蔣 慶，王韶穎，馮玉龍，種 迅，朱 毅，周亞婷

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009；2. 合肥工業(yè)大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230009)

工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)逐漸從“小震不壞，中震可修，大震不倒”，向震后快速恢復(fù)結(jié)構(gòu)功能方面發(fā)展[1]。因此，提出可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)，降低結(jié)構(gòu)震后修復(fù)難度，提高結(jié)構(gòu)抗震韌性，近年來得到廣泛關(guān)注[2]?？苫謴?fù)功能結(jié)構(gòu)主要通過可更換構(gòu)件、自復(fù)位結(jié)構(gòu)和搖擺體系等形式實(shí)現(xiàn)[3]。

1963 年Housner[4]發(fā)表了關(guān)于“倒搖擺結(jié)構(gòu)”在地震作用下行為的研究，被認(rèn)為是研究搖擺墻的開端。在搖擺墻內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，形成自復(fù)位剪力墻，震后在預(yù)應(yīng)力的作用下墻體可以恢復(fù)到原有的位置，具有殘余變形小的優(yōu)點(diǎn)。汪夢(mèng)甫等[5]提出內(nèi)藏鋼板支撐預(yù)應(yīng)力自復(fù)位剪力墻，試驗(yàn)結(jié)果表明在位移角2%時(shí)，最大殘余位移角為0.42%，結(jié)果說明配置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋能夠減小試件的殘余變形。黨像梁等[6]研究了底部開水平縫預(yù)應(yīng)力自復(fù)位剪力墻，指出其能在不降低剪力墻承載力和剛度的前提下極大減小墻體的殘余變形，且能將非線性變形集中在墻體和基礎(chǔ)連接開縫處，使墻體的裂縫數(shù)量和發(fā)展都極大程度的減少。Perez等[7]對(duì)五片多層無粘結(jié)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究，所有試件都表現(xiàn)出極好的自復(fù)位能力，最大的殘余位移角0.1%。徐龍河等[8]提出一種底部鉸支自復(fù)位鋼筋混凝土剪力墻，墻體損傷和殘余位移都得到了降低。

基于耗能減震的思想，通常在自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能元件。Restrepo 等[9]對(duì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土剪力墻進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，指出含有耗能件的試件在提供良好的自復(fù)位能力的同時(shí)，也具有較好的耗能能力。Marriott 等[10]提出外置自復(fù)位剪力墻的耗能裝置以便震后更換，其振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明加裝阻尼器能夠提高自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)的耗能能力，且剪力墻具有自復(fù)位能力。謝劍等[11]采用內(nèi)置的耗能鋼筋作為自復(fù)位墻的耗能元件，試驗(yàn)結(jié)果表明內(nèi)置耗能件的可更換性有待進(jìn)一步提升。

屈曲約束支撐(BRB)是由核心鋼板和約束部件組成的支撐構(gòu)件，具有良好的延性和耗能能力，且具有可以更換的優(yōu)點(diǎn)，目前作為可更換的耗能支撐，已被廣泛地應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)中[12-13]。

為了提高剪力墻自復(fù)位能力和耗能能力，且實(shí)現(xiàn)耗能構(gòu)件在震后可更換，使墻體具有震后功能可恢復(fù)性，本文提出底部帶有BRB 的自復(fù)位剪力墻，其組成部分與抗側(cè)機(jī)制如圖1 所示。為了研究該剪力墻的抗震和韌性性能，本文設(shè)計(jì)制作1 片自復(fù)位剪力墻和2 組BRB 構(gòu)件，進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)和更換試驗(yàn)研究，分析了其破壞特征、滯回性能、自復(fù)位性能和可恢復(fù)性能等。

圖1 自復(fù)位剪力墻抗側(cè)機(jī)制Fig. 1 Lateral resistance mechanism of self-centering shear wall

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為結(jié)構(gòu)提供自復(fù)位能力，預(yù)應(yīng)力鋼絞線在地震作用下保持在彈性階段，鋼絞線宜布置在剪力墻中線處，或者對(duì)稱的布置在距剪力墻中線0.1 墻寬范圍內(nèi)[14]。本次試驗(yàn)中鋼絞線布置在墻體的中心線處，試件中的耗能件BRB 設(shè)置在墻體的兩側(cè)。墻體高度為3380 mm，寬度為2000 mm，厚度為200 mm；墻體兩側(cè)設(shè)置暗柱，截面尺寸為300 mm × 200 mm；墻板頂部450 mm 范圍內(nèi)加強(qiáng)配筋作為加載梁；墻板底部基礎(chǔ)梁尺寸為2800 mm ×600 mm × 600 mm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，受力鋼筋均選用HRB 400 級(jí)鋼筋。自復(fù)位剪力墻尺寸及配筋見圖2。

