CFRP筋/钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验

赵 军，沈富强，司晨哲，孙玉平

(1. 郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州 450001； 2. 郑州大学土木工程学院，河南郑州 450001； 3. 日本神户大学工学研究科，兵库神户 657-8501)

0 引 言

中国现行建筑结构抗震设计遵循的基本准则是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，当建筑物遭遇相当于或超过抗震设防烈度的地震时会发生严重的损坏甚至破坏[1-2]。对于医院、发电厂、道路、桥梁、通信基站等生命线工程，其使用功能在地震时及震后抢险救援中的作用举足轻重，发生地震时仅仅是“不倒塌”这样的抗震设防要求已不能满足需要，而且经历中、大震后建筑即使不倒塌，也会产生较大的残余变形，混凝土中的钢筋可能发生屈服、断裂，修复成本巨大，多数情况下只能拆除重建，极大地耗费人力和物力。因此，能够抵抗较大地震作用，震后残余变形小，能够快速恢复使用功能的可恢复功能结构成为结构抗震工程领域研究的热点[3-5]。

碳纤维增强复合材料(CFRP)筋是一种新型混凝土结构配筋材料，具有抗拉强度高和线弹性特性，将其布置在钢筋混凝土结构中，能够提高结构的承载能力，其在混凝土结构中的应用已有广泛的研究[6-10]。文献[11]～[14]将CFRP筋与钢筋混合配置在混凝土柱中进行了拟静力试验，配置CFRP筋的混凝土柱具有较强的承载能力，CFRP筋可以提高柱屈服后的刚度比，减小残余变形。此外，配置CFRP筋混凝土柱的极限位移转角超过了2.4%。轴压比和箍筋配筋率是影响CFRP筋混凝土柱抗震性能的重要因素。文献[15],[16]对纤维增强复合材料(FRP)筋混凝土剪力墙进行了试验研究，结果表明，FRP筋混凝土剪力墙的裂缝宽度和残余变形明显小于普通钢筋混凝土剪力墙，当荷载小于极限荷载的80%时，FRP筋混凝土剪力墙的残余变形基本为0，具有良好的恢复性能。笔者所在研究团队对CFRP筋/钢筋混凝土剪力墙进行了试验研究，发现在钢筋混凝土剪力墙的适当位置配置CFRP筋能够提高剪力墙的承载能力，有效减小剪力墙的残余变形[17-19]，但对于CFRP筋/钢筋混凝土剪力墙的抗震性能仍需进一步的研究。

为了研究轴压比和剪力墙边缘构件中箍筋对CFRP筋/钢筋混凝土剪力墙抗震性能的影响，本文设计了6个边缘构件配置2种不同箍筋形式的CFRP筋/钢筋混凝土剪力墙，在0.17，0.26，0.33三种轴压比下进行低周反复荷载试验，研究配置CFRP筋对钢筋混凝土剪力墙抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

共设计了6个矩形截面(尺寸为200 mm×1 280 mm)剪力墙试件，剪跨比为2.0。试件由加载梁、墙体、基础梁三部分组成。加载梁为矩形截面(尺寸为300 mm×400 mm)，长1 780 mm。基础梁为矩形截面(尺寸为500 mm×700 mm)，长2 110 mm。6个剪力墙试件根据墙体边缘构件配置的箍筋形式不同分为2类，第1类试件共3个，墙体边缘构件配置矩形复合箍筋，编号分别为CFRPRW1，CFRPRW2，CFRPRW3，分别对应0.17，0.26，0.33的轴压比。第2类试件共3个，墙体边缘构件配置圆形箍筋，编号为CFRPHW1，CFRPHW2，CFRPHW3，分别对应0.17，0.26，0.33的轴压比。

CFRP筋配置在剪力墙边缘构件中作为纵向受力筋，每个边缘构件配置12根纵向筋，其中4根直径8 mm的HRB335钢筋位于边缘构件四角，8根直径12 mm的CFRP筋均匀分布于边缘构件四边。边缘构件中箍筋为直径6 mm的HPB300钢筋，间距50 mm。CFRPRW1～CFRPRW3中采用矩形复合箍筋，配箍率为1.7%；CFRPHW1～CFRPHW3中采用圆形箍筋，配箍率为0.6%。试件配筋如图1所示。剪力墙的墙体竖向分布钢筋和水平分布钢筋均为直径8 mm的HRB335钢筋，竖向分布钢筋的间距为60 mm，配筋率为0.7%。墙体600 mm高度以下范围内水平分布钢筋的间距为50 mm，配筋率为1.0%；600 mm高度以上范围的水平钢筋间距为70 mm，配筋率为0.7%。为保证CFRP筋在混凝土中的黏结，充分发挥CFRP筋的性能，设计了一种锚固装置对CFRP筋端部进行锚固，如图2所示。锚固装置由8根长330 mm、外径32 mm、壁厚3 mm的钢管焊接到一块边长190 mm、厚10 mm的钢板上组成。将CFRP筋插入钢管中心，灌入高强、无收缩的灌浆料即完成了对CFRP筋端部的锚固。

