配置MRD的CFRP筋混凝土柱抗震性能试验

赵 军，王培培，冯益博，张香成，阮晓辉

(1.郑州大学 土木工程学院,河南 郑州 450001；2.郑州大学 力学与安全工程学院，河南 郑州 450001)

0 引 言

长期以来，中国工程设计遵循三水准抗震设防目标和两阶段的设计方法[1]。由于地震作用的不确定性，会使结构构件严重受损，有些即使没有倒塌也难以修复，只能推倒重建，造成了巨大的经济浪费[2]。2009年1月“可恢复功能城市”作为地震合作工程的大方向首次被提出[3]，至现在为止，可恢复功能结构已经成为地震工程中的热点研究方向。

碳纤维增强复合材料(CFRP)筋具有较高的抗拉强度和弹性模量，且具有轻质、耐腐蚀、应力-应变曲线呈线弹性等特点[4]，因此CFRP筋材可用于混凝土结构中以实现结构的可恢复功能。Sharbatdar等[5-6]进行了CFRP筋混凝土柱的低周反复试验，研究结果发现轴压比和体积配箍率对试件变形能力有很大影响，减小箍筋间距有利于减小结构的残余位移。赵军等[7]将CFRP筋材用于剪力墙结结构中，发现CFRP筋混凝土剪力墙裂缝发展范围更大，自复位效果更好，但是滞回曲线饱满程度有所降低。江世永等[8]制作了6个不同轴压比和剪跨比的CFRP筋混凝土柱，试验结果表明CFRP筋混凝土柱承载能力较强，但是耗能能力较弱，滞回曲线不饱满。龚永智等[9]设计制作了4个CFRP筋混凝土柱，试验结果显示轴压比和体积配箍率是影响其抗震性能的重要因素，CFRP筋柱残余变形较小，但滞回曲线呈捏缩现象。王旭阳[10]制作了2个RC柱和5个CFRP/钢筋混合配筋柱，研究表明混合配筋柱会减少残余位移，但其中较少的CFRP筋会导致柱的过早破坏，影响整体耗能能力。

磁流变阻尼器(MRD)的能耗低，出力大，响应速度快，可调节范围广，是一种优秀的半主动控制器[11]。Yang[12]在徐赵东的Sigmoid模型[13]和Spencer的微分方程模型[14]等众多模型基础上进行了详细性能试验和力学模型分析。沙凌锋等[15]研究磁流变液的本构关系和磁流变阻尼器的阻尼力模型，论述了磁流变阻尼器的构造与磁路的设计方法。张香成等[16]通过数值模拟发现了对阻尼力影响最大的参数依次为：活塞杆半径、挤压轴轴凸长度、阻尼间隙和活塞有效长度。马然等[17]通过对阻尼通道内的磁流变液进行流体力学分析，并通过有限元模拟完善了磁流变阻尼器的力学模型。

本文将MRD附加在CFRP筋混凝土柱上，在CFRP筋混凝土柱较高的承载能力和较好的自复位能力的基础上，利用MRD的性能来增加其耗能能力，最终实现混凝土柱低残余变形和高耗能能力的目标，将此柱体结构用于结构中可吸收地震能量，减小残余位移。本文主要研究MRD电流大小对CFRP筋混凝土柱耗能性能和自复位性能的影响并分析其与传统钢筋混凝土柱的区别。

1 试验概况

1.1 试验设计

本文共设计制作了3个混凝土方柱，每根方柱由3个部分组成，柱顶部是尺寸为500 mm×400 mm×400 mm的加载梁，柱身截面尺寸为300 mm×300 mm，高度为1 100 mm，柱底为1 200 mm×400 mm×550 mm的刚性支座。3个柱子的编号分别为RCC，CFRP80和CFRP150，其中RCC为钢筋混凝土柱，纵筋为HRB400，作为基准试件。CFRP150代表纵筋全为CFRP筋，磁流变阻尼器电流为150 mA。CFRP80代表纵筋全为CFRP筋，磁流变阻尼器电流为80 mA。3个柱子纵筋直径均为12 mm。箍筋全部为HRB400级，直径8 mm，间距50 mm。混凝土保护层厚25 mm。纵筋配筋率为1%，体积配箍率为1.6%，剪跨比为4。为了保证CFRP筋材紧密锚固在混凝土中，将CFRP筋端部插入钢管内，在钢管内浇筑高强、无收缩灌浆料，并将钢管焊接在试件两端钢板上。图1为试件几何尺寸，图2为试件配筋。

