CFRP加固前后L形豎縫裝配式耗能剪力墻抗震性能研究*

張玉敏， 龐 豹， 李 祥， 王宇亮， 蔡占軍， 何 斌

(1 華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院， 唐山 063210；2 河北省地震工程研究中心， 唐山 063009)

0 概述

目前國內(nèi)外學(xué)者對耗能剪力墻[1-4]的研究，主要集中在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)[5]的預(yù)制剪力墻中。對傳統(tǒng)現(xiàn)澆剪力墻的研究主要集中在，通過在墻體中接豎縫來使現(xiàn)澆剪力墻達(dá)到更好地耗能效果，如武藤清[6]教授最早提出了帶豎縫剪力墻的概念；對裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的研究則主要集中在傳統(tǒng)豎向接縫，如郭正興[7-8]、孫巍巍[9]等學(xué)者對該結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行了研究。而對裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中采用耗能豎縫的研究比較少，如王宇亮[10]、闞義森[11]等。另外在裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中采用CFRP布加固的試驗(yàn)研究也較少，如符春峰[12]、張超[13]、王球[14]對短肢剪力墻連梁震后加固的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，Pantelides C P[15]等采用纖維聚合物(FRP)加固預(yù)制裝配式剪力墻的豎向接縫。

本文結(jié)合已有的相關(guān)研究成果，提出一種新型耗能剪力墻，通過在豎向接縫中設(shè)置金屬阻尼器，來改善裝配式剪力墻的延性和耗能能力。通過對該耗能裝配式剪力墻進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，以及對該耗能裝配式剪力墻破壞后進(jìn)行CFRP加固，再對加固后的剪力墻試件進(jìn)行同樣的加載試驗(yàn)，研究該新型剪力墻的整體工作性能和耗能能力。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了2個(gè)L形耗能預(yù)制剪力墻試件和2個(gè)L形耗能預(yù)制剪力墻破壞后使用碳纖維布加固的試件，試件參數(shù)如表1所示(L代表L形墻，A代表試件破壞后加固，0.1，0.3代表軸壓比)。所有試件均使用HRB400級鋼筋制作，試件的幾何尺寸及配筋相同，如圖1所示。豎向接縫中縱向等間距放置三個(gè)耗能阻尼器。通過課題組前期試驗(yàn)研究[16-17]，選擇了耗能效果較好的軟鋼阻尼器。腹板墻與L形翼墻間250mm寬豎向接縫位置等間距地設(shè)置三個(gè)軟鋼阻尼器，與在墻體中提前預(yù)埋的鋼板焊接，完成墻體和阻尼器的連接。阻尼器共15個(gè)彎曲單元，彎曲單元長150mm,寬20mm，相鄰彎曲單元之間間隔5mm，彎曲單元端部采用半圓弧的連接形式以減少應(yīng)力集中，其屈服位移為1.75mm，極限位移為20.2mm，屈服荷載為55.77kN，極限荷載為94.74kN，阻尼器詳細(xì)尺寸如圖2所示。

圖1 試件幾何尺寸及配筋

圖2 軟鋼阻尼器尺寸

表1 試件參數(shù)

對試件L-0.1和L-0.3進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該剪力墻破壞主要集中在腹板墻底部1 000mm高度范圍內(nèi)，墻體混凝土開裂和兩側(cè)底部自由端混凝土被壓碎。結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范，對破壞后的原試件進(jìn)行如下加固：加固所使用材料均為某公司生產(chǎn)的碳纖維片材和CFSR-A/B浸漬膠。先對剪力墻混凝土被壓壞的部位進(jìn)行剔除清理，并使用3d強(qiáng)度達(dá)到60MPa的高強(qiáng)度自密實(shí)灌漿料，之后在距基礎(chǔ)頂面300mm范圍內(nèi)布置單層寬度為300mm的碳纖維布，距基礎(chǔ)頂面300～900mm范圍內(nèi)布置凈間距100mm的單層寬度為100mm的碳纖維布，具體加固方案見圖3。試驗(yàn)之前對所用材料進(jìn)行材料試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2～4所示。

