HPFL加固震損短肢剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究

李 鶴，蔣隆敏，談俊宇，雄楚悅

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

HPFL加固震損短肢剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究

李 鶴，蔣隆敏，談俊宇，雄楚悅

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

通過對(duì)1片未加固和3片加固的1:2縮尺比例的L形開洞RC短肢剪力墻模型進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究不同受力階段HPFL加固開洞短肢剪力墻的抗震性能。研究結(jié)果表明：HPFL加固法能夠有效提高短肢剪力墻的承載力、延性性能和耗能能力。不加軸力的一次受力加固短肢剪力墻，其抗震承載力與延性均有大幅度改善；對(duì)于有震損的不卸軸力二次受力加固短肢剪力墻，其加固效果隨其震損程度的增大而降低；同時(shí)，通過HPFL對(duì)試件進(jìn)行加固可以有效改善試件的抗裂性能。

HPFL加固法；受力階段；短肢剪力墻；抗震性能

0 引言

短肢剪力墻是由框架結(jié)構(gòu)和剪力墻發(fā)展而來的新的結(jié)構(gòu)體系，具有承載力高、結(jié)構(gòu)布置靈活、建筑空間大等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代建筑中逐漸被推廣和應(yīng)用。為滿足建筑的正常使用功能，常常在短肢剪力墻上開設(shè)不同的孔洞。在開洞過程中，剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，結(jié)構(gòu)應(yīng)力會(huì)重新分布，使其承載性能發(fā)生變化。

目前，關(guān)于短肢剪力墻的加固方法主要還是一些傳統(tǒng)措施，而關(guān)于高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)薄層（high performance ferrocement laminate，HPFL）加固短肢剪力墻的研究還處于起步階段。對(duì)HPFL加固短肢剪力墻抗震性能的研究，可為工程實(shí)踐提供參考，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)HPFL的加固研究主要集中于梁柱等構(gòu)件，并取得了一些成果。P.Deasayi等[1]對(duì)普通水泥砂漿鋼絲網(wǎng)薄層加固的梁進(jìn)行了受力性能研究，結(jié)果表明，對(duì)于均勻分布的鋼絲網(wǎng)加固試件，試件的延性與水泥砂漿的強(qiáng)度呈正相關(guān)。E.H.Fahmy等[2]將混凝土柱加載至極限荷載的67%, 85%, 100%后卸載，并用鋼絲網(wǎng)砂漿進(jìn)行加固處理，結(jié)果表明，通過加固能夠明顯提高試件的極限承載力，其延性和耗能能力也有較大提高。B.Kondraivendhan等[3]對(duì)混凝土抗壓柱用鋼絲網(wǎng)砂漿進(jìn)行加固，結(jié)果表明，鋼絲網(wǎng)砂漿能夠?qū)炷镣獠啃纬杉s束，從而使混凝土柱的抗壓強(qiáng)度得到提高。尚守平等[4]采用HPFL對(duì)6根約束梁和3根未加固的對(duì)比梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，利用HPFL加固法進(jìn)行加固，梁的抗剪承載力得到顯著提高，同時(shí)加固措施對(duì)斜裂縫的發(fā)展具有良好的約束作用；并在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了加固梁的抗剪承載力公式，且試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合良好。蔣隆敏等[5]對(duì)4根二次受力偏壓柱進(jìn)行了HPFL加固試驗(yàn)，結(jié)果表明，二次受力加固柱比一次受力加固柱延性提升幅度更大；二次受力加固柱的高性能砂漿對(duì)柱的約束更好，開裂時(shí)間更晚。黃忠邦[6]對(duì)用水泥砂漿及鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固的磚砌體進(jìn)行試驗(yàn)研究，在水平荷載下，分析其破壞機(jī)理，測(cè)得相應(yīng)應(yīng)變，計(jì)算其相應(yīng)應(yīng)力，研究結(jié)果表明，采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體其抗剪性能比采用水泥砂漿加固提高更多。尚守平等[7]對(duì)HPFL加固的空斗墻進(jìn)行水平低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能研究，結(jié)果表明，HPFL加固后的墻體抗裂性能、抗側(cè)移剛度和極限荷載均得到了提升。

HPFL加固法應(yīng)用于梁、板、柱等結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了較多成果[8～10]，但在混凝土剪力墻方面的應(yīng)用研究還較少。本文從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)HPFL加固的短肢剪力墻的承載性能和延性進(jìn)行研究，并對(duì)不同受力階段短肢剪力墻的加固效果進(jìn)行對(duì)比，以期能為工程實(shí)踐提供參考。

