玄武岩增强钢筋混凝土异形柱抗震性能研究综述

Research Review of Seismic Performance of Basalt Reinforced Reinforced Concrete Special-Shaped Columns

摘要: 随着纤维混凝土的不断发展，对于纤维混凝土的研究出现了各种分支。学者们的大量研究表明，在混凝土或砂浆中添加纤维可以提高混凝土的力学性能，而纤维材料的特性不同，对混凝土的影响也存在差异。目前，纤维混凝土主要用于房屋建筑、消防等领域，随着住宅建筑的迅速发展和房地产业的日趋成熟，异形柱住宅结构体系因其室内不露梁、柱等优点被广泛应用。但由于震害资料不足，许多问题尚有待探讨，故其抗震性能仍受到质疑；因此，提高砼构造薄弱环节和耐震加固工程势在必行，选择正确的抗震加固方式，增强混凝土结构整体性能的安全性与牢固性，进而实现纤维混凝土结构抗震性能的建设目标。文章对国内外玄武岩纤维混凝土抗震性能的研究现状进行了分析及归纳，为学者们研究玄武岩纤维混凝土提供了参考依据。

Abstract: With the continuous development of fiber concrete, various branches have appeared in the research of fiber concrete. A large number of studies by scholars have shown that adding fiber to concrete or mortar can improve the mechanical properties of concrete, and the characteristics of fiber materials are different, and the impact on concrete is also different. At present, fiber concrete is mainly used in housing construction, fire protection and other fields, with the rapid development of residential buildings and the increasing maturity of real estate industry, special-shaped column residential structure system is widely used because of its advantages of indoor open beams and columns. However, due to the lack of earthquake data, many problems remain to be discussed, so its seismic performance is still questioned; therefore, it is imperative to improve the weak links of concrete structure and the earthquake resistance reinforcement engineering. To choose the correct seismic reinforcement method, enhance the safety and firmness of the overall performance of concrete structure, and then achieve the construction goal of the seismic performance of fiber concrete structure. This paper analyzes and summarizes the seismic performance status of basalt fiber concrete at home and abroad, and provides a reference basis for scholars to study basalt fiber concrete.

1. 研究背景及意义

在我国住宅建设中，由于土地资源的宝贵，高层建筑不仅数量在不断增多、高度也在增多，而且主要的结构形式已经发生改变 [1] 。另外，为了获得更好的抗震性能以及满足更高的使用要求，框架结构体系也迅速发展起来。但是，传统的框架结构柱子都采用矩形截面，不能完全被墙体所包围，如柱角柱的柱子很大面积地将一部分墙体露在建筑房间的内部，使得室内布置受到一定限制，特别是小面积住宅更受影响，用户深感不便。为了能够尽快地把我国传统的柱子的设计形式与现代新概念墙体建筑技术结合起来，异形柱由此产生，相对于传统结构柱，异形柱的应用不会造成明显的柱子外凸，建筑平面布置灵活不受限制，在提高美观的同时也提高空间使用率，同时异形立柱因为具有剪力墙与结构的特性在高层住宅构造上有着广阔的使用前景 [2] 。在此，立柱是主体竖向承载结构，一旦出现损坏将会影响到整个住宅。地震活动时，由于框架柱本身既要承担地震竖向的作用和负荷，也要承受起反复或多次的侧向地震冲击，更易造成巨大的地震。而既然异型柱钢筋混凝土框架结构与一般的矩形框架梁之间的结构整体和承载力关系及应变特性、截面延性关系以及其他一些关键方面都具有较大性能差别，所以异型柱钢筋砼框架结构的抗震特性低于一般矩形梁钢筋砼框架结构。所以，要想尽快成功地将这种异形柱框架结构形式广泛应用于国内各类小高层建筑物或其他超高层建筑工程中，须就如何更加安全、经济地改善异形柱结构薄弱部位的抗震特性展开研究分析，进一步丰富了形柱的结构理论基础，为异形截面柱在实际施工运用中奠定可靠的实验基础和理论基础，使其能够取长补短，在建筑结构领域获得更进一步的推广应用，具有十分重要的现实意义 [3] 。

