外圍粘貼橡膠板加固鋼筋混凝土柱抗震性能試驗(yàn)

李 剛， 劉文鋒， 陳貢聯(lián)， 任 楓

(1. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 青島 266033； 2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266109；3. 華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 河南 鄭州 450045； 4. 青島房產(chǎn)學(xué)校， 山東 青島 266000)

大量的國內(nèi)外震害表明，強(qiáng)烈地震造成的房屋倒塌、交通中斷和次生災(zāi)害等是造成重大損失的最直接原因，而減輕震害的最有效方式是提高結(jié)構(gòu)物的抗震能力。提高構(gòu)件抗震能力主要有兩個(gè)途徑：一是在設(shè)計(jì)中采用加大構(gòu)件截面、提高混凝土強(qiáng)度、增加配筋率等來增強(qiáng)抗震性能，性能雖有所提升，但造價(jià)大大增加；二是采用消能減震結(jié)構(gòu)[1～3]，其具有與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)完全不同的耗能原理，變傳統(tǒng)的地震“硬抗”為“因勢利導(dǎo)”，把地震能量耗散在附加的耗能裝置或材料上，以避免主結(jié)構(gòu)損傷，甚至使結(jié)構(gòu)處于彈性，可以大大減少地震時(shí)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

消能減震結(jié)構(gòu)是以借助“柔性消能”的方式來減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，其本質(zhì)是阻尼減震。目前常用且最多的是采用離散型阻尼器裝置，但關(guān)于采用附加型阻尼進(jìn)行減震的研究還不是很多，作為對耗能減震技術(shù)手段的嘗試，本文采用附加型自由阻尼結(jié)構(gòu)，即直接在構(gòu)件上粘貼橡膠板，直接粘貼橡膠板作為被動控制過程不依賴于結(jié)構(gòu)反應(yīng)和外界干擾信息，具有高的可靠性和魯棒性，施工簡便可行，通過阻尼材料的直接交互變形, 在結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動時(shí)，自由層也會隨之產(chǎn)生彎曲振動，此時(shí)粘彈材料則存在著拉伸與壓縮變形，使得振動能量以熱量的形式得以耗散，以此達(dá)到抑制結(jié)構(gòu)振動的目的。

近年來，對于橡膠阻尼消能減震的研究方面，德國的Oberst和法國的Lienard進(jìn)行了阻尼材料損耗因子及其影響因素的理論分析與計(jì)算；英國的Mead和Schwarzl等發(fā)展了損耗因子計(jì)算并應(yīng)用于飛機(jī)及其他結(jié)構(gòu)[4～8]；日本東京工業(yè)大學(xué)川島教授進(jìn)行了關(guān)于“塑性鉸區(qū)埋入高阻尼橡膠的RC橋墩的開發(fā)”的試驗(yàn)研究，得出合理埋入隔震橡膠能改善RC橋墩抗震性能的結(jié)論，家村教授對配置無粘結(jié)鋼筋的RC柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，探討其抗震性能和自復(fù)位性能[9]。在國內(nèi)，桂洪斌等[10]進(jìn)行了自由阻尼層加筋板的穩(wěn)態(tài)簡諧響應(yīng)分析；鄭百哲等[11]做了自由層阻尼復(fù)合板減振特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究；張大長等[12]在塑性鉸區(qū)埋入高阻尼隔震橡膠后RC柱的抗震性能研究，探討了埋入不同厚度橡膠層 RC 柱的承載力-變形特性、破壞模式和抗震性能；呂叢叢等[13]進(jìn)行了新型的內(nèi)置橡膠混合物的雙重鋼管混凝土抗震柱研究；陳懷亮[14]進(jìn)行了埋入橡膠層后 RC 柱的非線性有限元分析，探討了相應(yīng)的本構(gòu)模型。但是鮮有對采用混凝土柱外圍橡膠板進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)抗震方面的研究，針對這一情況，本文進(jìn)行試驗(yàn)并嘗試進(jìn)行相關(guān)理論分析。

本文主要工作是在普通RC柱外圍粘貼阻尼橡膠板，形成自由阻尼結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同工況進(jìn)行分類研究，即分別對自由阻尼材料的不同粘貼面、阻尼材料的不同厚度及同樣厚度在不同軸壓比下柱體的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析。

1 外圍粘貼橡膠板RC柱偽靜力試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

本試驗(yàn)重點(diǎn)在于比較RC柱外圍粘貼阻尼橡膠板后，不同工況下阻尼橡膠板的變形對能量吸收的作用大小。試驗(yàn)采用10個(gè)RC柱試件，具體設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試件設(shè)計(jì)

