姚未来，江世永,，飞 渭，李雪阳

(1.陆军勤务学院 军事设施系，重庆 401311；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.中国人民解放军93212部队，辽宁 大连 116200)

钢筋混凝土结构因其优异的性能和易于施工的工艺，成为目前世界上使用最广泛的建筑结构形式，但随着建筑领域的不断发展，钢筋混凝土结构所存在的缺点也逐渐暴露出来。一方面，混凝土脆性特征明显，韧性差，易开裂，并且自身无法有效抑制裂缝的局部发展，以上问题均会带来一定程度上的抗震隐患，影响结构的安全性和耐久性；同时，钢筋锈蚀问题也是影响结构耐久性的重要因素之一；另一方面，如地震观测站、通讯塔和雷达站等特殊建筑，要求处于无电磁干扰的环境，钢筋属于磁性材料，会造成“静磁干扰”现象，无法满足建筑功能要求。

高韧性水泥基复合材料(High Toughness Cementitious Composite，HTCC)是将单丝短纤维掺入到水泥基材中并均匀分散而形成的一种新型复合材料[1]，最初由Li[2]提出。该种复合材料的增韧机理是通过三维乱向分布的短纤维使材料在受拉过程中呈多缝开裂模式，使其极限拉应变远大于普通混凝土，同时应力能够随着应变的增加而增加，从而具有准应变硬化特性[3]和优异的韧性。已有研究表明[4-6]，与普通混凝土相比，HTCC的脆性特征明显减小，其抗拉性能、抗弯性能及其抗剪性能明显优于普通混凝土，表现出优异的变形能力以及裂缝分散化能力，避免了普通混凝土的脆性破坏模式。

纤维塑料增强筋，简称FRP筋，是由多股连续纤维丝采用基底材料胶合后制成，具有耐腐性好、轻质高强、无磁性等优良特性。

用HTCC代替普通混凝土，FRP筋代替普通钢筋，让两者发挥各自优势，在提高结构耐腐蚀性的同时也保证了结构的抗震性能，并且能够满足地震观测站等特殊建筑的电磁绝缘要求。

由于HTCC优异的变形性能，国内外研究学者对其构件的力学性能已进行了一定程度的研究。张旭[7]对高轴压比下钢筋HTCC柱的抗震性能进行了试验研究，经试验发现，HTCC柱在低周反复荷载作用下均发生弯曲破坏，没有出现普通混凝土柱的劈裂、剥落与粘结破坏现象；研究结果表明，在高轴压比下，与普通混凝土柱相比，HTCC柱表现出更好的抗震性能。邓明科等[8]进行了钢筋HTCC短柱抗震性能试验研究，试验发现，HTCC短柱在破坏时剪切斜裂缝开展缓慢，显著改善短柱的脆性剪切破坏模式；与钢筋混凝土短柱相比，HTCC短柱的刚度退化缓慢，承载力、延性和耗能能力均明显提高；研究表明采用HTCC可显著提高短柱的剪切变形能力，提高其抗震性能和耐损伤能力。赵永生等[9]以养护龄期、纤维掺量和纵筋配筋率为主要参数，进行了GFRP筋HTCC柱的轴压试验研究。结果表明：与传统混凝土柱不同，HTCC柱在破坏时不会出现材料大面积压碎的情况，破坏特征为试件表面可见大量裂缝；养护龄期或配筋率的增加有利于试件承载力的提高，但同时也会增加试件的脆性特征，而纤维掺量对试件的力学性能无明显影响。Li等[10]对GFRP筋HTCC梁和GFRP筋高强混凝土梁分别进行了抗弯试验，经试验发现，在配筋构造相同的情况下，HTCC梁在延性、抗剪承载力和破坏容许度方面都比高强混凝土梁更加优越。Fischer等[11]经试验发现，FRP筋HTCC弯曲构件在反复荷载的作用下，会呈现出一种非弹性弯曲响应，构件残余变形较低，最终破坏形态为逐渐受压破坏。但目前为止，针对FRP筋HTCC柱抗震性能的研究仍鲜有报道，为促进CFRP筋和HTCC在土木工程中的应用，本文对CFRP筋HTCC柱进行了低周反复荷载试验，研究不同轴压比和剪跨比对构件抗震性能的影响。