圖3 碳纖維布加固位置

表2 鋼筋材料性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 混凝土力學(xué)性能

表4 碳纖維布的主要力學(xué)性能指標(biāo)

2 加載裝置及加載方案

試驗(yàn)的加載裝置如圖4所示，豎向軸壓加載由100t的液壓千斤頂施加完成(改變軸壓)，水平往復(fù)荷載由100t的MTS作動器施加(采集試驗(yàn)所需的水平荷載)。采用位移控制的加載方式進(jìn)行加載，根據(jù)文獻(xiàn)[18]確定加載速率為0.5mm/s，每級荷載兩個(gè)加載循環(huán)。在各個(gè)試件的縱向水平位置放置三個(gè)位移計(jì)，分別位于加載梁中心、剪力墻縱向中心、基礎(chǔ)底座的上邊緣，其中用加載梁中心位置的位移計(jì)采集試驗(yàn)所需水平位移。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[19]規(guī)定鋼筋混凝土抗震剪力墻的彈塑性位移角限值θp是1/120，剪力墻試件高2 880mm，所對應(yīng)加載位移為24mm，加載至試件破壞或者試件承載力下降到峰值荷載的85%時(shí)停止加載。具體加載制度如表5所示。

圖4 試驗(yàn)加載裝置

表5 試件加載制度

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

規(guī)定MTS向西推時(shí)為正，向東拉時(shí)為負(fù)，部分試件的破壞形態(tài)如圖5～7所示。

圖5 試件裂縫分布

圖6 試件L-0.3塑性鉸破壞照片

圖7 試件LA-0.3碳纖維布破壞照片

試件L-0.1，LA-0.1，L-0.3，LA-0.3的破壞性形態(tài)均表現(xiàn)為彎剪破壞。4個(gè)試件的邊緣構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的縱筋屈曲或拔起，試件L-0.1，L-0.3均為腹板墻下部兩自由端混凝土開裂壓碎，其中試件L-0.1翼墻下部混凝土被壓碎拔起。試件LA-0.1，LA-0.3為腹板墻下部灌漿料被壓碎和碳纖維布不同程度的鼓起或輕微爆開。

4個(gè)試件的破壞形態(tài)主要分三個(gè)階段：在彈性階段，試件均無明顯裂縫出現(xiàn)，荷載-位移曲線基本呈線性關(guān)系，剪力墻試件無明顯殘余變形；在彈塑性階段，隨著位移增加，剪力墻試件不斷有新裂縫出現(xiàn)和延伸，形成數(shù)條“X”形交叉斜裂縫，剪力墻出現(xiàn)了彎曲破壞和剪切破壞，隨后出現(xiàn)明顯的豎向裂縫，剪力墻形成塑性鉸；進(jìn)入破壞階段后，試件新裂縫的出現(xiàn)減少，主要是原有的裂縫開展和變寬，腹板墻兩側(cè)角部混凝土或灌漿料大塊剝落破壞明顯，同時(shí)試件LA-0.1，LA-0.3伴有碳纖維布的鼓起和輕微爆開，剪力墻的承載力有所下降。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 承載力及位移延性系數(shù)

