弯剪破坏。同时， 试验表明纤维加固量的增加对试件的抗震性能影响 甚 小。 【 关键词】 短柱； 玄武岩纤维； 抗震性能 【 中图分类号】 T U 3 7 7 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 3 4 0 3 EXPE R ENTAL S TUDY oF RE l NF oRCED CoNCRETE S HoRT CoLUM N S TRENGTHENED W I T H BF RP CHEN Xi a o me i 。YU Ke q u a n ( 1 D e p o f C i v i l E n g i a n d T r a n s p o r t a t i o n ， S o u t h C h i n a U n i v o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， C h i n a ； 2 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i a n d D i s a s t e r R e d u c t i o n ， T o n i U n i v ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： C o n s i d e r i n g t h e l a r g e e x i s t e n c e o f s h o rt c o l u mn s i n e n g i n e e r i n g ，t h e i n v e s t i g a t i o n s o n t h e s e i s m i c b e h a v i o r s o f s h o r t c o l u m n s s t r e n g t h e n e d w i t h b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c( B F R P )s h e e t s w e r e c a r r i e d o u t i n t h i s p a p e r I t i s c o n c l u d e d t h a t t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f s h o r t c o l u mn s w i t h B F RP i n c r e a s e d s l i s h tl y ，w h e r e a s t h e u l t i ma t e d i s p l a c e me n t s o f the me mb e r s we r e l a r g e l y i mp r o v e d a n d the e n e r gy d i s s i p a t i o n c a p a c i t y o f s h o rt c o l u mn s i n c r e a s e d d r a s t i c a l l y Me a n w h i l e ，t h e i n c r e a s e i n t h e a mo u n t o f r e i n f o r c e m e n t ( B F R P )c a n n o t s i g n i fi c a n t l y e n h a n c e th e s e i s m i c p e r f o r ma n c e o f s h o r t c o l u m n s p e c i m ens Ke y wo r d s ： s h o rt c o l u mn； b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c； s e i s mi c b e h a v i o r s 玄武岩纤维 ( B F R P ) 是一种新型无机纤维材料 ， 其力学强度高， 化学稳定性好。在建筑修复、 加固和 更新领域中， 吴刚 等进行了玄武岩纤维丝柬缠绕与 碳纤维布包裹加固圆柱和方柱在低周反复荷载下的 对比试验 ， 证实了玄武岩纤维加固对提高混凝土柱抗 剪承载力 、 延性及耗能能力的有效性， 指出玄武岩纤维 丝束缠绕加固能够显著提高混凝土柱的抗剪承载力， 改变试件的破坏形态 ， 在相近侧向约束刚度下， 玄武岩 纤维加固对柱承载力的提高及延性、 耗能等结构性能 的改善都能够达到， 甚至超过 C F R P加固柱， B F R P加 固混凝土柱具有更好的抗震性能。 李志强等 对 6 根混凝土梁进行了抗剪加固试验 研究， 通过分析加固后梁的破坏特征、 抗剪承载力， 证 实了采用玄武岩纤维对混凝土梁进行加 固能延缓斜 裂缝的出现， 约束斜裂缝的发展， 从而提高梁的抗剪承 载能力 、 刚度以及变形能力。