變電站纖維布加固混凝土的抗震性能研究

張濤

摘 要：針對傳統變電站鋼筋混凝土中低強混凝土配筋柱抗震性能差的問題，提出用玄武巖纖維復合材料（BFRP）對變電站低強混凝土配筋柱進行加固。分析了軸壓比，剪跨比和加固方式對混凝土配筋柱抗震性能影響。結果表明：未經BFRP布加固的試件破壞形態主要為脆性彎剪，極限位移為40mm。經過BFRP布加固后，破壞形態轉為彎曲破壞，極限位移增長至120mm。在同等BFRP布包裹的情況下，全包加固方式承載力和對抗震性能的優化明顯優于條帶加固方式;隨軸壓比的增加，試件塑性變形能力明顯降低。隨剪跨比的提高，試件承載力明顯增加，極限位移明顯減小。

關鍵詞：抗震性能;玄武巖纖維;低周反復側向加載試驗;低周反復側向加載試驗

中圖分類號：TP392 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0067-05

Study on Seismic Behavior of Concrete Strengthened with Fiber Sheet in Substation

Zhang Tao

（Yangzhou Power Supply Company， Yangzhou 225001， China）

Abstract：In order to solve the problem of poor seismic performance of low-strength concrete reinforced columns in traditional substations， basalt fiber reinforced polymer （BFRP） was used to reinforce the low-strength concrete reinforced columns. The influences of axial compression ratio， shear-span ratio and strengthening methods on seismic behavior of reinforced concrete columns are analyzed. The results show that the failure mode of the specimens strengthened without BFRP sheets is brittle bending shear and the ultimate displacement is 40mm. After strengthening with BFRP sheets， the failure mode turns to flexural failure and the limit displacement increases to 120mm. In the case of the same BFRP wrap， the bearing capacity and seismic performance of the all-wrapped method are better than those of the strip reinforcement method， and the plastic deformation capacity of the specimen decreases with the increase of axial compression ratio. With the increase of shear-span ratio， the bearing capacity of the specimen increases significantly， and the ultimate displacement decreases significantly.

Key words：seismic performance; basalt fiber; low cycle repeated lateral loading test; low cycle repeated lateral loading test

隨著現代建筑行業發展，對建筑的質量要求也隨之增加。傳統鋼筋混凝土中柱混凝土抗震性能差，無法滿足現行抗震標準的要求。在出現地震時，有較高的倒塌風險，給人民群眾的安全帶來了極大的隱患。為提升低強混凝土配筋柱抗震性能，國內很多學者也作出很多研究。如江世永[1]以剪跨比和軸壓比為變量，對經過預損傷處理，再用碳纖維布進行加固修復的試件和不加固試件進行反復荷載下的抗震性能試驗，證實了碳纖維布能有效對損傷混凝土進行加固;王作虎[2]則通過低周反復荷載試驗和有限元分析，研究了CFRP筋參數對其抗震性能的影響，證實了碳纖維增強復合材料對高強混合配筋柱的極限承載力、變形能力、屈服強度和極限強度都有明顯優化的作用。以上專家的研究為纖維復合材料加固混凝土配筋柱抗震性能提升奠定了基礎。但這些研究只停留于高強混凝土，對低強混凝土的研究還較為局域。基于此，本文嘗試以玄武巖纖維布為主要材料，以軸壓比，剪跨比和加固方式為參數，對低強混凝土配筋柱抗震性能進行優化。為提升低強混凝土配筋柱抗震性能提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本試驗主要材料：水泥（河南壘固建筑工程有限公司，P.O42.5）、天然砂（山東同業環保工程有限公司，II級中砂）、碎石（靈壽縣耀泰礦產品有限公司，粒徑：5mm～31.5mm）、聚羧酸減水劑（濟南匯錦川化工有限公司，CP）、粉煤灰（鹽城市科建環保工程有限公司，I級）。

本試驗主要設備：液壓伺服作動器（濟南勝工試驗機有限公司，MTS）、千斤頂（江蘇榮美液壓設備制造有限公司，JRCS-101）、應變測試系統（華礦重工有限公司，JM3813）

