HPFL加固震損短肢剪力墻抗震性能試驗研究

李 鶴，蔣隆敏，談俊宇，雄楚悅

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

HPFL加固震損短肢剪力墻抗震性能試驗研究

李 鶴，蔣隆敏，談俊宇，雄楚悅

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

通過對1片未加固和3片加固的1:2縮尺比例的L形開洞RC短肢剪力墻模型進行低周反復荷載試驗，研究不同受力階段HPFL加固開洞短肢剪力墻的抗震性能。研究結果表明：HPFL加固法能夠有效提高短肢剪力墻的承載力、延性性能和耗能能力。不加軸力的一次受力加固短肢剪力墻，其抗震承載力與延性均有大幅度改善；對于有震損的不卸軸力二次受力加固短肢剪力墻，其加固效果隨其震損程度的增大而降低；同時，通過HPFL對試件進行加固可以有效改善試件的抗裂性能。

HPFL加固法；受力階段；短肢剪力墻；抗震性能

0 引言

短肢剪力墻是由框架結構和剪力墻發展而來的新的結構體系，具有承載力高、結構布置靈活、建筑空間大等優點，在現代建筑中逐漸被推廣和應用。為滿足建筑的正常使用功能，常常在短肢剪力墻上開設不同的孔洞。在開洞過程中，剪力墻結構發生損傷，結構應力會重新分布，使其承載性能發生變化。

目前，關于短肢剪力墻的加固方法主要還是一些傳統措施，而關于高性能水泥復合砂漿鋼筋網薄層（high performance ferrocement laminate，HPFL）加固短肢剪力墻的研究還處于起步階段。對HPFL加固短肢剪力墻抗震性能的研究，可為工程實踐提供參考，具有較強的現實意義。國內外對HPFL的加固研究主要集中于梁柱等構件，并取得了一些成果。P.Deasayi等[1]對普通水泥砂漿鋼絲網薄層加固的梁進行了受力性能研究，結果表明，對于均勻分布的鋼絲網加固試件，試件的延性與水泥砂漿的強度呈正相關。E.H.Fahmy等[2]將混凝土柱加載至極限荷載的67%, 85%, 100%后卸載，并用鋼絲網砂漿進行加固處理，結果表明，通過加固能夠明顯提高試件的極限承載力，其延性和耗能能力也有較大提高。B.Kondraivendhan等[3]對混凝土抗壓柱用鋼絲網砂漿進行加固，結果表明，鋼絲網砂漿能夠對混凝土外部形成約束，從而使混凝土柱的抗壓強度得到提高。尚守平等[4]采用HPFL對6根約束梁和3根未加固的對比梁進行試驗研究，結果表明，利用HPFL加固法進行加固，梁的抗剪承載力得到顯著提高，同時加固措施對斜裂縫的發展具有良好的約束作用；并在試驗研究的基礎上，提出了加固梁的抗剪承載力公式，且試驗結果與理論計算結果吻合良好。蔣隆敏等[5]對4根二次受力偏壓柱進行了HPFL加固試驗，結果表明，二次受力加固柱比一次受力加固柱延性提升幅度更大；二次受力加固柱的高性能砂漿對柱的約束更好，開裂時間更晚。黃忠邦[6]對用水泥砂漿及鋼筋網水泥砂漿面層加固的磚砌體進行試驗研究，在水平荷載下，分析其破壞機理，測得相應應變，計算其相應應力，研究結果表明，采用鋼筋網水泥砂漿面層加固磚砌體其抗剪性能比采用水泥砂漿加固提高更多。尚守平等[7]對HPFL加固的空斗墻進行水平低周反復荷載作用下的抗震性能研究，結果表明，HPFL加固后的墻體抗裂性能、抗側移剛度和極限荷載均得到了提升。

HPFL加固法應用于梁、板、柱等結構的研究已經取得了較多成果[8～10]，但在混凝土剪力墻方面的應用研究還較少。本文從理論和試驗兩個方面對HPFL加固的短肢剪力墻的承載性能和延性進行研究，并對不同受力階段短肢剪力墻的加固效果進行對比，以期能為工程實踐提供參考。

