袁維光， 趙軍， 孫玉平

（1. 成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；2. 鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3. 神戶(hù)大學(xué) 大學(xué)院工學(xué)研究科，兵庫(kù)縣神戶(hù) 657-8501）

鋼筋混凝土剪力墻是一種廣泛應(yīng)用于高層和超高層建筑的抗側(cè)力構(gòu)件，作為建筑結(jié)構(gòu)的重要抗震防線，其抗震性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)建筑物的抗震能力產(chǎn)生巨大的影響。近年來(lái)可恢復(fù)性結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)［1］提出了一種新型可恢復(fù)性混凝土剪力墻，鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻。研究表明，其具有抗震性能好和殘余變形小的特點(diǎn)，既能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抗震要求，又具有快速恢復(fù)結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)點(diǎn)［1-3］。

早在20世紀(jì)初期，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)約束混凝土進(jìn)行了大量研究［4-6］，表明約束混凝土可以有效地提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和極限變形。根據(jù)約束方式和材料的不同，常見(jiàn)的約束混凝土可以分為橫向鋼筋約束混凝土、鋼管約束混凝土、FRP約束混凝土以及以上組合方式的約束混凝土。FRP復(fù)合材料是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。結(jié)構(gòu)工程中常用的FRP復(fù)合材料有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等，主要以CFRP為主。CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外被廣泛采用的一項(xiàng)新技術(shù)，適用于各種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，可以提高混凝土構(gòu)件的延性和抗剪承載力，相比其他方法，CFRP約束混凝土具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在［7］：抗拉強(qiáng)度高；耐腐蝕性、耐疲勞性能好；比強(qiáng)度較高，即輕質(zhì)高強(qiáng)。因此，應(yīng)用CFRP材料能夠使結(jié)構(gòu)自重小，施工簡(jiǎn)單， 其重量大約為鋼材的20%。目前，CFRP主要應(yīng)用于梁、板和柱的加固，CFRP加固混凝土構(gòu)件可以有效地改善其抗震性能：提高受壓區(qū)混凝土的變形能力；提高耗能能力和其抗彎、抗剪承載力。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始對(duì)采用CFRP加固混凝土剪力墻進(jìn)行研究［8-11］，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)CFRP加固的混凝土剪力墻的承載能力和變形能力都得到了明顯的提高。

對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，在遭遇大地震時(shí)一般在墻體底部塑性鉸區(qū)域破壞較嚴(yán)重，不利于震后修復(fù)。為了有效提高塑性鉸區(qū)鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻的變形能力，并基于約束混凝土的機(jī)理，本文作者預(yù)制2片鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻，通過(guò)低周往復(fù)水平加載試驗(yàn)，研究采用碳纖維布加固塑性鉸區(qū)對(duì)鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻抗震性能和可恢復(fù)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件的設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)預(yù)制了2個(gè)足尺一字型懸臂鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻試件，試件的編號(hào)分別為CFRPSSW-N17和CFRPCSW-N26（編號(hào)中的CFRP、S/C、SW、Nxx分別代表采用了碳纖維布、暗柱箍筋形式、剪力墻、軸壓比）。相比文獻(xiàn)［1］中試件SSW-N17和CSW-N26，試件CFRPSSW-N17和CFRPCSW-N26在墻體塑性鉸區(qū)域包裹了單層的碳纖維布（CFRP），根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［12］、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 3—2010）［13］以及本次試驗(yàn)的目的和要求，本試驗(yàn)剪力墻構(gòu)件的幾何尺寸和配筋情況如圖1所示，試件的主要參數(shù)見(jiàn)表1，其中ρh、ρv分別為水平鋼筋、縱筋的配筋率；ρcv為暗柱縱筋的配筋率；ρch為暗柱的體積；n=N/（Afc），N為軸向荷載，A為墻體截面面積，fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；λ=Hw/B；括號(hào)中的值為試件的鋼筋分布。

表1 試件的主要參數(shù)Tab. 1 Parameters of specimens

圖1 剪力墻構(gòu)件的截面尺寸及配筋詳圖（mm）Fig. 1 Reinforcement details and dimensions of test walls (in mm)