同等条件下， 该试验方案 比采用碳纤维加 固更加经济。麻建锁等 采用玄武 岩纤维布对 6根混凝土偏压柱进行加固试验研究， 试 验结果表明： 玄武岩纤维加固偏压柱的极限承载能力 和变形能力都得到了明显提高。 本文针对工程中大量存在的混凝土短柱现象， 在 国内外现有研究成 果 的基 础上 ， 进行 了玄武岩 纤维 布 加固矩形截面混凝土短柱的抗震性能试验研究。对 1 根对比柱和2根全长用玄武岩纤维布加固的无损伤混 凝土短柱进行低周反复荷载试验。主要考察不同加固 量的混凝土短柱的受力性能， 包括各试件破坏模式、 水 平承载力、 刚度、 延性和能量耗散能力及各指标随加固 量的变化规律 ， 试件受载过程中各种材料的应变变化 ， 并对试验现象进行分析。 1 试验概况 ( 1 ) 试件制作及加固方案： 制作 3个钢筋混凝 土短柱， 分别为 1 个标准柱， 2个玄武岩加固柱， 试件 编号为 S一 0 ， SB 2 ， SB 3 ， 分别表示不包裹、 包裹 2 层和3层玄武岩纤维布加固。试件的混凝土设计强度 陈筱妹等： 玄武岩纤维加固混凝土短柱试验研究 3 5 为 C 3 0 ， 混凝土保护层厚度均为 3 0 ra m， 各试件的尺寸 及配筋形式均相同。短柱截面为 3 0 0 ra m3 0 0 m m， 有 效长度为 8 0 0 ra m。本次试验 中所用玄武岩纤维布材 料： 抗拉强度为 2 1 0 0 M P a 、 弹性模量为 9 1 0 0 0 MP a 、 延伸 率为 2 6 、 厚度为 0 1 7 0 m m。 ( 2 ) 试验加载制度 ： 试 验 中竖 向荷载恒定为 6 0 0 k N 。试验过程 中采用相同的轴压 比0 4 6 ， 相同的 剪跨比2 9 6 。水平加载程序采用荷载 一变形双控制 的加载制度 ： 短柱纵筋屈服之前采用荷载控制并分级 加载 ， 控制荷载为每级 2 0 k N， 每级荷载稳定 3 ra i n后测 量数据。每级加载、 卸载、 反向加载、 再卸载循环一次。 当柱内任意一根纵筋屈服后采用变形控制， 此时的位 移 ) ， 作为屈服位移并以此屈服位移的0 5倍作为控 制条件加载。每级位移反复循环 3次， 直至最大位移 控制下的水平力下降到峰值荷载的 8 5 ， 此时认为短 柱破坏 ， 试验结束。 2 试 验结果及分析 2 1 试件破坏模式 试件的破坏模式如图 1 所示 ， 未加固短柱为典型 的脆性剪切破坏； 2层玄武岩和 3层玄武岩加固的短 柱已经成功转化为弯剪破坏。 【 且 )未加固柱破坏模式 2 层纤维加固柱破坏模式 ( c ) 3 层纤维加固柱破坏模式 图1 短柱破坏模式 ( 1 ) S一 0( 未 加固标准 柱) 。当水平力加 至 1 2 0 k N时， 左侧下部竖向钢筋应变开始屈服。当水平 力达到 1 4 0 k N时， 左侧柱底出现水平裂缝。位移控制 阶段， 当位移曾至 8 m m后的第三个循环 ， 柱背面右侧 下方柱脚处开裂且在背面出现细微交叉斜裂缝； 当位 移增至 1 2 m m后 ， 第一个循环中部正面出现斜裂缝并 向下伸展， 背面斜裂缝继续开展。当位移增至 2 0 m m 后， 正面、 左侧面角部混凝土均压碎、 脱落并伴有较大 的开裂声。当位移增至 2 4 m m后， 混凝土沿斜裂缝方 向突然破坏， 箍筋拉断。构件破坏没有明显的征兆， 属 于明显的剪切破坏。 ( 2 ) sB 2 ( 2层玄武岩纤维加 固短柱) 。当水 平力推至 1 6 0 k N时， 纵筋进入屈服状态 ， 试验从水平 力控制加载 阶段转入位移控制 阶段。位移为 1 0 m m 时， 柱表面纤维无任何应力集中现象 ， 柱没有明显的变 形， 局部玄武岩纤维横向紧绷。当位移增至 2 0 m m后， 左右侧柱底中部玄武岩纤维鼓起且正面、 背面玄武岩 纤维愈加紧绷。当位移增至 2 5 m m时 ， 柱有明显弯曲 变形， 正面下部玄武岩纤维沿水平方向出现白色条纹， 说明此处玄武岩纤维有沿水平方向开裂迹象。当位移 增至3 7 m m后 ， 角部玄武岩纤维开裂剥离， 主要纤维白 色条纹已基本贯通， 承载力下降至 1 2 8 K N， 承载力退化 超2 0 ， 此时可认为构件已经破坏。从实验现象判断 构件 s s 2的破坏形态为弯剪破坏。 ( 3 ) sB 3 ( 3层玄武岩纤维加固短柱) 。SB 3 试件的破坏模式与 S B 2试件大致相同， 且从实验现 象判断构件 s B 3的破坏形态为弯剪破坏。 2 2 峰值荷载及延性分析 各试件的峰值荷载、 极限位移及延性系数见表 1 。 其中， 峰值荷载为整个加载过程的最大水平荷载， 极限 位移定义为水平荷载下降至 0 8 5倍峰值荷载时所对 应的侧向位移 ， 延性系数为极限位移与该试件屈服位 移的比值。 表 1 各试件柱端加载极限位移和极限荷载 玄武岩纤维的加固有效地提高了试件的抗剪承 载力， 抗剪承载力的提高为改善、 转变试件的破坏模式 成为可能 ， 从脆性剪切破坏转变到带有延性弯剪破坏。 