試件承載力、位移及位移延性系數(shù)如表6所示。由表6可以看出，加固前試件隨著軸壓比的增加，試件的開裂荷載及屈服荷載均隨之增加，由于試件L-0.3過早地出現(xiàn)劈裂裂縫，其極限承載力比試件L-0.1降低了約10.5%；試件正負(fù)向承載力存在較大差異，是因?yàn)楦拱鍓εc翼墻在加載方向上存在強(qiáng)度和剛度的差異，且阻尼器屈服力的作用會因腹板墻和翼墻軸壓比有所改變；試件LA-0.1的正向和負(fù)向極限承載力比試件L-0.1分別下降了39.84%，4.38%，試件LA-0.3的正向和負(fù)向極限承載力比試件L-0.3分別下降了8.03%，5.00%，同軸壓比下加固后試件的極限承載力比加固前有所下降，但仍能滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)中對承載力的要求；試件L-0.1和L-0.3的位移延性系數(shù)最大達(dá)到3.62，試件LA-0.1和LA-0.3的位移延性系數(shù)平均值分別為2.48，2.34，雖然加固試件的位移延性系數(shù)較未加固試件略有降低，但仍能滿足變形能力的需求。

表6 試件承載力、位移及位移延性系數(shù)

4.2 滯回曲線

試件滯回曲線如圖8所示。由圖8可以看出，加載初期4個(gè)試件的滯回環(huán)呈細(xì)長型，殘余應(yīng)力及殘余位移都很小，說明試件處于彈性工作階段；隨著加載位移的增加，滯回環(huán)的高度及所包圍的面積也在增大，在卸載后所有試件均出現(xiàn)不同程度的殘余變形，4個(gè)試件均呈現(xiàn)明顯的“捏縮”現(xiàn)象，其中試件LA-0.1的捏縮現(xiàn)象最為明顯，4個(gè)試件的滯回曲線均呈反S形和Z形，試件產(chǎn)生了不同程度的鋼筋滑移，說明水平縫鋼筋錨固不足，無法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)水平縫的設(shè)計(jì)要求，會對豎向接縫耗能乃至整體墻肢耗能產(chǎn)生影響?？傮w來說，各試件的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力。

圖8 試件滯回曲線

4.3 骨架曲線

試件的骨架曲線見圖9。由圖9可以看出，4個(gè)試件從開始加載到破壞均經(jīng)歷了三個(gè)階段：彈性階段、彈塑性階段、破壞階段。加固后的兩個(gè)試件承載力明顯低于不加固的兩個(gè)試件，但加固后的兩個(gè)試件水平荷載隨加載位移緩慢增加，加載后期兩試件骨架曲線趨于水平，說明加固后的試件仍表現(xiàn)出了一定的變形能力。試件L-0.3在彈性階段曲線的斜率大于其他3個(gè)試件，說明試件L-0.3的剛度比較大。當(dāng)加載位移超過36mm時(shí)，試件L-0.3骨架曲線基本趨于水平，承載力不再增加且低于試件L-0.1，是因?yàn)樵嚰﨤-0.3上部過早地出現(xiàn)了劈裂裂縫，其中試件L-0.1，LA-0.1極限荷載基本相同。

圖9 試件骨架對比曲線

4.4 剛度退化曲線

采用等效剛度K來研究試件的剛度退化情況，等效剛度K可定義為某一循環(huán)的峰值荷載與相應(yīng)位移的比。

試件的剛度退化曲線如圖10所示。從圖10可以看出，4個(gè)試件的剛度退化曲線基本一致；加載初期剛度退化較快，隨著加載位移的增加和試件進(jìn)入塑性階段后，剛度退化開始變得緩慢，最后試件的剛度退化曲線趨于水平；試件L-0.3整體剛度高于其他3個(gè)試件，負(fù)向出現(xiàn)初始剛度較小，因?yàn)榧虞d梁與MTS作動器之間的連接存在間隙或錨固基礎(chǔ)梁處的螺栓松動，基礎(chǔ)梁發(fā)生滑移；同時(shí)對比試件L-0.1和試件L-0.3可以看出，提高軸壓比可以使試件的整體剛度得到提升，但由于試件L-0.3腹板墻上中部過早出現(xiàn)劈裂裂縫導(dǎo)致其剛度退化較為明顯；加固試件LA-0.1，LA-0.3較未加固試件L-0.1，L-0.3的剛度退化緩慢。4個(gè)試件在正負(fù)方向上加載時(shí)的剛度退化曲線均不相同，負(fù)向加載時(shí)翼墻受拉剛度大，正向加載時(shí)翼墻受壓剛度小，所以正負(fù)方向剛度的差異與翼墻的受力狀態(tài)有關(guān)。