1.2 試件的制作

根據(jù)已有研究表明，剪力墻塑性鉸區(qū)大致在墻下部600mm（約0.5lw（lw為墻體截面寬度））范圍內(nèi)，選用200mm幅寬的碳纖維布CFRP繞墻體環(huán)向粘貼，根據(jù)我國(guó)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 146—2003）［14］中的有關(guān)說(shuō)明，碳纖維布加固剪力墻的施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→混凝土表面處理→涂刷底層樹(shù)脂→找平處理→粘貼碳纖維布→表面養(yǎng)護(hù)→檢查與驗(yàn)收。為了提升約束效率，在剪力墻截面角部進(jìn)行了倒角處理，并增加了搭接長(zhǎng)度。圖2展示了粘貼碳纖維布CFRP的主要過(guò)程。

圖2 剪力墻試件粘貼碳纖維布的主要過(guò)程Fig.2 Main process of pasting carbon fiber cloth on shear wall specimens

本次試驗(yàn)的剪力墻試件CFRPSSW-N17、CFRPCSW-N26的示意圖如圖3所示。

圖3 剪力墻試件示意圖Fig. 3 Schematic diagram of specimens

1.3 材料力學(xué)性能

（1）混凝土

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，與試件同條件下養(yǎng)護(hù)，分別對(duì)試件養(yǎng)護(hù)28d和試驗(yàn)前混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊的強(qiáng)度（100d）進(jìn)行了測(cè)試，混凝土力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 混凝土的力學(xué)性能Tab. 2 Mechanical properties of concrete

（2）鋼筋與鋼絞線

試件中鋼筋的分布如圖2所示，剪力墻暗柱中的縱向受力鋼筋為鋼絞線（無(wú)預(yù)應(yīng)力），直徑為15.2mm，其他縱向受力鋼筋和分布鋼筋均為HRB400普通鋼筋，直徑為8mm，鋼筋與鋼絞線的實(shí)測(cè)力學(xué)性能如表3所示。

表3 鋼筋及鋼絞線的力學(xué)性能Tab. 3 Mechanical properties of steel bars and steel strands

（3）碳纖維布和膠黏劑

本次試驗(yàn)采用的碳纖維片材為卡本CFS碳纖維布，是以PAN基12K小絲束碳纖維為原料生產(chǎn)加工而成。CFRP的力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 碳纖維布的主要力學(xué)性能Tab. 4 Mechanical properties of CFRP

碳纖維布配套樹(shù)脂采用CFSR-A/B型號(hào)的卡本浸漬膠，其是以改性環(huán)氧樹(shù)脂為主要原料生產(chǎn)而成，是碳纖維粘貼專(zhuān)用膠黏劑，分為A、B兩組份，A、B兩組份按2：1的重量比混合均勻使用，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 卡本浸漬膠的主要力學(xué)性能Tab. 5 Mechanical properties of CFSR

1.4 試驗(yàn)裝置及加載方案

（1）試驗(yàn)裝置

圖4展示了試件加載裝置圖，本次試驗(yàn)荷載加載的方式為擬靜力加載。利用250t的電液伺服系統(tǒng)MTS（Material Test System）施加水平荷載，水平荷載施加在各構(gòu)件加載梁的兩端加載點(diǎn)與加載梁的軸心重合，MTS一端固定在反力墻上，一端與剪力墻上部的加載梁利用4根螺桿緊密連接。豎向荷載采用兩點(diǎn)加載的方式，由2個(gè)200t的液壓千斤頂提供，分別作用于剪力墻截面的四等分點(diǎn)處，通過(guò)油壓控制，其值在試件加載過(guò)程中保持恒定不變。

圖4 試件加載裝置Fig. 4 Test setup

（2）加載制度

本次擬靜力試驗(yàn)的加載程序采用位移控制的加載制度，以層間位移角來(lái)施加水平作用力。本試驗(yàn)的加載制度如圖5所示，直至剪力墻的承載力下降到峰值荷載的85%時(shí)停止加載。

圖5 加載制度Fig. 5 Loading program

圖6 位移計(jì)布置Fig. 6 Location of displacement transducers

1.5 測(cè)量?jī)?nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容主要包括試件的側(cè)向位移和水平作用力，鋼筋、鋼絞線和CFRP的應(yīng)變以及墻體表面裂縫寬度和開(kāi)展情況。MTS自動(dòng)采集水平作用力；位移計(jì)記錄試件的水平位移和豎向位移，裂縫測(cè)寬儀測(cè)量裂縫寬度，精度為0.01mm，位移計(jì)的分布見(jiàn)圖7，鋼筋、鋼絞線和CFRP的應(yīng)變片具體布置位置分別如圖7與圖3所示。