目前，利用纤维等强化复合材料对钢筋混凝土构件进行补强的方式，具备了较好的耐腐蚀性和耐久性，且不会增大结构的自重和体积，因此适用性比较广泛，但针对钢筋混凝土柱抗震加固方面的研究，更多地集中在CFRP和GFRP，虽然国内外学者对BFRP增强混凝土结构进行了大量研究，但先前的研究主要针对结构的静力性能，动力性能方面的研究较少，尤其是抗震性能方面的研究缺乏系统性。因此，需要对BFRP加固混凝土柱进行大量的试验与理论研究，尤其是在BFRP约束混凝土提高结构的抗震性能方面，掌握其加固效果与约束机制，以便更好地应用于实际工程 [4] 。

2. 研究现状

2.1. 异形柱框架结构在建筑中的受力特性研究现状

在许多大型民用建筑的整体建筑结构或抗震性能设计理论研究实验中，若采用的是异形梁框架结构，则能够实现这一构件最大的承载水平作用 [5] 。所以，和传统的矩形梁比较，异型柱钢筋砼框架结构材料自身所具有的各种抗承重性能和载荷强度、耐震性等的特点就会更为明显，主要是由于其在异型柱钢筋砼框架结构系统中，梁身横向断面的主要截面形式的整体构造相对于比较复杂特殊，包含了T形、L形等多种形式，存在多种的形状，即使受到了来自不同方向的压弯力作用，特殊构造的柱形也依然可以保证对这些变形压力起到一定范围的冲击抵御的作用，整体建筑的综合承载力和建筑抗震性一般都表现相对理想 [6] 。对于异形柱框架结构系统而言，立面刚度控制技术是建筑结构体系在设计研究中仍需高度重视的一大控制要点，与我国传统使用的矩形柱等刚性结构方法相比，异形柱框架结构的整体立面刚度设计控制方式更为方便简单，主要优点是由于其构件受力状态更为紧密均匀，如果要有效避免在异形柱框架结构中所存在的短柱问题，工程公司要配置专门技术人员来进行充分的前期勘察测量工作 [7] 。为防止异形柱突出在建筑室内的情况下，在异形墙框架结构工程中，通常都应将异形墙的厚度限制在300 mm之内，因为我们都希望通过设计要求使异形柱的钢筋框架结构的极限承载力和变形负荷水平都能充分地满足设计要求，在为异形柱设计的建筑构件设计的图纸要求中，应设计要求使得其肢厚一般都能够被限制为在500 mm以内 [8] 。基于对国内外相应柱技术的长期深入研究及其设计建造中的宝贵经验，异型柱截面通常都会较有限度地以小柱形式而出现，但对于其中一些薄壁异型柱截面来说，其剪切位移的中心零点五直径与异型柱直径之间的长度很可能存在着相当数量的微小误差，从而增加了异型柱剪切偏移的发生可能性，在遭受较大剪切力影响与冲击的情况下，异型柱的可靠性也无法保证 [9] 。

异形柱框架结构在民用住宅设计中进行平面布局时要依照现有的国家相应设计要求与规范来进行，同时我们也要做到能够充分结合整个的建筑设计环境，利用各种异形柱构件本身的结构以及自身的设计优势特性来设计，实现合理的空间结构的布置和设计，因此人们在进行建筑平面设计与城市规划工作中首先应根据异型柱的结构特性，尽可能实现设计对称，也即通过轴向的因素来实现布置和设计，或者尽可能使合理重心与刚度中心的结合，或者尽量减小偏心距，只有这样才能最大限度地将住宅建筑建成后的扭转裂缝出现的可能降低，防止建筑物产生不安定影响，同时也需要充分的注意对轴重结构的运用，在做各柱肢结构时应尽可能保持对齐 [10] 。我们在民用房屋中使用异型柱子主要是为了合理使用住宅的空间，所以异型柱子的主要设计地方应该放到角落处。异型柱的截面与矩形柱的截面存在很大的差异，因此，对于异型柱的计算不能完全的按照矩形柱的计算方法 [11] 。所有的地方标准均采用了数值积分的方式，进行正截面配筋的设计，这样的方式设计精度相当好，并且经过了大量的经验计算的校算后，便能够更有效地适应设计并达到安全性的要求。把上面的两种规程看作是地方的标准，含有不足之处，所以在设计时还应该注意以下两方面，首先，为了方便学术，都要按肢长和肢宽二者的比来对异型柱或者短肢进行定义。但是，当使用TAT程序进行对整体构件的估算时，由于依靠异型梁的模型有时会造成整体构件的强度下降，所以，需要适当地提高抗震害的强度，此外，在按照短肢剪力墙的模型进行估算时，可能会使梁配筋偏小，所以需要适当地调节配筋。其次，在一般情况下，多数的矩形柱的多层框架的结构里侧移一般是不起限制的作用，但是相对于异形柱的钢筋砼框架结构来讲，它由于侧向的刚性就比较小，所以偶尔的会出现侧移刚度就可能超过了所允许的设计值 [12] 。进行构造设计时应该参照规范和实践经验来看，柱肢的厚度应该大于160 mm，在一般情况下用200 mm就较为适宜。而对于大于8层的框架，其下部二层梁柱节点处的钢材直径有时较为紧密，所以也不适宜变薄。当梁跨度很大时，柱子往往会因为直径不够，使轴的压力过大，钢筋也过于紧密。当选用纵向钢筋时，数量不应该过多，直径应该大一些，一般直径只要不大于25 mm，就应该选较大的直径，使根数减少，同时每边的钢筋最合适保持在两根，多的情况下应该做两排配置 [13] 。

