CFRP筋鋼筋混凝土剪力墻自復(fù)位性能試驗(yàn)研究

趙軍 趙齊 陳紀(jì)偉

摘要：通過(guò)對(duì)1片鋼筋混凝土剪力墻和4片配有碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）筋的剪力墻的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，在分析試驗(yàn)中測(cè)得的裂縫寬度、裂縫的發(fā)展和分布形態(tài)、側(cè)向變形的基礎(chǔ)上，研究了在鋼筋混凝土剪力墻的適當(dāng)位置部分或全部配置CFRP筋對(duì)剪力墻的殘余裂縫和殘余變形等自復(fù)位性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：與普通鋼筋混凝土剪力墻相比，配有CFRP筋的剪力墻的開裂荷載較低，裂縫較多，裂縫分布分布范圍較廣，墻體的最大裂縫寬度、殘余裂縫寬度和側(cè)向殘余變形分別降低了60%、70%和90%，說(shuō)明在剪力墻中合理配置CFRP筋能使剪力墻具有優(yōu)異的自復(fù)位性能。

關(guān)鍵詞：剪力墻；碳纖維增強(qiáng)聚合物筋；自復(fù)位；裂縫寬度；殘余裂縫；殘余變形

中圖分類號(hào)：TU352

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2016）03-0018-07

Abstract：One shear wall totally reinforced with steel bars and the other four shear walls partly or totally reinforced by CFRP bars in the longitudinal direction were tested under the reversed cyclic loading. Based on the analysis of the crack width， crack distribution and lateral deformation of the five shear walls， the influence rules of the reinforcement methods of partly or totally reinforced by CFRP bars on the self-centering performance such as residual crack and residual deformation of reinforced concrete shear walls were researched. The results showed that the crack loads of the shear walls with CFRP bars were lower than that of reinforced concrete shear wall. The shear walls with CFRP bars had more cracks and more extensive crack distribution. The maximum crack widths， residual crack widths and residual deformations decreased by 60%， 70%， and 90%， respectively， which indicated the shear walls reinforced by CFRP bars had excellent self-centering performance.

Keywords：shear wall；CFRP bar；self-centering；crack width；residual crack；residual deformation

鋼筋混凝土剪力墻是高層建筑中常用的抗側(cè)力構(gòu)件，其力學(xué)性能對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗震性能至關(guān)重要。目前，中國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則，由于地震作用具有明顯的不確定性，結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力情況也比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)仍然不夠完善。按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的房屋建筑在遭遇罕遇地震后雖然主體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生倒塌造成大量的人員傷亡，但結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈的地震作用下必然會(huì)產(chǎn)生一定程度的損傷[1-2]。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要求剪力墻具有良好的變形能力，使結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時(shí)，通過(guò)產(chǎn)生足夠的變形來(lái)提高其抗震能力。這就造成了剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用后將產(chǎn)生較大的殘余變形，使結(jié)構(gòu)抵抗后期地震的能力大大降低，同時(shí)，也不利于結(jié)構(gòu)的維修加固。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了具有自復(fù)位能力的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并對(duì)此開展了研究[3-5]，致力于使結(jié)構(gòu)具有較好的承載能力和抗震能力，同時(shí)還能在受到地震損傷后具有一定的自復(fù)位功能。其核心目的是盡量減小結(jié)構(gòu)經(jīng)歷地震作用后的殘余變形。近年來(lái)的研究表明，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)形式、配筋方式等能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的殘余變形，如增設(shè)阻尼器、施加預(yù)應(yīng)力或開設(shè)水平縫等。但是，上述措施存在施工復(fù)雜、削弱結(jié)構(gòu)截面、影響結(jié)構(gòu)整體性等缺點(diǎn)。

碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）筋是一種新型復(fù)合材料，具有抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好和抗疲勞等特點(diǎn)。與鋼筋不同的是，CFRP筋在達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度發(fā)生破壞之前不表現(xiàn)任何塑性，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線彈性[6]。一般認(rèn)為，具有線彈性性質(zhì)的材料如CFRP筋、GFRP筋等不太適用于延性性能要求較高的抗震結(jié)構(gòu)。但是，正是由于纖維聚合物筋的線彈性性質(zhì)和可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，使其有望在控制抗震結(jié)構(gòu)的殘余變形方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[7-11]。因此，本文通過(guò)CFRP筋–鋼筋混凝土剪力墻在低周反復(fù)荷載下的試驗(yàn)，研究在鋼筋混凝土剪力墻中配置CFRP筋對(duì)剪力墻的裂縫分布和側(cè)向殘余變形的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[12]、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2010）[13]、《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50608—2010）[14]和《結(jié)構(gòu)工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋》 （GB/T 26743—2011）[15]等相關(guān)規(guī)范要求，共制作了5個(gè)剪力墻試件，編號(hào)分別為RCSW-1，CFRPSW-2，CFRPSW-3，CFRPSW-4，CFRPSW-5，所有剪力墻的尺寸和水平配筋都相同，僅豎向配筋方式有所不同。其中，RCSW-1為豎向配筋全部為HRB400級(jí)鋼筋的鋼筋混凝土剪力墻，作為基準(zhǔn)對(duì)比試件；CFRPSW-2為墻肢最外側(cè)兩個(gè)邊緣配置一排CFRP筋，而其他豎向配筋均為鋼筋的剪力墻；CFRPSW-3為墻肢最外側(cè)兩個(gè)邊緣分別配置兩排CFRP筋，而其他豎向配筋均為鋼筋的剪力墻；CFRPSW-4為墻肢最外側(cè)兩個(gè)邊緣各配置3排CFRP筋，而其他豎向配筋均為鋼筋的剪力墻；CFRPSW-5為全部配置豎向CFRP筋的剪力墻。各試件尺寸和配筋如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用擬靜力加載方式，正式加載前先將墻體吊裝至預(yù)定位置，在基梁下方用水泥砂漿找平，用鉛錘調(diào)整好試件的垂直度后，用地腳螺栓和鋼梁將剪力墻錨固在地面上，為確保基梁在水平加載的過(guò)程中不發(fā)生側(cè)移，在其兩側(cè)沿水平方向上分別設(shè)置一個(gè)500 kN液壓千斤頂反向施加壓力。試驗(yàn)過(guò)程中試件主要承受水平荷載和頂部豎向恒定荷載，水平荷載由液壓伺服系統(tǒng)施加，作動(dòng)器與頂部加載梁連接固定，作動(dòng)器的軸心與加載梁的軸心重合；豎向荷載采用兩個(gè)同步缸在頂部加載梁三分點(diǎn)處加載，同步缸與反力架和加載梁之間分別設(shè)置由兩塊厚度為20 mm鋼板和3個(gè)滾軸組成的滾動(dòng)支座。在加載過(guò)程中，豎向力通過(guò)厚鋼板均勻分布在加載梁上，滾軸可以保證墻肢在水平方向自由滑動(dòng)。此外為消除底部基梁可能發(fā)生的微小滑動(dòng)帶來(lái)的位移測(cè)量誤差，將位移計(jì)表架用膨脹螺栓固定在基梁兩側(cè)。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

1.3 加載制度

按照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ101—96）[16]中規(guī)定的擬靜力低周反復(fù)加載方式，水平荷載由水平作動(dòng)器施加，豎向荷載通過(guò)加載梁上的同步缸施加，在試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)調(diào)整和同步缸連接的油泵，控制豎向荷載在試驗(yàn)的過(guò)程中保持不變。加載分為預(yù)加載和正式加載兩個(gè)階段。試件安裝就位后，為驗(yàn)證各儀器設(shè)備是否工作良好，并消除試件與設(shè)備之間的空隙，試驗(yàn)開始前先進(jìn)行預(yù)加載，豎向荷載加至預(yù)定荷載的50%并重復(fù)3次，水平荷載加至計(jì)算開裂荷載的30%循環(huán)往復(fù)2次；正式加載采用荷載位移混合控制方法，試驗(yàn)開始后豎向荷載分2次加載到預(yù)定值，然后施加水平反復(fù)荷載。剪力墻屈服前采用荷載控制，分級(jí)加載，每級(jí)荷載循環(huán)一次；構(gòu)件屈服后采用位移控制，取試件屈服位移Δ的倍數(shù)為級(jí)差控制加載，即加載過(guò)程為±1Δ，±2Δ，±3Δ，±4Δ…，每級(jí)荷載循環(huán)3次，直至承載力下降至極限荷載的85%以下或試件破壞。

1.4 測(cè)試內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)中測(cè)試的主要內(nèi)容有：水平荷載、豎向恒定荷載、試件不同高度處的水平側(cè)移、鋼筋和CFRP筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變、裂縫出現(xiàn)及開展等。

2 材性試驗(yàn)

2.1 混凝土

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，澆筑試件時(shí)預(yù)留同條件養(yǎng)護(hù)試塊，測(cè)得混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