1 正截面承載力理論計(jì)算

1.1 基本假定

1）原試件與加固部分變形協(xié)調(diào)一致且符合小變形和平截面假定。

2）試件達(dá)到極限承載力前，加固層與原有混凝土之間不發(fā)生剝離破壞，忽略剪切變形影響。

1.2 承載力理論計(jì)算

翼緣縱筋合力點(diǎn)存在兩種情況，分別為位于翼緣內(nèi)和腹板內(nèi)，合力點(diǎn)位置不同則計(jì)算方法也存在差異，具體如圖1所示。

根據(jù)基本假定和GB50010—2010《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，可得如下公式。

當(dāng)中和軸位于短肢剪力墻翼緣內(nèi)（x

式中：N為剪力墻試件所受的軸力；

fy,分別為原構(gòu)件腹板端部縱向鋼筋抗拉和抗壓強(qiáng)度；

As,分別為原構(gòu)件腹板端部縱向抗拉和抗壓鋼筋面積；

fyw，Asw分別為原構(gòu)件豎向分布鋼筋抗拉強(qiáng)度和總面積；

h0為剪力墻截面有效高度；

x為剪力墻受壓區(qū)高度；

fc為原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

bf為剪力墻受壓區(qū)翼緣寬度；

hc為墻肢剪力墻截面形心到腹板邊緣距離；

h為剪力墻的橫截面長(zhǎng)度；

M為剪力墻附加彎矩。

當(dāng)中和軸位于短肢剪力墻腹板內(nèi)（x>hf）時(shí)，如圖1b所示，根據(jù)力系平衡和力矩平衡得

式中：e0為軸向力對(duì)截面重心的偏心距，e0=M/N；

hf為剪力墻受壓區(qū)翼緣高度。

根據(jù)上述兩種情況下短肢剪力墻的承載力和彎矩的理論計(jì)算公式，結(jié)合具體工程情況可求得承載力理論值。

2 模型試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本試驗(yàn)主要采用HPFL加固法對(duì)不同受損程度的開洞短肢剪力墻進(jìn)行加固，并對(duì)其抗震承載性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)所使用的試件是4個(gè)1:2縮尺比例的L形開洞短肢剪力墻，均采用細(xì)石混凝土澆筑。在試件腹板上部開設(shè)圓形洞口，試件高度為1400mm，箍筋及縱向鋼筋采用4。其中，一次受力加固為未施加荷載條件下進(jìn)行加固，用于模擬可以進(jìn)行完全卸載加固的情形；二次受力加固為豎向荷載先加載到軸壓比所對(duì)應(yīng)的荷載值再進(jìn)行加固，用于模擬實(shí)際工程中不能卸除或不能完全卸除豎向荷載所進(jìn)行的抗震加固情形；有震損加固為原試件在恒定軸壓比所對(duì)應(yīng)的豎向荷載條件下，施加低周反復(fù)荷載作用使鋼筋屈服再進(jìn)行加固，用于模擬已有地震損傷仍可以進(jìn)行加固修復(fù)，不卸載條件下進(jìn)行加固的情形，模型參數(shù)見表1。

為防止墻端局部破壞，在剪力墻試件頂部設(shè)計(jì)一個(gè)700 mm×300 mm×200 mm的矩形加載梁，同時(shí)沿試件底部設(shè)計(jì)基礎(chǔ)梁，模擬梁板約束，并在基礎(chǔ)梁兩端預(yù)留孔洞，便于安裝與錨固。試件模型和應(yīng)變片布置如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)加載裝置及加載過程

采用規(guī)格為50 t的螺旋千斤頂進(jìn)行豎向加載。試件中心與千斤頂中心嚴(yán)格對(duì)中，加載至規(guī)定軸向力（即由軸壓比為0.2所確定的豎向荷載值280 kN）后停止加載，并保持恒定。水平方向荷載采用20 t液壓伺服作動(dòng)器施加，加載制度為水平低周期反復(fù)荷載，具體加載裝置如圖3所示。

在對(duì)試件施加水平荷載前，為較好地模擬實(shí)際地震時(shí)構(gòu)件承受上層建筑自重的情況，先對(duì)試件施加豎向荷載，豎向荷載采用分級(jí)加載，每級(jí)荷載為試驗(yàn)加載值的1/3，當(dāng)荷載值達(dá)到280 kN時(shí)即停止加載，并維持不變。水平荷載采用低周期反復(fù)荷載加載機(jī)制，初始階段采用荷載控制，然后采用位移控制。在試件底部縱向鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度以前，采用荷載控制，每級(jí)荷載增量為10 kN，往復(fù)循環(huán)一次，加載至剪力墻底部縱向鋼筋屈服，記錄此時(shí)柱頂位移值Δ。在試件底部縱向鋼筋屈服后采用位移控制，以Δ為每級(jí)位移加載控制量，并逐級(jí)增加，單級(jí)位移荷載循環(huán)3次，直至試件破壞。

