碳纤维增强复合材料筋混凝土框架结构动力性能试验研究*

张 石 张爱林 张艳霞 徐晓达 谢志强 徐新生

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院, 北京 100044; 2.中冶建筑研究总院有限公司研究院, 北京 100088; 3.济南大学土木建筑学院, 济南 250022; 4.北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室, 北京 102616)

0 引 言

钢筋锈蚀已成为混凝土结构中亟待解决的问题[1],世界各地每年因钢筋锈蚀造成严重的经济损失[2],有报告指出,2016年全球范围内由腐蚀问题造成的经济损失约占3%[3]。如图1所示,纤维增强复合材料(FRP)筋作为一种新型复合材料,具有抗拉强度高、质轻、耐腐蚀性好等优良特性[4-7],可以取代钢筋成为构件的主要受拉元件,显著增强结构耐久性。目前,结构工程中常用的FRP材料主要有碳纤维增强聚合物(CFRP)、玻璃纤维增强聚合物(GFRP)和芳纶纤维增强聚合物(AFRP)等。其中CFRP筋具有高强轻质、抗腐蚀、耐老化、物理性能稳定等优势,被广泛应用于隧道、桥梁、机场塔台、海工构筑物等工程设施中[8-10]。

近年来,有关FRP筋混凝土结构设计理论及工程应用方面的研究已成为我国土木工程界的研究热点。但分析发现,国内研究成果主要集中在FRP筋混凝土梁、柱构件受力性能,耐久性能,防火性能,感知性能等各种基本性能方面[11-14],有关FRP筋混凝土结构整体抗震性能方面的研究较少,制约了该结构的应用发展,形成了研究热,但工程应用实例增加缓慢的局面。

a—FRP筋; b—FRP筋在某轨道交通工程地下连续墙中的应用。图1 FRP筋及其工程应用示意Fig.1 Schematic diagrams of FRP bars and its engineering application

开展FRP筋混凝土结构的抗震性能方面的研究对保证其结构安全和工程应用极为重要,故国内外学者开展了一些关于FRP筋混凝土框架结构的抗震性能试验和理论研究。Fukuyama等采用拟静力试验方法,进行了水平低周反复荷载作用下AFRP筋三层两跨混凝土框架结构的抗震性能研究[15]。试验中得到的滞回曲线明显具有三个阶段(在水平位移角小于0.005,试件没有出现裂缝,处于弹性阶段;在梁端位移角为0.02,柱端位移角为0.03时,滞回曲线出现峰值;峰值过后,在3层梁端位移角为0.045时,梁端底部的AFRP筋被压碎),与构件压碎失效时相比,框架破坏时的侧向变形能力增大1倍以上,结构整体反映了较为明显的延性特征,证明了在有抗震设防要求的地区采用AFRP筋替换混凝土框架结构中钢筋的可行性。基于Fukuyama的研究成果,张洪达通过有限元模型分析了CFRP筋、GFRP筋、AFRP筋混凝土框架结构的承载力,结果表明采用弹性模量和抗拉强度更高的CFRP筋制作的混凝土框架承载力最高[16]。Sharbatdar等制作了不同配筋率的三个“T”形节点试件,梁柱纵横筋均采用CFRP筋,网格状配置,并对试件进行了循环荷载作用下的节点抗震性能试验[17],结果表明:在反复加载下构件的节点位移比可以超过3%,满足结构抗震的变形要求。由此可见,通过合理设计,FRP筋混凝土结构完全具备良好的抗震性能。

综上所述,采用FRP筋替换混凝土框架结构中钢筋是切实可行的。目前,研究者们主要采用拟静力试验方法分析FRP筋混凝土框架抗震性能,试件设计多为梁柱节点模型或单榀框架模型,但结构的整体动力性能研究较少,尚不明晰。地震模拟振动台试验方法可以较为真实地再现地震过程,是目前应用最广、准确度最高的探究结构抗震性能和破坏机理的试验方法。

