CFRP筋钢筋混凝土剪力墙自复位性能试验研究

赵军，赵齐，陈纪伟

(1. 郑州大学 土木工程学院，郑州 450001；2.河南省建筑设计研究院有限公司，郑州 450000)



赵军1，赵齐1，陈纪伟2

(1. 郑州大学 土木工程学院，郑州 450001；2.河南省建筑设计研究院有限公司，郑州 450000)

摘要：通过对1片钢筋混凝土剪力墙和4片配有碳纤维增强聚合物(CFRP)筋的剪力墙的低周反复荷载试验，在分析试验中测得的裂缝宽度、裂缝的发展和分布形态、侧向变形的基础上，研究了在钢筋混凝土剪力墙的适当位置部分或全部配置CFRP筋对剪力墙的残余裂缝和残余变形等自复位性能的影响规律。研究结果表明：与普通钢筋混凝土剪力墙相比，配有CFRP筋的剪力墙的开裂荷载较低，裂缝较多，裂缝分布分布范围较广，墙体的最大裂缝宽度、残余裂缝宽度和侧向残余变形分别降低了60%、70%和90%，说明在剪力墙中合理配置CFRP筋能使剪力墙具有优异的自复位性能。

关键词：剪力墙；碳纤维增强聚合物筋；自复位；裂缝宽度；残余裂缝；残余变形

钢筋混凝土剪力墙是高层建筑中常用的抗侧力构件，其力学性能对整体结构的抗震性能至关重要。目前，中国高层建筑结构抗震设计遵循“小震不坏、中震可修、大震不倒”的原则，由于地震作用具有明显的不确定性，结构在地震作用下的受力情况也比较复杂，结构的抗震设计仍然不够完善。按照现行设计规范设计的房屋建筑在遭遇罕遇地震后虽然主体结构不会发生倒塌造成大量的人员伤亡，但结构在强烈的地震作用下必然会产生一定程度的损伤[1-2]。长期以来，中国在剪力墙结构设计时，要求剪力墙具有良好的变形能力，使结构在遭受地震作用时，通过产生足够的变形来提高其抗震能力。这就造成了剪力墙结构在地震作用后将产生较大的残余变形，使结构抵抗后期地震的能力大大降低，同时,也不利于结构的维修加固。因此，国内外学者提出了具有自复位能力的钢筋混凝土结构，并对此开展了研究[3-5]，致力于使结构具有较好的承载能力和抗震能力，同时还能在受到地震损伤后具有一定的自复位功能。其核心目的是尽量减小结构经历地震作用后的残余变形。近年来的研究表明，通过改变结构形式、配筋方式等能够有效地减小结构的残余变形，如增设阻尼器、施加预应力或开设水平缝等。但是，上述措施存在施工复杂、削弱结构截面、影响结构整体性等缺点。

1试验概况

1.1试件设计

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[12]、《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[13]、《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608—2010)[14]和《结构工程用纤维增强复合材料筋》 (GB/T 26743—2011)[15]等相关规范要求，共制作了5个剪力墙试件，编号分别为RCSW-1，CFRPSW-2，CFRPSW-3，CFRPSW-4，CFRPSW-5，所有剪力墙的尺寸和水平配筋都相同，仅竖向配筋方式有所不同。其中，RCSW-1为竖向配筋全部为HRB400级钢筋的钢筋混凝土剪力墙，作为基准对比试件；CFRPSW-2为墙肢最外侧两个边缘配置一排CFRP筋，而其他竖向配筋均为钢筋的剪力墙；CFRPSW-3为墙肢最外侧两个边缘分别配置两排CFRP筋，而其他竖向配筋均为钢筋的剪力墙；CFRPSW-4为墙肢最外侧两个边缘各配置3排CFRP筋，而其他竖向配筋均为钢筋的剪力墙；CFRPSW-5为全部配置竖向CFRP筋的剪力墙。各试件尺寸和配筋如图1所示。

1.2试验装置

试验采用拟静力加载方式，正式加载前先将墙体吊装至预定位置，在基梁下方用水泥砂浆找平，用铅锤调整好试件的垂直度后，用地脚螺栓和钢梁将剪力墙锚固在地面上，为确保基梁在水平加载的过程中不发生侧移，在其两侧沿水平方向上分别设置一个500 kN液压千斤顶反向施加压力。试验过程中试件主要承受水平荷载和顶部竖向恒定荷载，水平荷载由液压伺服系统施加，作动器与顶部加载梁连接固定，作动器的轴心与加载梁的轴心重合；竖向荷载采用两个同步缸在顶部加载梁三分点处加载，同步缸与反力架和加载梁之间分别设置由两块厚度为20 mm钢板和3个滚轴组成的滚动支座。在加载过程中，竖向力通过厚钢板均匀分布在加载梁上，滚轴可以保证墙肢在水平方向自由滑动。此外为消除底部基梁可能发生的微小滑动带来的位移测量误差，将位移计表架用膨胀螺栓固定在基梁两侧。试验加载装置如图2所示。