2.3 加固方案

試驗(yàn)構(gòu)件在經(jīng)過2.1節(jié)中所述的不同受力階段后，已達(dá)到不同的受損程度，采用HPFL加固法對(duì)洞口周邊及條帶構(gòu)造柱進(jìn)行雙面加固，加固層厚度為20 mm，加固鋼筋和抗剪銷釘均為直徑6 mm的HRB335級(jí)鋼筋，抗剪銷釘埋置深度為60 mm，加固層箍筋采用6@150，具體加固方式如圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋼筋荷載-應(yīng)變曲線分析

對(duì)預(yù)先粘貼在鋼筋表面的應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并整理，得到鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線，如圖5所示。

由圖5a～c可知，試件SW1在加載過程中加固層與腹板縱筋能夠協(xié)調(diào)變形；試SW2和SW3 加固層鋼筋存在著應(yīng)變滯后現(xiàn)象，并且隨著荷載增大，應(yīng)變滯后現(xiàn)象更加明顯；試件SW3加固層應(yīng)變滯后現(xiàn)象最明顯。由圖5d可知，各試件腹板端縱向鋼筋的屈服強(qiáng)度由大到小的順序?yàn)镾W2, SW1, SW3, SW0。這說明 HPFL 加固層有效地對(duì)試件腹板端形成了約束，且震損程度越小加固效果越明顯 。

3.2 滯回曲線分析

滯回曲線是確定恢復(fù)力模型和進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析的依據(jù)，其飽滿程度反映整個(gè)構(gòu)件塑性變形能力和抗震能力。根據(jù)4組對(duì)比試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，處理后得到試件的滯回曲線如圖6所示。

由圖6各構(gòu)件滯回曲線可知：

1）在低周反復(fù)荷載作用下，各試件在加載初期處于彈性階段，滯回曲線呈線性變化。試件開裂后，剛度有所退化，滯回環(huán)出現(xiàn)明顯的彎曲。試件屈服后，隨著反復(fù)荷載的增大，滯回環(huán)所環(huán)圍的面積增大，滯回環(huán)逐漸飽滿，殘余變形加大，試件進(jìn)入塑性階段。

2）通過對(duì)構(gòu)件不同受力階段的加固，試件的滯回曲線呈現(xiàn)不同的飽滿狀態(tài)。試件SW1的滯回曲線最為飽滿，未加固試件SW0包圍面積最小，有明顯的捏緊現(xiàn)象。各構(gòu)件飽滿程度由大到小依次為SW1, SW2, SW3, SW0，即在受力初期加固對(duì)試件抗震性能優(yōu)化更明顯。這說明通過 HPFL 加固能有效提高不同受力形式下 L 形短肢剪力墻的耗能性能，即使是對(duì)震損試件也具有良好的加固效果。

3.3 承載性能分析

構(gòu)件承載力包括開裂荷載、屈服荷載、極限荷載及位移，通過加載獲得具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論計(jì)算值如表2所示。

由表2可知， HPFL加固后的3個(gè)試件的承載性能和延性均有較大提升。承載力方面：SW1較SW0提升88%，SW2較SW0提升68%，SW3較SW0提升48%。這說明在短肢剪力墻破壞前加固能更好地提高結(jié)構(gòu)承載性能。延性方面：加固后的3個(gè)構(gòu)件延性系數(shù)明顯增大，且增大趨勢(shì)與承載性能呈現(xiàn)一致性，這說明HPFL加固層能夠有效約束混凝土。對(duì)于極限荷載，本文得到的理論公式計(jì)算值與試驗(yàn)值最大誤差為11.9%，滿足工程要求。

4 結(jié)論

綜上所述，可得如下結(jié)論：

1）HPFL加固能夠有效改善短肢剪力墻的抗震性能；加固試件的開裂荷載、屈服荷載、極限承載力、延性等性能都得到不同程度的提高，其中不加軸力的一次受力加固效果最明顯；不卸軸力的二次受力加固原構(gòu)件震損程度越小其加固效果越明顯；試驗(yàn)研究中，極限承載力提高幅度可達(dá)48%以上。

2）HPFL加固在試件各受力階段均適用，彈性受力階段加固效果更好；HPFL對(duì)原構(gòu)件混凝土能起到很好的約束作用，從而提高試件的承載力、延性以及抗震性能。

3）用本文推導(dǎo)的公式計(jì)算出的短肢剪力墻的極限承載力理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高，具有較好的實(shí)用性與可靠性，能為工程實(shí)踐與進(jìn)一步的研究提供參考。

4）被加固的短肢剪力墻的抗震性能受多種因素的影響，如試驗(yàn)構(gòu)件的開洞大小與位置。開洞大小與位置對(duì)加固效果的影響規(guī)律，有待進(jìn)一步研究。

[1]DEASAYI P，KUMAR N N，EL-KHOLY S A.Strength and Behaviour Ferrocement in Shear[J].Cement and Concrete Composites，1992，14(1) ：33-45.

