CFRP筋/鋼筋混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)

趙 軍，沈富強(qiáng)，司晨哲，孫玉平

(1. 鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450001； 2. 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州 450001； 3. 日本神戶大學(xué)工學(xué)研究科，兵庫(kù)神戶 657-8501)

0 引 言

中國(guó)現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)遵循的基本準(zhǔn)則是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，當(dāng)建筑物遭遇相當(dāng)于或超過(guò)抗震設(shè)防烈度的地震時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的損壞甚至破壞[1-2]。對(duì)于醫(yī)院、發(fā)電廠、道路、橋梁、通信基站等生命線工程，其使用功能在地震時(shí)及震后搶險(xiǎn)救援中的作用舉足輕重，發(fā)生地震時(shí)僅僅是“不倒塌”這樣的抗震設(shè)防要求已不能滿足需要，而且經(jīng)歷中、大震后建筑即使不倒塌，也會(huì)產(chǎn)生較大的殘余變形，混凝土中的鋼筋可能發(fā)生屈服、斷裂，修復(fù)成本巨大，多數(shù)情況下只能拆除重建，極大地耗費(fèi)人力和物力。因此，能夠抵抗較大地震作用，震后殘余變形小，能夠快速恢復(fù)使用功能的可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)成為結(jié)構(gòu)抗震工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3-5]。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)筋是一種新型混凝土結(jié)構(gòu)配筋材料，具有抗拉強(qiáng)度高和線彈性特性，將其布置在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，能夠提高結(jié)構(gòu)的承載能力，其在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已有廣泛的研究[6-10]。文獻(xiàn)[11]～[14]將CFRP筋與鋼筋混合配置在混凝土柱中進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，配置CFRP筋的混凝土柱具有較強(qiáng)的承載能力，CFRP筋可以提高柱屈服后的剛度比，減小殘余變形。此外，配置CFRP筋混凝土柱的極限位移轉(zhuǎn)角超過(guò)了2.4%。軸壓比和箍筋配筋率是影響CFRP筋混凝土柱抗震性能的重要因素。文獻(xiàn)[15],[16]對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋混凝土剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，F(xiàn)RP筋混凝土剪力墻的裂縫寬度和殘余變形明顯小于普通鋼筋混凝土剪力墻，當(dāng)荷載小于極限荷載的80%時(shí)，F(xiàn)RP筋混凝土剪力墻的殘余變形基本為0，具有良好的恢復(fù)性能。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)對(duì)CFRP筋/鋼筋混凝土剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在鋼筋混凝土剪力墻的適當(dāng)位置配置CFRP筋能夠提高剪力墻的承載能力，有效減小剪力墻的殘余變形[17-19]，但對(duì)于CFRP筋/鋼筋混凝土剪力墻的抗震性能仍需進(jìn)一步的研究。

為了研究軸壓比和剪力墻邊緣構(gòu)件中箍筋對(duì)CFRP筋/鋼筋混凝土剪力墻抗震性能的影響，本文設(shè)計(jì)了6個(gè)邊緣構(gòu)件配置2種不同箍筋形式的CFRP筋/鋼筋混凝土剪力墻，在0.17，0.26，0.33三種軸壓比下進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究配置CFRP筋對(duì)鋼筋混凝土剪力墻抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了6個(gè)矩形截面(尺寸為200 mm×1 280 mm)剪力墻試件，剪跨比為2.0。試件由加載梁、墻體、基礎(chǔ)梁三部分組成。加載梁為矩形截面(尺寸為300 mm×400 mm)，長(zhǎng)1 780 mm。基礎(chǔ)梁為矩形截面(尺寸為500 mm×700 mm)，長(zhǎng)2 110 mm。6個(gè)剪力墻試件根據(jù)墻體邊緣構(gòu)件配置的箍筋形式不同分為2類，第1類試件共3個(gè)，墻體邊緣構(gòu)件配置矩形復(fù)合箍筋，編號(hào)分別為CFRPRW1，CFRPRW2，CFRPRW3，分別對(duì)應(yīng)0.17，0.26，0.33的軸壓比。第2類試件共3個(gè)，墻體邊緣構(gòu)件配置圓形箍筋，編號(hào)為CFRPHW1，CFRPHW2，CFRPHW3，分別對(duì)應(yīng)0.17，0.26，0.33的軸壓比。