1.2 配合比設計

按照一般混凝土制備比例對混凝土配合比進行設計。具體配合比設計如表1所示[3]。

1.3 試驗方法

1.3.1 試件制備

（1）制備兩種類型，直徑為300mm的圓柱試件，一種類型柱高1850mm，第二種類型柱高為1300mm（兩種類型皆包含基座高度400mm）。試件尺寸和配筋如圖1所示。

（2）提前制備試件支模。圓柱支模主體為PVC管，在管道拐角放置倒角半徑為25mm圓弧木條。按照表1比例拌和混凝土一次澆筑而成。

（3）柱外包方式為3層BFRP外包，約束方式分為兩種，分別為是全包柱底600mm內全包和，和柱底800mm內用200mm寬纖維布包裹，包裹間隔為100mm，兩種約束方式所用纖維布用量相同。軸壓比為0.3、0.6、0.9.具體參數設置如表2所示。

表2中，命名規則為：字母B表示BFRP，后面數字代表包裹層數;字母S后數字表示混凝土等級;字母A后數字表示軸壓比;L表示剪跨比為2.08，沒有則默認為3.91;P代表條帶約束方式，沒有則默認全包方式。

1.3.2 試驗過程

（1）用反力墻上固定的液壓伺服作動器對圓柱施加低周水平荷載，用弧形鋼板夾具連接作用器水平施力端和圓形截面試件[4]。該連接方式可以保證試件的自由轉動和加載點的準確。

（2）施加豎向荷載的裝置為自設計的平衡裝置。將試件放在基座上，然后將反力梁放于基座中間的矩形槽口中。將150kN千斤頂置于試件頂部，提供豎向壓力。在千斤頂上放置上反力梁。用精軋螺絲鋼分別穿過上下反力梁前后兩端開的圓孔，錨緊。此方法可在實現自平衡加載的同時不約束施加水平荷載時樁頂水平位移，同時，千斤頂不斷施加豎向壓力[5]。

（3）將柱腳用反力架緊壓于地面，基座右側與水平千斤頂連接，左側混凝土與反力墻連接。用厚鋼板以及兩側錨接的鋼拉桿進行固定。具體加載裝置如圖2所示。

1.4 加載制度

提前利用豎向千斤頂加載至預定值，使之保持恒定狀態，然后進行水平低周反復荷載試驗。水平荷載的施加方法為全位移控制[6]。具體方法為：通過數值模擬結果可知，未加固柱屈服位移為10mm，在試件屈服前，加載位移步長為2.5mm，每級循環一次;試件屈服后，加載位移步長為5mm，位移步長的增加由加載位移根據屈服位移決定，每級循環2次。具體加載制度如圖3所示。

1.5 測點布置與數據采集

MTS液壓伺服加載系統自動采集水平荷載和位移。在試件關鍵位置表面粘貼應變片，用JM3813應變測試系統采集應變數據。在條帶加固柱距離柱底350mm和450mm處增加BFRP應變測點，其余應變片布置與其他試件一致。具體應變片布置如圖4所示。在圖4中，Z表示縱筋應變片;C表示混凝土應變片;F表示BFRP布應變片;G表示箍筋應變片。