[2]FAHMY E H，SHAHEEN Y B I，KORANY Y S.Repairing Reinforced Concrete Columns Using Ferrocement Laminates[J].Journal of Ferrocement，1999，29(2) ：115-124.

[3]KONDRAIVENDHAN B，PRADHAN B.Effect of Ferrocement Confinement on Behavior of Concrete[J].Construction and Building Materials，2009，23(3) ：1218-1222.

[4]尚守平，劉 溈.HPFL加固混凝土結(jié)構(gòu)斜截面承載力計(jì)算及工程應(yīng)用[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，38(2) ：1-7 .

SHANG Shouping，LIU Wei.Calculation of Diagonal Section Resistance and Engineering Application of Strengthening RC Structures Using HPFL[J].Journal of Hunan University (Natural Sciences)，2011，38(2) ：1-7.

[5]蔣隆敏，尚守平，曹 暉.HPFL二次受力加固RC偏壓柱試驗(yàn)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，33(6) ：868-872，880.

JIANG Longmin，SHANG Shouping，Cao Hui.Experimental Investigation into the Strengthening of Eccentrically Compressed RC Column Using HPFL Under Twice Loading[J].Journal of Hefei University of Technology (Natural Science)，2010，33(6) ：868-872，880.

[6]黃忠邦.水泥砂漿及鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體試驗(yàn)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，27(6) ：764-770.

HUANG Zhongbang.The Study on Adopting the Cover with Cement Mortar and the Cover with Reinforcement Mortar to Strengthen Brick Masonry[J].Journal of Tianjin University，1994，27(6) ：764-770.

[7]尚守平，羅 致，奉杰超，等.HPFL加固前后空斗墻片抗側(cè)剛度試驗(yàn)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，35(4) ：519-523.

SHANG Shouping，LUO Zhi，F(xiàn)ENG Jiechao，et al.Experimental Study on Stiffness of Row Lock Cavity Wall Strengthened with High Performance Ferrocement Laminate (HPFL)[J].Journal of Guangxi University (Natural Science)，2010，35(4) ：519-523.

[8]顏 軍，尚守平，聶 旭.高性能復(fù)合砂漿高溫后的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，3(4) ：59-62.

YAN Jun，SHANG Shouping，NIE Xu.Experimental Investigation of Compressive Strength of High Performance Composite Mortar After Elevated Temperatur[J].Journal of Railway Science and Engineering，2006，3(4) ：59-62.

[9]黃 艷，蔣隆敏，李紅軍，等.HPFL加固雙向簡(jiǎn)支板抗彎性能研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29(1) ：10-16.

HUANG Yan，JIANG Longmin，LI Hongjun，et al.Study on Flexural Properties of Bidirectional Simply Supported Slab Reinforced with HPFL[J].Journal of Hunan University of Technology，2015，29(1) ：10-16.

[10]尚守平，姜 巍.HPFL條帶加固眠墻抗剪試驗(yàn)研究[J].震災(zāi)防御技術(shù)，2011，6(3) ：231-241.

SHANG Shouping，JIANG Wei.Research on Shear Strength of HPFL Reinforced Solid Wall[J].Technology for Earthquake Disaster Prevention，2011，6(3) ：231-241.

[11]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 ：GB 50010—2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：34-41.

Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China.Code for Design of Concrete Structures：GB50010—2010[S].Beijing：China Architecture & Building Press，2010：34-41.

（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Study on the Seismic Performance of Earthquake-Damaged Short-Pier Shear Walls Reinforced with HPFL

LI He，JIANG Longmin，TAN Junyu，XIONG Chuyue
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A series of low cyclic loading tests have been conducted on short-pier shear walls with one nonreinforced and three reinforced L-shaped RC frames with openings in the ratio of 1:2, followed by a research on the seismic performance of earthquake-damaged short-pier shear walls reinforced with HPFL in different loading phases.Experimental result shows that HPFL reinforcement can effectively improve the bearing capacity, ductility performance and energy dissipation of short-pier shear walls.The shear bearing capacity and ductility of short pier shear walls are to strengthen with one axial force improved greatly, and the reinforcement effect is to increase with the earthquake damage degree lowered for the short pier shear walls with two axial force without earthquake forces.Meanwhile, the reinforcement of the specimens with HPFL helps to effectively enhance the crack resistance of the components.

HPFL reinforcement；loading phase；short-pier shear wall；seismic performance

TU528

A

1673-9833(2017)01-0046-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.01.008

2016-10-12

湖南省自然科學(xué)株洲聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（2016JJ5037）

李 鶴（1989-），女，河南駐馬店人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樾滦筒牧显诮Y(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用E-mail：1632013655@qq.com