地震是人类所面临的最大、最严重的自然灾害之一。根据不完全统计,在近百年时间里,全世界范围内共有数十座城市毁于地震灾害,造成了极大的人员伤亡和经济损失。我国是一个地震多发国家,地震活动具有突发性强、频度高、强度大、范围广等特点 ^[1,2,3]。

　　 传统的结构抗震方法是通过自身的损伤产生塑性变形以实现地震能量的耗散,使结构在地震后存在较大的残余变形,不能满足新型抗震结构的性能要求 ^[4,5],随着建筑物抗震设计要求的提高及抗震设计理论的发展,可恢复功能结构逐渐成为了抗震工程领域的研究热点 ^[6,7]。近年来有很多学者对钢筋混凝土结构的可恢复性能展开了研究,为了研究框架摇摆墙结构体系的抗震性能,曹海韵等 ^[8]对一个6层混凝土框架结构进行了有限元模拟,弹塑性时程分析结果表明:摇摆墙结构体系的层间位移较框架结构分布更加均匀,有效改善了层间变形集中的状况,使结构更好地发挥其整体性,并为今后的设计及研究出了相关建议。党像梁等 ^[9]对底部开水平缝、两端设置预应力钢绞线的剪力墙进行了试验研究和有限元模拟,分析结果表明:与普通钢筋混凝土剪力墙相比,底部开水平缝、两端设置预应力钢绞线的剪力墙初期承载力较低,但是具有较高的位移延性和较小的残余变形。赵军 ^[10]、陈纪伟 ^[11]以及赵齐 ^[12]用碳纤维复合材料(CFRP筋)代替普通钢筋混凝土剪力墙的暗柱竖向钢筋,试验研究表明:与普通钢筋混凝土剪力墙相比,用CFRP筋代替普通钢筋混凝土剪力墙的暗柱竖向钢筋后,该剪力墙的位移延性和耗能能力有所降低,极限变形能力得到了提升,并且具有较小的残余变形和较优异的可恢复性。曾令昕 ^[13]对暗柱采用钢绞线的剪力墙进行了试验研究,结果表明:与钢筋混凝土剪力墙相比,暗柱采用钢绞线的剪力墙承载力和极限变形能力得到了较大的提高,残余变形也得到了明显的改善,而耗能能力却有所降低。Ghazizadeh S等 ^[14]对采用GFRP筋的剪力墙进行了试验研究和有限元模拟,结果表明:采用GFRP的剪力墙在水平荷载下具有较好的自复位能力,其承载力和延性与普通钢筋混凝土剪力墙相当。毛苑君等 ^[15]通过对可更换墙角构件剪力墙进行低周反复加载试验研究,从多方面分析了新型剪力墙与传统剪力墙在承载力、耗能能力、变形能力等抗震性能的差异,结果表明:与普通剪力墙相比,新型剪力墙的水平承载力有所降低,变形能力是普通剪力墙的2倍;随着轴压比的增大,新型剪力墙的水平承载力越大,平均耗能能力越强。

　　 上述研究表明,在剪力墙暗柱中配置钢绞线或CFRP筋等高强筋材对剪力墙的抗震性能有较大影响,并可产生较好的自复位效果。但由于钢绞线、CFRP筋和混凝土的粘结性能不同,由其配置的剪力墙的抗震性能也有差别。为此,本文通过对暗柱采用CFRP筋和钢绞线作为纵向配筋的剪力墙进行对比试验研究,分析在0.17和0.26两种轴压比下暗柱中筋材类型对剪力墙承载力、骨架曲线、刚度、耗能能力和自复位能力等抗震性能的影响。

　　 试验共设计了4个高宽比为2.0的足尺剪力墙,墙体截面尺寸为2 360×1 280×200,加载梁截面尺寸为300×400,基础梁截面尺寸为500×700。试件参数及墙体配筋分别如表1和图1所示。

　　 试件混凝土强度等级为C50,其立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量如表2所示。墙体中的钢筋、CFRP筋和钢绞线的直径、屈服强度、极限强度、屈服应变、伸长率和弹性模量的实测值见表3。