1.2 材料性能

试件所用筋材性能如表1所示。试件所用混凝土为C40混凝土，28 d立方体抗压强度为57.2 MPa，轴心抗压强度为36.8 MPa。

表1 筋材性能Tab.1 Properties of Bars

1.3 加载方案

CFRP筋/钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验为竖向荷载作用下的水平反复荷载试验，加载装置如图3所示。竖向加载由液压千斤顶完成，按照试验轴压比确定6个剪力墙试件所承受的竖向荷载大小，轴压比0.17对应的竖向荷载为1 580 kN，轴压比0.26对应的竖向荷载为2 431 kN，轴压比0.33对应的竖向荷载为3 160 kN。竖向千斤顶上方装有滑道，可使竖向千斤顶能够随着墙体变形作水平移动，保持其加载位置不变。水平反复加载由MTS作动器完成，采用位移控制，加载制度如图4所示。

1.4 测量方案

通过应变片和位移计对试验过程中剪力墙筋材的应变以及墙体位移进行测量。应变片和位移计的布置如图5所示。

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

6个剪力墙均呈现以弯曲破坏为主的弯剪型破坏，图6为轴压比0.33的剪力墙破坏形态。加载前期墙角出现水平裂缝，随着加载等级的提高，水平裂缝沿水平向延伸，并逐渐斜向发展，最终墙体受拉侧纵向钢筋屈服，受压侧墙角混凝土压坏，剪力墙破坏。轴压比较小时，剪力墙破坏时混凝土破坏区域不大，而且配置不同形式的箍筋影响较小。随着轴压比增大，墙体裂缝发展高度减小，墙角混凝土剥落范围增大。当轴压比为0.33时，配置圆形箍筋的剪力墙墙角混凝土破坏区域和程度比配置矩形复合箍筋的剪力墙大，如图6所示。

2.2 滞回曲线

试件的滞回曲线是在水平反复荷载F作用下，试件承受的水平荷载随位移计DH0测得的试件加载梁中部水平位移Δ的变化曲线，如图7所示。

轴压比相同时，不同箍筋形式对剪力墙的承载能力影响较小，但对剪力墙的极限变形影响较大，配置复合矩形箍筋的剪力墙比圆形箍筋剪力墙的极限变形大。

轴压比对剪力墙的影响比较明显。随着轴压比的增大，剪力墙峰值荷载增大，且峰值荷载对应的水平位移减小。当轴压比为0.17时，CFRPRW1和CFRPRW2在层间位移角2.5%的加载等级下达到峰值荷载。当轴压比为0.26，0.33时，试件达到峰值荷载对应的加载等级分别为1.8%， 1.6%。达到峰值荷载后，随着轴压比的增加，试件的承载力下降幅度也增大。此外，轴压比对剪力墙的变形能力也有影响，试件的极限位移随轴压比的增大而减小。

当层间位移角小于1/60 rad，对应的层间位移小于42.7 mm时，6个试件的承载力均没有出现显著的降低，表明CFRP筋/钢筋混凝土剪力墙有较好的持载能力。另外，6个试件的残余变形也比较小，均有较好的自复位能力。这说明在剪力墙边缘构件中配置CFRP筋可以有效地减小剪力墙的残余变形，为墙体提供良好的恢复能力。相比来看，配置矩形复合箍筋的剪力墙残余变形比配置圆形箍筋剪力墙要小，自复位性能更好。

