CFRP筋鋼筋混凝土剪力墻自復位性能試驗研究

趙軍 趙齊 陳紀偉

摘要：通過對1片鋼筋混凝土剪力墻和4片配有碳纖維增強聚合物（CFRP）筋的剪力墻的低周反復荷載試驗，在分析試驗中測得的裂縫寬度、裂縫的發展和分布形態、側向變形的基礎上，研究了在鋼筋混凝土剪力墻的適當位置部分或全部配置CFRP筋對剪力墻的殘余裂縫和殘余變形等自復位性能的影響規律。研究結果表明：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、殘余裂縫寬度和側向殘余變形分別降低了60%、70%和90%，說明在剪力墻中合理配置CFRP筋能使剪力墻具有優異的自復位性能。

關鍵詞：剪力墻；碳纖維增強聚合物筋；自復位；裂縫寬度；殘余裂縫；殘余變形

中圖分類號：TU352

文獻標志碼：A 文章編號：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力構件，其力學性能對整體結構的抗震性能至關重要。目前，中國高層建筑結構抗震設計遵循“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，結構在地震作用下的受力情況也比較復雜，結構的抗震設計仍然不夠完善。按照現行設計規范設計的房屋建筑在遭遇罕遇地震后雖然主體結構不會發生倒塌造成大量的人員傷亡，但結構在強烈的地震作用下必然會產生一定程度的損傷[1-2]。長期以來，中國在剪力墻結構設計時，要求剪力墻具有良好的變形能力，使結構在遭受地震作用時，通過產生足夠的變形來提高其抗震能力。這就造成了剪力墻結構在地震作用后將產生較大的殘余變形，使結構抵抗后期地震的能力大大降低，同時，也不利于結構的維修加固。因此，國內外學者提出了具有自復位能力的鋼筋混凝土結構，并對此開展了研究[3-5]，致力于使結構具有較好的承載能力和抗震能力，同時還能在受到地震損傷后具有一定的自復位功能。其核心目的是盡量減小結構經歷地震作用后的殘余變形。近年來的研究表明，通過改變結構形式、配筋方式等能夠有效地減小結構的殘余變形，如增設阻尼器、施加預應力或開設水平縫等。但是，上述措施存在施工復雜、削弱結構截面、影響結構整體性等缺點。

碳纖維增強聚合物（CFRP）筋是一種新型復合材料，具有抗拉強度高、耐腐蝕性能好和抗疲勞等特點。與鋼筋不同的是，CFRP筋在達到其極限抗拉強度發生破壞之前不表現任何塑性，應力應變關系呈線彈性[6]。一般認為，具有線彈性性質的材料如CFRP筋、GFRP筋等不太適用于延性性能要求較高的抗震結構。但是，正是由于纖維聚合物筋的線彈性性質和可設計性的特點，使其有望在控制抗震結構的殘余變形方面具有明顯優勢[7-11]。因此，本文通過CFRP筋–鋼筋混凝土剪力墻在低周反復荷載下的試驗，研究在鋼筋混凝土剪力墻中配置CFRP筋對剪力墻的裂縫分布和側向殘余變形的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）[12]、《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）[13]、《纖維增強復合材料建設工程應用技術規范》（GB 50608—2010）[14]和《結構工程用纖維增強復合材料筋》 （GB/T 26743—2011）[15]等相關規范要求，共制作了5個剪力墻試件，編號分別為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級鋼筋的鋼筋混凝土剪力墻，作為基準對比試件；CFRPSW-2為墻肢最外側兩個邊緣配置一排CFRP筋，而其他豎向配筋均為鋼筋的剪力墻；CFRPSW-3為墻肢最外側兩個邊緣分別配置兩排CFRP筋，而其他豎向配筋均為鋼筋的剪力墻；CFRPSW-4為墻肢最外側兩個邊緣各配置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 試驗裝置

試驗采用擬靜力加載方式，正式加載前先將墻體吊裝至預定位置，在基梁下方用水泥砂漿找平，用鉛錘調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?；涸谒郊虞d的過程中不發生側移，在其兩側沿水平方向上分別設置一個500 kN液壓千斤頂反向施加壓力。試驗過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施加，作動器與頂部加載梁連接固定，作動器的軸心與加載梁的軸心重合；豎向荷載采用兩個同步缸在頂部加載梁三分點處加載，同步缸與反力架和加載梁之間分別設置由兩塊厚度為20 mm鋼板和3個滾軸組成的滾動支座。在加載過程中，豎向力通過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。此外為消除底部基梁可能發生的微小滑動帶來的位移測量誤差，將位移計表架用膨脹螺栓固定在基梁兩側。試驗加載裝置如圖2所示。

1.3 加載制度

按照《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ101—96）[16]中規定的擬靜力低周反復加載方式，水平荷載由水平作動器施加，豎向荷載通過加載梁上的同步缸施加，在試驗過程中隨時調整和同步缸連接的油泵，控制豎向荷載在試驗的過程中保持不變。加載分為預加載和正式加載兩個階段。試件安裝就位后，為驗證各儀器設備是否工作良好，并消除試件與設備之間的空隙，試驗開始前先進行預加載，豎向荷載加至預定荷載的50%并重復3次，水平荷載加至計算開裂荷載的30%循環往復2次；正式加載采用荷載位移混合控制方法，試驗開始后豎向荷載分2次加載到預定值，然后施加水平反復荷載。剪力墻屈服前采用荷載控制，分級加載，每級荷載循環一次；構件屈服后采用位移控制，取試件屈服位移Δ的倍數為級差控制加載，即加載過程為±1Δ，±2Δ，±3Δ，±4Δ…，每級荷載循環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 測試內容與測點布置