2 結果與討論

2.1 破壞形態

圖5為未加固柱和加固柱試件的破壞形態，其中（a）為S25A3破壞形態、（b）為B3S25A3破壞形態。由圖5（a）可知，未經加固的試件破壞形態為脆性彎剪。在試件破壞時，在圓柱外側又交叉狀主斜裂縫出現，在距離試件根部275mm范圍，部分混凝土脫落，縱筋外露，彎曲。當繼續加載水平位移至5mm，離柱底165mm、365mm和565mm處有出現橫向裂縫。繼續增加位移，裂縫逐漸蔓延加寬，直至徹底貫通圓柱。位移為15mm時，柱底產生斜裂縫;繼續加載位移至20mm時，柱身主斜裂縫基本形成，并持續加寬。當位移加載至40mm時，柱承載力急速下降，試件遭到破壞。由圖5（b）可知，經過BFRP加固后，柱破壞性形態轉換為具有一定延展性的彎曲破壞。在圓柱破壞時，距離根部80mm左右BFRP布斷裂，側方有混凝圖碎塊蹦出。當位移為20mm時，距離柱底160mm、360mm、560mm處出現細微橫向裂縫;位移為40mm時，距離柱底560mm處出現明顯橫向裂縫;當位移加載至60mm時，距離柱底約80mm和160mm處橫向裂縫寬度達到3mm;繼續加載位移至100mm時，距離柱底60mm處BFRP布局部斷裂。當位移增加到120mm時，BFRP脫落，此時實際承載力下降較為明顯，試件破壞。這就證明經過BFRP布加固后混凝土試件延性增加。

2.2 軸壓比

圖6為軸壓試件水平荷載-位移曲線。由圖6知，BFRP加固后，圓柱曲線變得更加豐滿，形狀也由菱形慢慢朝梭形轉變。同時，圖形也更加偏向Y軸發展，總滯回環數猛烈增加，這就說明圓柱承載力、變形性能和耗能都得到了明顯的增加 [7]。對比圖形可知，隨著軸壓的增加，加固柱的水平承載力至峰值后，下降速度增加，極限位移也減小。軸壓比為0.9時，試件塑性變形能力較軸壓比為0.6、0.3時顯著變差。

2.3 加固方式

圖7為加固方式組試件水平荷載-位移滯回曲線，對比圖7與圖6（f）可知，在BFRP加固量相同的情況下，全包加固圓柱的水平承載力略大于條帶加固柱[8]。且全包加固圓柱荷載達到峰值后下降速度比條帶加固柱荷載達到峰值后下降速度更慢，滯回曲線飽和度更高，極限位移相對較大。

2.4 剪跨比

圖8剪跨比組試件水平荷載-位移滯回曲線。由圖8可知，當剪跨比為2.08時，沒有經過加固的試件滯回曲線表現出反S型，形狀不規則，具有較顯著的“捏縮”效應。試件極限位移較小，承載力高。這就說明了試件耗能和變形能力差[9]。而經過BFRP布加固后，試件水平荷載-位移滯回曲線表現為梭形，圓柱承載力、延性和耗能能力得到明顯的改善[10]。對比圖5（b）和圖4（d）可知，剪跨比由3.91下降至2.08，剪跨比為2.08的試件水平荷載-位移滯回曲線圖像更偏向Y軸發展。這就證明隨著剪跨比的降低，承載力增幅和極限位移減幅都達1倍左右。

3 結論

本文通過低周反復側向加載試驗，對BFRP 加固前后試件破壞形態進行研究，并分析了軸壓比，剪跨比和加固方式對玄武巖纖維復合材料加固低強混凝土配筋柱抗震性能的影響。具體結論如下：

（1）未經BFRP布加固的試件破壞形態主要為脆性彎剪;經過BFRP布加固后，試件的破壞形態轉變為具有一定延展性的彎曲破壞。未加固柱的極限位移為40mm，經BFRP布加固后，試件極限位移增加至120mm。證實BFRP布能夠有效增加混凝土試件延性，進而增加了混凝土試件的抗震性能。

（2）軸壓比試驗結果表明，經過BFRP布加固的試件承載力、變形性能和耗能都得到明顯的提高。在同等BFRP布包裹的情況下，隨著軸壓比的增加，試件塑性變形能力明顯降低。

（3）試件抗震性能受加固方式的影響，在BFRP加固量相同的情況下，全包方式加固的試件承載力和對抗震性能的優化明顯優于條帶加固的試件。

（4）剪跨比為2.08時，未經加固的試件“捏縮”效應較為顯著。此時試件承載力雖高，極限位移較小。經BFRP布加固后，試件承載力、延性和耗能能力得到明顯優化。隨試件剪跨比的提高，試件承載力明顯增加，極限位移則明顯減小。

參考文獻

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