摘 要：为研究低周反复荷载作用下玄武岩纤维增强复合材料（Basalt Fiber Reinforced Polymer，简称BFRP）加固冻融钢筋混凝土柱的性能分析，运用有限元软件ABAQUS对冻融钢筋混凝土柱进行玄武岩纤维布加固，主要从抗震指标等方面，分析不同冻融循环次数及不同轴压比对钢筋混凝土柱抗震性能的影响。结果表明：当轴压比不变时，随着冻融循环次数的增大，构件强度衰减越慢，延性与耗能能力得到更多提高，抗震能力越好；当冻融循环次数不变时，随着轴压比变大，强度衰减变慢，延性提高，耗能能力提高，则适当的增加纤维布层数，可以提高冻融损伤钢筋混凝土柱的抗震性能。
关键词：BFRP加固；冻融钢筋混凝土柱；抗震性能
碱骨料反应、钢筋锈蚀及冻融破坏是混凝土耐久性的三种最主要破坏形式，尤其在使用除冰盐时更加严重[1]。我国的西北、华北、东北地区属于寒冷区域，存在正负温交替作用，这些地区的混凝土结构如果暴露在有水环境中难以避免要遭受冻融循环作用，由此容易造成混凝土冻融损伤。钢筋混凝土结构的冻融问题严重影响结构的使用与寿命，应当引起重视。同时，我国的华北地震区、青藏高原地震区、四川龙门山地震带是近年来地震活动最为频繁的地区。由此可知，冻融环境长期作用导致的既有混凝土结构耐久性损伤，势必造成既有混凝土结构抗震性能退化。随着技术的发展，纤维增强复合材料（FRP）在结构抗震加固中得到越来越多的应用。
FRP最早于1981年，瑞典联邦实验室使用碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer）加固桥梁结构。FRP在建筑领域被广泛的研究与应用，其加固结构工程的效果好，施工效率高，尤其适用对腐蚀有极高要求的建筑物。BFRP具有较高的耐热性能、弹性模量、耐腐蚀，其抗拉强度较高，比CFRP具有较高的延伸率，且价格低廉，是生态环保的绿色材料，逐渐在建筑应用领域扩展开来。
延长混凝土结构的使用寿命，解决冻融环境长期作用导致的既有混凝土结构耐久性损伤，继而造成混凝土结构抗震性能退化的问题，开展BFRP加固冻融环境下混凝土结构抗震性能研究，可以进一步加强钢筋混凝土结构抗震性能，加固混凝土结构的耐久性，对混凝土结构工程防灾减灾具有重大的理论意义和工程价值。
共设计16个钢筋混凝土柱，柱高1100mm，截面尺寸为200mm×200mm，水平加载高度为1000mm，剪跨比 =1000/200=5，基座的尺寸为900mm×500mm×400mm；柱为对称配筋，纵筋采用HRB335钢筋，每侧配筋为3Φ14mm，配筋率为2.308%；箍筋采用直径为6mm的HPB235钢筋，间距为80mm，钢筋的力学性能指标见表1，纵向受力钢筋的保护层厚度为20mm。对柱冻融损伤0、100、200、300次，轴压比0.2及0.32，加固一层BFRP模拟柱抗震性能。BFRP材料的性能指标见表2。
目前国内外对于冻融混凝土的本构关系研究甚少，以目前的试验条件及试验方法很难将冻融混凝土受拉应力-应变完整的下降段得到。未冻融混凝土受拉应力-应变方程见式（3）[3]。
混凝土轴向受拉时，未达到峰值拉应力之前呈线性增加，达到峰值拉应力之后，混凝土开始出现裂缝，产生受拉损伤并不断积累。由于冻融混凝土受拉研究甚少，依据冻融损伤混凝土抗拉强度、峰值拉应变以及受拉弹性模量随相对抗压强度变化规律将未冻融混凝土受拉本构修正成冻融混凝土受拉本构模型，得到下降段方程式及损伤参数，见式（5）、式（6）。
钢筋的性质在冻融循环作用下不会发生变化，在低周反复荷载作用下，钢筋的本构模型采用各向同性强化模型。钢筋的本构关系采用双折线理想弹塑性模型，泊松比为0.3，具体的应力-应变关系曲线见式（7）。