2018年，陈志华等以天津市钢结构住宅产业化联合研究院示范楼项目为例，对方钢管混凝土组合异形柱结构体系综合建造技术进行了研究。采用MIDAS结构设计分析软件和BIM建模技术，分析示范楼的相关特性，并且针对钢结构住宅体系对应的配套节点体系、楼板体系、墙板体系、防火材料和预制构件制作等进行了探讨，为钢结构住宅体系设计及项目施工提供一定的借鉴 [14] 。同年，天津大学于敬海等对一榀1:2的方钢管混凝土组合异形柱防屈曲支撑钢框架结构模型进行了拟静力试验，并且使用ABAQUS有限元分析软件进行了数值模拟，结果表明：试件防屈曲支撑首先出现塑性铰、钢框架梁后出现塑性铰的破坏机制；试件滞回曲线饱满，骨架曲线为S形，且强度和刚度退化不明显；防屈曲支撑的耗能能力较强，有效保护了钢框架结构 [15] 。2019年，北京工业大学殷飞等对多腔钢管混凝土异形柱不同方向的抗震性能进行了试验研究，设计并制作了5个1/30缩尺多腔钢管混凝土异形柱模型试件，利用ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟。研究结果表明：钢筋笼能够提高试件承载力；伴随着轴压比的增加，试件的承载力和延性逐渐降低；试件承载力随着混凝土的强度增大而增大 [16] 。

上世纪80年代，国外已经开始对异形柱进行研究。1983年，Ramamurthy和Hafeez Khan进行了L形双向偏压异形柱的理论分析与试验研究，并提出通过逆分析法获得柱子极限承载力的建议 [17] 。1985年，Thomas Hsu针对L形柱进行了双向偏压的数值模拟，给出了相应的计算公式 [18] 。1989年，Thomas Hsu对T形混凝土异形柱的轴压试验等进行了相关研究 [19] 。1992年，Mahadevappa对L形混凝土异形柱结构的力学性能进行了研究 [20] 。1997年，Munoz和Hsu对钢骨混凝土异形柱进行了压弯试验，结果表明，混凝土与钢骨并不能共同工作 [21] 。1998年，Krawinkler和Seneviratna对钢筋混凝土框架结构和钢管混凝土组合框架结构进行了弹塑性时程分析 [22] 。1999年，El-Tawil和Deierlein对钢骨混凝土进行了研究，提出轴压力下的正截面承载力计算公式 [23] 。2003年，Matsui等对体系为方钢管混凝土组合柱–钢框架支撑的单层框架结构进行了拟静力试验，试验证明该结构具有较好的抗震耗能能力 [24] 。2013年Mullapudi等和2008年Demagh等对混凝土异形柱进行了大量试验研究，提出了混凝土异形柱的承载力计算方法 [25] [26] 。2012年，Tokgoz和Dundar提出在钢筋混凝土异形柱中增加钢纤维，对构件进行了受压试验，结果表明，加入钢纤维对提高结构的力学性能较为显著 [27] 。2016年，Zhang等分析了方钢管的管壁厚、内填充混凝土强度和相对大轴压比下等不同的参数条件对柱子滞回性能的影响 [28] 。