图1 试件几何尺寸(单位:mm)

图2 柱体截面配筋

除了设计制作混凝土柱外，本试验还组装了课题组自主研发的四线圈剪切阀式阻尼器，其阻尼力主要是磁流变液间剪切力。MRD主要由活塞、钢套筒、间隙及连接件组成，量程为±80 mm，活塞总长760 mm，活塞挖槽处有序缠绕线圈，钢套筒总长596.6 mm，外径150 mm，活塞与钢套筒之间缝隙宽1 mm，缝隙内灌满磁流变液。图3为MRD实物图。

图3 磁流变阻尼器

1.2 材料性能

根据相关标准[18-19]，实测混凝土及各类筋材的力学性能指标见表1，2。

表1 混凝土力学性能

采用三角波的形式通过位移控制对MRD进行加载，加载速度与混凝土柱的加载速度一致。最终测得MRD在电流I为150，80，0 mA时对应的阻尼力-位移曲线如图4～6所示。由图4～6可知，MRD电流为150 mA时，其阻尼力基本维持在60 kN，电流为80 mA时，阻尼力基本维持在30 kN，电流为0 mA时，阻尼力最大维持在6 kN。

图4 电流为150 mA时的阻尼力-位移曲线

1.3 加载方案

本次试验为水平低周反复荷载试验。阻尼器与柱体的连接方式如下：阻尼器安装在距离柱子基座860 mm的高度处。右端的球头底座与MRD刚性支架相连，刚性支架与反力架通过高强螺栓相连，保证右端固定。左端的球头底座与钢板相连，2块钢板通过高强螺杆夹在柱身两边，通过球头调节保证阻尼器处于水平位置且阻尼器的中线与柱身侧面中线相交于一点。阻尼器的耗能原理是：柱体产生层间位移角时带动阻尼器的活塞杆来回运动进而产生阻尼力，增加耗能。加载装置和阻尼器连接见图7，8。竖向荷载由竖向液压千斤顶提供，试验时根据轴压比为0.15确定并维持竖向荷载511 kN不变。千斤顶上端装设有滑道，可使千斤顶随着柱子的变形而移动，从而保证加载位置不变。水平荷载由500 kN的液压伺服作动器提供。采用位移控制的加载方式，加载制度见图9。为了便于区分，定义加载方向以推为正，拉为负。同时阻尼器的使用方法如下：当加载等级有2个循环时，第1个循环保持电源始终开启，只在第2个循环卸载为0时关闭电源，待柱顶水平位移计的示数稳定后打开电源再继续加载；当加载等级只有1个循环时，与之前第2个循环操作一致。

表2 筋材性能

图5 电流为80 mA时的阻尼力-位移曲线

图6 电流为0 mA时的阻尼力-位移曲线

图7 加载装置

图8 阻尼器与柱体连接图

图9 加载制度

1.4 测量方案

为测得筋材在试验过程中的应变变化，浇筑前在受拉侧和受压侧纵筋及箍筋上均粘贴电阻式应变片。纵筋上应变片的位置分别在距离基座表面50，150，250，350 mm(550，750 mm)高度处，箍筋应变片位置在距离基座表面100，200 mm高度处。为测得各位置处的水平和竖直位移，柱身受拉和受压侧在距离基座50，350，650，950 mm高度处放置竖向位移计8个和水平位移计8个，同时在柱顶也设置水平位移计DH0以便测量柱体的真实位移，且在阻尼器上设置水平位移计DH10，监测阻尼器的位移变化。应变片和位移计的布置见图10。

图10 应变片和位移计布置(单位:mm)

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

RCC柱呈现明显的弯曲破坏形态。加载前期柱子受拉侧首先出现水平裂缝，随着加载等级的提高，水平裂缝沿水平方向不断延伸，然后斜向发展，当层间位移角为1.0%时，主裂缝贯通，随后柱身左下角出现竖直裂缝，混凝土柱达到峰值荷载，裂缝的长度与宽度持续增加，最终受压区混凝土被压坏，承载力下降，试件破坏。