注：正面：外加水平荷載的作用面；側(cè)面：與外加水平荷載相平行的面

柱截面b×h=250×250 mm2，柱高L=1000 mm，柱帽高度為180 mm。邊界條件為：柱頂端為自由端，底部為固定端。底座尺寸：350×450×800 mm3。具體形狀尺寸如圖1所示。

圖1 試件設(shè)計(jì)尺寸/mm

試件養(yǎng)護(hù)成型后粘貼橡膠板。首先進(jìn)行基面處理，將柱表面的突出部位和蜂窩部位進(jìn)行鑿除，并將凹陷部位用砂漿找平；然后利用混凝土專用角磨機(jī)對試件表面進(jìn)行仔細(xì)打磨，磨去表面層，同時(shí)將試件表面打磨平整。

圖2 構(gòu)件配筋/mm

用鋼絲刷刷去表面松散的浮渣，并用砂布打磨光滑，用吹風(fēng)機(jī)吹去表面粉塵，再用丙酮擦拭試件表面，保持表面清潔干燥。

將上海產(chǎn)鐵錨801強(qiáng)力膠進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，攪拌均勻后，用毛刷在試件表面均勻涂刷，并待至觸指干燥，對粘貼面上凹入部位用環(huán)氧膩?zhàn)有扪a(bǔ)，以保證粘貼面平整，確保粘貼效果。然后進(jìn)入粘貼橡膠板工序。在粘貼之前，考慮粘貼膠的粘貼力大小，須將橡膠板表面先用木挫將其打毛，以保證其兩者之間的良好粘貼，確保在試驗(yàn)過程中，不至兩者之間的粘結(jié)力不足而分離，導(dǎo)致橡膠板粘貼無效。同樣，在橡膠板打毛后的表面涂刷鐵錨801強(qiáng)力膠，待觸指干燥后，將其粘貼到試件上。為保證801膠的充分浸漬，確保粘貼質(zhì)量，用橡膠錘沿橡膠板均勻敲打2～3遍。

1.2 材料性能

根據(jù)Oberst梁理論,當(dāng)基體和復(fù)合厚度比一定時(shí),自由阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合損耗因子與阻尼材料的損耗模量成正比,即與阻尼材料的損耗因子和彈模之積成正比，損耗模量最大時(shí),結(jié)構(gòu)復(fù)合損耗因子也最大。而材料的彈模和損耗因子是隨頻率、溫度和濕度等因素變化的。為充分發(fā)揮阻尼橡膠板的阻尼減震性能，必須綜合考慮頻率、溫度、濕度及厚度等影響因素[15]。

試驗(yàn)中粘貼橡膠板所用上海產(chǎn)鐵錨801膠的性能指標(biāo)為：(1)外觀：土黃色粘稠液；(2)粘度：2～5 pa.s；(3)不揮發(fā)物含量26%～30%；(4)剝離強(qiáng)度>31 N/cm。

橡膠板采用常州蘭陵橡膠廠生產(chǎn)的ZN22型阻尼材料板，其主要性能指標(biāo)如表2所示。

表2 ZN22型橡膠板的主要性能指標(biāo)

混凝土采用C30，其力學(xué)性能如表3所示。

表3 混凝土的力學(xué)性能

縱筋采用HRB400，箍筋采用HPB300，力學(xué)性能如表4所示。

表4 鋼筋的力學(xué)性能

注：表中數(shù)據(jù)為三根鋼筋的試驗(yàn)平均值

1.3 試驗(yàn)裝置、測量方法和加載制度

試驗(yàn)裝置：本次實(shí)驗(yàn)荷載為水平反復(fù)荷載，試驗(yàn)是在JY-DSV-2A型電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，經(jīng)添加MTS控制計(jì)算機(jī)、MTS分油器、MTS位移傳感器等改造完成的電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)上完成的。試驗(yàn)機(jī)及自制的加載裝置示意圖及實(shí)際加載圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置

邊界條件為：柱頂端為自由端，底部為固定端。為使構(gòu)件在安裝后頂部行成一自由端，在加載過程中不致使頂部的自由端受任何約束。試驗(yàn)是在自制的加載裝置上進(jìn)行，門架式反力架墊板和反力架橫梁間設(shè)置5根直徑為50 mm滾軸，在試件頂部形成自由端可以水平移動。作動器與自制的柱帽連接。以上各項(xiàng)使試件頂部形成自由端，在平面內(nèi)自由移動，不受任何約束。底部的固定：試件下部兩側(cè)用小橫梁和底座用地錨螺栓固定，使試件底部形成固定端。為防止在水平推力作用下，柱體水平滑移，在一側(cè)設(shè)置橫梁，通過螺旋千斤頂予以固定。