CFRP筋配置在剪力墻邊緣構(gòu)件中作為縱向受力筋，每個(gè)邊緣構(gòu)件配置12根縱向筋，其中4根直徑8 mm的HRB335鋼筋位于邊緣構(gòu)件四角，8根直徑12 mm的CFRP筋均勻分布于邊緣構(gòu)件四邊。邊緣構(gòu)件中箍筋為直徑6 mm的HPB300鋼筋，間距50 mm。CFRPRW1～CFRPRW3中采用矩形復(fù)合箍筋，配箍率為1.7%；CFRPHW1～CFRPHW3中采用圓形箍筋，配箍率為0.6%。試件配筋如圖1所示。剪力墻的墻體豎向分布鋼筋和水平分布鋼筋均為直徑8 mm的HRB335鋼筋，豎向分布鋼筋的間距為60 mm，配筋率為0.7%。墻體600 mm高度以下范圍內(nèi)水平分布鋼筋的間距為50 mm，配筋率為1.0%；600 mm高度以上范圍的水平鋼筋間距為70 mm，配筋率為0.7%。為保證CFRP筋在混凝土中的黏結(jié)，充分發(fā)揮CFRP筋的性能，設(shè)計(jì)了一種錨固裝置對(duì)CFRP筋端部進(jìn)行錨固，如圖2所示。錨固裝置由8根長(zhǎng)330 mm、外徑32 mm、壁厚3 mm的鋼管焊接到一塊邊長(zhǎng)190 mm、厚10 mm的鋼板上組成。將CFRP筋插入鋼管中心，灌入高強(qiáng)、無(wú)收縮的灌漿料即完成了對(duì)CFRP筋端部的錨固。

1.2 材料性能

試件所用筋材性能如表1所示。試件所用混凝土為C40混凝土，28 d立方體抗壓強(qiáng)度為57.2 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度為36.8 MPa。

表1 筋材性能Tab.1 Properties of Bars

1.3 加載方案

CFRP筋/鋼筋混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)為豎向荷載作用下的水平反復(fù)荷載試驗(yàn)，加載裝置如圖3所示。豎向加載由液壓千斤頂完成，按照試驗(yàn)軸壓比確定6個(gè)剪力墻試件所承受的豎向荷載大小，軸壓比0.17對(duì)應(yīng)的豎向荷載為1 580 kN，軸壓比0.26對(duì)應(yīng)的豎向荷載為2 431 kN，軸壓比0.33對(duì)應(yīng)的豎向荷載為3 160 kN。豎向千斤頂上方裝有滑道，可使豎向千斤頂能夠隨著墻體變形作水平移動(dòng)，保持其加載位置不變。水平反復(fù)加載由MTS作動(dòng)器完成，采用位移控制，加載制度如圖4所示。

1.4 測(cè)量方案

通過(guò)應(yīng)變片和位移計(jì)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中剪力墻筋材的應(yīng)變以及墻體位移進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)變片和位移計(jì)的布置如圖5所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

6個(gè)剪力墻均呈現(xiàn)以彎曲破壞為主的彎剪型破壞，圖6為軸壓比0.33的剪力墻破壞形態(tài)。加載前期墻角出現(xiàn)水平裂縫，隨著加載等級(jí)的提高，水平裂縫沿水平向延伸，并逐漸斜向發(fā)展，最終墻體受拉側(cè)縱向鋼筋屈服，受壓側(cè)墻角混凝土壓壞，剪力墻破壞。軸壓比較小時(shí)，剪力墻破壞時(shí)混凝土破壞區(qū)域不大，而且配置不同形式的箍筋影響較小。隨著軸壓比增大，墻體裂縫發(fā)展高度減小，墻角混凝土剝落范圍增大。當(dāng)軸壓比為0.33時(shí)，配置圓形箍筋的剪力墻墻角混凝土破壞區(qū)域和程度比配置矩形復(fù)合箍筋的剪力墻大，如圖6所示。