1 正截面承載力理論計算

1.1 基本假定

1）原試件與加固部分變形協調一致且符合小變形和平截面假定。

2）試件達到極限承載力前，加固層與原有混凝土之間不發生剝離破壞，忽略剪切變形影響。

1.2 承載力理論計算

翼緣縱筋合力點存在兩種情況，分別為位于翼緣內和腹板內，合力點位置不同則計算方法也存在差異，具體如圖1所示。

根據基本假定和GB50010—2010《混凝土設計規范》[11]，可得如下公式。

當中和軸位于短肢剪力墻翼緣內（x

式中：N為剪力墻試件所受的軸力；

fy,分別為原構件腹板端部縱向鋼筋抗拉和抗壓強度；

As,分別為原構件腹板端部縱向抗拉和抗壓鋼筋面積；

fyw，Asw分別為原構件豎向分布鋼筋抗拉強度和總面積；

h0為剪力墻截面有效高度；

x為剪力墻受壓區高度；

fc為原構件混凝土軸心抗壓強度設計值；

bf為剪力墻受壓區翼緣寬度；

hc為墻肢剪力墻截面形心到腹板邊緣距離；

h為剪力墻的橫截面長度；

M為剪力墻附加彎矩。

當中和軸位于短肢剪力墻腹板內（x>hf）時，如圖1b所示，根據力系平衡和力矩平衡得

式中：e0為軸向力對截面重心的偏心距，e0=M/N；

hf為剪力墻受壓區翼緣高度。

根據上述兩種情況下短肢剪力墻的承載力和彎矩的理論計算公式，結合具體工程情況可求得承載力理論值。

2 模型試驗研究

2.1 試驗模型

本試驗主要采用HPFL加固法對不同受損程度的開洞短肢剪力墻進行加固，并對其抗震承載性能進行研究。試驗所使用的試件是4個1:2縮尺比例的L形開洞短肢剪力墻，均采用細石混凝土澆筑。在試件腹板上部開設圓形洞口，試件高度為1400mm，箍筋及縱向鋼筋采用4。其中，一次受力加固為未施加荷載條件下進行加固，用于模擬可以進行完全卸載加固的情形；二次受力加固為豎向荷載先加載到軸壓比所對應的荷載值再進行加固，用于模擬實際工程中不能卸除或不能完全卸除豎向荷載所進行的抗震加固情形；有震損加固為原試件在恒定軸壓比所對應的豎向荷載條件下，施加低周反復荷載作用使鋼筋屈服再進行加固，用于模擬已有地震損傷仍可以進行加固修復，不卸載條件下進行加固的情形，模型參數見表1。

為防止墻端局部破壞，在剪力墻試件頂部設計一個700 mm×300 mm×200 mm的矩形加載梁，同時沿試件底部設計基礎梁，模擬梁板約束，并在基礎梁兩端預留孔洞，便于安裝與錨固。試件模型和應變片布置如圖2所示。

2.2 試驗加載裝置及加載過程

采用規格為50 t的螺旋千斤頂進行豎向加載。試件中心與千斤頂中心嚴格對中，加載至規定軸向力（即由軸壓比為0.2所確定的豎向荷載值280 kN）后停止加載，并保持恒定。水平方向荷載采用20 t液壓伺服作動器施加，加載制度為水平低周期反復荷載，具體加載裝置如圖3所示。

在對試件施加水平荷載前，為較好地模擬實際地震時構件承受上層建筑自重的情況，先對試件施加豎向荷載，豎向荷載采用分級加載，每級荷載為試驗加載值的1/3，當荷載值達到280 kN時即停止加載，并維持不變。水平荷載采用低周期反復荷載加載機制，初始階段采用荷載控制，然后采用位移控制。在試件底部縱向鋼筋達到屈服強度以前，采用荷載控制，每級荷載增量為10 kN，往復循環一次，加載至剪力墻底部縱向鋼筋屈服，記錄此時柱頂位移值Δ。在試件底部縱向鋼筋屈服后采用位移控制，以Δ為每級位移加載控制量，并逐級增加，單級位移荷載循環3次，直至試件破壞。

2.3 加固方案

試驗構件在經過2.1節中所述的不同受力階段后，已達到不同的受損程度，采用HPFL加固法對洞口周邊及條帶構造柱進行雙面加固，加固層厚度為20 mm，加固鋼筋和抗剪銷釘均為直徑6 mm的HRB335級鋼筋，抗剪銷釘埋置深度為60 mm，加固層箍筋采用6@150，具體加固方式如圖4所示。

3 試驗結果與分析

3.1 鋼筋荷載-應變曲線分析

對預先粘貼在鋼筋表面的應變片進行數據采集并整理，得到鋼筋的荷載-應變曲線，如圖5所示。

由圖5a～c可知，試件SW1在加載過程中加固層與腹板縱筋能夠協調變形；試SW2和SW3 加固層鋼筋存在著應變滯后現象，并且隨著荷載增大，應變滯后現象更加明顯；試件SW3加固層應變滯后現象最明顯。由圖5d可知，各試件腹板端縱向鋼筋的屈服強度由大到小的順序為SW2, SW1, SW3, SW0。這說明 HPFL 加固層有效地對試件腹板端形成了約束，且震損程度越小加固效果越明顯 。