測量方法：

(1)軸壓力：通過高壓油表實(shí)時(shí)顯示作用力的大??；

(2)水平力：作動器提供力的大小顯示；

(3)水平位移：施加水平力時(shí)用位移計(jì)測量出試件頂部、底部的水平位移大??；

(4)橡膠的應(yīng)變：采用紙基BQ120-80AA應(yīng)變片進(jìn)行測量。每個(gè)柱體在拉壓方向部設(shè)6個(gè)測點(diǎn)；

(5)鋼筋應(yīng)變：縱筋、箍筋的應(yīng)變測點(diǎn)共24個(gè)，采用箔式膠基BE120-3AA型電阻應(yīng)變片測量。

以上各項(xiàng)采用YD-28，YD-15型動態(tài)電阻應(yīng)變儀測量并通過HP34970A采集儀實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集及處理。為防止底座的水平滑移，除了上述在底部加螺旋千斤頂固定外，還要在底座部設(shè)位移計(jì)，用以修正在水平方向的位移。

加載制度：本次試驗(yàn)加載制度按照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》的規(guī)定：試件屈服前，采用荷載控制分級加載；試件屈服后，采用變形控制，具體加載圖式見圖4所示，圖中Pcz為屈服荷載，Δcz為屈服位移。

圖4 反復(fù)荷載試驗(yàn)加載制度

1.4 試件的破壞形態(tài)

在試驗(yàn)中由于外圍橡膠板的情況不同，有的可以清楚的觀察到試件裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展及混凝土保護(hù)層的脫落等現(xiàn)象，有的則由于四面粘貼橡膠板，不能實(shí)時(shí)觀察上述現(xiàn)象?；旧现w都經(jīng)歷了混凝土開裂，裂縫發(fā)展、橡膠板應(yīng)變急劇增長、柱子承載力下降等幾個(gè)過程。

與普通RC構(gòu)件相比，用位移控制加載后，隨著位移的不斷增大，柱底部裂縫不斷發(fā)展，外圍的橡膠板外鼓，但僅限于柱根部。繼續(xù)增大位移時(shí)，柱根部受壓區(qū)外圍的橡膠板外鼓更加嚴(yán)重。對外鼓部位進(jìn)行敲擊，未現(xiàn)“空洞”音，試驗(yàn)后剝離橡膠板，發(fā)現(xiàn)其外鼓是由根部部分混凝土被壓酥導(dǎo)致。再增大位移，混凝土逐漸被壓酥，承載力達(dá)到最大，而箍筋應(yīng)變的增加與Z1柱相比相對緩慢，橡膠板應(yīng)變增加加快，起到約束作用。繼續(xù)增大位移，水平荷載開始下降。整個(gè)試驗(yàn)過程中橡膠板沒有脫落現(xiàn)象。試驗(yàn)后去掉橡膠板，發(fā)現(xiàn)除柱根部一小段混凝土壓酥外，沒有混凝土大量脫落的現(xiàn)象。

各工況下柱的具體試驗(yàn)現(xiàn)象如下：開始加載階段，Z2～Z10破壞現(xiàn)象如同未粘貼橡膠板Z1情形，因混凝土構(gòu)件仍處于彈性階段，縱筋應(yīng)變與荷載基本呈線性變化。

隨荷載的不斷加大，Z2，Z3：當(dāng)縱筋應(yīng)變分別達(dá)到1406，1476 με時(shí)，構(gòu)件屈服，改為位移控制加載，隨著位移的不斷增大，從正面觀察，水平向裂縫不斷擴(kuò)展，均分布距柱根32，35 cm范圍內(nèi)。整個(gè)試驗(yàn)過程當(dāng)中，橡膠板最大應(yīng)變?yōu)?614，4151 με，箍筋應(yīng)變最大值750，782 με。

Z4，Z5：縱筋應(yīng)變分別達(dá)到1524，1549 με時(shí)，構(gòu)件屈服。構(gòu)件屈服后，改為位移控制加載，隨著位移的不斷增大，從側(cè)面觀察，彎剪斜裂縫不斷擴(kuò)展。分別分布于距柱根30，35 cm范圍內(nèi)，此時(shí)混凝土逐漸被壓酥，承載力達(dá)到最大。整個(gè)試驗(yàn)過程當(dāng)中，橡膠板最大應(yīng)變?yōu)?613，4042 με，箍筋應(yīng)變最大值896，941 με。

