底部设置BRB 自复位剪力墙抗震性能和韧性试验研究

2021-11-12王韶颖冯玉龙周亚婷

工程力学 2021年10期

蒋庆，王韶颖，冯玉龙，种迅，朱毅，周亚婷

(1. 合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009；2. 合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省重点实验室，合肥 230009)

工程结构抗震设防目标逐渐从“小震不坏，中震可修，大震不倒”，向震后快速恢复结构功能方面发展[1]。因此，提出可恢复功能结构，降低结构震后修复难度，提高结构抗震韧性，近年来得到广泛关注[2]。可恢复功能结构主要通过可更换构件、自复位结构和摇摆体系等形式实现[3]。

1963 年Housner[4]发表了关于“倒摇摆结构”在地震作用下行为的研究，被认为是研究摇摆墙的开端。在摇摆墙内设置预应力筋，形成自复位剪力墙，震后在预应力的作用下墙体可以恢复到原有的位置，具有残余变形小的优点。汪梦甫等[5]提出内藏钢板支撑预应力自复位剪力墙，试验结果表明在位移角2%时，最大残余位移角为0.42%，结果说明配置无粘结预应力筋能够减小试件的残余变形。党像梁等[6]研究了底部开水平缝预应力自复位剪力墙，指出其能在不降低剪力墙承载力和刚度的前提下极大减小墙体的残余变形，且能将非线性变形集中在墙体和基础连接开缝处，使墙体的裂缝数量和发展都极大程度的减少。Perez等[7]对五片多层无粘结后张法预应力混凝土剪力墙进行了试验研究，所有试件都表现出极好的自复位能力，最大的残余位移角0.1%。徐龙河等[8]提出一种底部铰支自复位钢筋混凝土剪力墙，墙体损伤和残余位移都得到了降低。

基于耗能减震的思想，通常在自复位剪力墙结构中设置耗能元件。Restrepo 等[9]对预制预应力混凝土剪力墙进行了拟静力试验研究，指出含有耗能件的试件在提供良好的自复位能力的同时，也具有较好的耗能能力。Marriott 等[10]提出外置自复位剪力墙的耗能装置以便震后更换，其振动台试验结果表明加装阻尼器能够提高自复位剪力墙结构的耗能能力，且剪力墙具有自复位能力。谢剑等[11]采用内置的耗能钢筋作为自复位墙的耗能元件，试验结果表明内置耗能件的可更换性有待进一步提升。

屈曲约束支撑(BRB)是由核心钢板和约束部件组成的支撑构件，具有良好的延性和耗能能力，且具有可以更换的优点，目前作为可更换的耗能支撑，已被广泛地应用在工程结构中[12-13]。

为了提高剪力墙自复位能力和耗能能力，且实现耗能构件在震后可更换，使墙体具有震后功能可恢复性，本文提出底部带有BRB 的自复位剪力墙，其组成部分与抗侧机制如图1 所示。为了研究该剪力墙的抗震和韧性性能，本文设计制作1 片自复位剪力墙和2 组BRB 构件，进行了拟静力试验和更换试验研究，分析了其破坏特征、滞回性能、自复位性能和可恢复性能等。

图1 自复位剪力墙抗侧机制Fig. 1 Lateral resistance mechanism of self-centering shear wall

1 试验概况

1.1 试验设计

为结构提供自复位能力，预应力钢绞线在地震作用下保持在弹性阶段，钢绞线宜布置在剪力墙中线处，或者对称的布置在距剪力墙中线0.1 墙宽范围内[14]。本次试验中钢绞线布置在墙体的中心线处，试件中的耗能件BRB 设置在墙体的两侧。墙体高度为3380 mm，宽度为2000 mm，厚度为200 mm；墙体两侧设置暗柱，截面尺寸为300 mm × 200 mm；墙板顶部450 mm 范围内加强配筋作为加载梁；墙板底部基础梁尺寸为2800 mm ×600 mm × 600 mm。混凝土强度等级为C35，受力钢筋均选用HRB 400 级钢筋。自复位剪力墙尺寸及配筋见图2。

图2 自复位剪力墙尺寸及配筋 /mmFig. 2 Dimensions and reinforcement of self-centering shear wall

1.2 预应力钢绞线选用

本文选用4 根1×7 股直径为15.2 mm 的钢绞线作为自复位装置，采用后张法，钢绞线的极限强度标准值fptk为1860 N/mm2，初始预应力取0.45fptk(837 N/mm2)，初始预拉力值为480 kN。

1.3 BRB 的设计

本文采用三明治全钢型BRB，主要由核心板、约束板和填充板组成，其整体构造尺寸及实物图如图3 所示。核心板采用Q235 钢材，约束板和填充板采用Q345 钢材。本文核心板与约束板的间隙取1 mm，核心板表面填充无粘结材料丁基橡胶。为了保证BRB 能够良好工作，在混凝土里预埋了焊接锚筋的端板，BRB 通过螺栓与端板相连；为了易于更换BRB，在BRB 底端设置了连接转换板，如图4 所示。

图3 BRB 整体构造尺寸及实物图Fig. 3 Integral construction dimensions and object pictures of BRB