1 试验设计

1.1 试件设计

本次试验共制作6根CFRP筋HTCC柱，其中3根长柱、3根短柱，剪跨比分别为3和5，柱身截面为250 mm×250 mm；试验柱为倒“T”型柱，柱头截面增大，以便安装试验机作动器。柱身的纵筋和箍筋全部采用直径为8 mm的CFRP带肋螺纹筋，12根纵筋对称布置，底部伸入底座作为锚固措施；箍筋的布置方式为φ8@150井字型复合箍，其中柱底加密区的箍筋间距取100 mm。试件设计示意图如图1所示。试验轴压比取0.2、0.4和0.5，参考《建筑抗震设计规范》[12]，所对应的设计轴压比分别为0.336、0.672和0.84，后文若无特别指出，均指试验轴压比。将6根试验柱按照剪跨比和轴压比的区别，分别编号为Z0.2-3、Z0.4-3、Z0.5-3、Z0.2-5、Z0.4-5和Z0.5-5，主要设计参数如表1所示。

(a)短柱

(b)长柱

1.2 材料力学性能

在浇筑每根试验柱的同时额外制作150 mm×150 mm×300 mm的HTCC棱柱体试件，参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》[13]进行抗压试验，测得每根试件的HTCC轴心抗压强度实测值，如表2所示。试验用CFRP筋的主要力学性能参数如表3所示。

1.3 试验加载与测量

试验在PLU-1000 kN电液伺服多通道拟动力试验机上进行，整个试验加载装置如图2所示。

表1 试件设计参数Tab.1 Parameters of specimens

表2 HTCC轴心抗压强度Tab.2 Axial compressive strength of HTCC

表3 CFRP筋力学性能参数Tab.3 Mechanical parameters of CFRP bars

图2 试验装置Fig.2 Test device

加载制度采用位移控，分为三个阶段进行：加载初期，以水平位移增量0.5 mm为级差进行加载，直至试件出现第一条横向裂缝，该阶段每级加载循环1次；试件开裂后，短柱以水平位移增量2.0 mm为级差，长柱以水平位移增量3.0 mm为级差进行加载，每级加载循环3次；发现当水平荷载不再增加后，进入第三阶段，短柱以水平位移增量3.0 mm为级差，长柱以水平位移增量5.0 mm为级差进行加载，每级加载循环3次。当发现水平荷载下降至峰值荷载的85%或者试件破坏严重后，停止加载，试验结束。

在柱头中部安装拉线位移传感器，记录柱顶端水平位移，同时多通道拟动力加载系统能够全程记录柱头的荷载-位移曲线。此外，在试件底座端部布置百分表，以观测试件有无水平滑移。

2 试验现象及结果

在整个试验过程中发现，布置在试件底座处的百分表度数最大值不超过1.20 mm，因此可以认为试件的水平滑移很小，对试验的影响可以忽略不计。

2.1 试验现象

6根试件在试验过程中的破坏过程呈大致相同的趋势：随着不断加载，于试件受拉侧距柱底约8～12 cm的区域内出现初始横向裂缝，随后在其附近生成越来越多的细微横向裂缝；随着水平位移不断增大，横向裂缝逐渐延伸至两侧面，试件侧面出现斜裂缝，通常在加载的第二阶段末开始逐渐听到明显的“噼啪”声，判断CFRP筋发生明显损伤，同时竖向裂缝也逐渐出现；当荷载下降至直至峰值荷载的85%时，或者破坏严重，考虑到安全因素停止加载，所有试件均没有出现HTCC崩裂和剥落现象；试验结束后凿开试件发现，CFRP纵筋破坏严重，但CFRP箍筋均无明显损坏现象。不同试件之间的区别主要在于生成初始横向裂缝的位移和生成竖向裂缝的位移轴压比越大或剪跨比越大，出现初始横向裂缝的位移越大，但轴压比越大，出现竖向裂缝的位移越小。试件的裂缝与破坏情况如图3所示。

2.2 滞回曲线

各试件的水平荷载-柱端位移滞回曲线如图4所示。

通过对比，可以得到以下规律：

(1)在加载初期，试件的荷载-位移曲线几乎呈线性往返关系；此外，注意到曲线在零点附近存在拐点，这是因为试验机水平作动器的球头连接装置存在一定的空隙，形成空行程而造成。

