NiTiNb-SMA絲主動加固RC圓柱抗震性能試驗

潘盛山 樂銳 惠華星 朱禹熹

摘 ? 要：為研究國產鎳鈦鈮形狀記憶合金（NiTiNb-SMA）絲主動約束加固鋼筋混凝土墩柱的抗震性能，完成了3個墩柱試件的擬靜力試驗. 基于試驗現象和水平力-位移曲線，對比分析了各試件的骨架曲線、承載力和延性、強度退化、累計耗能、殘余位移等性能指標. 結果表明：熱激勵NiTiNb-SMA絲能有效地為墩柱提供主動約束應力，減輕墩柱的損傷，并提高墩柱的延性和耗能能力，對比原試件，NiTiNb-SMA絲對試件主動加固后的位移延性系數和累計耗能分別提高了27.8%和10.4%;有效減緩了墩柱的強度衰減，減小了墩柱的殘余位移.

關鍵詞：橋墩抗震; NiTiNb-SMA加固;主動約束;被動約束;擬靜力試驗

中圖分類號：U443.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract：To investigate the seismic performance of reinforced concrete （RC） piers retrofitted by active confinement of domestic NiTiNb-SMA wires， a pseudo-static test of three column specimens was carried out. Based on the experimental phenomena and lateral force-displacement curves， the skeleton curves， bearing capacity and ductility， strength degradation， cumulative energy dissipation and residual displacement of the specimens were analyzed. The results show that thermal excited NiTiNb-SMA wires can effectively provide active confinement stress for the pier， which reduced the damage and improved the ductility and energy dissipation capacity of piers. Compared with the control specimens， thermal excited SMA wires increased the displacement ductility coefficient and cumulative energy dissipation of the specimen by 27.8% and 10.4%， respectively. What′s more， it effectively reduced the strength degradation and improved the ability of restoring the residual displacement of piers.

Key words：seismic pier;NiTiNb-SMA retrofitting;active confinement;passive confinement;pseudo-static experiment

橋墩作為橋梁結構中的重要承重結構，地震作用下發生的破壞會對人類生命和財產造成嚴重損害. 舊橋墩柱普遍存在抗剪承載力偏低的問題，如何對其進行抗震加固是近年關注的主要課題. 研究表明[1]，主動約束法對鋼筋混凝土（RC）橋墩性能的提升明顯優于被動約束方法，這是因為預應力的主動約束作用使混凝土處于三向受壓狀態，提高了墩柱的抗震承載能力. 目前的主動約束加固技術，其預應力施加均需要機械張拉（采用千斤頂等）來實現，存在操作復雜、施工困難、人力需求較大、錨具龐大外露、成品保護困難及美觀性較差等問題. 然而，采用形狀記憶合金（Shape memory alloy，簡稱SMA）對混凝土墩柱進行主動加固，可以利用其熱力學特性完成對墩柱預應力的施加，避免傳統張拉機具的使用，操作更為簡便，是一種新穎的主動加固方法. 另外，SMA絲可提供較穩定預應力，并通過多個體型較小U型箍連接錨固，錨固可靠，幾乎不影響加固墩柱外形.

SMA具有高阻尼、超彈性和形狀記憶效應[2-3]，并具有良好耐腐蝕性，近幾年已成為墩柱抗震加固研究的熱點材料. 國內外一些研究人員將NiTi-SMA應用于混凝土柱，取得一些研究成果：崔迪等[4] ?將SMA作為墩柱的縱向主筋，研究SMA不同預應變對混凝土柱阻尼比和頻率的影響;Muntasir Billah等[5]將SMA作為墩柱塑性鉸處搭接縱筋，研究SMA對墩柱延性及震后殘余位移的影響;余志剛等[6-7] ?將SMA作為螺旋箍筋對墩柱進行軸壓試驗，研究是否熱激勵驅動及不同預應變的SMA對墩柱的抗裂性能及變形能力的影響，此外還研究了SMA絲和混凝土在不同粘結條件下對柱抗裂性能的影響;洪陳凱[8]采用SMA絲外纏加固墩柱，研究超彈性形狀記憶合金增強混凝土柱的軸壓性能;Tran等[9]通過軸壓試驗對比了主、被動SMA絲外纏加固墩柱的效果. 然而，由于NiTi-SMA相變溫度滯后區間小[10-11]，恢復到室溫后提供的永久回復應力有限，主動約束作用并不突出. 因此，Andrawes[12-14]和Choi[15-16]等采用具有更大相變溫度滯后區間的NiTiNb-SMA絲來主動約束墩柱：將低溫下預應變為6%的NiTiNb-SMA絲外纏圓墩柱，并設置NiTi-SMA、FRP、鋼套箍等加固對比柱，通過軸壓試驗和擬靜力試驗來研究加固柱的性能，結果表明NiTiNb-SMA提供的永久回復力較大，圍壓值更高，加固效果最好.