Z6：當(dāng)縱筋應(yīng)變達(dá)到1584 με，構(gòu)件屈服，在屈服之后，改為位移控制加載，隨著控制位移的不斷加大。根部混凝土橫向變形增大，外圍的橡膠板外鼓，但僅限于柱根部。繼續(xù)增大位移，水平荷載開始下降，橡膠板最大應(yīng)變?yōu)?426 με，箍筋應(yīng)變最大值986 με。

Z7，Z8試驗(yàn)現(xiàn)象類同于Z6，不同處是縱筋應(yīng)變分別達(dá)到1605，1634 με時(shí)構(gòu)件屈服。整個(gè)試驗(yàn)過程當(dāng)中，橡膠板最大應(yīng)變?yōu)?643，4680 με，箍筋應(yīng)變最大值1057，1106 με。Z9，Z10是四面粘貼橡膠板，在試驗(yàn)過程當(dāng)中無法直接觀看試驗(yàn)現(xiàn)象?，F(xiàn)場觀察外觀變形現(xiàn)象類同Z6～Z8，但構(gòu)件屈服時(shí)，縱筋應(yīng)變分別是1421，1643 με，橡膠板最大應(yīng)變?yōu)?359，4862 με，箍筋應(yīng)變最大值964，1106 με。構(gòu)件破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 構(gòu)件破壞形態(tài)

2 柱受力性能及分析

2.1 荷載與變形

各工況下柱頂位移隨荷載變化的滯回曲線和骨架曲線如圖6所示。荷載與變形的分析表如表5所示。

圖6 構(gòu)件滯回曲線和骨架曲線

表5 荷載與變形

注：Py，Pu分別為屈服荷載和極限荷載的試驗(yàn)值(kN)；Δy，Δu，Δf分別為屈服荷載、極限荷載和破壞荷載所對應(yīng)的位移(mm)

從表5、圖6可以看出如下特征：

(1)構(gòu)件開裂前，剛度幾無變化，滯回曲線體現(xiàn)為近似直線；構(gòu)件一旦開裂，試件剛度退化明顯，滯回曲線向橫軸(位移軸)傾斜，所圍面積增大。

(2)粘貼橡膠板后試件的滯回曲線基本上呈梭形，捏攏現(xiàn)象有所改善，直觀反映出橡膠圍箍RC柱具有良好的塑性變形能力和滯回耗能能力。

(3)同樣厚度下，側(cè)面粘貼橡膠板消能減震效果要好于正面粘貼，四面粘貼的效果要好于兩面粘貼。粘貼于同一面層時(shí)，隨著厚度的增加，滯回曲線日趨飽滿，骨架曲線的下降段相對平緩，構(gòu)件的延性有所增加，耗能性能增強(qiáng)，說明隨橡膠板厚度的增加，其減震消能效果不斷提高，但構(gòu)件的承載力相差不大。

(4)隨著軸壓比的增大，構(gòu)件的骨架曲線在下降段明顯變陡。而軸壓比較小的構(gòu)件在超過最大承載力之后，骨架線的下降段比較平緩，還具有較高的承載力，延性較好。但隨著軸壓比的增大，構(gòu)件的承載能力會相應(yīng)提高。

2.2 鋼筋及橡膠板的應(yīng)變

在同一荷載(F=30 kN)作用下，各試件不同位置處的應(yīng)變值不同，具體縱筋應(yīng)變值發(fā)展情況如圖7所示。

從圖7中可以看出，在同一荷載作用下，柱體根部鋼筋應(yīng)變值最大，在柱跟部1.5倍的柱截面的區(qū)域內(nèi)縱筋應(yīng)變變化較大，且隨著距離柱根部高度的增加，應(yīng)變值逐漸減小。各試件根部位置縱筋應(yīng)變隨荷載循環(huán)發(fā)展情況如圖8所示，從中可以看出，隨加載次數(shù)的不斷增加，縱筋應(yīng)變不斷發(fā)展?？v筋應(yīng)變發(fā)展程度隨粘貼橡膠板厚度及側(cè)面粘貼狀況而趨于平緩。此過程中縱筋最大應(yīng)變值為3468 με。