有鉴于此,为了深入探究CFRP筋混凝土框架结构的抗震性能,设计加工缩尺比为1∶4的3层CFRP筋混凝土框架结构模型,开展振动台试验,模拟结构模型在遭受不同地震作用时的动力特性,通过结构在各级地震作用下的加速度、位移、内力等动力响应,分析结构整体抗震性能。

1 试验概况

1.1 试验模型

本试验原型结构为一个三层两跨的CFRP筋混凝土框架结构,该结构所在地区为7度抗震设防烈度,Ⅱ类场地类别,设计基本地震加速度为0.1g,设计地震分组为第一组。该结构首层层高3.75 m,二、三层层高3 m,建筑总高9.75 m。模型结构的混凝土采用细石混凝土,实测混凝土轴心抗压强度为17.2 MPa,弹性模量为15.6×103MPa,梁、柱受力筋采用CFRP筋,其拉伸试验依据GB/T 26743—2011《结构工程用纤维增强复合材料筋》进行,实测力学性能指标见表1。

表1 CFRP筋的力学性能指标Table 1 Mechanical properties of CFRP bars

考虑原型结构尺寸、振动台台面尺寸等因素,确定试验结构为原型结构的1∶4缩尺模型,经相似性分析及材料试验修正,确定了动力相似系数(表2)、缩尺模型和试验原型的概况(表3)[18]。

表2 试验相似系数Table 2 Similarity coefficients of the test

值得注意的是,考虑现场浇筑施工的难易程度,结构模型的实际板厚为50 mm,大于按照试验缩尺比计算的30 mm。此外,为满足模型结构与原型结构的质量相似关系,需对模型结构增加配重,计算得配重后模型总质量为9.2 t。图2a是模型结构的梁柱配筋图,图2b是模型结构的板配筋图。由于CFRP筋与混凝土之间的握裹力与钢筋相比稍弱,试验采用CFRP粘贴胶将柱筋底端嵌套于300 mm长的钢管内并埋于底座中,此外,将梁纵筋端外伸120 mm,柱纵筋顶端外伸350 mm,以避免试验加载过程中发生CFRP筋滑移破坏,制作完成的模型结构如图3所示。

1.2 振动台试验方案

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[19]的要求,按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线,其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3。选用3条实际地震波和1条人工波,分别为Taft波(TA)、El-Centro波(EL)、汶川波(WC)、兰州人工波(LZH),其中模型结构对Taft波的地震反应最小,其次是El-Centro波,兰州人工波次之,对汶川波的反应最大。为了避免前一次地震波输入对模型造成的损伤影响后续地震激励输入引起的结构响应,地震波的输入顺序依次为Taft波、El-Centro波、兰州人工波、汶川波。在开展振动台试验过程中,按时间相似系数缩短相应的持时,根据加载工况的区别,调整地震动峰值加速度。在输入上述地震波前,对模型结构进行白噪声扫频,获得其自振周期和阻尼等特性,所采用的白噪声覆盖范围为0.2～50 Hz,最大峰值加速度50 cm/s2,持时60 s。4条波的加速度峰值从0.069g(7度多遇地震作用)递增到0.788g(8度罕遇地震作用),振动方向有单向、双向和三向,共37个工况,如表4所示。

表3 结构原型与试验模型概况Table 3 Overview of structural prototype and test model

a—模型梁柱配筋; b—模型板配筋。h为楼板厚度。图2 试验模型构造 mmFig.2 Configuration of the test model

a—试验模型吊装就位; b—试验模型配重。图3 振动台模型实物Fig.3 Entity model on the shaking table

表4 试验工况Table 4 Test conditions

在地震激励中,数字代表进程;字母代表地震波的种类,例如TA代表Taft波;X、Y、Z代表方向。加速度峰值中各向峰值比例为X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65。