(2)随着水平位移逐渐增大，试件损伤加剧，荷载-位移曲线不再呈线弹性关系，构件刚度开始逐渐降低，但此时荷载仍能随着位移的增加而增大，只是增大的速率不断降低；当位移增加到一定程度，CFRP纵筋开始发生较为明显的损伤，往往从该级或者下一级加载开始，荷载便不再增加，开始缓慢下降。

(a)Z0.2-3

(b)Z0.4-3

(c)Z0.5-3

(d)Z0.2-5

(e)Z0.4-5

(f)Z0.5-5

(a)Z0.2-3

(b)Z0.4-3

(c)Z0.5-3

(d)Z0.2-5

(e)Z0.4-5

(f)Z0.5-5

(3)整个滞回曲线具有捏缩现象，究其原因是多方面的，例如CFRP筋与HTCC之间存在相对滑移、裂缝在往复加载过程中未及时闭合等问题。通过对比可以看出，相对于轴压比大的试件，小轴压比试件的捏缩现象较为明显，这种差异在加载后期尤为显著。究其原因是因为，加载后期试件在往复动作中裂缝逐渐发展扩宽，在某个水平方向卸载过程中，小轴压比试件的裂缝闭合得较慢，此时刚度较小，直到反向加载到一定程度而使裂缝闭合；相对地，高轴压比下试件由于轴向压力较大，因此裂缝闭合得较快。

(4)在轴压比相同的情况下，同普通钢筋混凝土构件类似，试件的剪跨比越大，水平方向极限承载力越小，但极限水平位移越大。

(5)在剪跨比相同的情况下：试件轴压比越大，水平方向极限承载力越大，极限水平位移也越大，滞回曲线的形状越饱满。

2.3 骨架曲线

骨架曲线是指低周反复荷载试验中每级加载的峰值荷载-峰值位移曲线，能够直观地反映出试件的荷载与位移之间的关系，不同剪跨比以及不同轴压比试件的荷载-位移骨架曲线对比情况如图5所示。

(a)轴压比n=0.2

(b)轴压比n=0.4

(c)轴压比n=0.5

(d)剪跨比λ=3

(e)剪跨比λ=5

由骨架曲线分析可知：

(1)根据试验结果分析并参考相关文献[14]，将本次试验骨架曲线分为三个阶段：①线性增长段，该阶段位移较小，荷载-位移曲线基本上呈线性增长关系；②强化段，随着裂缝逐渐发展，试件刚度开始降低，荷载仍能随着位移的增加而逐渐增大，但增长速率逐渐变小；③强度缓慢退化段，纵筋损伤严重，但在峰值荷载之后水平方向承载力不会陡降，而是在数级往复加载的过程中缓慢下降，直至试验停止。

(2)在剪跨比相同的情况下，不同轴压比试件的骨架曲线在线性增长段相差不大，但从强化段开始，同一位移处，轴压比越大，水平荷载越大；但轴压比为0.5的试件与轴压比为0.4的试件相差不大，前者的极限荷载仅仅稍大于后者；同时还发现，轴压比大的试件骨架曲线强度缓慢退化段越长，极限位移越大。

(3)在轴压比相同的情况下，剪跨比越大，水平荷载越小，且荷载增长速率越慢，但强度缓慢退化段越长，极限位移越大。这是因为，剪跨比大的试件，其刚度越小，达到同一位移转角时，长柱的水平位移要大于短柱。

各试件的骨架曲线极限值如表4所示。

表4 骨架曲线极限值Tab.4 Limit values of skeleton curves

3 抗震性能分析

3.1 刚度退化

刚度是指结构或构件在受力过程中抵抗变形的能力，不同剪跨比以及不同轴压比试件的刚度退化曲线对比情况如图6所示。

(a)轴压比n=0.2

(b)轴压比n=0.4

(c)轴压比n=0.5

(d)剪跨比λ=3

(e)剪跨比λ=5

由图6不难发现，所有试件的刚度退化曲线均呈反比例函数，在加载前期，刚度退化快，随着位移不断增加，刚度退化的速率逐渐变小，曲线逐渐变得平缓。

在剪跨比相同的情况下，在同一位移处，轴压比大的试件刚度较大，但轴压比0.4和轴压比0.5的试件差距不明显，曲线大部分重合；在试验结束时，同一剪跨比的试件刚度基本退化到同一等级。在轴压比相同的情况下，同一位移处，试件剪跨比越小，刚度越大；在加载前期，小剪跨比试件刚度的退化速率明显大于大剪跨比试件。