圖10 試件剛度退化曲線

4.5 耗能能力分析

等效黏滯阻尼系數(shù)Hs是衡量剪力墻抗震性能的主要指標(biāo)之一，且等效黏滯阻尼系數(shù)Hs越大，結(jié)構(gòu)消耗的能量越多，結(jié)構(gòu)的抗震性能越好。等效黏滯阻尼系數(shù)Hs可以用式(1)來計(jì)算：

(1)

式中：S1為滯回環(huán)的面積；SΔOBE,SΔODG分別為上下兩個(gè)三角形的面積。

耗能能力計(jì)算示意圖如圖11所示。根據(jù)式(1)，計(jì)算得到不同加載時(shí)期各試件的等效黏滯阻尼系數(shù)。

圖11 耗能能力計(jì)算示意圖

試件各加載級等效黏滯阻尼系數(shù)Hs如表7所示。由表7可以看出，試件L-0.1，LA-0.1，L-0.3，LA-0.3的等效黏滯阻尼系數(shù)Hs均大于0.3，且最大值分別為0.392(試件L-0.1在最后一加載級只做一個(gè)加載循環(huán)，耗能能力有所下降)，0.414，0.371，0.390，試件均表現(xiàn)出了較好的耗能能力；由于試件L-0.3出現(xiàn)劈裂裂縫，其加載后期的耗能能力有所減弱；分別對比試件L-0.1和LA-0.1、試件L-0.3和LA-0.3可以看出，加固后試件的整體等效黏滯阻尼系數(shù)Hs較原試件的大，說明加固后的試件仍具有較好的耗能能力，在實(shí)際工程中具有一定的實(shí)用意義。隨著加載位移的增加，試件的等效黏滯阻尼系數(shù)增加，說明隨著加載位移的增加，試件的鋼筋屈服，混凝土或灌漿料被壓碎，試件的耗能能力增加。

表7 試件各加載級等效黏滯阻尼系數(shù)Hs

5 結(jié)論

本文對加固前后的L形豎縫裝配式耗能剪力墻進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗(yàn)研究，并對其力學(xué)和抗震性能進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)隨著軸壓比的增加，L形豎縫裝配式耗能剪力墻的開裂荷載及屈服荷載均增大，由于試件L-0.3過早地出現(xiàn)劈裂裂縫，試件L-0.3較試件L-0.1的承載力降低了約10.5%。加固后試件承載力平均恢復(fù)到原試件的86%左右，但均能滿足現(xiàn)行規(guī)范中對承載力的要求。

(2)試件L-0.1、試件L-0.3位移延性系數(shù)最大達(dá)到3.62，試件LA-0.1、試件LA-0.3的位移延性系數(shù)分別為2.48，2.34。雖然加固后試件的位移延性系數(shù)平均恢復(fù)到原試件的74%左右，但仍能滿足變形能力的需求。

(3)4個(gè)試件均達(dá)到了破壞時(shí)的極限位移角，超過了現(xiàn)行規(guī)范對大震下彈塑性位移角限值1/120要求的2倍。加固前后試件表現(xiàn)出了良好的耗能能力，加固后試件耗能能力有所增加。

(4)本次加固試驗(yàn)為一次試驗(yàn)性研究，使用碳纖維布對塑性鉸和下部開裂破壞墻體進(jìn)行加固，快速恢復(fù)其使用功能，且成本低。文中僅分析了加固后的結(jié)構(gòu)承載力及延性的恢復(fù)情況，后續(xù)應(yīng)結(jié)合試件的破壞情況進(jìn)行進(jìn)一步的研究。