目前对于冻融循环作用下适用于数值模拟的钢筋与混凝土的粘结-滑移本构关系并不明确，因此，本文通过定义混凝土的“拉伸硬化”效应来模拟钢筋与混凝土的粘结-滑移关系。
BFRP为线弹性材料，模拟时应选取弹性模型，其应力-应变曲线关系见式（8）。
建立BFRP加固冻融损伤钢筋混凝土柱模型，对其进行非线性有限元分析，分析在不同冻融次数、不同轴压比下的抗震性能，其中，JN1（100）表示轴压比0.2冻融循环100次，JN2（100）表示轴压比0.32冻融循环100次。
提取ABAQUS模拟结果，对有限元应力云图及破坏云图进行分析（如图1所示）。由图1可知，混凝土在低周反复荷载作用下，从混凝土屈服开始到纵向受力筋开始屈服，最后混凝土的柱脚处被压碎，压碎区域主要集中在柱脚向上200～300mm处，BFRP最大应力出现在柱脚200mm左右处，当加固BFRP布层数增加时，构件柱柱脚处破坏区域减小，说明抗震性能提高。
滞回曲线是模拟静力试验中分析构件抗震性能的重要指标之一，此曲线详细记录了在低周反复荷载作用下，构件从弹性阶段进入塑性阶段的全过程。本次模拟的构件滞回曲线如图2、图3所示。
由图2、图3可知，当轴压比相同时，与未加固柱进行比较，冻融循环作用次数增加，加固柱承载力达到最大时，此时最大承载力值提高程度较大，承载力下降段有所减缓，滞回环总面积较未加固前增大，滞回环数量增多，使得构件有较好的塑性变形，耗能能力得到提升。当轴压比不变、冻融次数增加时，BFRP布加固后构件强度衰减变慢、承载能力得到提高，说明加固可以提高混凝土柱的抗震性能。
骨架曲线反映了构件在反复荷载作用下受力与变形的各个不同阶段及特性。本文模拟构件的骨架曲线如图4、图5所示。
由图4、图5可知，骨架曲线的基本走势是相似的，刚开始作用荷载时，各试件都是处于弹性阶段，当竖向荷载不断增加时，试件就从弹性阶段进入弹塑性阶段，直到进入塑性阶段，因此所有骨架曲线在初始的上升段走势基本重合，初始刚度影响不大。对于未加固的混凝土柱的骨架曲线的峰值荷载来说，BFRP布加固后得到提高，下降段斜率变缓，说明加固使构件强度得到提高。当冻融次数相同、轴压比增大时，骨架曲线的峰值点变大，下降段在轴压比增大的情况下变陡，同时破坏点位移值向左移动。
延性系数作为一个重要抗震指标，若结构构件具有良好的延性性能，能减少动力反映，降低地震带来的破坏，减少各种倒塌。
各构件加固后获得的荷载、位移及延性系数见表3。由表3可知，当轴压比相同时，位移延性系数在冻融循环次数增加的情况下随之减小；当冻融循环作用次数相同时，加固柱延性系数随着轴压比增大而减小，从而可以说明加固柱的塑性变形能力减弱，延性差。对比未加固柱，加固的延性系数较大，塑性变形能力变强，延性变好。
（1）在荷载加载初期力-位移曲线呈线性关系，混凝土柱基本处于弹性阶段，刚度退化基本不明显，残余变形变化很小，随着荷载不断加大，刚度退化不断加大，当钢筋达到屈服应力后，混凝土柱承载力达到最大值，随后承载力开始不断下降，刚度退化更加快速明显，残余应变形也不断增大。
（2）混凝土柱在低周反复荷载作用下，压碎区域主要集中在柱脚向上200～300mm处。
（3）BFRP加固柱使混凝土柱的强度衰减越慢，位移延性系数增大，塑性变形能力增大，延性变好，延性性能提高，且吸收的能量多，累积耗能增大，使得混凝土柱有更好的抗震性能。
[1] 段安. 受冻混凝土耐久性及荷载耦合下钢筋混凝土粘结性能研究[D]. 北京: 清华大学，2009.
[2] 过镇海. 混凝土的强度和变形: 试验基础和本构关系[M]. 清华大学出版社，1997.
[3] 过镇海，张秀琴. 砼受拉应力-变形全曲线的试验研究[J]. 建筑结构学报， 1988(4):45-53.
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