圖7 鋼筋應(yīng)變片位置Fig. 7 Location of strain gauges

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

由圖8可看出，CFRPSSW-N17與CFRPCSWN26破壞過(guò)程基本相似，首先在墻底部碳纖維布上出現(xiàn)第一條水平裂縫，隨著側(cè)向位移的增大，水平裂縫沿墻高方向逐漸增加，左右水平裂縫不斷延伸，直至貫通，碳纖維布以上斜裂縫不斷增加，最終墻中部碳纖維布出現(xiàn)空鼓，與混凝土脫離，20cm高度范圍內(nèi)的碳纖維布水平撕裂，受壓側(cè)墻角部混凝土被壓碎，20cm高度范圍內(nèi)的碳纖維布縱向斷裂，承載力急劇下降，試件最終破壞。圖9展示了試件CFRPSSW-N17墻體去除碳纖維布后的破壞狀態(tài)，被碳纖維布包裹部分墻體有明顯的斜裂縫，裂縫寬度較大，右側(cè)邊緣約束構(gòu)件中的縱筋被壓曲，墻體部分縱向鋼筋也被壓曲。由于試件CFRPCSW-N26軸壓比較大，從圖11可以看出，被碳纖維布包裹部分墻體出現(xiàn)斜向大面積混凝土剝落，右側(cè)邊緣約束構(gòu)件中的鋼絞線和部分縱向普通鋼筋被壓曲，100cm、300cm高度處箍筋出現(xiàn)斷裂。

圖8 試件CFRPSSW-N17最終破壞狀態(tài)Fig. 8 Failure patterns of CFRPSSW-N17

圖9 試件CFRPSSW-N17墻體去除碳纖維布后的破壞狀態(tài)Fig. 9 Failure patterns of CFRPSSW-N17 after removing CFRP

圖10 試件CFRPCSW-N26最終破壞狀態(tài)Fig. 10 Failure patterns of CFRPCSW-N26

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載—位移滯回曲線

本次試驗(yàn)進(jìn)行了基于位移控制的擬靜力試驗(yàn)，在位移循環(huán)往復(fù)作用下，得到了各試件的荷載—位移曲線，如圖12所示。圖12也給出了前期與之對(duì)應(yīng)未約束碳纖維布剪力墻SSW-N17、CSW-N26的滯回曲線。從試件CFRPSSW-N17、CFRPCSWN26的滯回曲線可以看出，在墻體表面未出現(xiàn)裂縫前，試件基本處于彈性狀態(tài)，滯回曲線近似直線。隨著位移角的增加，墻體內(nèi)部出現(xiàn)損傷，在其屈服之前，滯回環(huán)細(xì)長(zhǎng)，剛度退化、殘余變形以及耗能都較小。墻體屈服以后，滯回環(huán)呈 “S”型，其面積逐漸增大，耗能增加，試件的剛度退化明顯，殘余變形不大，表現(xiàn)出很好的自復(fù)位性，水平承載力隨側(cè)向位移角的增大而持續(xù)增加，直至試件破壞。

通過(guò)比較各試件塑性鉸區(qū)包裹碳纖維布前后的滯回曲線，可以得出以下結(jié)論：

（1）在大變形時(shí)，試件受碳纖維布加固之后的滯回環(huán)更加飽滿(mǎn)，說(shuō)明其耗能能力有一定的提高；

（2）碳纖維布加固的試件的最大承載力有一定的提高，側(cè)向變形能力更好；

（3）在同一位移角下，試件受碳纖維布加固前后對(duì)其殘余變形影響不大。

3.2 骨架曲線

骨架曲線是指荷載—變形滯回環(huán)曲線中的每一級(jí)荷載的第一次循環(huán)的峰點(diǎn)所連成的外包絡(luò)曲線，反映了試件剛度隨側(cè)向位移變化而變化的過(guò)程。圖13為各試件的荷載—位移角骨架曲線，其更直觀地反應(yīng)了碳纖維布約束塑性鉸區(qū)對(duì)鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻抗震性能的影響。

由圖13可以看出，在同一位移角下，試件CFRPSSW-N17與SSW-N17的骨架曲線幾乎重合，由于只包裹了一層碳纖維布和尺寸效應(yīng)的影響，塑性鉸區(qū)碳纖維布對(duì)試件整體剛度的無(wú)明顯差別，但其極限承載力和側(cè)向變形能力得到了一定的提高。如表6所示，其中為推方向最大水平承載力，為對(duì)應(yīng)的位移角，為推方向最大水平承載力，為對(duì)應(yīng)的 位移角，Vexp為和的平均值，試件CFRPSSW-N17的承載能力比試件SSW-N17高6%，其側(cè)向變形能力提高18%。對(duì)比試件CFRPCSW-N26與CSW-N26可知，在位移角約1.2%之前，兩者的滯回曲線幾乎重合，由于高軸壓比的影響，之后隨著位移角的增大，試件CFRPCSW-N26的承載力明顯提高，其側(cè)向變形能力更好。如表6所示，試件CFRPCSW-N26的承載能力比試件CSW-N26高13%，其側(cè)向變形能力提高11%。