图1　试件尺寸和配筋图Fig.1　Dimension and details of reinforcement

图2　加载装置简图Fig.2　Test setup of the wall

1.3加载制度

1.4测试内容与测点布置

试验中测试的主要内容有：水平荷载、竖向恒定荷载、试件不同高度处的水平侧移、钢筋和CFRP筋应变、混凝土应变、裂缝出现及开展等。

2材性试验

2.1混凝土

混凝土强度等级为C50，浇筑试件时预留同条件养护试块，测得混凝土的力学性能指标如表1所示。

表1　混凝土的力学性能

2.2钢筋和CFRP筋

分别取试件所用钢筋和CFRP筋进行拉伸试验。本次试验使用的是直径为10 mm的HRB400级钢筋和直径为10 mm的CFRP筋，具体指标见表2。

表2　钢筋和CFRP筋实测力学指标

3试验现象

钢筋混凝土剪力墙和配有CFRP筋的剪力墙在加载过程中的裂缝发展和破坏形态如图3所示。在加载初期，水平荷载较小，试件处于弹性工作阶段，墙体表面没有出现裂缝。随着水平荷载继续增大，墙肢根部混凝土应变明显增大，裂缝在此处首先出现，然后随着荷载的增加沿水平方向发展。继续加载，边缘约束构件中的最外侧纵筋应变增加明显，直至钢筋发生屈服时，裂缝数量少量增加，且主要分布在墙肢底部300 mm以下高度区域，基本呈规则的水平状分布，加载后期，左右两侧裂缝大多在墙体宽度中线位置相交形成贯通缝，裂缝宽度增大较快。进入位移控制阶段后，裂缝数量明显增多，且发展较长，裂缝区的高度逐渐增加。随着位移的逐渐增大，新出的裂缝多为斜裂缝，墙肢根部弯曲裂缝发展成主裂缝，墙肢受压区混凝土被压酥而发生大量脱落，边缘约束构件中的纵筋发生断裂，试件承载力急剧下降，试件最终破坏。

与钢筋混凝土剪力墙试件相比，随着CFRP筋配置数量的增加，试件中的裂缝数量也有所增加，同时，裂缝区域也逐渐向上发展，分布范围随之增加。而且，平均裂缝间距较小，分布比较均匀。另外，试件屈服之前，同级荷载下钢筋混凝土剪力墙的裂缝宽度比配有CFRP筋的剪力墙小，但是屈服后至破坏阶段，钢筋混凝土剪力墙的裂缝宽度则远大于配置有CFRP筋的剪力墙。

图3　试件裂缝形态图Fig.3　The crack mode of shear

4试验结果分析

4.1开裂荷载

各试件的开裂荷载如表3所示。

表3　试件开裂荷载

图4　试件开裂荷载Fig.4　Cracking load of the

由表3和图4可以看出，开裂荷载随着试件中CFRP筋数量的增加呈现出逐渐减小的趋势，其中，竖向筋全部配置CFRP筋的试件CFRPSW-5开裂荷载下降明显，较钢筋混凝土剪力墙降低了50%。这主要是由于采用的CFRP筋的弹性模量比钢筋小，使试件的初始整体刚度下降，因此，在加载初期同一加载等级下配有CFRP筋剪力墙的受拉区会产生更大的变形，从而导致试件更早开裂。

4.2最大裂缝宽度

试件各级荷载循环和位移循环下的最大裂缝宽度如图5所示。

图5　各级加载循环时的最大裂缝宽度Fig.5　The maximum crack width under the cyclic

由图5可以得出，试件各级荷载循环和位移循环下的最大裂缝宽度随着荷载和位移的增加而逐渐增大，各试件裂缝宽度增长的速率不同。荷载较小时，钢筋混凝土剪力墙的裂缝宽度比配有CFRP筋的剪力墙裂缝宽度小；随着荷载的逐渐增大，直至试件屈服时，钢筋混凝土剪力墙的最大裂缝宽度小于同一加载级的配有CFRP筋的剪力墙的最大裂缝宽度；试件屈服以后，钢筋混凝土剪力墙的最大裂缝宽度则明显大于同一位移循环下的配有CFRP筋的剪力墙试件，CFRP筋表现出很好的限制裂缝的效果。如图5所示，对于试件CFRPSW-4，当位移循环为7Δ时，配有CFRP筋剪力墙的最大裂缝宽度显著低于钢筋混凝土剪力墙，最大裂缝宽度仅为钢筋混凝土剪力墙最大裂缝宽度的40%左右。

4.3残余裂缝宽度

试验过程中测得每级加载循环结束后所有裂缝的残余宽度，得到每级加载循环结束对应的最大残余裂缝宽度以及试验结束完全卸载后墙体的最大残余裂缝宽度如图6所示。

图6　各级加载循环后的最大残余裂缝宽度Fig.6　The maximum residual crack width underthe cyclic

对于所有剪力墙试件，随着加载循环的增加，墙体的残余裂缝宽度逐渐增大。与钢筋混凝土剪力墙相比，配有CFRP筋的剪力墙的残余裂缝宽度都有不同程度的降低。在试件屈服前，随着CFRP筋配置数量的增多，墙体的残余裂缝宽度明显降低，当CFRP筋配置3排以上时，墙体内的裂缝已经完全闭合，表现出优异的恢复能力。试验结束后完全卸载，墙体的残余裂缝宽度随着CFRP筋数量的增加而近似呈线性减小，当墙体内全部配置CFRP筋时，残余裂缝宽度从钢筋混凝土剪力墙的4.0 mm减小到1.2 mm。以上试验结果表明：由于CFRP筋良好的线弹性性质，在剪力墙中合理配置一定数量的CFRP筋可以有效地控制剪力墙的残余裂缝宽度。