圖7 同一荷載、不同位置處縱筋應(yīng)變分布

圖8 各試件根部位置縱筋應(yīng)變隨荷載循環(huán)發(fā)展情況

試件橡膠板的應(yīng)變沿柱高分布如圖9所示，從中可以發(fā)現(xiàn)：在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，直至試件破壞，在柱根部1.5倍的柱截面區(qū)域內(nèi)，橡膠板的應(yīng)變較大；超出這一區(qū)域，橡膠板的應(yīng)變值較小，說明在上述區(qū)域外的橡膠板發(fā)揮作用不大。應(yīng)對粘貼區(qū)域進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，按照本次試驗(yàn)結(jié)果，柱的粘貼位置主要是潛在塑性鉸區(qū)域，橡膠板的粘貼區(qū)域不宜小于兩倍柱截面高度。

圖9 橡膠板應(yīng)變分布

2.3 耗能性能

耗能是反映試件非線性性質(zhì)的重要因素，常用能量耗散系數(shù)E[16]來表示。E的計(jì)算方法如下：

(2)

式中：SABC，SCDA表示滯回曲線上半部和下半部的面積；SOBE，SODF表示三角形的面積，具體面積的計(jì)算圖如圖10所示。

圖10 能量耗散系數(shù)計(jì)算圖

為了比較整個(gè)加載過程中構(gòu)件總的耗能能力。根據(jù)李忠獻(xiàn)[17]等人計(jì)算耗能系數(shù)的方法由滯回曲線包絡(luò)線得到本次試驗(yàn)中各試件整個(gè)加載過程的能量耗散系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表示構(gòu)件的能量耗散能力又可用峰值荷載作用下的等效阻尼系數(shù)he來表達(dá)：

(3)

he的計(jì)算結(jié)果見表6。從表6可以看出：(1)與未粘貼橡膠板柱相比較，加固后的RC柱he有明顯提高，可見經(jīng)外圍橡膠板后柱的耗能性能得到明顯改善；(2)粘貼同樣厚度橡膠板的情況下，由于軸壓比不同，等效阻尼系數(shù)he隨軸壓比的增大而減小；(3)對于相同軸壓比工況下，隨著粘貼橡膠板厚度的增加，he也隨之增加；(4)相同厚度下，側(cè)面粘貼橡膠板減震效果要好于正面粘貼，四面粘貼減震效果要好于兩面粘貼。

表6 各柱的位移延性系數(shù)及能量耗散系數(shù)

2.4 柱剛度退化特性

柱割線剛度Ki按式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

式中:Pi為第i次峰值點(diǎn)荷載值；Δi為第i次峰值點(diǎn)位移值。

通過式(4)進(jìn)行計(jì)算，然后繪制相應(yīng)各試件的剛度退化曲線(圖11)，從圖中可知試件的剛度退化規(guī)律：在柱開裂前，剛度已有降低；隨著水平位移的持續(xù)增大，剛度不斷減?。划?dāng)柱充分開裂后剛度退化基本趨于穩(wěn)定，比較Z1和其他柱體退化曲線可知，柱體粘貼橡膠板在其剛度退化方面影響不大。

圖11 試件剛度退化曲線

3 結(jié) 論

(1)通過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，得到了橡膠板粘貼RC柱在不同工況下的宏觀破壞現(xiàn)象。在試驗(yàn)過程中，橡膠板沒有出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，有效地保護(hù)了柱體。

(2)通過對構(gòu)件縱筋及橡膠板應(yīng)變分析，認(rèn)為橡膠板在柱的粘貼位置不宜小于兩倍柱截面高度。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明：外圍粘貼阻尼橡膠板加固后RC柱的延性得到提高。柱在全加載過程中的能量耗散系數(shù)E和峰值荷載下的等效阻尼比he均有不同程度的提高，滯回曲線漸趨豐滿，消能減震效果明顯，構(gòu)件骨架曲線下降段趨于平緩，承載力提高不大。

(4)在相同軸壓比、相同橡膠板厚度情況下，側(cè)面粘貼的減震效果高于正面粘貼，四面粘貼的減震效果高于兩面粘貼。阻尼橡膠板粘貼在同一側(cè)面時(shí)，減震效果隨著橡膠板厚度的增加而提高。隨著軸壓比的增加，構(gòu)件骨架曲線下降段斜率變大，構(gòu)件延性變差，耗能性能下降。

作為對消能減震技術(shù)手段的嘗試，在RC柱外圍粘貼橡膠板，通過橡膠板的阻尼性能進(jìn)行消能減震，試驗(yàn)結(jié)果分析表明粘貼橡膠板后柱的抗震效果比較明顯。作為一種新的消能減震技術(shù)，可更進(jìn)一步進(jìn)行理論研究與工程實(shí)踐應(yīng)用。