表6 各試件的極限荷載和極限位移Tab. 6 Ultimate loads and deformations of specimens

以上結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，在剪力墻塑性鉸區(qū)受碳纖維布約束對(duì)其承載能力和側(cè)向變形能力均有提高，說(shuō)明其對(duì)剪力墻腹板有一定的約束效果，在高軸壓比作用下對(duì)提高其承載能力效果更好。

3.3 剛度退化

試件剛度隨側(cè)向位移角的增大而衰減的全過(guò)程如圖14所示，圖中為試件的割線剛度K與初始剛度K0之比。

圖14 剛度退化曲線Fig. 14 Stiffness degradation curves of specimens

由圖14可以看出，各試件在整個(gè)加載過(guò)程中剛度退化連續(xù)、均勻；試件SSW-N17與CFRPSSWN17的剛度退化曲線幾乎重合，由于包裹單層和約束尺寸效應(yīng)的影響，在剪力墻塑性鉸區(qū)約束碳纖維布對(duì)其剛度退化的影響較??；在高軸壓比作用下，與CSW-N26相比，試件CFRPCSW-N26的剛度退化程度相對(duì)降低。

3.4 鋼筋與碳纖維布的應(yīng)變

為了直觀的分析在擬靜力作用下試件的受力情況，分別沿墻體不同高度處的縱向受力筋和箍筋、橫向鋼筋以及碳纖維布體粘貼了應(yīng)變片，其布置分別如圖7和3所示，通過(guò)鋼筋和碳纖維布的應(yīng)變—位移曲線，觀察其在加載過(guò)程中的應(yīng)變變化規(guī)律。

圖15分別給出了墻體關(guān)鍵部位（距離墻底100mm高度）暗柱最外邊緣縱筋的應(yīng)變—位移曲線，圖中粗虛線代表了各型號(hào)鋼筋的屈服應(yīng)變。

圖15 邊緣構(gòu)件的縱筋應(yīng)變（h=100mm）Fig. 15 Measured strains of steel strands and steel bars

由圖15b可以看出，各試件暗柱中最外邊緣的普通鋼筋（C12）早早的就屈服進(jìn)入塑性階段。而對(duì)于試件暗柱中配置的高強(qiáng)鋼絞線（PC15.2）直至構(gòu)件破壞都沒(méi)有屈服，各試件在位移角2.0%左右時(shí)，鋼絞線的應(yīng)變片失效，此時(shí)的鋼絞線在反復(fù)拉壓力作用而開(kāi)始松散。

圖16給出了暗柱鋼絞線的應(yīng)變縱向分布。由圖可知，隨之位移角的增大，鋼絞線應(yīng)變沿墻高趨于均勻分布，這是由于鋼絞線與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度較低，從而產(chǎn)生了滑移效應(yīng)，CFRP約束墻體對(duì)其黏結(jié)強(qiáng)度影響較小。

圖16 鋼絞線的應(yīng)變縱向分布Fig. 16 The distributions of measured strains of steel strands

圖17給出了試件CFRPSSW-N17和CFRPCSW-N26墻體側(cè)面碳纖維布的應(yīng)變。圖中“L300”和“R300”分別表示墻體左側(cè)和右側(cè)距墻底300mm高度處。從圖17可以明顯看出，在整個(gè)加載的過(guò)程中沿墻體不同高度處碳纖維布處于受拉狀態(tài)，始終保持對(duì)墻體的約束作用，隨著位移角的增大，碳纖維布的應(yīng)變也隨著增大，約束效應(yīng)越明顯。

圖17 碳纖維布的應(yīng)變（mm）Fig. 17 Measured strains of CFRP

3.5 耗能能力

試驗(yàn)各試件等效黏滯阻尼系數(shù)如圖18所示。從圖18可以看出，由于鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻暗柱配置的高強(qiáng)鋼絞線一直處于彈性階段，因此隨著位移角的增大其等效黏滯阻尼系數(shù)仍基本保持不變，約為10%。從等效黏滯阻尼系數(shù)角度分析來(lái)看，在同一位移角下碳纖維布加固塑性鉸區(qū)對(duì)鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻的耗能能力的無(wú)明顯影響。