2.3 骨架曲线

试件的骨架曲线为滞回曲线各级加载第1次循环的峰值点所连成的包络线，见图8。

相同轴压比下，配置矩形复合箍筋剪力墙的峰值荷载稍高于配置圆形箍筋的剪力墙。当轴压比为0.17时，CFRPRW1和CFRPHW1的变形基本一致。当轴压比为0.26和0.33时，CFRPRW2和CFRPRW3的变形能力要优于CFRPHW2和CFRPHW3，说明配置矩形箍筋的剪力墙变形能力优于配置圆形箍筋的剪力墙。可见配置矩形复合箍筋比配置圆形箍筋对边缘构件核心区混凝土有着更好的约束作用，从而提高受压侧核心区混凝土的抗压能力和变形能力，这种作用在较大的轴压比下显得更加明显。随着轴压比的增大，荷载峰值点有所提高，荷载峰值点对应的位移减小，而且试件的最大位移值也有所降低，说明试件的极限荷载随轴压比的增大而增大，而变形能力随轴压比的增大而减小。

2.4 刚度和强度退化

刚度反映了试件抵抗变形的能力。在水平反复荷载作用下，剪力墙的刚度呈现出下降的趋势。剪力墙试件的刚度可用割线刚度表示，割线刚度Ki按式(1)计算[20]

(1)

式中：+Fi，+Fi分别为第i次正、反向峰值点的荷载值；+Xi，-Xi分别为第i次正、反向峰值点的位移值。

由式(1)计算出各试件在每个加载等级下的刚度，绘制出刚度随位移的变化曲线，即为试件的刚度K退化曲线，如图9所示。6个试件刚度退化的趋势相似，割线刚度在位移值6 mm以内时下降迅速。随后刚度退化的速率放缓，在位移值20～60 mm阶段退化速率逐渐趋于平稳。随着轴压比的增大，试件刚度退化的速率减小，尤其在位移20 mm以内的阶段最为明显。位移大于40 mm之后，刚度退化曲线基本重合。箍筋形式对剪力墙的刚度退化规律有一定的影响，从开始加载到变形增大到40 mm的加载阶段内，配置矩形复合箍筋剪力墙的刚度小于配置圆形箍筋的剪力墙，但随着轴压比的增大，二者的差别逐渐减小，当轴压比达到0.33时，刚度退化曲线基本重合。

剪力墙在反复荷载作用下会产生不可逆的损伤，造成强度下降。在同一加载等级下，把第2次循环峰值点荷载值与第1次循环峰值点荷载值的比值定义为该加载等级的强度退化系数λ，以此反映剪力墙的强度退化情况。

图10为强度退化曲线。由图10可知：当水平位移小于20 mm时，所有试件的强度退化系数稳定在5%以内，此时剪力墙的强度退化程度较低，箍筋形式对强度退化规律影响较小；当层间位移大于20 mm时，轴压比为0.17的2个剪力墙强度退化系数仍然稳定，降低幅度较小；轴压比为0.26和0.33的剪力墙强度退化系数产生了较大的下降。这说明轴压比和变形对试件的强度退化有着较大影响，在大轴压比和大变形条件下，反复荷载作用对剪力墙造成了较大的损伤，使其强度产生了较大的降低。

2.5 耗能能力

试件的耗能能力以滞回曲线所包围的面积衡量。图11为根据试验数据计算得到的累积耗能曲线。由图11可知，箍筋形式和轴压比对剪力墙的耗能能力有一定的影响。随着轴压比的增加，试件的耗能能力逐渐增强。当轴压比为0.17和0.26时，边缘构件中配置矩形复合箍筋和圆形箍筋的2种剪力墙累积耗能曲线基本一致，两者的累积耗能相差不大。当轴压比为0.33时，边缘构件配置矩形复合箍筋的剪力墙累积耗能大于配置圆形箍筋的剪力墙，而且层间位移角越大，二者的差别越大。这表明在该轴压比条件下，配置的箍筋形式对剪力墙的耗能能力有较大影响，配置矩形复合箍筋的剪力墙耗能能力优于配置圆形箍筋的剪力墙。

3 结 语

(1)随着轴压比的增大，滞回曲线中的峰值荷载增大，峰值荷载对应的变形有所减小，极限变形也相应降低。

(2)在剪力墙边缘构件中配置CFRP筋，剪力墙的残余变形很小，具有良好的自复位能力。

(3)随着轴压比的增加，剪力墙的刚度退化有所减缓，配置矩形复合箍筋的剪力墙刚度小于配置圆形箍筋剪力墙。

(4)轴压比较小时，边缘构件中的箍筋形式对剪力墙的耗能能力影响较小。当轴压比较大时，配置矩形复合箍筋剪力墙的耗能能力大于配置圆形箍筋剪力墙。