2.2 滯回曲線

試件的滯回曲線是在水平反復(fù)荷載F作用下，試件承受的水平荷載隨位移計(jì)DH0測(cè)得的試件加載梁中部水平位移Δ的變化曲線，如圖7所示。

軸壓比相同時(shí)，不同箍筋形式對(duì)剪力墻的承載能力影響較小，但對(duì)剪力墻的極限變形影響較大，配置復(fù)合矩形箍筋的剪力墻比圓形箍筋剪力墻的極限變形大。

軸壓比對(duì)剪力墻的影響比較明顯。隨著軸壓比的增大，剪力墻峰值荷載增大，且峰值荷載對(duì)應(yīng)的水平位移減小。當(dāng)軸壓比為0.17時(shí)，CFRPRW1和CFRPRW2在層間位移角2.5%的加載等級(jí)下達(dá)到峰值荷載。當(dāng)軸壓比為0.26，0.33時(shí)，試件達(dá)到峰值荷載對(duì)應(yīng)的加載等級(jí)分別為1.8%， 1.6%。達(dá)到峰值荷載后，隨著軸壓比的增加，試件的承載力下降幅度也增大。此外，軸壓比對(duì)剪力墻的變形能力也有影響，試件的極限位移隨軸壓比的增大而減小。

當(dāng)層間位移角小于1/60 rad，對(duì)應(yīng)的層間位移小于42.7 mm時(shí)，6個(gè)試件的承載力均沒有出現(xiàn)顯著的降低，表明CFRP筋/鋼筋混凝土剪力墻有較好的持載能力。另外，6個(gè)試件的殘余變形也比較小，均有較好的自復(fù)位能力。這說(shuō)明在剪力墻邊緣構(gòu)件中配置CFRP筋可以有效地減小剪力墻的殘余變形，為墻體提供良好的恢復(fù)能力。相比來(lái)看，配置矩形復(fù)合箍筋的剪力墻殘余變形比配置圓形箍筋剪力墻要小，自復(fù)位性能更好。

2.3 骨架曲線

試件的骨架曲線為滯回曲線各級(jí)加載第1次循環(huán)的峰值點(diǎn)所連成的包絡(luò)線，見圖8。

相同軸壓比下，配置矩形復(fù)合箍筋剪力墻的峰值荷載稍高于配置圓形箍筋的剪力墻。當(dāng)軸壓比為0.17時(shí)，CFRPRW1和CFRPHW1的變形基本一致。當(dāng)軸壓比為0.26和0.33時(shí)，CFRPRW2和CFRPRW3的變形能力要優(yōu)于CFRPHW2和CFRPHW3，說(shuō)明配置矩形箍筋的剪力墻變形能力優(yōu)于配置圓形箍筋的剪力墻?？梢娕渲镁匦螐?fù)合箍筋比配置圓形箍筋對(duì)邊緣構(gòu)件核心區(qū)混凝土有著更好的約束作用，從而提高受壓側(cè)核心區(qū)混凝土的抗壓能力和變形能力，這種作用在較大的軸壓比下顯得更加明顯。隨著軸壓比的增大，荷載峰值點(diǎn)有所提高，荷載峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移減小，而且試件的最大位移值也有所降低，說(shuō)明試件的極限荷載隨軸壓比的增大而增大，而變形能力隨軸壓比的增大而減小。

2.4 剛度和強(qiáng)度退化

剛度反映了試件抵抗變形的能力。在水平反復(fù)荷載作用下，剪力墻的剛度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。剪力墻試件的剛度可用割線剛度表示，割線剛度Ki按式(1)計(jì)算[20]

(1)