3.2 耗能性能

目前，对于评价耗能性能的量化指标尚没有统一的标准，常用的有等效黏滞阻尼系数、能量系数、耗能比、功比指数等方法[15]。本文采用等效黏滞阻尼系数法进行试件的耗能能力分析，各试件的等效阻尼黏滞系数曲线如图7所示。

由图7可以看出，对于所有试件，在加载前期，等效黏滞阻尼系数均随着水平位移的增加而大致呈线性增加趋势；随着位移不断增大，等效黏滞阻尼系数-位移曲线出现抖动，但总体上仍呈上升趋势，只是增大速率明显小于加载前期。通过分析认为，CFRP筋HTCC柱在加载前期，水平位移较小，此时构件主要依靠承载力的提高来参与耗能；而随着加载位移的不断增大，纵筋损伤逐渐加剧，此时试件的水平方向承载力开始逐渐降低，但下降速度缓慢，这一阶段主要依靠高韧性水泥基复合材料的塑性变形来参与耗能。

图7 各试件的等效黏滞阻尼系数Fig.7 Equivalent viscous damping coefficient of specimens

总体来看，在同一水平位移处，轴压比越大或者剪跨比越大，等效黏滞阻尼系数越大；在试验结束前最后一滞回环的等效黏滞阻尼系数分别为he,0.2-3=0.096 4、he,0.4-3=0.099 4、he,0.5-3=0.109 4、he,0.2-5=0.097 9、he,0.4-5=0.109 3、he,0.5-5=0.120 8。通过比较等效黏滞阻尼系数可知，试件轴压比越大或者剪跨比越大，等效黏滞阻尼系数越大，表现出更好的耗能性能。龚永智等在对CFRP筋混凝土柱进行等效黏滞阻尼系数分析时也发现了同样的趋势。

3.3 综合性能指标

冯鹏等[16]指出，传统的延性概念并不能全面地反映FRP筋构件的变形性能。在以往对钢筋混凝土构件进行延性分析的过程中，常采用位移延性系数作为衡量指标，以名义屈服点作为参考点，定义为试件极限位移与屈服位移的比值，相当于考虑的是仅仅是试件的位移安全储备，在某种程度上将试件骨架曲线屈服点之后的部分简化为了一条水平直线，认为承载力在屈服之后增长幅度较小，因而忽略了承载力在屈服之后的贡献。然而CFRP筋本身为线弹性材料，本次试验中发现，虽然由于HTCC的特性使得试件整体的骨架曲线表现出类似于钢筋混凝土柱屈服之后产生较大变形的形式，但在骨架曲线中的拐点之后试件的承载力仍有一段较为明显的强化段，表明试件的承载力安全储备不能忽略。

龚永智[17]在进行CFRP筋混凝土柱抗震性能的研究过程中，将Mufti等[18]提出的综合性能指标J做适当改进而使之能够应用于FRP筋混凝土柱，其表达式如下

J=SJ·DJ

(1)

SJ=Fu/Fc

(2)

DJ=Δu/Δc

(3)

式中：SJ为承载力系数，即考虑了构件的承载力安全储备，DJ为变形系数，即考虑了构件的变形安全储备；Fu为试件的极限承载力(剪力或弯矩)，Δu为极限变形(水平位移、转角或曲率)，Fc和Δc分别为混凝土柱受压边缘压应变εc=0.001时试件的承载力和变形。