圖2 自復(fù)位剪力墻尺寸及配筋 /mmFig. 2 Dimensions and reinforcement of self-centering shear wall

1.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線選用

本文選用4 根1×7 股直徑為15.2 mm 的鋼絞線作為自復(fù)位裝置，采用后張法，鋼絞線的極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk為1860 N/mm2，初始預(yù)應(yīng)力取0.45fptk(837 N/mm2)，初始預(yù)拉力值為480 kN。

1.3 BRB 的設(shè)計(jì)

本文采用三明治全鋼型BRB，主要由核心板、約束板和填充板組成，其整體構(gòu)造尺寸及實(shí)物圖如圖3 所示。核心板采用Q235 鋼材，約束板和填充板采用Q345 鋼材。本文核心板與約束板的間隙取1 mm，核心板表面填充無粘結(jié)材料丁基橡膠。為了保證BRB 能夠良好工作，在混凝土里預(yù)埋了焊接錨筋的端板，BRB 通過螺栓與端板相連；為了易于更換BRB，在BRB 底端設(shè)置了連接轉(zhuǎn)換板，如圖4 所示。

圖3 BRB 整體構(gòu)造尺寸及實(shí)物圖Fig. 3 Integral construction dimensions and object pictures of BRB

圖4 BRB 連接示意圖Fig. 4 Connection diagrammatic drawing of BRB

1.4 材料性能

墻體和接縫坐漿的立方體(150 mm × 150 mm ×150 mm)抗壓強(qiáng)度平均值分別為32.6 MPa 和45.0 MPa，鋼筋的力學(xué)性能分別見表1。

表1 鋼筋力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of steel reinforcement bars

1.5 試驗(yàn)裝置和加載制度

圖5 為試驗(yàn)裝置示意圖，圖5 中D 表示位移計(jì)。圖6 為加載制度曲線。正式試驗(yàn)加載前先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載值為估算開裂荷載的30%。正式加載采用力-位移混合加載制度，在達(dá)到屈服荷載前采用力控制，每級(jí)荷載循環(huán)一次；試件進(jìn)入屈服階段后采用位移控制，每級(jí)荷載循環(huán)三次。第一次試驗(yàn)結(jié)束后，更換BRB 進(jìn)行第二次試驗(yàn)，其加載制度是在第一次試驗(yàn)加載制度基礎(chǔ)上，增加75 mm 位移下的疲勞試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 5 Diagrammatic drawing of experimental unit

圖6 加載制度Fig. 6 Loading system

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

表2 為試驗(yàn)破壞現(xiàn)象。相比與第一次試驗(yàn)，第二次試驗(yàn)墻體雖然裂縫寬度和抬升量有所增加，但并未出現(xiàn)新的裂縫，表明墻體的震后功能可恢復(fù)性良好。試驗(yàn)結(jié)束后，墻體的裂縫如圖7 所示。圖8 為BRB 變形圖，BRB 發(fā)生了較大的變形和損傷，表明BRB 起到了耗能的作用。

表2 試驗(yàn)現(xiàn)象Table 2 Experimental phenomena

圖7 墻體裂縫圖Fig. 7 Wall crack diagram

圖8 BRB 破壞情況Fig. 8 Damage of BRB

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

1)自復(fù)位剪力墻由于預(yù)應(yīng)力的存在，卸載后具有明顯的自復(fù)位，底部接縫展開變小，裂縫基本閉合。

2)試件中自復(fù)位墻體發(fā)生繞墻體角部的搖擺，變形主要發(fā)生在墻體與基礎(chǔ)的接縫位置，墻體未發(fā)生嚴(yán)重的破壞。

3)更換BRB 后，墻體自復(fù)位性能仍然良好，墻體也幾乎沒有出現(xiàn)新的裂縫，承載力基本不變，說明墻體在震后功能可恢復(fù)性良好。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 滯回曲線

兩次試驗(yàn)的滯回曲線如圖9 所示。滯回曲線呈弓形，滯回曲線較為飽滿，表明該試件具有較好的耗能能力；兩次試件滯回曲線相差不大，表明更換BRB 后，墻體的耗能能力并未下降。sw-1比sw-2 的滯回曲線更捏攏是因?yàn)榈谝淮卧囼?yàn)過后，墻體有一定的損傷(墻角的損傷與砂漿層的損傷)，這導(dǎo)致sw-1 比sw-2 的滯回曲線更捏攏，然而兩曲線相差不大。