　　 试验加载装置由水平加载装置(2 500kN作动器)和竖向加载装置(2个2 000kN千斤顶)组成,采用MTS电液伺服系统对试件进行拟静力加载,如图2所示。0.17轴压比对应的竖向荷载为1 500kN,0.26轴压比对应的竖向荷载为2 431kN,由两个竖向千斤顶平均施加,千斤顶与滑道之间设置有可移动滑块,保证在试验过程中竖向荷载的稳定性。

　　 采用位移控制的加载方案,由试件层间位移角对应的位移来控制,层间位移角为±2.5%之前每级加载循环两次,层间位移角为±2.5%及之后每级加载均循环一次,对应关系如表4所示。

　　 通过在距离基础梁顶部50,100,300mm等高度处对剪力墙边缘构件中的钢筋、CFRP筋、钢绞线及分布钢筋上粘贴应变片,采集试验过程中墙体筋材的应变,同时在墙体外部沿着不同高度设置位移计来测量试验过程中墙体的实时位移。具体的位移计及应变片布置如图3所示。

　　 图4为剪力墙试件受压区破坏形态。试验结果表明:所有试件均在层间位移角为0.4%时开始出现水平裂缝,随着加载等级的逐步增大,裂缝数量增多,裂缝也由刚开始的水平状态向斜向延伸,长度变长。受压区底部的混凝土在层间位移角达到1.8%时开始剥落,最终均呈现出以受弯为主的弯剪型破坏形态。从图4还可以看出:试件CFRPSW-N17和试件CFRPSW-N26的受压区混凝土破坏程度较小,剥落程度相对较轻;试件STSW-N17和试件STSW-N26的受压区混凝土破坏程度较大,破坏区域约为试件CFRPSW-N17和试件CFRPSW-N26的2倍;暗柱内配置钢绞线和CFRP筋的剪力墙在破坏形态上的差异并没有因轴压比的增大而改变。

　　 通过实测水平荷载和最大层间位移得到试件的滞回曲线,见图5。通过对比分析发现:在相同轴压比下,在墙体开裂前,所有试件的荷载-位移曲线近似为线性,墙体处于弹性状态,滞回曲线基本一致;随着荷载增大,墙体开裂,刚度逐渐下降,荷载-位移曲线逐渐向位移轴倾斜发展,位移的增加量较荷载的增加量更为明显。当层间位移角达到1/120后,试件CFRPSW-N17和试件CFRPSW-N26基本达到了极限荷载,随着位移的继续增加,直到破坏之前,墙体承受的荷载变化较小,表现出较好的持载能力;而试件STSW-N17和试件STSW-N26则表现出不同的受力特征,随着位移的继续增加,直到破坏之前,墙体承受的荷载持续增大;在0.17轴压比下试件STSW-N17的破坏荷载比试件CFRPSW-N17增大13.9%,极限位移也达到试件CFRPSW-N17的1.07倍;在0.26轴压比下试件STSW-N26的破坏荷载比试件CFRPSW-N26增大22.5%,极限位移相差不多。

　　 试验构件的骨架曲线如图6所示;各受力阶段对应的荷载如表5所示。由图6及表5可以看出:暗柱内配置钢绞线剪力墙的峰值荷载明显比配置CFRP筋的高,极限变形也大,在0.17的轴压比下,试件STSW-N17的开裂荷载稍低,其屈服荷载、峰值荷载、破坏荷载分别比试件CFRPSW-N17的高43.2%,12.1%,13.9%,试件STSW-N17的侧向极限变形为68.91mm,是试件CFRPSW-N17的1.12倍;在0.26的轴压比下,试件STSW-N26的开裂荷载仍较低,其屈服荷载、峰值荷载、破坏荷载分别比试件CFRPSW-N26的高35.8%,13.5%,22.5%,试件STSW-N26的侧向极限变形为63.07mm,是试件CFRPSW-N26的1.14倍。这是由于和CFRP筋相比,钢绞线具有更大的弹性模量和较高的延伸率。