CFRP150柱和CFRP80柱的破坏模式相似。相较于RCC试件，这两者的裂缝发展高度较高，裂缝数量较少，同时裂缝呈现较为分散的现象，最终均表现为与水平方向呈45°斜向下发展。在加载前期，试件首先出现水平裂缝。裂缝宽度极小，随着加载进行，从下向上依次出现裂缝。当加载到层间位移角为2.5%时，CFRP150柱出现竖向裂缝，而CFRP80柱加载至层间位移角为2.0%时，柱底左右侧均出现竖直裂缝。之后混凝土保护层剥落，在加载到层间位移角为4.0%时，2根CFRP筋混凝土柱均达到峰值荷载，当加载至层间位移角为5.0%时，承载力均下降到各自峰值荷载的85%左右，试验结束。试验后拨开2根柱柱底的混凝土层，露出CFRP筋，发现两者均是受压侧CFRP筋在距离基座100～200 mm位置处发生断裂。试件破坏形态图如图11所示。

图11 试件破坏形态

2.2 滞回曲线

3个试件的荷载-位移(F-Δ)滞回曲线如图12所示。整体来看，3个试件的滞回曲线表现出不同的受力特征。RCC在层间位移角为1.5%(水平位移18.75 mm)时承载力达到峰值，之后承载力缓慢下降，当加载到层间位移角为4.0%时承载力下降到峰值的85%左右。与试件RCC相比，试件CFRP150和CFRP80都是在层间位移角为4.0%时达到峰值荷载，层间位移角为5.0%时承载力下降到峰值的85%左右，滞回曲线类似于旗帜形，较为饱满。外设阻尼器的柱子比未设阻尼器的柱子极限变形增大，承载力明显增加，滞回曲线更加饱满，同时由于MRD关闭电源，随着阻尼力的消退，使得其残余变形迅速减小。阻尼器的电流大小对柱子的影响比较明显。随着电流的增大，柱的峰值荷载增大，滞回曲线更加饱满，而关闭MRD电源之后，CFRP150和CFRP80残余位移相差不大。相比来看，由于CFRP150柱安装了MRD，且MRD电流较大，使其拥有较高的承载力、饱满的滞回曲线、较小的残余位移，达到了低残余变形和高耗能能力的目标。

图12 滞回曲线

2.3 骨架曲线

骨架曲线是每级加载第1次循环的峰值点连成的包络线[20]，见图13。从图13可以看出，在加载初期，3条骨架曲线基本重合。这是因为此时3个试件都处于弹性阶段。随着加载的进行，骨架曲线出现明显的差异，由于阻尼器的加入和电流较大,使得CFRP150刚度最大，CFRP80次之，RCC刚度最小。随着层间位移角的增大，试件RCC屈服，骨架曲线达到峰值点，之后开始下降，而试件CFRP150和CFRP80在经历上升阶段之后出现了近似水平段，骨架曲线呈上升、水平、下降3个阶段。对比试件RCC和试件CFRP150，CFRP80可以看出，钢筋混凝土柱最早达到峰值荷载，随后缓慢下降，待其破坏时，试件CFRP150和CFRP80仍未达到峰值荷载，这是由于CFRP筋的线弹性特点使得承载力呈非线性向上发展，同时由于阻尼器的加入使得承载力得到较大程度的提高。CFRP150和CFRP80的骨架曲线发展趋势是相同的，但CFRP150相比于CFRP80和RCC峰值荷载分别提高了8.85%和53.85%，说明阻尼器电流的大小对承载力有较大影响。

图13 骨架曲线

2.4 刚度退化

在水平反复荷载作用下，试件刚度会逐渐减小。试件刚度可用割线刚度K表示[21]，采用式(1)计算

(1)