与国内相比，国外对异形柱的研究更加全面。主要体现在对异形截面的研究种类很多，通过分析研究，得出结论，使得理论体系更加完善。即使这样，目前对于钢筋混凝土异形柱框架结构的研究相对较少。这是主要因为异形柱框架结构多建于非抗震区，因此在抗震区的异形柱框架结构更需要大量的深入研究，为工程提供参考依据。

2.2. 抗震加固技术研究现状

在一般框架结构中，结构梁的结构产生震害时其伸缩度和梁端刚度不够 [29] 。抗震加固法主要包括了增大热散射截面增强法、置换钢筋增强法、外包钢增强法、外包钢加固法、粘钢加固法、粘碳纤维加固法、整体结构加固法，其原理是通过增加建筑钢筋混凝土框架结构承重构件的承载能力，使地震发生之后承载构件的非弹性耗能减少，这样可以增加建筑钢筋混凝土框架结构的抗震设防烈度。新型的考证加固技术，主要是以抗震带的形式出现的 [30] 。例如日本的SRF抗震加固新技术，使用中可以提高建筑物构件的抗震承载力，有利于延长建筑物的使用寿命。这种扩张加固技术使用中主要是按照一定的方式设置了抗震带，再把胶粘剂喷涂在防震带，固化到建筑物的各种基础上，增强了建筑物的整体抗压性能。相对而言，这种高弹性材料抗震加固法使用时的工作流程简单、成本费用低，具有较大的市场发展潜力。同时，在SRF补强的工程应用中还能够通过增强建筑外部预应力结构的方法实施针对性的操作。除此之外，采用框架加固、剪力墙加固等方式，在实际的应用中可以将建筑结构受到的地震力逐渐地分散开来，增强了结构的抗压效果，提高了建筑物的抗震性能 [31] 。

减振增强的方法主要指在某些抗侧的构件上采用科学的方式安装消能构件，吸收地动注入构件上的力量，增加构件的承重，提高构件整体的加固作用 [32] 。这种减震加固新技术使用中经常采用阻尼器，可分为：摩擦型阻尼器、粘弹性阻尼器及粘滞性阻尼器。摩擦型阻尼器通过设置耗能装置，在相关元件相互摩擦的作用下，吸收构件中存在的多余能量。不同的摩擦型阻尼器实际的应用效果有所差异，需要结合实际的需要进行合理的选择。粘弹性阻尼器主要是通过材料的滞回变形，进而将结构的振动幅度控制在合理的范围内，使用中的造价成本低，有着良好的应用前景。粘滞性阻尼器主要是指活塞在缸体内的往复运动，减少了相关结构的振动，进而使其中存在的冲击能量得以快速地吸收，保证了构件表面受力的均匀性。

隔震加固这种加固新技术的研究相对较晚，是未来抗震加固技术发展的重要方向 [33] 。在具体的使用中，它主要是在上部建筑层之间设置隔震层，确保地能量可以在一定的时间内沿着上部结构的方向传递，避免了上部结构受到地震的影响，优化了建筑结构性能，增强了抗震加固技术的实际作用效果。在具体的使用过程中，这种方法主要是将隔震层置于原来结构基础上，为了促使在强震作用下形成的能量可以被更有效地吸收，建筑的上部构件并不进入明显的塑性状态，从而增强了隔震加固的控制效果 [34] 。

在结构设计或既有建筑加固改造中采用减震技术或隔震技术不能满足建筑抗震要求，目前已有部分专家、学者研究减隔震联合设计。云南省玉溪市澄江化石博物馆处于高烈度区，2017年，昆明理工大学陈晓彬等对澄江化石博物馆进行减隔震联合设计，结果表明：上部结构地震响应明显降低，结构抗震性能得到提高 [35] 。2019年，同济大学丁浩民等同样对云南省玉溪市澄江某规划展览馆为背景，进行减隔震组合技术研究，结果表明：减隔震组合技术具有良好的减震效果；在罕遇地震作用下，上部结构基本保持弹性，结构表现出良好的抗震性能 [36] 。同年，昆明理工大学李皓等对单跨框架教学楼进行加固技术研究，结构体系下部采用基础隔震，上部采用BRB减震联合设计方案。结果表明：在多遇地震下，防屈曲支撑(BRB)未屈服，结构整体处于弹性；在罕遇地震作用下，所有BRB屈服耗能，且其滞回曲线饱满，结构弹塑性层间位移角最大值满足规范要求，抗震性能良好 [37] 。