从综合性能指标J的定义不难看出，该方法综合考虑了承载力和变形能力对试件安全储备的贡献，相比传统的延性系数能够更为准确、全面地反映本次试件的抗震性能。但需注意的是，该方法是针对混凝土柱提出的，无论是Mufti还是龚永智，所选取的参考点均为混凝土受压边缘压应变εc=0.001的点。其依据是，由于CFRP筋混凝土构件的骨架曲线没有明显的屈服点，因此选取混凝土单轴受压应力应变曲线的拐点作为参考点。当混凝土压应变εc<0.001时，混凝土压应力应变曲线基本可视为线弹性关系，而当εc>0.001之后，其应力应变曲线呈现处明显的塑性特征，所以将CFRP筋混凝土构件的极限状态与εc=0.001对应的状态进行比较，用以表征构件的安全储备。而本文使用HTCC代替了混凝土，该材料的力学性能与普通混凝土之间存在较大差异，压应力应变曲线也并不完全相同；同时注意到，虽然使用CFRP筋材，但CFRP筋HTCC柱的骨架曲线仍然表现出类似于钢筋混凝土柱屈服之后变形增大并同时保持一定承载力的形式。因此，针对本次试验现象，将CFRP筋HTCC柱骨架曲线的拐点作为参考点，将调整后的综合性能指标J′定义为

(4)

(5)

(6)

通过调整后的综合性能指标法所得到的计算结果如表5所示。

表5 综合性能指标Tab.5 Comprehensive performance index

通过调整后的综合性能分析可知，试件的承载力系数介于1.16～1.27，变形系数介于3.17～4.50，综合性能系数在3.97～5.36，表明CFRP筋HTCC柱具有较高的承载力储备和变形储备；同时也表明，在参与耗能的过程中，塑性变形的贡献要大于承载力的贡献，但不能因此而忽略试件承载力的安全储备。通过比较可知，对于轴压比相同的试件，剪跨比越大，综合性能指标越大；而对于剪跨比相同的试件，轴压比越大，综合性能指标也越大，表明其变形性能也越大。邓明科等在钢筋HTCC柱抗震性能试验研究中也发现，随着轴压比的增大，试件的变形性能仍能保持在理想的水平，甚至有所提高。

3.4 CFRP筋HTCC柱受力特性

通过以上的耗能分析和综合性能指标分析表明，轴压比越大，CFRP筋HTCC柱的耗能性能和变形性能越好，表现出更好的抗震性能，这与传统钢筋混凝土柱有所不同。接下来从HTCC的受力特点入手，对这一现象进行分析。

与普通混凝土不同，HTCC本身便具有很好的抗拉延性。已有研究表明[19]，由于纤维的桥联作用能够把材料开裂处的能量传至附近的未裂区域，使得开裂区的HTCC并不会退出工作，仍然能承受一定的拉力，即使是无配筋的HTCC构件在开裂之后承载力也不会出现陡降，甚至会逐渐缓慢上升，因此不能向考虑普通混凝土那样忽略HTCC的抗拉作用。所以，在本次试验中，当CFRP纵筋损伤逐步加剧之后，HTCC开始逐渐承担拉力，试件变形能够继续增加同时仍保持较高的水平方向承载力。由此可见，CFRP筋HTCC柱在反复荷载作用下的受力过程实际上可以分为两个阶段：①第一阶段，纵筋尚未发生明显损伤，拉力主要由纵筋承担；②第二阶段，随着位移不断增加，纵筋损伤逐步加剧，在此之后HTCC也开始逐渐承担大量拉力。下面将分别针对这两个阶段来分析轴压比的影响。

3.4.1 第一阶段

通过试验现象和结果可知，所有试件的纵筋往往在峰值荷载附近损伤开始加剧，因此可以认为，在纵筋尚未发生明显损伤的这一阶段内，CFRP筋HTCC柱还未达到水平方向的极限承载力。该阶段内，与钢筋混凝土类似，试件在反复荷载作用下，受压区压力主要由HTCC承担，受拉区拉力主要由纵筋承担。如果假设试件在整个破坏过程都处于该阶段的状态，即纵筋始终承担主要拉力，那么试件的破坏模式则应该是由于受压区HTCC被压坏而导致承载力下降；若此状态下轴压力越大，则HTCC就越容易被压坏。所以该阶段内，轴压力对CFRP筋HTCC柱的抗震性能理应是不利因素，轴压比越小试件的变形性能越好，这一结论与轴压比对钢筋混凝土柱的影响是一致的。