玄武岩纤维布加固短柱后的极限承载力提高不明显， 最大提高程度也只能达到 1 2 1 2 ， 但是用纤维布加 固短柱后极限位移的提高较为明显， 用 3层玄武岩纤 维布加固短柱后 的极限位移提高 5 8 3 3 。同时， 对 3 6 低温建筑技术 2 0 1 1年第 1 1 期 ( 总第 1 6 1 I 翊) 比 s B 2 、 s B 3发现加固量的增加对提高混凝土短 柱的极限荷载、 极限位移作用不明显。 2 3 滞回曲线 结构的耗能能力对其在地震荷载作用下的抗震 性能起着决定性的作用 ， 其滞回曲线中加载阶段荷载 一 位移曲线下所包围的面积能够反映结构吸收能量 的大小( 即结构产生的应变能) ， 而卸载曲线与加载曲 Z 销 捉 * z uu 1 5 O 1 0 o 0- 厂2 4 6 Z 销 枢 线所包 围的阴影面积 即为耗 散的能量 ， 耗散 的能量 越 多 ， 结构在地震 中破坏的可能性越小 。 图2给出了各试件的滞回曲线对 比情况， 可以看 出： 未加固柱过早发生剪切粘结破坏， 极限位移极小 ， 延性极差， 滞 回环瘦小， 耗能能力极低 ； SB 3与 S B 2加固柱， 破坏模式从剪切破坏转变为弯剪破坏， 延 性较好， 滞回环饱满， 耗能能力强。 ZUU 。 1 5 0 一 0 4 0 6 Z 铺 枢 UU 1 5 O l 0 0 4 0。6 一，m 水平位移 ra m 水平位移 ram 水平位移 ra m ( a )S - O i件荷载一 位移滞 回曲线 ( b )S - B 2 加固柱荷载一 位移滞回曲线 ( c )S - B 3 加固柱荷载一 位移滞 回曲线 图2试件荷载一 位移滞回曲线 3结 语 本文基于国内外已有玄武岩纤维 ( B F R P ) 研究， 应用 B F R P对短柱进行加 固处理 。研究 1根对 比柱 和 2 根全长用 B F R P加固的无损伤混凝土短柱低周反复 性能 ， 探讨 B F R P对 于短柱 抗震 性能 的作 用效果 。试 验结果表 明： ( 1 ) B F R P加 固短柱 的极 限承载力提高不 明显 ， 最大提高程度为 1 2 1 2 ， 但 B F R P加固短柱的极限位 移提高较为明显， 用 3层玄武岩纤维布加 固短柱后的 极限位移提高 5 8 3 3 。同时， 加固量的增加对提高 混凝土短柱的极限荷载、 极限位移作用不明显。 ( 2 ) 分析试件滞回曲线得到 ： 未加固短柱过早 发生剪切破坏 ， 极限位移小 ， 延性差， 滞回环瘦小， 耗能 能力低， 骨架曲线没有明显屈服平台； SB 3与 s B 2 加固柱， 破坏模式从剪切破坏转变为弯剪破坏 ， 延性较 好， 滞回环饱满 ， 耗能能力强。同样 ， 加固量的增加对 试件的耗能能力 没有 明显 提升作用 。 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域的应用 J 高科技纤维与应用 ， 2 0 0 5， 3 0( 6 ) ： 7一l 3 2 吴刚， 魏洋， 吴智深 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 J 工业建筑， 2 0 0 7 ， 7 ( 6 ) ： 4 2 4 6 3 1 李志强 ， 麻建锁 ， 白润山 玄武 岩纤维 布提高钢筋 混凝土 梁受 鲍承载力试验研究 J 河北建筑工程学院学报， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 3 ) ： 7 8 4 麻建锁， 白润山， 郝勇 玄武岩纤维布加固混凝土偏压柱试验 方法研究 J 河北建筑工程学院学报， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 3 ) ： 1 4 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 一 o 7 作者简介 陈筱妹( 1 9 8 6 一) ， 女， 江西南 昌人， 研究生， 研究 方 向： 混凝土抗火。 本刊投稿需知 1 来稿律采用科技期刊论文编辑格式 ， 请采用打字 稿并寄 低温建筑技术 编辑部， 或发送电子邮件到 ： l o w t e m 1 6 3 c o m本刊编辑部邮箱。 2 正文内容如下： 中文题 目( 尽量控制在 1 8个字之 内) ， 作者姓名 ， 工作单位全称与所在省 、 市及邮编， 英文题 目、 摘要及关键词， 正文( 文中图表要精选、 清晰、 层次分明， 插图要按制图标准绘制) 。 3 参考文献( 按 中国学术期刊检索与评价数据规范 标注， 未公开发表的资料不列人参考文献) 。 4 第一作者简介 ( 包括姓名、 出生年份、 性别、 学位、 职 务 ， 所从事研究工作) ， 并标明详细通信地址和联系电话n