1.3 测点布置

根据测试需求,本试验共布置了32个加速度传感器,刚性底座及模型结构各层分别布置了8个,其中,2个布置于Z向,X和Y向各布置3个,加速度传感器测点布置如图4所示。

图4 加速度传感器布置 mmFig.4 Distribution of acceleration sensors

2 试验现象

1)进程1(7度多遇地震加速度0.069g):该过程中CFRP筋混凝土框架模型结构所受地震波的加速度峰值较小,结构振动相对较弱,仅在一层柱顶薄弱部位出现了细微的裂缝。说明该结构总体上仍处于弹性工作阶段。一层柱之所以先于梁端出现裂缝,主要原因为:1)与二、三层相比,底层层高最大,相同柱截面条件下,一层柱下所受剪力、弯矩亦较大,易产生开裂;2)模型结构制作过程中,按缩尺比楼板厚度应为30 mm,实际浇筑了50 mm,增加了梁的刚度,造成柱端先于梁端开裂。

2)进程2(7度设防地震加速度0.197g):在三向地震波输入后,原有裂缝继续发展,此外,一、二层柱、梁端及节点位置不断出现新的裂缝,且部分裂缝甚至贯穿整个构件截面,少量柱子的底端混凝土发生脱落,表明结构受到了一定的损伤,梁、柱构件有效惯性矩随着裂缝的开展变小,结构整体刚度逐渐降低,侧向变形开始变大。

3)进程3(7度罕遇地震加速度0.433g):在地震波作用下,模型结构在原有裂缝的基础上继续发展,柱顶、柱底及梁柱节点等位置出现多条贯通截面裂缝,与梁端相比,观察发现柱端的裂缝数量明显较多,结构整体刚度明显降低,柱端开始出现混凝土压碎脱落现象,结构损伤加剧,侧向变形明显增大,但主要受力筋应力应变状态仍处于弹性变形状态,卸载后变形仍可恢复,侧向变位基本归零。

4)进程4(8度罕遇地震加速度0.788g):在X向0.788g波激励作用下,结构模型发生剧烈振动,发出明显的爆裂声,同时可以听到混凝土被压碎的声音,部分混凝土碎块掉落。在XY双向地震波输入后,裂缝持续发展,混凝土剥落现象更为严重,1层3×C柱顶出现漏筋,同时可以观察到部分纤维筋断裂,如图5所示。该阶段破坏形态类属于超筋破坏,CFRP筋应力尚未达到极限状态,混凝土已被压碎,结构破坏,但尚未垮塌。之所以出现纤维筋断裂现象,检查后发现是由于结构模型制作过程中,破坏节点处混凝土振捣不密实,造成局部蜂窝,部分纤维筋受剪断裂。

a—一层柱底混凝土脱落; b—一层节点漏筋; c—一层柱脚破坏; d—一层节点破坏。图5 模型在加速度峰值为0.788g下裂缝破坏情况Fig.5 The crack failure of the model under the peak acceleration of 0.788g

5)需要说明的是,试验进程中观察到,各层梁端裂缝的数量和宽度均小于柱端裂缝。这主要源于,模型结构的实际板厚大于缩尺计算值,考虑板对梁的翼缘作用,梁的实际刚度会相应提高,继而妨碍了“强柱弱梁”的建立。此外,由于CFRP筋的弹性模量为140 GPa,远低于钢筋,其受力后变形大于普通钢筋,容易使构件产生较大变形和裂缝,使得结构模型的抗震性能与普通钢筋混凝土框架结构有较大差异。

3 试验结果分析

3.1 模型结构动力特性

如前所述,可通过输入白噪声对模型结构进行扫描,获得结构模型的自振周期和自振频率值,继而可以通过结构自振周期在经历地震波激励前后的变化评估结构的损伤情况。若震后结构自振周期增加,表明结构刚度退化,结构发生了损伤,可通过自振周期变化率的大小评估其损伤的程度。

鉴于模型反馈可能使输入波信号发生畸变,所以可以模拟各测点的白噪声反应信号(输入)对台面白噪声信号(输出)做传递函数:

(1)

式中:S1(w) 为输入信号;S2(w)为输出信号的功率谱。

可采用傅里叶变换,如式(2)所示,计算功率谱。

(2)