　　 试件的刚度用割线刚度来表示,割线刚度按建筑抗震试验规程 ^[16]中的规定进行计算。计算所得试件刚度随层间位移的退化曲线如图7所示。从图7中可以看出:轴压比为0.17或0.26时,暗柱内配置钢绞线或CFRP筋的剪力墙刚度退化趋势均相同:加载初期,各试件都有较大的初始刚度;随着墙体开裂产生塑性损伤,各试件刚度逐渐降低,在层间位移为10mm以前,各试件刚度退化程度明显;在层间位移达到20mm以后,各试件刚度退化曲线几乎重合并趋于平缓,直至破坏时各试件刚度基本相同。

　　 采用能量耗散系数E对试件的耗能能力进行评价 ^[16],计算结果见表6。由表6可知,轴压比对剪力墙的耗能能力影响较大,当轴压比为0.17时,试件STSW-N17的能量耗散系数比试件CFRPSW-N17的高23%,试件的耗能能力与其变形能力相关,试件STSW-N17的极限位移相对较大,因此其耗能能力也较好;当轴压比为0.26时,试件CFRPSW-N26和试件STSW-N26的极限位移相差不多,配置钢绞线剪力墙的能量耗散系数稍低,钢绞线或CFRP筋与混凝土的粘结性能会对其耗能能力产生影响。

　　 通过测试每个加载循环结束时试件的残余变形,得到暗柱内配置钢绞线剪力墙和暗柱内配置CFRP筋剪力墙的残余变形,如图8所示。通过对比可以得出:在层间位移角为1.4%以前,暗柱内配置钢绞线剪力墙和暗柱内配置CFRP筋剪力墙的残余变形几乎相同,并且最大不超过2.5mm;从层间位移角为1.6%的加载等级开始,两者残余变形的差距逐渐增大,配置CFRP筋的试件残余变形明显比配置钢绞线的小。当轴压比为0.17时,暗柱内配置CFRP筋剪力墙在破坏时的残余变形约为暗柱内配置钢绞线剪力墙的1/2;当轴压比为0.26时,暗柱内配置CFRP筋剪力墙在破坏时的残余变形约为暗柱内配置钢绞线剪力墙的2/5。所有墙体在破坏时的最大残余变形都控制在15mm以内,说明暗柱中配置纵向CFRP筋或钢绞线均可使剪力墙在大变形下具有较好的自复位效果;由于CFRP筋和钢绞线的抗拉强度、弹性模量以及与混凝土间的粘结强度不同,剪力墙的残余变形也不相同,配置CFRP筋的作用相对较好。

　　 (1)暗柱内配置钢绞线的剪力墙和配置CFRP筋的剪力墙均呈现以弯曲破坏为主的弯剪型破坏,其中暗柱内配置钢绞线剪力墙的受压区混凝土破坏程度比较严重,破坏区域约为配置CFRP筋剪力墙的2倍,配置钢绞线或CFRP筋剪力墙的破坏形态并没有随着本次试验轴压比的提升而改变。

　　 (2)在两种轴压比下,暗柱中配置钢绞线剪力墙的峰值荷载、极限荷载均比配置CFRP筋剪力墙的大;4个试件在整体上都拥有较高的承载力,发挥了CFRP筋和钢绞线高强度的特点。

　　 (3)在0.17和0.26两种轴压比下,暗柱内配置钢绞线剪力墙和暗柱内配置CFRP筋剪力墙的刚度退化趋势基本相同,加载初期各试件刚度退化程度明显,加载后期各试件刚度退化趋势平缓直至破坏时的刚度基本相同;暗柱内配置钢绞线的剪力墙在0.17轴压比下的耗能能力较好,能量耗散系数是配置CFRP筋剪力墙的1.23倍。

　　 (4)在暗柱中配置钢绞线和CFRP筋均能使剪力墙在两种轴压比下的残余变形控制在15mm以内,CFRP筋和钢绞线的线弹性性质使剪力墙在大变形后具有良好的自复位性能;CFRP筋和钢绞线的材性性能以及与混凝土间的粘结强度不同,使得配置CFRP筋的墙体在加载后期的残余变形更小。