鋼筋混凝土剪力墻和配有CFRP筋的剪力墻在加載過(guò)程中的裂縫發(fā)展和破壞形態(tài)如圖3所示。在加載初期，水平荷載較小，試件處于彈性工作階段，墻體表面沒(méi)有出現(xiàn)裂縫。隨著水平荷載繼續(xù)增大，墻肢根部混凝土應(yīng)變明顯增大，裂縫在此處首先出現(xiàn)，然后隨著荷載的增加沿水平方向發(fā)展。繼續(xù)加載，邊緣約束構(gòu)件中的最外側(cè)縱筋應(yīng)變?cè)黾用黠@，直至鋼筋發(fā)生屈服時(shí)，裂縫數(shù)量少量增加，且主要分布在墻肢底部300 mm以下高度區(qū)域，基本呈規(guī)則的水平狀分布，加載后期，左右兩側(cè)裂縫大多在墻體寬度中線位置相交形成貫通縫，裂縫寬度增大較快。進(jìn)入位移控制階段后，裂縫數(shù)量明顯增多，且發(fā)展較長(zhǎng)，裂縫區(qū)的高度逐漸增加。隨著位移的逐漸增大，新出的裂縫多為斜裂縫，墻肢根部彎曲裂縫發(fā)展成主裂縫，墻肢受壓區(qū)混凝土被壓酥而發(fā)生大量脫落，邊緣約束構(gòu)件中的縱筋發(fā)生斷裂，試件承載力急劇下降，試件最終破壞。

與鋼筋混凝土剪力墻試件相比，隨著CFRP筋配置數(shù)量的增加，試件中的裂縫數(shù)量也有所增加，同時(shí)，裂縫區(qū)域也逐漸向上發(fā)展，分布范圍隨之增加。而且，平均裂縫間距較小，分布比較均勻。另外，試件屈服之前，同級(jí)荷載下鋼筋混凝土剪力墻的裂縫寬度比配有CFRP筋的剪力墻小，但是屈服后至破壞階段，鋼筋混凝土剪力墻的裂縫寬度則遠(yuǎn)大于配置有CFRP筋的剪力墻。

由表3和圖4可以看出，開裂荷載隨著試件中CFRP筋數(shù)量的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，其中，豎向筋全部配置CFRP筋的試件CFRPSW-5開裂荷載下降明顯，較鋼筋混凝土剪力墻降低了50%。這主要是由于采用的CFRP筋的彈性模量比鋼筋小，使試件的初始整體剛度下降，因此，在加載初期同一加載等級(jí)下配有CFRP筋剪力墻的受拉區(qū)會(huì)產(chǎn)生更大的變形，從而導(dǎo)致試件更早開裂。

4.2 最大裂縫寬度

試件各級(jí)荷載循環(huán)和位移循環(huán)下的最大裂縫寬度如圖5所示。

由圖5可以得出，試件各級(jí)荷載循環(huán)和位移循環(huán)下的最大裂縫寬度隨著荷載和位移的增加而逐漸增大，各試件裂縫寬度增長(zhǎng)的速率不同。荷載較小時(shí)，鋼筋混凝土剪力墻的裂縫寬度比配有CFRP筋的剪力墻裂縫寬度小；隨著荷載的逐漸增大，直至試件屈服時(shí)，鋼筋混凝土剪力墻的最大裂縫寬度小于同一加載級(jí)的配有CFRP筋的剪力墻的最大裂縫寬度；試件屈服以后，鋼筋混凝土剪力墻的最大裂縫寬度則明顯大于同一位移循環(huán)下的配有CFRP筋的剪力墻試件，CFRP筋表現(xiàn)出很好的限制裂縫的效果。如圖5所示，對(duì)于試件CFRPSW-4，當(dāng)位移循環(huán)為7Δ時(shí)，配有CFRP筋剪力墻的最大裂縫寬度顯著低于鋼筋混凝土剪力墻，最大裂縫寬度僅為鋼筋混凝土剪力墻最大裂縫寬度的40%左右。

4.3 殘余裂縫寬度

試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得每級(jí)加載循環(huán)結(jié)束后所有裂縫的殘余寬度，得到每級(jí)加載循環(huán)結(jié)束對(duì)應(yīng)的最大殘余裂縫寬度以及試驗(yàn)結(jié)束完全卸載后墻體的最大殘余裂縫寬度如圖6所示。