式中：+Fi，-Fi分别为第i次正、反向峰值点的荷载值；+Xi，-Xi分别为第i次正、反向峰值点的位移值。

将式(1)计算出的刚度连成曲线即得刚度K的退化曲线，如图14所示。3个试件的刚度退化趋势相似。在加载到层间位移角为2.0%之前，3个试件刚度退化明显，随着加载进行，刚度退化速率越来越慢，最终平稳发展。在柱子上增加MRD，使得CFRP150，CFRP80的初始刚度分别比RCC大23.73%，10.27%。说明外设MRD对CFRP筋混凝土柱的刚度有明显的增强作用。MRD的电流大小对柱的刚度也有较大影响。由于CFRP150的电流较大，CFRP150的初始刚度比CFRP80大12.21%，且在加载过程中，CFRP150的刚度始终最大，CFRP80的刚度次之，RCC刚度最小。3个试件残余刚度都比较小，相比各自初始刚度分别降低了90.01%，90.04%，87.05%。整体来看，附加MRD的CFRP筋混凝土柱的刚度退化速率要略大于普通钢筋混凝土柱。

图14 刚度退化曲线

2.5 耗能能力

以试件滞回曲线中滞回环的面积表示耗能能力的大小。图15为根据试验数据计算得出的累积耗能曲线。从图15可知，在加载到层间位移角为1.0%之前，3个试件的累积耗能相差不多，这是因为3个试件都处于弹性阶段，阻尼器移动小位移时对耗能的影响不大。随着加载进行，3个试件累积耗能差距越来越大。附加MRD的CFRP筋混凝土柱的耗能增长速率明显高于普通钢筋混凝土柱，这说明MRD在大位移下对试件耗能能力的贡献更大。当加载到层间位移角为4.0%时，试件RCC破坏，同等级下CFRP150的累积耗能分别比CFRP80，RCC的累积耗能增加28.61%和61.24%。当加载到层间位移角为5.0%时，3个试件全部破坏，CFRP150的累积耗能分别比CFRP80，RCC提高了27.63%和104.9%，且在加载过程中CFRP150的累积耗能始终最高，CFRP80次之，RCC最小。相较于RCC，外置MRD的CFRP筋混凝土柱的耗能能力明显提升，且MRD电流越大，提高越多。

图15 累积耗能曲线

2.6 残余变形

将3个试件每级循环加载后的残余变形绘成曲线，如图16所示。通过对比发现在柱体位移较小时3个试件尚未屈服，残余变形均较小。随着加载的进行，试件RCC逐渐进入塑性阶段，产生了不可恢复的变形，残余变形逐渐增大。在相同加载位移下，与试件RCC相比，CFRP150和CFRP80的残余变形较小，这是由于当MRD电源关闭，阻尼力大大减小，CFRP筋的线弹性使得CFRP筋混凝土柱的残余变形减小。同时，试件CFRP150和CFRP80的残余变形相差不大，表明当MRD电源关闭时，阻尼器对试件的残余变形几乎没有影响。当加载到层间位移角为4.0%时，RCC试件破坏，同等级下CFRP80，CFRP150的残余变形分别比RCC减小了75.05%和76.66%；加载到层间位移角为5.0%时，3个试件全部破坏，此时CFRP80，CFRP150的残余变形分别比RCC减小了63.12%和67.14%，且RCC的残余变形增长速率远超过设置MRD的CFRP筋混凝土柱。图16直观反映了设置MRD的CFRP筋混凝土柱的残余变形远远小于普通钢筋混凝土柱，说明阻尼器的合理使用对减小残余变形起到至关重要的作用。这将有助于减小地震作用后结构的震损程度，增加结构的可恢复性。

图16 残余变形曲线

3 结语

(1)与普通钢筋混凝土柱相比，外置MRD的CFRP筋混凝土柱承载力明显提高，且阻尼器电流越大，承载力提高越多。

(2)设置MRD的CFRP筋混凝土柱相较于普通钢筋混凝土的耗能能力得到明显提高，最高可提高104.9%。对于CFRP筋混凝土柱，MRD电流越大，耗能能力增幅越大。

(3)在力卸载为0时关闭MRD电源，CFRP筋混凝土柱的残余变形得到有效的控制，在试件全部破坏时，相比于普通钢筋混凝土柱，残余变形最高减小67.14%，说明安装MRD的CFRP筋混凝土柱拥有良好的自复位能力。

(4)在相同位移时，普通钢筋混凝土柱的刚度比CFRP筋混凝土柱小，而且随着MRD电流的增大，CFRP筋混凝土柱的初始刚度和加载过程中的刚度都有所增大。

(5)在CFRP筋混凝土柱上设置MRD能够实现抗震结构高耗能能力和低残余变形的要求。