由于NiTiNb-SMA的熱力學性能與材料原子比、生產工藝、熱處理制度等影響因素密切相關[17]，與國外生產的NiTiNb-SMA的研究結果不同，國內的研究[18]表明國產NiTiNb-SMA卻在高于馬氏體相變開始溫度30 ℃環境下采用16%的預應變，其回復應力較高. 因此，國產NiTiNb-SMA加固混凝土墩柱的效果如何，需通過試驗來進行驗證和探討. 本文采用國產NiTiNb-SMA，在常溫下進行預張拉后對混凝土圓柱進行加固，通過擬靜力試驗研究國產NiTiNb-SMA絲主動和被動加固混凝土墩柱對抗震性能的影響.

1 ? NiTiNb-SMA的主動加固原理

NiTiNb-SMA在典型溫度范圍內通常含有兩種晶體組成相，即低溫狀態下的馬氏體相和高溫狀態下的奧氏體相，這兩種晶體相受溫度和應力影響可以相互轉變，相變的過程是SMA具備形狀記憶效應和超彈性的原因. 如圖1所示，國產NiTiNb-SMA在常溫下為奧氏體狀態（起始A點），通過機械張拉至一定程度促使應力誘發奧氏體狀態相變為馬氏體狀態（圖1中路徑A→B→C→D，其中BC段為相變發生段），由于應力誘發后SMA相變溫度提升，馬氏體仍可在常溫下維持;馬氏體相的SMA在完全卸載后經歷彈性回復回到E點（路徑D→E），AE段為殘余變形;與工程所用的合金鋼不同，通過熱激勵誘發SMA從馬氏體相向奧氏體相轉變后，殘余變形還能有一定程度的回復（圖1中的EF段）. 如果在熱激勵恢復形變的過程中SMA受到約束，則會產生回復力;回復力施加到結構上，即可實現對結構的主動加固.

2 ? 試驗設計

2.1 ? NiTiNb-SMA絲材料參數

本文試驗采用北京有研醫療器械有限公司（北京有色金屬研究院）生產的Ni44Ti47Nb9-SMA絲，材料參數見表1. 室溫下，SMA絲處于奧氏體狀態，使用前將其在常溫下張拉，預張拉控制應變為16%，卸載后殘余變形量約為11%.

2.2 ? 試件尺寸及參數設計

根據SMA加固墩柱的類似研究[9，13，19-20]，已有試驗中對每種研究變量均設置一個試件作為研究對象. 為了研究國產NiTiNb-SMA的主動約束效果，與合金絲被動約束影響區分開，本試驗設置了原試件和無預應力的被動加固試件作為對比，共制作了3個鋼筋混凝土墩柱試件，尺寸構造及配筋如圖2所示. 試件采用C40混凝土，其實測均值為39.3 MPa. 鋼筋強度通過MTS試驗機測得，直徑為12 mm和14 mm的HRB400鋼筋的屈服強度分別為423 MPa和445 MPa，極限強度分別為620 MPa和607 MPa;直徑為8 mm的HRB300鋼筋屈服強度和極限強度分別為345 MPa和440 MPa. 柱身配箍率為0.76%;縱筋配筋率為1.28%. 縱筋保護層厚度為20 mm.

試件的編號為BP-1、BP-2和BP-3. BP-1為未加固的對比試件，BP-2和BP-3均在墩身底部纏繞SMA絲，纏繞高度為300 mm，間距為20 mm，其中BP-2未進行熱激勵，為被動加固試件;BP-3采用熱激勵，為主動加固試件.

由于預變形張拉裝置的行程限制（單根SMA絲長度不超過1.5 m），NiTiNb-SMA絲分成多段預張拉后再通過U型箍連接到一起，按設計間距在墩柱的塑性鉸區纏繞好，其上下端亦通過U型箍進行自鎖固定，如圖3所示.

2.3 ? SMA熱激勵控制

纏繞在墩柱上的SMA絲經歷熱激勵的高幅度升、降溫過程，由于很難直接測試其回復應力，因此先對單根直線SMA絲的激勵電流強度、激勵溫度及回復應力進行試驗研究（試驗裝置如圖4所示），試驗結果可作為纏繞在墩樁上的SMA回復應力的控制依據.

經過多次試驗驗證，結果表明熱激勵溫度為200 ℃時，恢復室溫后的永久性回復應力為400 MPa. 因此，在墩柱上熱激勵SMA絲時，通過控制電流強度和測試SMA絲表面溫度（達到200 ℃）作為回復應力的控制參數，實際加熱控制如圖3所示.