式中：+Fi，+Fi分別為第i次正、反向峰值點(diǎn)的荷載值；+Xi，-Xi分別為第i次正、反向峰值點(diǎn)的位移值。

由式(1)計(jì)算出各試件在每個(gè)加載等級(jí)下的剛度，繪制出剛度隨位移的變化曲線，即為試件的剛度K退化曲線，如圖9所示。6個(gè)試件剛度退化的趨勢(shì)相似，割線剛度在位移值6 mm以內(nèi)時(shí)下降迅速。隨后剛度退化的速率放緩，在位移值20～60 mm階段退化速率逐漸趨于平穩(wěn)。隨著軸壓比的增大，試件剛度退化的速率減小，尤其在位移20 mm以內(nèi)的階段最為明顯。位移大于40 mm之后，剛度退化曲線基本重合。箍筋形式對(duì)剪力墻的剛度退化規(guī)律有一定的影響，從開始加載到變形增大到40 mm的加載階段內(nèi)，配置矩形復(fù)合箍筋剪力墻的剛度小于配置圓形箍筋的剪力墻，但隨著軸壓比的增大，二者的差別逐漸減小，當(dāng)軸壓比達(dá)到0.33時(shí)，剛度退化曲線基本重合。

剪力墻在反復(fù)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生不可逆的損傷，造成強(qiáng)度下降。在同一加載等級(jí)下，把第2次循環(huán)峰值點(diǎn)荷載值與第1次循環(huán)峰值點(diǎn)荷載值的比值定義為該加載等級(jí)的強(qiáng)度退化系數(shù)λ，以此反映剪力墻的強(qiáng)度退化情況。

圖10為強(qiáng)度退化曲線。由圖10可知：當(dāng)水平位移小于20 mm時(shí)，所有試件的強(qiáng)度退化系數(shù)穩(wěn)定在5%以內(nèi)，此時(shí)剪力墻的強(qiáng)度退化程度較低，箍筋形式對(duì)強(qiáng)度退化規(guī)律影響較小；當(dāng)層間位移大于20 mm時(shí)，軸壓比為0.17的2個(gè)剪力墻強(qiáng)度退化系數(shù)仍然穩(wěn)定，降低幅度較?。惠S壓比為0.26和0.33的剪力墻強(qiáng)度退化系數(shù)產(chǎn)生了較大的下降。這說(shuō)明軸壓比和變形對(duì)試件的強(qiáng)度退化有著較大影響，在大軸壓比和大變形條件下，反復(fù)荷載作用對(duì)剪力墻造成了較大的損傷，使其強(qiáng)度產(chǎn)生了較大的降低。

2.5 耗能能力

試件的耗能能力以滯回曲線所包圍的面積衡量。圖11為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的累積耗能曲線。由圖11可知，箍筋形式和軸壓比對(duì)剪力墻的耗能能力有一定的影響。隨著軸壓比的增加，試件的耗能能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)軸壓比為0.17和0.26時(shí)，邊緣構(gòu)件中配置矩形復(fù)合箍筋和圓形箍筋的2種剪力墻累積耗能曲線基本一致，兩者的累積耗能相差不大。當(dāng)軸壓比為0.33時(shí)，邊緣構(gòu)件配置矩形復(fù)合箍筋的剪力墻累積耗能大于配置圓形箍筋的剪力墻，而且層間位移角越大，二者的差別越大。這表明在該軸壓比條件下，配置的箍筋形式對(duì)剪力墻的耗能能力有較大影響，配置矩形復(fù)合箍筋的剪力墻耗能能力優(yōu)于配置圓形箍筋的剪力墻。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)隨著軸壓比的增大，滯回曲線中的峰值荷載增大，峰值荷載對(duì)應(yīng)的變形有所減小，極限變形也相應(yīng)降低。

(2)在剪力墻邊緣構(gòu)件中配置CFRP筋，剪力墻的殘余變形很小，具有良好的自復(fù)位能力。

(3)隨著軸壓比的增加，剪力墻的剛度退化有所減緩，配置矩形復(fù)合箍筋的剪力墻剛度小于配置圓形箍筋剪力墻。

(4)軸壓比較小時(shí)，邊緣構(gòu)件中的箍筋形式對(duì)剪力墻的耗能能力影響較小。當(dāng)軸壓比較大時(shí)，配置矩形復(fù)合箍筋剪力墻的耗能能力大于配置圓形箍筋剪力墻。