式中:f(t)为加速度函数;w为频率;t为时间。

利用传递函数获得模型加速度响应的幅频特征图,取峰值点对应的频率即为模型的自振频率,进而可得到自振周期,据此可以绘制模型的自振周期变化曲线,如图6所示。

从图6可以看出:由进程1到进程4,CFRP筋混凝土框架结构模型的自振周期不断变大;在7度设防地震作用前,X向自振周期增幅仅6%,Y向9%,刚度退化并不明显;在8度罕遇地震作用后,与震前(0-WN)相比,X向增大54%,Y向增大60%,表明随着地震激励作用的增强,结构刚度产生较为明显的退化,结构模型出现一定程度的损伤。

图6 模型自振周期变化示意Fig.6 Variation of natural vibration period of the model

3.2 加速度响应

不同水准地震下模型结构各层的加速度峰值和加速度放大系数可由试验获得,图7为结构模型X方向的加速度峰值,图8为结构模型X方向的加速度放大系数包络图。由图7、8可知: 1)不同工况下模型的加速度峰值及加速度放大系数总体上随楼层的增高呈增大趋势,最大值出现在顶层,表明由进程1到进程4,尽管刚度不断下降,但结构仍具备向上传递地震反应的刚度储备; 2)输入地震波的频谱特性和结构自振特性均影响着加速度放大系数,4种地震波的频率成分各不相同,故对结构模型的作用效应不同,其中WC波的影响最大,TA波的影响最小;3)随着地震作用的增强,结构模型各层的加速度放大系数总体上呈现不断降低趋势,这主要源于结构模型整体刚度的不断退化和损伤的持续累计;4)在前两个进程中,结构模型的损伤相对较小,模型加速度放大系数随楼层的增高显著增大。而在后两个进程中,混凝土开裂严重,结构刚度退化进一步加剧,模型加速度放大系数呈逐渐变小趋势。但由于CFRP筋仍处于弹性变形状态,结构模型并未出现明显的残余变形,随楼层增高,模型加速度放大系数变化幅度变小,作用停止后,模型结构仍可恢复原始状态,这种现象与钢筋混凝土结构存在明显差异。

a—TA波; b—EL波; c—LZH波; d—WC波。0.069g; 0.197g; 0.433g; 0.788g。图7 模型在不同水准地震作用下各层加速度峰值Fig.7 Peak acceleration of each layer of the model under different earthquakes

a—TA波; b—EL波; c—LZH波; d—WC波。0.069g; 0.197g; 0.433g; 0.788g。图8 不同水准地震作用下模型各层加速度放大系数包络图Fig.8 Envelope diagrams of acceleration amplification coefficients of each layer of the model under different earthquakes

3.3 侧向位移

试验已获得各工况下不同测点的加速度数据,将其进行二次积分即可得到相应的位移时程。根据不同工况的位移数据,可以得到结构模型在不同地震波作用下的最大相对位移值。X向地震波作用下不同加速度峰值的楼层位移对比如图9所示。由图9可知,在弹性工作阶段,随着楼层增高,模型结构各层的位移变化曲线近似于线性增加。在相同地震波激励下,随着加速度峰值的提高,模型结构各层的相对位移响应逐渐增大,并趋于非线性“剪切型”曲线,反映了结构抗侧刚度逐渐减小。此外,在加速度峰值相同、地震波类型不同的情况下,模型结构的位移反应存在明显差别。在WC波的作用下,模型结构的楼层位移反应最大,LZH波和EL波相继次之,TA波的激励反应最弱,模型结构的位移最小。表明不仅输入地震波的加速度峰值影响着结构模型的最大位移反应,地震波的频谱特性亦起着关键的作用。因此,在试验设计中,同一加速度峰值下,地震波的输入顺序应按照TA波、EL波、LZH波、WC波进行排列,以避免结构模型因前次地震作用过强导致较为严重的损伤,影响后续试验的结果。

a—0.069g; b—0.197g; c—0.433g; d—0.788g。TA; EL; LZH;WC。图9 不同地震波下结构模型的相对位移最大值Fig.9 Maximum relative displacements of the model structure under different types and levels of seismic waves