图4 BRB 连接示意图Fig. 4 Connection diagrammatic drawing of BRB

1.4 材料性能

墙体和接缝坐浆的立方体(150 mm × 150 mm ×150 mm)抗压强度平均值分别为32.6 MPa 和45.0 MPa，钢筋的力学性能分别见表1。

表1 钢筋力学性能Table 1 Mechanical properties of steel reinforcement bars

1.5 试验装置和加载制度

图5 为试验装置示意图，图5 中D 表示位移计。图6 为加载制度曲线。正式试验加载前先进行预加载，预加载值为估算开裂荷载的30%。正式加载采用力-位移混合加载制度，在达到屈服荷载前采用力控制，每级荷载循环一次；试件进入屈服阶段后采用位移控制，每级荷载循环三次。第一次试验结束后，更换BRB 进行第二次试验，其加载制度是在第一次试验加载制度基础上，增加75 mm 位移下的疲劳试验。

图5 试验装置示意图Fig. 5 Diagrammatic drawing of experimental unit

图6 加载制度Fig. 6 Loading system

2 试验现象及破坏形态

2.1 试验现象

表2 为试验破坏现象。相比与第一次试验，第二次试验墙体虽然裂缝宽度和抬升量有所增加，但并未出现新的裂缝，表明墙体的震后功能可恢复性良好。试验结束后，墙体的裂缝如图7 所示。图8 为BRB 变形图，BRB 发生了较大的变形和损伤，表明BRB 起到了耗能的作用。

表2 试验现象Table 2 Experimental phenomena

图7 墙体裂缝图Fig. 7 Wall crack diagram

图8 BRB 破坏情况Fig. 8 Damage of BRB

2.2 试验现象分析

1)自复位剪力墙由于预应力的存在，卸载后具有明显的自复位，底部接缝展开变小，裂缝基本闭合。

2)试件中自复位墙体发生绕墙体角部的摇摆，变形主要发生在墙体与基础的接缝位置，墙体未发生严重的破坏。

3)更换BRB 后，墙体自复位性能仍然良好，墙体也几乎没有出现新的裂缝，承载力基本不变，说明墙体在震后功能可恢复性良好。

3 试验结果及其分析

3.1 滞回曲线

两次试验的滞回曲线如图9 所示。滞回曲线呈弓形，滞回曲线较为饱满，表明该试件具有较好的耗能能力；两次试件滞回曲线相差不大，表明更换BRB 后，墙体的耗能能力并未下降。sw-1比sw-2 的滞回曲线更捏拢是因为第一次试验过后，墙体有一定的损伤(墙角的损伤与砂浆层的损伤)，这导致sw-1 比sw-2 的滞回曲线更捏拢，然而两曲线相差不大。

图9 试件滞回曲线Fig. 9 Hysteretic curves of specimens

3.2 荷载-位移骨架曲线

骨架曲线如图10 所示。图10 中可见，两次试验在位移大约12.5 mm 左右，骨架曲线出现转折点，之后，由于BRB 材料强化和弹性预应力钢筋的作用，试件承载力继续有所增加。两次骨架曲线基本保持一致，第二次试验反向位移下承载力稍小于第一次试验。

图10 骨架曲线Fig. 10 Skeleton curves

3.3 刚度退化曲线

本文用割线刚度Ki来反映试件在加载过程中的刚度退化情况，具体计算公式如下：

式中：Xi和-Xi分别为第i级循环加载下的正、反向峰值位移；+Fi和-Fi分别为第i级循环加载正、反向峰值位移下的荷载。

图11 为试件的刚度退化曲线。可以看出，两次试验试件的刚度随着位移的增加在不断减小。更换BRB 后，未对接缝处损伤的坐浆层和开裂的墙体进行修复，导致第二次试验初始割线刚度降低。加载位移25 mm 之后，两个试验的刚度曲线开始重合，说明更换BRB，墙体前期的损伤只影响了第二次试验前期墙体的刚度，对后面的没有太大的影响，两次试验的割线刚度基本保持一致。

图11 刚度退化曲线Fig. 11 Stiffness degeneration curves

3.4 预应力钢绞线受力

两次试验的钢绞线合力随位移的变化关系如图12 所示。随着位移的增大，钢绞线合力也逐渐增大，钢绞线应力未超过其抗拉强度设计值(1320 N/mm2)，说明钢绞线在试验过程中始终保持弹性。两次试验的曲线差异不大。

图12 预应力钢绞线合力Fig. 12 Composite force of prestressing steel strand

3.5 残余位移角

残余位移角为最大位移对应的卸载后的位移角，残余位移角见表3。

由表3 可以看出，随着加载位移的增加，自复位剪力墙的残余位移角也在不断增加。当加载到37.5 mm 时(位移角为1.18%)，第一次和第二次试验残余位移角为0.375%～0.542%；当加载到75.0 mm时(位移角为2.36%)，残余位移角约为1.4%，表明该自复位墙具有一定的自复位能力，但也存在一定的残余变形，在工程应用中可通过增加初始预应力设计值或预应力筋数量、优化预应力筋布置位置和减小BRB 面积等方法减小残余变形。两次试验的残余位移角基本一致，说明墙体在更换BRB 后，自复位墙体的功能可恢复性良好。