3.4.2 第二阶段

当纵筋损伤逐渐加剧，HTCC也开始承担大量的拉力。需要注意的是，本次试验中所有试件在CFRP纵筋发生明显损伤现象之前，均未出现HTCC压坏的现象。参考相关文献[20]可知，纤维的增韧作用很大程度上改善了材料的压缩韧性，HTCC的极限压应变明显大于普通混凝土，纤维的桥联作用使得材料达到峰值压应力之后的荷载下降段较之普通混凝土要明显平缓；同时前文也提到，处于受拉状态的HTCC在开裂前期并不会退出工作，其本身就具有很好的抗拉能力。因此在这两个前提条件下，当纵筋发生明显损伤后，试件仍然是具有良好的变形能力，承载力也不会骤降，对应于骨架曲线中峰值荷载之后一段较长的强度缓慢下降段。由于所有试件的箍筋均未发生明显损坏现象，表明试件内部核心区的复合材料所受的剪切破坏程度较轻，可以认为导致试件最终破坏的因素应该是以下两方面：受压区HTCC被逐渐压坏或受拉裂缝向内延伸较大而导致试件有效承压面积过小；试件两侧的受拉裂缝不断扩展延伸，最终贯通整个截面。该阶段内，轴压力的存在能够抑制横向主裂缝的发展，减缓断裂面破坏程度，一定程度上增大了试件的有效承压面积，同时也推迟了试件两侧拉伸裂缝的贯通，因此可以认为，在试件受压区HTCC压坏之前，轴压力对试件的变形性能是有利的。另一方面，由于HTCC优异的压缩韧性，受压区边缘的材料在达到峰值压应变之后并不会出现崩裂或剥落，并且边缘部分HTCC的压坏只是导致了试件正截面的有效承压面积减小，并不意味着试件的破坏，此后试件的破坏因素仍旧由HTCC压坏的加剧和拉伸裂缝的扩展共同控制；因此可以认为，在HTCC出现压坏现象后，轴压力仍然具有一定的有利影响。

从试件破坏情况来看，轴压比为0.2的试件均没有出现HTCC压坏现象，其破坏是由横向裂缝扩展过快而引起；而轴压比为0.4和0.5的四个试件在加载后期均出现了HTCC起皮现象，表明受压区材料开始逐渐破坏，而轴压比为0.5的试件起皮现象更加严重，HTCC压坏现象更加明显。通过所有试件破坏形态的对比，证明上文中对轴压比影响的分析是合理的，符合本次试验现象。

综上所述，对于CFRP筋HTCC柱而言，在主要由纵筋承担拉力的阶段，轴压力对试件的变形性是不利的；而当纵筋损伤加剧之后，轴压力反而能够推迟试件的破坏，此时轴压比越大，试件的变形性越好。而从骨架曲线来看，试件总体的变形主要体现在峰值荷载之后，即纵筋损伤加剧之后，所以总体来说，轴压比越大，试件的变形性能越好。但需要指出的是，若轴压力过大，也有可能导致HTCC过早压坏而减小试件的变形性能。由于本次试验样本有限，未发现此现象，因此，本文的结论只针对本次试验所选取的轴压比范围，即n=0.2～0.5。

4 结 论

本文通过CFRP筋HTCC柱低周反复荷载试验研究，初步得到以下结论：

(1)在低周反复荷载作用下，CFRP筋HTCC柱受拉两面出现大量横向裂缝，主裂缝宽度与深度发展缓慢，改善了混凝土试件的脆性破坏特征；纵筋在峰值荷载附近发生明显损伤，但箍筋全程均无明显的损坏现象；整个试验过程中，均没有出现HTCC崩裂、剥落等情况，表明CFRP筋HTCC柱具有较高的破坏容许度。

(2)CFRP筋HTCC柱的骨架曲线可分为三个阶段：线性增长段，该阶段位移较小，荷载-位移曲线基本上呈线性关系；强化段，试件刚度开始逐渐降低，荷载仍能随着位移的增加而增大，但增长速率逐渐变小；强度缓慢退化段，随着位移不断增大，纵筋损伤逐步加剧，荷载不再增加，但试件的水平方向承载力不会陡降，而是在数级加载的过程中缓慢下降。试件轴压比越大(n=0.2～0.5)，水平方向极限承载力越大，极限位移也越大；试件剪跨比越大，水平方向极限承载力越小，但极限位移越大。

(3)剪跨比越大或轴压比越大(n=0.2～0.5)，CFRP筋HTCC柱的耗能性能和变形性能越好，表现出更好的抗震性能。同时也指出，该结论只限于本文的轴压比范围，即n=0.2～0.5。