4.4侧向残余变形

通过实测试件的滞回曲线，可以得到每级加载循环结束后各试件的侧向残余变形值，如图7所示，该图显示出CFRP筋对剪力墙侧向残余变形的影响规律。

由图7可以发现，所有试件在屈服之前，侧向残余变形都很小，除钢筋混凝土剪力墙试件RCSW-1之外，配有CFRP筋的剪力墙屈服前的侧向残余变形为0，说明在试件屈服之前，配置有CFRP筋的剪力墙的自复位效果非常显著。随着荷载和位移循环次数的增加，剪力墙的残余变形逐渐增大，但配置有CFRP筋的剪力墙的侧向残余变形增加的幅度远小于钢筋混凝土剪力墙。同一加载循环时，不同试件之间，随着CFRP筋配置数量的增加，试件的侧向残余变形越来越小。

图7　各级加载循环后的侧向残余变形Fig.7　The residual lateral deformation under the cyclic

加载结束后，5个试件的侧向残余变形分别为20、10、6、4.5和2.0 mm。由此可见，从试件两端依次增加CFRP筋的数量，可使试件的残余变形明显减小，而且仅在剪力墙的两端配置少量的CFRP筋即可使试件的残余变形降低50%。当竖向受力筋全部为CFRP筋时，侧向残余变形减小至钢筋混凝土剪力墙的10%。

综上所述，在钢筋混凝土剪力墙中合理地配置CFRP筋能够有效地减小剪力墙的侧向残余变形。这主要是由于钢筋混凝土剪力墙中的钢筋屈服后产生了较大的塑性变形，卸载后已产生的塑形变形不能恢复，而CFRP筋作为一种线弹性性能很好的材料，在破坏之前不发生塑性变形，卸载以后通过其优异的性弹性性能使剪力墙的残余变形得到有效恢复。

5结论

通过对5个剪力墙试件在低周反复荷载下的试验，研究了配置CFRP筋的剪力墙的自复位性能，得出如下主要结论：

1)加入CFRP筋后，剪力墙的开裂荷载逐渐降低。随着CFRP筋配置数量的增加，试件裂缝数量也有所增加，裂缝的分布范围也比钢筋混凝土剪力墙有所增大。试件屈服前的各级荷载下，钢筋混凝土剪力墙的裂缝宽度较配有CFRP筋的剪力墙小；试件屈服后至破坏阶段的位移加载阶段，钢筋混凝土剪力墙的裂缝宽度则远大于配置有CFRP筋的剪力墙。

2)配置CFRP筋能够有效地减小试件屈服后、加载循环结束时和完全卸载后的残余裂缝宽度，可使全部配置或配置6根CFRP筋的剪力墙，屈服前的残余裂缝宽度完全闭合，完全卸载后的残余裂缝宽度可降至钢筋混凝土剪力墙的30%左右。

3)配置CFRP筋能够显著地减小试件屈服后、加载循环结束时和试件破坏后的侧向残余变形。试件屈服前，CFRP筋可使剪力墙的侧向残余变形为0；试件屈服后配置CFRP筋的剪力墙的侧向残余变形远小于钢筋混凝土剪力墙；试件破坏后，配置CFRP筋的试件的侧向残余变形大幅度降低；当竖向受力筋全部配置CFRP筋时，试件的侧向残余变形仅为钢筋混凝土剪力墙的10%。

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(编辑王秀玲)

Experimental analysis of the self-centering performance of shear walls reinforced by CFRP and steel bars

Zhao Jun1,Zhao Qi1,Chen Jiwei2

(1. School of Civil Engineering , Zhengzhou University , Zhengzhou 450001, P.R.China;2 Architectural Design and Research Institute of Henan Province Co.LTD ,Zhengzhou 450000, P.R.China)

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

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.003

收稿日期：2015-06-19

基金项目：河南省重点科技攻关计划(152102210034)；河南省高校科技创新团队(15IRTSTHN026)

作者简介：赵军(1971-)，男，教授，博士，主要从事新型建筑材料与结构研究，(E-mail)zhaoj@zzu.edu.cn。

Foundation item：Key Scientific and Technological Project in Henan Province(No.152102210034)；The Program Funded by the Innovation Team of University in Henan Province(No. 15IRTSTHN026)

中图分类号：TU352

文献标志码：A

文章编号：1674-4764(2016)03-0018-07

Received:2015-06-19

Author brief：Zhao Jun (1971-)，professor，main research interests：new construction materials and structures，(E-mail)zhaoj@zzu.edu.cn.