3.2 滯回曲線分析

滯回曲線是確定恢復力模型和進行非線性地震反應分析的依據，其飽滿程度反映整個構件塑性變形能力和抗震能力。根據4組對比試驗得出的數據，處理后得到試件的滯回曲線如圖6所示。

由圖6各構件滯回曲線可知：

1）在低周反復荷載作用下，各試件在加載初期處于彈性階段，滯回曲線呈線性變化。試件開裂后，剛度有所退化，滯回環出現明顯的彎曲。試件屈服后，隨著反復荷載的增大，滯回環所環圍的面積增大，滯回環逐漸飽滿，殘余變形加大，試件進入塑性階段。

2）通過對構件不同受力階段的加固，試件的滯回曲線呈現不同的飽滿狀態。試件SW1的滯回曲線最為飽滿，未加固試件SW0包圍面積最小，有明顯的捏緊現象。各構件飽滿程度由大到小依次為SW1, SW2, SW3, SW0，即在受力初期加固對試件抗震性能優化更明顯。這說明通過 HPFL 加固能有效提高不同受力形式下 L 形短肢剪力墻的耗能性能，即使是對震損試件也具有良好的加固效果。

3.3 承載性能分析

構件承載力包括開裂荷載、屈服荷載、極限荷載及位移，通過加載獲得具體的試驗數據及理論計算值如表2所示。

由表2可知， HPFL加固后的3個試件的承載性能和延性均有較大提升。承載力方面：SW1較SW0提升88%，SW2較SW0提升68%，SW3較SW0提升48%。這說明在短肢剪力墻破壞前加固能更好地提高結構承載性能。延性方面：加固后的3個構件延性系數明顯增大，且增大趨勢與承載性能呈現一致性，這說明HPFL加固層能夠有效約束混凝土。對于極限荷載，本文得到的理論公式計算值與試驗值最大誤差為11.9%，滿足工程要求。

4 結論

綜上所述，可得如下結論：

1）HPFL加固能夠有效改善短肢剪力墻的抗震性能；加固試件的開裂荷載、屈服荷載、極限承載力、延性等性能都得到不同程度的提高，其中不加軸力的一次受力加固效果最明顯；不卸軸力的二次受力加固原構件震損程度越小其加固效果越明顯；試驗研究中，極限承載力提高幅度可達48%以上。

2）HPFL加固在試件各受力階段均適用，彈性受力階段加固效果更好；HPFL對原構件混凝土能起到很好的約束作用，從而提高試件的承載力、延性以及抗震性能。

3）用本文推導的公式計算出的短肢剪力墻的極限承載力理論結果與試驗結果吻合程度較高，具有較好的實用性與可靠性，能為工程實踐與進一步的研究提供參考。

4）被加固的短肢剪力墻的抗震性能受多種因素的影響，如試驗構件的開洞大小與位置。開洞大小與位置對加固效果的影響規律，有待進一步研究。

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（責任編輯：鄧光輝）

Study on the Seismic Performance of Earthquake-Damaged Short-Pier Shear Walls Reinforced with HPFL

LI He，JIANG Longmin，TAN Junyu，XIONG Chuyue
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A series of low cyclic loading tests have been conducted on short-pier shear walls with one nonreinforced and three reinforced L-shaped RC frames with openings in the ratio of 1:2, followed by a research on the seismic performance of earthquake-damaged short-pier shear walls reinforced with HPFL in different loading phases.Experimental result shows that HPFL reinforcement can effectively improve the bearing capacity, ductility performance and energy dissipation of short-pier shear walls.The shear bearing capacity and ductility of short pier shear walls are to strengthen with one axial force improved greatly, and the reinforcement effect is to increase with the earthquake damage degree lowered for the short pier shear walls with two axial force without earthquake forces.Meanwhile, the reinforcement of the specimens with HPFL helps to effectively enhance the crack resistance of the components.

HPFL reinforcement；loading phase；short-pier shear wall；seismic performance

TU528

A

1673-9833(2017)01-0046-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.01.008

2016-10-12

湖南省自然科學株洲聯合基金資助項目（2016JJ5037）

李 鶴（1989-），女，河南駐馬店人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為新型材料在結構加固中的應用E-mail：1632013655@qq.com