4 基于层间位移角的抗震性能评价

根据模型结构各楼层的位移数据,可以获得各楼层的最大层间位移角。针对CFRP筋混凝土框架结构的层间位移角限值,目前尚未有研究给出较为明确的建议,故在评价CFRP筋混凝土框架结构的抗震性能时,暂将不同地震波作用下结构模型的层间位移角值与GB 50011—2010给定的钢筋混凝土框架结构层间位移角限值(表5)进行对比,并其绘制于图10。

表5 GB 50011—2010中钢筋混凝土地框架结构性能水准和变形限值Table 5 Performance standards and deformation limits of reinforced concrete frame structures in GB 50011—2010

由图10可以发现,结构首层的层间位移角值一般最大,说明在地震波作用下,结构首层为薄弱层,变形较为显著,最易发生损坏;此外,在4种类型的地震波作用中,WC波引起的结构层间位移角最大,引起的破坏也较为严重,进一步表明,地震波的频谱特性影响着结构的地震反应。此外,在加载的4条不同地震波激励下,模型结构的层间位移角呈现了一定的离散性。故可采用层间位移角均值作为标准参数,以更好地综合评价结构整体的抗震性能。将结构模型的试验结果与表5规定的抗震性能水准进行了对比分析,并汇总于表6。

a—0.069g; b—0.197g; c—0.433g; d—0.788g。TA; EL; LZH; WC; 1/550; 1.8×1/550; 3.5×1/550; 0.9×1/50; 1/50。图10 结构层间位移角包络线Fig.10 Envelope lines of inter-story displacement angles of the structure

表6 结构抗震性能水准Table 6 Seismic performance of the structure

由表6分析发现,在加速度峰值为0.788g的罕遇地震作用下,模型结构虽然未发生倒塌,结构已达到严重破坏。此时,模型结构最大层间位移角值为0.017 4,未达到GB 50010—2010规定的1/50层间位移角限值。因此,CFRP筋混凝土框架结构的层间位移角限值按照钢筋混凝土框架结构的限值取值会偏于不安全,故应通过试验研究及理论分析,确定安全合理的CFRP筋框架结构层间位移角限值,以保障结构安全。

5 结束语

1)随着地震激励作用的增强,CFRP筋混凝土框架模型结构的自振周期不断变大,表明结构整体刚度不断降低,逐渐出现不同程度的损伤。但结构模型总体具备良好的抗震性能,可以满足抗震设防的“三水准”要求。

2)在地震作用下,由于首层层高较高,首层柱的抗侧刚度小于二、三层框架柱,更易发生较大的结构变形,成为结构的薄弱层。故在CFRP筋混凝土框架结构的设计过程中,结构各层刚度是重要的参考因素,可以通过增大柱截面的方式对结构薄弱层采取有效的抗震加强措施。

3)在同一加速度峰值激励下,施加的4种地震波中WC波作用下模型结构的楼层位移最大,LZH波和EL波相继次之,TA波的激励反应最弱,结构模型的位移最小。表明不仅输入地震波的加速度峰值影响着结构模型的最大位移反应,地震波的频谱特性亦起着关键的作用。在试验设计中,同一加速度峰值下,地震波的输入顺序应按照引起位移从小到大的情况进行排列,以避免结构模型因前次地震作用过强导致较为严重的损伤,影响后续试验工况的顺利进行。

4)在经历加速度峰值为0.788g的罕遇地震作用后,结构模型破坏较为严重,但尚未发生倒塌现象,最大层间位移角值为1/60,CFRP筋混凝土框架结构的层间位移角限值按照1/50取值偏于不安全。故应通过试验研究及理论分析,确定安全合理的CFRP筋框架结构层间位移角限值,为结构设计及工程实践提供科学的参考依据。