圖9 試件滯回曲線Fig. 9 Hysteretic curves of specimens

3.2 荷載-位移骨架曲線

骨架曲線如圖10 所示。圖10 中可見，兩次試驗(yàn)在位移大約12.5 mm 左右，骨架曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，之后，由于BRB 材料強(qiáng)化和彈性預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，試件承載力繼續(xù)有所增加。兩次骨架曲線基本保持一致，第二次試驗(yàn)反向位移下承載力稍小于第一次試驗(yàn)。

圖10 骨架曲線Fig. 10 Skeleton curves

3.3 剛度退化曲線

本文用割線剛度Ki來反映試件在加載過程中的剛度退化情況，具體計(jì)算公式如下：

式中：Xi和-Xi分別為第i級(jí)循環(huán)加載下的正、反向峰值位移；+Fi和-Fi分別為第i級(jí)循環(huán)加載正、反向峰值位移下的荷載。

圖11 為試件的剛度退化曲線?？梢钥闯?，兩次試驗(yàn)試件的剛度隨著位移的增加在不斷減小。更換BRB 后，未對(duì)接縫處損傷的坐漿層和開裂的墻體進(jìn)行修復(fù)，導(dǎo)致第二次試驗(yàn)初始割線剛度降低。加載位移25 mm 之后，兩個(gè)試驗(yàn)的剛度曲線開始重合，說明更換BRB，墻體前期的損傷只影響了第二次試驗(yàn)前期墻體的剛度，對(duì)后面的沒有太大的影響，兩次試驗(yàn)的割線剛度基本保持一致。

圖11 剛度退化曲線Fig. 11 Stiffness degeneration curves

3.4 預(yù)應(yīng)力鋼絞線受力

兩次試驗(yàn)的鋼絞線合力隨位移的變化關(guān)系如圖12 所示。隨著位移的增大，鋼絞線合力也逐漸增大，鋼絞線應(yīng)力未超過其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(1320 N/mm2)，說明鋼絞線在試驗(yàn)過程中始終保持彈性。兩次試驗(yàn)的曲線差異不大。

圖12 預(yù)應(yīng)力鋼絞線合力Fig. 12 Composite force of prestressing steel strand

3.5 殘余位移角

殘余位移角為最大位移對(duì)應(yīng)的卸載后的位移角，殘余位移角見表3。

由表3 可以看出，隨著加載位移的增加，自復(fù)位剪力墻的殘余位移角也在不斷增加。當(dāng)加載到37.5 mm 時(shí)(位移角為1.18%)，第一次和第二次試驗(yàn)殘余位移角為0.375%～0.542%；當(dāng)加載到75.0 mm時(shí)(位移角為2.36%)，殘余位移角約為1.4%，表明該自復(fù)位墻具有一定的自復(fù)位能力，但也存在一定的殘余變形，在工程應(yīng)用中可通過增加初始預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值或預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量、優(yōu)化預(yù)應(yīng)力筋布置位置和減小BRB 面積等方法減小殘余變形。兩次試驗(yàn)的殘余位移角基本一致，說明墻體在更換BRB 后，自復(fù)位墻體的功能可恢復(fù)性良好。

表3 殘余位移角Table 3 Residual drift ratios

3.6 耗能能力

圖13 是位移和能量耗散系數(shù)E[16]的關(guān)系圖。兩次試驗(yàn)曲線整體都呈上升趨勢(shì)，且最大位移下E約為3.0，說明BRB 發(fā)揮了較好的耗能能力。兩次試驗(yàn)對(duì)比，耗能曲線基本吻合，說明墻體震后功能可恢復(fù)性良好。

圖13 構(gòu)件耗能圖Fig. 13 Energy dissipation diagram of specimens

4 結(jié)論

通過對(duì)自復(fù)位剪力墻進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)和更換試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)墻體有少量裂縫，墻體基本保持完好，BRB 變形較大，鋼絞線未屈服，試驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的自復(fù)位墻達(dá)到了BRB 為主要損傷耗能構(gòu)件，墻體和鋼絞線保持彈性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(2)試驗(yàn)滯回曲線較為飽滿，耗能系數(shù)最大值約為3.0，表明該自復(fù)位墻耗能能力較高。

(3)當(dāng)位移角為1.18%時(shí)，第一次和第二次試驗(yàn)殘余位移角為0.375%～0.542%；當(dāng)位移角為2.36%時(shí)，殘余位移角約為1.5%，表明該自復(fù)位墻具有一定的自復(fù)位能力，也存在一定的殘余變形。

(4)兩次試驗(yàn)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)BRB 更換后，自復(fù)位墻的墻體損傷、耗能能力和自復(fù)位能力基本保持一致，表明該自復(fù)位墻具有較好的功能可恢復(fù)性。