試驗中測試的主要內容有：水平荷載、豎向恒定荷載、試件不同高度處的水平側移、鋼筋和CFRP筋應變、混凝土應變、裂縫出現及開展等。

2 材性試驗

2.1 混凝土

混凝土強度等級為C50，澆筑試件時預留同條件養護試塊，測得混凝土的力學性能指標如表1所示。

3 試驗現象

鋼筋混凝土剪力墻和配有CFRP筋的剪力墻在加載過程中的裂縫發展和破壞形態如圖3所示。在加載初期，水平荷載較小，試件處于彈性工作階段，墻體表面沒有出現裂縫。隨著水平荷載繼續增大，墻肢根部混凝土應變明顯增大，裂縫在此處首先出現，然后隨著荷載的增加沿水平方向發展。繼續加載，邊緣約束構件中的最外側縱筋應變增加明顯，直至鋼筋發生屈服時，裂縫數量少量增加，且主要分布在墻肢底部300 mm以下高度區域，基本呈規則的水平狀分布，加載后期，左右兩側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。進入位移控制階段后，裂縫數量明顯增多，且發展較長，裂縫區的高度逐漸增加。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展成主裂縫，墻肢受壓區混凝土被壓酥而發生大量脫落，邊緣約束構件中的縱筋發生斷裂，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筋配置數量的增加，試件中的裂縫數量也有所增加，同時，裂縫區域也逐漸向上發展，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筋數量的增加呈現出逐漸減小的趨勢，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下配有CFRP筋剪力墻的受拉區會產生更大的變形，從而導致試件更早開裂。

4.2 最大裂縫寬度

試件各級荷載循環和位移循環下的最大裂縫寬度如圖5所示。

由圖5可以得出，試件各級荷載循環和位移循環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的速率不同。荷載較小時，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??；隨著荷載的逐漸增大，直至試件屈服時，鋼筋混凝土剪力墻的最大裂縫寬度小于同一加載級的配有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下的配有CFRP筋的剪力墻試件，CFRP筋表現出很好的限制裂縫的效果。如圖5所示，對于試件CFRPSW-4，當位移循環為7Δ時，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

試驗過程中測得每級加載循環結束后所有裂縫的殘余寬度，得到每級加載循環結束對應的最大殘余裂縫寬度以及試驗結束完全卸載后墻體的最大殘余裂縫寬度如圖6所示。

對于所有剪力墻試件，隨著加載循環的增加，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筋配置數量的增多，墻體的殘余裂縫寬度明顯降低，當CFRP筋配置3排以上時，墻體內的裂縫已經完全閉合，表現出優異的恢復能力。試驗結束后完全卸載，墻體的殘余裂縫寬度隨著CFRP筋數量的增加而近似呈線性減小，當墻體內全部配置CFRP筋時，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。以上試驗結果表明：由于CFRP筋良好的線彈性性質，在剪力墻中合理配置一定數量的CFRP筋可以有效地控制剪力墻的殘余裂縫寬度。

4.4 側向殘余變形

通過實測試件的滯回曲線，可以得到每級加載循環結束后各試件的側向殘余變形值，如圖7所示，該圖顯示出CFRP筋對剪力墻側向殘余變形的影響規律。

由圖7可以發現，所有試件在屈服之前，側向殘余變形都很小，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向殘余變形為0，說明在試件屈服之前，配置有CFRP筋的剪力墻的自復位效果非常顯著。隨著荷載和位移循環次數的增加，剪力墻的殘余變形逐漸增大，但配置有CFRP筋的剪力墻的側向殘余變形增加的幅度遠小于鋼筋混凝土剪力墻。同一加載循環時，不同試件之間，隨著CFRP筋配置數量的增加，試件的側向殘余變形越來越小。

加載結束后，5個試件的側向殘余變形分別為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%。當豎向受力筋全部為CFRP筋時，側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生了較大的塑性變形，卸載后已產生的塑形變形不能恢復，而CFRP筋作為一種線彈性性能很好的材料，在破壞之前不發生塑性變形，卸載以后通過其優異的性彈性性能使剪力墻的殘余變形得到有效恢復。

5 結 論

通過對5個剪力墻試件在低周反復荷載下的試驗，研究了配置CFRP筋的剪力墻的自復位性能，得出如下主要結論：

1）加入CFRP筋后，剪力墻的開裂荷載逐漸降低。隨著CFRP筋配置數量的增加，試件裂縫數量也有所增加，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??；試件屈服后至破壞階段的位移加載階段，鋼筋混凝土剪力墻的裂縫寬度則遠大于配置有CFRP筋的剪力墻。

2）配置CFRP筋能夠有效地減小試件屈服后、加載循環結束時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、加載循環結束時和試件破壞后的側向殘余變形。試件屈服前，CFRP筋可使剪力墻的側向殘余變形為0；試件屈服后配置CFRP筋的剪力墻的側向殘余變形遠小于鋼筋混凝土剪力墻；試件破壞后，配置CFRP筋的試件的側向殘余變形大幅度降低；當豎向受力筋全部配置CFRP筋時，試件的側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）