圖18 試件的等效黏滯阻尼系數(shù)Fig. 18 Comparison of the equivalent viscous damping ratio

4 可恢復(fù)性能

4.1 殘余變形

殘余變形是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)可恢復(fù)性能的一個(gè)重要的指標(biāo)。圖19給出了碳纖維布加固塑性鉸區(qū)前后各試件的平均殘余變形并進(jìn)行了對(duì)比分析。從圖19可以看出，位移角達(dá)到2.5%之前，試件的殘余變形均小于0.5%；試件SSW-N17與CFRPSSW-N17的殘余變形—位移角曲線基本重合；與試件CSW-N26相比，試件CFRPCSW-N26的殘余變形較小，說(shuō)明在低軸壓比作用下碳纖維布加固塑性鉸區(qū)對(duì)鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻的殘余變形無(wú)明顯影響，但在在低軸壓比作用下可以有效減小其殘余變形。

圖19 殘余變形Fig. 19 Comparison of the measured residual drifts

4.2 最大裂縫寬度和殘余裂縫寬度

在地震作用下，裂縫寬度是衡量混凝土構(gòu)件的損傷程度和可修復(fù)性的重要指標(biāo)之一。我國(guó)規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）、AIJ指南［15］和ACI 318-14規(guī)范［16］均規(guī)定了構(gòu)件正常使用裂縫寬度限值分別為0.3mm、0.2mm、0.4mm。

圖20給出了位移角2%之前在每一位移加載等級(jí)下測(cè)量的最大裂縫寬度及相應(yīng)的殘余裂縫寬度。對(duì)比試件SSW-N17與CFRPSSW-N17、CSWN26與CFRPCSW-N26，碳纖維布加固剪力墻塑性鉸區(qū)以后，試件的最大裂縫寬度及相應(yīng)的殘余裂縫寬度減小，并且最大裂縫寬度小于AIJ指南規(guī)定的可修復(fù)的裂縫寬度限值1.0mm，各試件殘余裂縫寬度小于正常使用限值，這意味著如果地震作用下墻體側(cè)向變形不超過(guò)2%，試件仍可繼續(xù)使用，不需要任何修復(fù)。在地震作用下，剪力墻的破壞主要集中與墻體的塑性鉸區(qū)，在其部位包裹碳纖維布，對(duì)混凝土有一定的約束效果，從而能提高混凝土的強(qiáng)度，能有效地抑制混凝土的開(kāi)裂，進(jìn)而可以更好地實(shí)現(xiàn)剪力墻的可恢復(fù)性。

圖20 裂縫寬度Fig. 20 Comparison of the crack widths

5 結(jié)論

對(duì)2個(gè)碳纖維布加固塑性鉸區(qū)鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻試件進(jìn)行了低周反復(fù)水平加載試驗(yàn)，并與文獻(xiàn)［1］中2個(gè)鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻試件進(jìn)行對(duì)比，分析了碳纖維布加固塑性鉸區(qū)對(duì)其抗震性能和可恢復(fù)性能的影響，研究結(jié)論如下：

（1）采用碳纖維布加固鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻塑性鉸區(qū)可以有效提高其承載能力和側(cè)向變形能力，在高軸壓比作用下對(duì)提高其承載能力效果更好，但對(duì)其殘余變形無(wú)明顯影響。

（2）由于包裹單層和約束尺寸效應(yīng)的影響，在低軸壓比作用下，在碳纖維布加固塑性鉸區(qū)對(duì)鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻剛度退化的影響較小；在高軸壓作用下，其剛度退化程度相對(duì)降低。

（3）隨著位移角的增大，鋼絞線-鋼筋混凝土剪力墻的等效黏滯阻尼系數(shù)仍基本保持不變，約為10%。在同一位移角下碳纖維布加固塑性鉸區(qū)對(duì)其耗能能力無(wú)明顯影響。

（4）碳纖維布加固塑性鉸區(qū)對(duì)混凝土有一定的約束效果，能有效地抑制混凝土的開(kāi)裂，進(jìn)而可以更好地實(shí)現(xiàn)剪力墻的可恢復(fù)性能。

作者貢獻(xiàn)聲明：

袁維光：設(shè)計(jì)試驗(yàn)構(gòu)件、開(kāi)展試驗(yàn)并撰寫(xiě)論文；

趙 軍：提供資金支持、修改論文；

孫玉平：提出研究思路、指導(dǎo)試驗(yàn)。