目前，大约有30多个国家在开展隔震技术研究，已成功应用于民用建筑、桥梁结构、机场、博物馆等工程项目。北京大兴国际机场项目中，航站楼的隔震装置采用了铅芯橡胶隔震支座、普通橡胶隔震支座、滑移隔震橡胶支座和粘滞阻尼器等，整个航站楼总共使用了1152套隔震装置，成为目前世界上最大的单体隔震建筑 [38] 。民用建筑中，日本大阪已建成50层高度的超高层隔震商住大楼。

2.3. FRP约束钢筋混凝土柱抗震性能研究现状

研究FRP约束钢筋混凝土柱的抗震性能，就是利用循环往复荷载模拟地震作用，研究结构在复杂受力状态下承载力、刚度、延性和滞回曲线等力学性能指标的变化关系 [39] 。到目前为止，各国学者在这方面进行了大量的理论分析与试验研究，结果表明，经过FRP加固的混凝土柱，其抗震性能都可以得到有效的提高。并根据试验结果分析提出了许多适用于FRP约束混凝土柱的理论计算公式，这些公式的试算结果与试验数据都很接近。与其他FRP材料相比，BFRP具有强度高、弹性模量高、质轻、耐腐蚀、耐高温、耐酸碱等优良的特性，用于混凝土结构的加固改造会产生更大的经济效益，因此需要对BFRP加固混凝土柱进行大量的试验与理论研究，掌握其加固效果与约束机制，以便更好地应用于实际工程。

许多美国国内专家都曾经对FRP加固的钢筋混凝土柱进行了抗震稳定性试验研究，并取得了突破性发展，并对FRP约束的钢筋结构做了大量实验和研究与推导，分别提出了适用于圆柱和方柱的FRP约束混凝土应力–应变模型。东南大学吴刚等 [40] 对BFRP与CFRP包裹加固混凝土圆柱与方柱进行了低周反复荷载下的对比试验，研究表明，玄武岩纤维布能有效地提高加固柱的抗剪承载力、延性及耗能能力。苏小龙 [41] 对玄武岩纤维布加固钢筋混凝土圆柱和方柱分别进行了轴心受压与低周往复荷载试验，结果表明，玄武岩纤维布加固混凝土方柱最优3层，条形粘贴的方式加固效果明显要弱于全包加固。郑华磊 [42] 在黄少腾的抗震性能试验的基础上，通过有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟，验证了模型是准确可靠的，并基于此模型建模分析了长细比对于圆柱力学性能的影响，最终确定了最有效包裹层数。但先前的研究主要针对结构的静力性能，动力性能方面的研究较少，尤其是抗震性能方面研究缺乏系统性，且大多数的研究都是针对单向纤维布，对于双向布的研究很少。迄今为止，玄武岩纤维混凝土仍处在初步研究和试验阶段，目前的研究成果还达不到应用于实际工程的水平。

3. 结语

我国也是一个地震频繁的国家，从二十世纪至今，在全球遇难人口前十的大地震中，有三个出现在我国。地震灾害产生伤亡事故的主要因素之一是构造的耐震性能缺陷引起建筑的坍塌。经过地震勘察表明，提高砼构造薄弱环节和耐震加固工程势在必行，砼构造难免出现一些薄弱环节，选择正确的抗震加固方式，增强混凝土结构整体性能的安全性与牢固性，进而实现混凝土结构抗震性能的建设目标。通常试验研究和有限元分析是研究钢筋混凝土结构抗震性能的两个重要手段，利用拟静力试验研究能够获取构件的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线等反映其抗震特性的重要信息，而数值分析可以利用有限元软件模拟试验过程，通过简化模型以接近实际的试验效果，进而验证试验结果的准确性，为实际工程提供参考的依据。围绕BFRP加固钢筋混凝土异形柱的抗震性能开展试验研究和理论分析，进一步深入系统地探讨BFRP材料加固对混凝土试件的影响规律，对实际工程结构加固领域的发展具有重大意义。

NOTES

^*通讯作者。