2.4 ? 擬靜力試驗裝置與加載方案

擬靜力試驗裝置如圖5所示，采用懸臂式加載. 豎向力由固定在框架橫梁上的千斤頂施加. 試件頂部設有圓弧形接觸面，能夠使試件頂部處于均勻受壓狀態. 水平加載裝置為固定在反力墻上的電液伺服水平作動器，加載能力為1 000 kN，位移行程為±300 mm. 為防止在水平力作用下試件整體發生滑移，本實驗在豎直方向和水平方向均使用鋼梁和高強螺桿將底座加以固定，再用鋼梁將底座與反力墻連在一起.

根據參考文獻[21]對國內舊橋橋墩的參數統計得知，橋墩的軸壓比范圍為0.06 ～ 0.15，考慮到實驗室的加載設備條件，本文3個試件采用相同的軸壓比0.15，即試件軸向力為284 kN，循環加載前由機器控制一次性加載到試件上，試驗過程中保持恒定. 試件水平力加載軸線高度為900 mm，加載方案如圖6所示.

3 ? 試驗現象

3個試件在試驗過程中的破壞現象如表2所示. 從表中看到，位移幅值達到12 mm以前，各試件損傷輕微，試驗現象類似;但12 mm以后，在出現同樣的典型損傷現象情況下，主動約束試件BP-3遲于被動約束試件BP-2，再明顯遲于原試件BP-1，表明SMA絲增加了試件的延性，并且主動加固的試件增加效果更為明顯.

3個試件的最終破壞狀態如圖7所示，試件上規則環線是參考高度線，間距為10 cm;不規則并帶數字的線為在該數字對應加載位移下主要裂縫發展的走勢線. 圖7（a）所示原試件在柱底加載面兩側200 mm范圍內存在較大的混凝土脫落區，出現露筋，兩側裂縫范圍平均達到400 mm. 圖7（b）和（c）所示的加固柱的最終損傷模式明顯輕于原試件，但是整體裂縫范圍幾乎是原試件的1.5倍，達到約600 mm的平均高度，且增加范圍內的裂紋寬度非常小. 這是由于SMA絲的環箍作用，一方面使壓碎的混凝土仍然能夠在束縛的作用下承擔部分壓力，從而延緩了墩柱的破壞發展;另一方面使塑性鉸區混凝土三向受壓，增加了加固區柱身的剛度，導致損傷向加固區兩端發展，同時也降低了局部損傷程度.

4 ? 結果分析

4.1 ? 滯回曲線和骨架曲線

3個試件的滯回曲線如圖8（a）～（c）所示. 對比原試件BP-1，兩個加固件的滯回曲線更為飽滿，表明加固件的耗能能力較強. 圖9為各試件的骨架曲線，3個試件在初始加載階段曲線幾乎重合，表明SMA絲并沒有明顯改變墩柱的初始剛度，因此不會改變結構固有頻率，不能改變結構在地震作用下的受力情況;水平力達到最大值前，各試件在不同位移下的峰值荷載相差很小，但試件承載力達到峰值后，加固試件的強度衰減速度明顯較慢于原試件，表現出較好的變形能力;對比試件BP-2和BP-3，兩者骨架曲線很接近，但BP-2在60 mm位移循環下破壞，而BP-3在76 mm位移循環下破壞，主動約束作用主要體現在更大的破壞位移.

4.2 ? 承載力和延性分析

各試件的承載力和延性分析結果匯總見表3，其中數據為正、反向加載的平均值，K為初始剛度，Δy為名義屈服位移，Py為名義屈服荷載，Δu為極限位移（取水平荷載下降至峰值荷載的85%時對應的位移），Pu為峰值荷載，μ Δ為位移延性系數，θu為極限位移角，L為墩柱有效高度. 與原試件BP-1相比，被動約束試件BP-2的位移延性系數和極限位移角分別提高了1.2%和34.9%，主動約束的試件BP-3的位移延性系數和極限位移角分別提高了27.8%和51.2%. 這表明SMA絲的約束作用大幅度提高了橋墩柱的變形能力，其中主動約束作用的增幅更明顯. 對比各試件的承載力，相比于BP-1，試件BP-2的峰值荷載和屈服荷載分別減小了0.7%和5.7%;試件BP-3的峰值荷載提高了2.4%，而屈服荷載卻減小了3.4%，這表明試驗中所采用的圍壓水平對試件的承載力提升并不明顯. 另外，出現BP-1峰值荷載略高于BP-2，應屬于試驗結果的離散誤差范圍. 因此，SMA絲被動和主動加固主要能提高圓柱的延性，但對承載力提高的作用不大.