對(duì)于所有剪力墻試件，隨著加載循環(huán)的增加，墻體的殘余裂縫寬度逐漸增大。與鋼筋混凝土剪力墻相比，配有CFRP筋的剪力墻的殘余裂縫寬度都有不同程度的降低。在試件屈服前，隨著CFRP筋配置數(shù)量的增多，墻體的殘余裂縫寬度明顯降低，當(dāng)CFRP筋配置3排以上時(shí)，墻體內(nèi)的裂縫已經(jīng)完全閉合，表現(xiàn)出優(yōu)異的恢復(fù)能力。試驗(yàn)結(jié)束后完全卸載，墻體的殘余裂縫寬度隨著CFRP筋數(shù)量的增加而近似呈線性減小，當(dāng)墻體內(nèi)全部配置CFRP筋時(shí)，殘余裂縫寬度從鋼筋混凝土剪力墻的4.0 mm減小到1.2 mm。以上試驗(yàn)結(jié)果表明：由于CFRP筋良好的線彈性性質(zhì)，在剪力墻中合理配置一定數(shù)量的CFRP筋可以有效地控制剪力墻的殘余裂縫寬度。

4.4 側(cè)向殘余變形

通過(guò)實(shí)測(cè)試件的滯回曲線，可以得到每級(jí)加載循環(huán)結(jié)束后各試件的側(cè)向殘余變形值，如圖7所示，該圖顯示出CFRP筋對(duì)剪力墻側(cè)向殘余變形的影響規(guī)律。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，所有試件在屈服之前，側(cè)向殘余變形都很小，除鋼筋混凝土剪力墻試件RCSW-1之外，配有CFRP筋的剪力墻屈服前的側(cè)向殘余變形為0，說(shuō)明在試件屈服之前，配置有CFRP筋的剪力墻的自復(fù)位效果非常顯著。隨著荷載和位移循環(huán)次數(shù)的增加，剪力墻的殘余變形逐漸增大，但配置有CFRP筋的剪力墻的側(cè)向殘余變形增加的幅度遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土剪力墻。同一加載循環(huán)時(shí)，不同試件之間，隨著CFRP筋配置數(shù)量的增加，試件的側(cè)向殘余變形越來(lái)越小。

加載結(jié)束后，5個(gè)試件的側(cè)向殘余變形分別為20、10、6、4.5和2.0 mm。由此可見，從試件兩端依次增加CFRP筋的數(shù)量，可使試件的殘余變形明顯減小，而且僅在剪力墻的兩端配置少量的CFRP筋即可使試件的殘余變形降低50%。當(dāng)豎向受力筋全部為CFRP筋時(shí)，側(cè)向殘余變形減小至鋼筋混凝土剪力墻的10%。

綜上所述，在鋼筋混凝土剪力墻中合理地配置CFRP筋能夠有效地減小剪力墻的側(cè)向殘余變形。這主要是由于鋼筋混凝土剪力墻中的鋼筋屈服后產(chǎn)生了較大的塑性變形，卸載后已產(chǎn)生的塑形變形不能恢復(fù)，而CFRP筋作為一種線彈性性能很好的材料，在破壞之前不發(fā)生塑性變形，卸載以后通過(guò)其優(yōu)異的性彈性性能使剪力墻的殘余變形得到有效恢復(fù)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)5個(gè)剪力墻試件在低周反復(fù)荷載下的試驗(yàn)，研究了配置CFRP筋的剪力墻的自復(fù)位性能，得出如下主要結(jié)論：

1）加入CFRP筋后，剪力墻的開裂荷載逐漸降低。隨著CFRP筋配置數(shù)量的增加，試件裂縫數(shù)量也有所增加，裂縫的分布范圍也比鋼筋混凝土剪力墻有所增大。試件屈服前的各級(jí)荷載下，鋼筋混凝土剪力墻的裂縫寬度較配有CFRP筋的剪力墻?。辉嚰笾疗茐碾A段的位移加載階段，鋼筋混凝土剪力墻的裂縫寬度則遠(yuǎn)大于配置有CFRP筋的剪力墻。

2）配置CFRP筋能夠有效地減小試件屈服后、加載循環(huán)結(jié)束時(shí)和完全卸載后的殘余裂縫寬度，可使全部配置或配置6根CFRP筋的剪力墻，屈服前的殘余裂縫寬度完全閉合，完全卸載后的殘余裂縫寬度可降至鋼筋混凝土剪力墻的30%左右。

3）配置CFRP筋能夠顯著地減小試件屈服后、加載循環(huán)結(jié)束時(shí)和試件破壞后的側(cè)向殘余變形。試件屈服前，CFRP筋可使剪力墻的側(cè)向殘余變形為0；試件屈服后配置CFRP筋的剪力墻的側(cè)向殘余變形遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土剪力墻；試件破壞后，配置CFRP筋的試件的側(cè)向殘余變形大幅度降低；當(dāng)豎向受力筋全部配置CFRP筋時(shí)，試件的側(cè)向殘余變形僅為鋼筋混凝土剪力墻的10%。

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（編輯 王秀玲）