4.3 ? 強度衰減

各試件在不同位移下的強度衰減如圖10所示. 圖中κ軸表示各位移幅第3次循環下試件水平力強度的衰減系數，其中各值為正負兩個方向衰減系數的均值. 當水平位移達到28 mm時，BP-1開始出現明顯的強度衰減，最后強度衰減達20%以上，而此階段BP-2和BP-3的強度均在95%以上，表明SMA絲的約束作用有效減緩并控制了試件的強度衰減. BP-2和BP-3的強度出現明顯衰減分別是在水平位移達36 mm和52 mm后，表明SMA絲主動加固對墩柱在循環荷載作用下強度衰減的控制更為顯著.

從圖中看到，在水平位移達到12 mm時，3個試件的累計耗能幾乎相同，表明試件在產生主要斜裂縫前各試件的耗能基本相同;12 mm以后，加固件均比原試件的累計耗能高，并且在水平位移為44 mm時，加固試件BP-2和BP-3的累計耗能分別為42.6 kN·m和44.4 kN·m，相較于原試件BP-1（40.1 kN·m），分別提升了6.2%和10.7%. 可以發現同一位移幅值下，SMA絲對墩柱的耗能有一定的提升，并且呈現出主動加固試件耗能能力優于被動加固試件，但提升程度有限，這是由于目前的SMA絲纏繞間距相對較大，導致給墩柱混凝土提供的圍壓較小，因此在后續研究中可考慮不同SMA絲間距的影響.

4.5 ? 殘余位移

殘余位移反應試件的自復位能力，其大小為荷載-位移滯回曲線卸載段與水平坐標軸交點的橫坐標值. 取每一位移幅值3次循環后的平均值作為該位移幅值下的殘余位移，如圖12所示.

當水平位移達到8 mm之前，試件處于彈性階段，復位能力強，各試件的殘余位移漂移比0.1%以下，可以忽略不計. 當位移達到12 mm后，試件殘余位移增速變大，3條曲線走勢出現差異：相同位移幅值下，殘余位移最小為BP-3，其次為BP-2，最大為BP-1. 其中，44 mm位移下，相較于BP-1，BP-2的殘余位移減小了7.1%，BP-3的殘余位移減小了10.4%. 這表明在SMA絲的約束作用下，試件的殘余變形得到了一定的控制，且主動約束作用下的殘余位移更小. 在此，同樣可以發現主動加固試件和被動加固試件的殘余位移減小程度仍然是有限的，說明SMA絲的加固體積率仍需要提高.

4.6 ? 與既有試驗對比

將類似研究的試驗結果與本試驗結果進行對比，如表4所示. 從表中對比結果可知，SMA提供的主動圍壓越大，試件的整體性能提升越好. 這是由于SMA約束墩柱，使混凝土處于三向受壓，提高了混凝土抗壓性能，理論上在一定范圍內，約束圍壓越大，混凝土性能提高得越好. 而SMA主動約束墩柱，使混凝土初始受一定的三向壓力，后續由于混凝土的膨脹導致SMA產生被動約束力，圍壓進一步增加，因此，約束混凝土在某一膨脹應變下，SMA主動約束試件的圍壓高于被動約束試件的圍壓，最后導致主動加固試件的抗震性能更好.

另外，主動圍壓的大小并不與試件承載力和初始剛度等性能正相關，這可能是SMA絲的性能和尺寸以及墩柱尺寸和參數的不同導致的.

5 ? 結 ? 論

本文采用國產NiTiNb-SMA絲加固鋼筋混凝土圓柱，通過擬靜力試驗，研究了SMA絲被動加固和主動加固鋼筋混凝土圓柱的加固效果，主要得到以下結論：

1）國產NiTiNb-SMA絲在常溫下施加預應變后應用于鋼筋混凝土圓柱的加固中，能提供較大的主動約束力，避免機械張拉，是一種有效的主動約束加固方法.

2）SMA絲主動約束作用能有效抑制豎向裂縫的開展，相比被動加固試件損傷程度要輕，而在各變形下未加固試件的損傷程度均比加固試件嚴重.

3）SMA絲無論被動加固或主動加固混凝土圓柱，均能提高圓柱的延性和耗能能力，但主動加固提高的幅度更大，說明國產NiTiNb-SMA絲提供的預應力更能有效提高圓柱的延性和耗能能力. 對比原試件，主動約束試件的位移延性提高了27.8%，累計耗能提高了10.4%，提升效果較明顯.

4）SMA絲加固圓柱可有效延緩圓柱的強度衰減，減小墩柱震后殘余位移. 并且主動加固對強度衰減的控制更好，殘余位移也更小.

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