近海大氣環境下低矮RC剪力墻抗震性能試驗

鄭山鎖，秦 卿，楊 威，甘傳磊，張藝欣，丁 莎

（西安建筑科技大學土木工程學院，710055西安）

近海大氣環境下低矮RC剪力墻抗震性能試驗

鄭山鎖，秦 卿，楊 威，甘傳磊，張藝欣，丁 莎

（西安建筑科技大學土木工程學院，710055西安）

為了解近海大氣環境下低矮RC剪力墻的抗震性能，采用人工氣候實驗室對6片剪跨比1.0的低矮RC剪力墻試件進行模擬近海大氣環境腐蝕試驗，進而對其進行擬靜力試驗，得到不同軸壓比和不同銹脹裂縫寬度下腐蝕試件的滯回曲線，繪制出各個試件的骨架曲線，分析軸壓比和銹脹裂縫寬度對腐蝕試件強度、剛度、延性、耗能能力等抗震性能指標的影響.結果表明：隨軸壓比增加，腐蝕試件的承載力和剛度不斷提高，而延性和變形恢復能力卻降低，表明在近海大氣環境下對低矮RC剪力墻進行抗震設計時需要嚴格控制其軸壓比；隨銹脹裂縫寬度的增加，試件的開裂荷載和峰值荷載不斷降低，剛度、延性和耗能能力均變差，當遭受腐蝕較為嚴重時，脆性破壞更為顯著，說明在近海大氣環境下低矮RC剪力墻內部鋼筋銹蝕越來越嚴重，抗震性能越來越差.

近海大氣環境；低矮RC剪力墻；銹脹裂縫寬度；擬靜力試驗；抗震性能

中國擁有漫長的海岸線，許多沿海建筑物飽受鹽害影響，且隨齡期的增長其結構安全性與使用性逐漸降低［1］.而某些沿海城市同時處于高烈度地震區，這就要求經鹽害腐蝕的建筑物具有良好的抗震能力.目前，剪力墻由于良好的抗側力能力被廣泛應用于多、高層建筑物中［2］，而低矮RC剪力墻則廣泛用于核電站等建筑物中［3］，在近海大氣環境下RC構件因鹽害導致內部鋼筋產生銹蝕現象在結構設計中并沒有充分考慮，隨齡期增長，如果對經鹽害腐蝕的建筑物不及時進行補強措施將會造成不可預計的損失.

目前國內外對氯離子侵蝕下銹蝕RC構件抗震性能的研究，多采用人工通電方式控制RC構件中鋼筋的銹蝕程度，文獻［4－6］均采用通電銹蝕進行RC長柱的擬靜力試驗，并給出銹蝕RC柱彎曲破壞恢復力模型；文獻［7］也采用通電方法對2片低矮RC剪力墻進行銹蝕，然后再對其進行擬靜力試驗；文獻［8］研究了表面不同覆蓋材料的低矮RC剪力墻經鹽害腐蝕劣化后的抗震能力，并與文獻［7］試驗進行對比，驗證了其理論模型的準確性，其結果為評估經鹽害腐蝕劣化的建筑物抗震能力時對低矮剪力墻力學性質折減提供了理論依據；文獻［9］建議采用概率退化預測模型和觀察相結合的評估方法預測鋼筋銹蝕的質量損失率，提出了銹蝕梁、柱和銹蝕率相關的彎曲和剪切能力模型，并通過經電化學腐蝕的足尺銹蝕梁試驗對其進行驗證，建立了基于pushover分析對腐蝕RC結構進行抗震性能評估的方法.然而通電銹蝕雖然在短時間內加速了鋼筋銹蝕，但銹蝕產物與近海大氣環境下的銹蝕產物差異明顯.所以，文獻［10］提出人工氣候環境模擬技術，是發展RC結構構件耐久性試驗方法的重要途徑，文獻［11］提出的沿海混凝土結構耐久性多重環境事件相似（METS）試驗，亦為人工氣候加速腐蝕與現場環境之間的時間關系轉化提供了理論支撐，推動了人工氣候試驗模擬技術的應用.

采用人工氣候環境模擬技術實現低矮RC剪力墻試件海大氣環境下的加速腐蝕試驗，進而對加速腐蝕后不同軸壓比和不同銹脹裂縫寬度的試件進行擬靜力試驗研究，系統探討近海大氣環境下鋼筋銹蝕對低矮RC剪力墻抗震性能的影響.為中國沿海地區以低矮RC剪力墻為主要抗側力構件的建筑物抗震設計和耐久性評估提供理論依據.

1 試 驗

1.1 試件設計

本試驗共設計了6片剪跨比為1.0的低矮RC剪力墻試件，以銹脹裂縫寬度、軸壓比為主要變化參數.試件截面尺寸700mm×100mm，墻體高度700mm，墻體采用邊緣暗柱結構，暗柱縱筋采用412，配筋率4.52%，箍筋為6，間距150mm.墻體縱向分布鋼筋采用86，配筋率0.45%，水平分布鋼筋采用86，配筋率0.32%，混凝土保護層厚度為10mm.

采用P.O 32.5R水泥配制C30混凝土，其配合比為水泥∶中砂∶細石∶水＝320∶879∶870∶135.材性試驗結果：混凝土軸心抗壓強度平均值為18MPa，彈性模量為2.85×104MPa，鋼筋力學性能見表1.試件尺寸與配筋見圖1，構件編號及基本信息見表2.

表1 鋼筋力學性能 MPa

圖1 試件尺寸及配筋（mm）

表2 銹蝕低矮RC剪力墻試件設計參數

1.2 試驗方案

文獻［11］對人工氣候環境下內摻氯鹽與氯離子外侵兩種加速腐蝕方案進行對比分析：認為內摻氯鹽的加速腐蝕效果更佳，在高溫、高濕、鹽水噴淋、紅外光照等途徑下，可在較短期限內達到預期腐蝕效果，故本試驗在澆注墻板混凝土時摻入5%的氯鹽（質量比），達到鋼筋表面鈍化膜能快速脫鈍破壞的目的.

采用中性鹽霧試驗（NSS）［12］模擬近海大氣環境，其鹽溶液質量分數為（5±1%），試驗表明溶液質量分數在5%時，加速腐蝕效果最好；設定人工氣候室內溫度45℃，濕度為90%，其中溫度采用水箱加熱，通過人工氣候室內的溫、濕度傳感器控制.為了加速鋼筋混凝土試件的腐蝕速度，模擬干濕循環的實際環境，采用間歇式噴霧以保持鹽霧箱內的鹽霧質量分數恒定，人工氣候實驗室室內參數設置見圖2.

采用精度0.01 mm，量程0～10 mm的裂縫觀測儀對剪力墻表面的銹脹裂縫定期進入人工氣候試驗室內進行觀察，試件銹脹裂縫達到表2設計寬度時，分批次將試件從人工氣候室內取出.

圖2 人工氣候環境參數設定

1.3 試驗加載裝置與制度

低矮RC剪力墻試件經人工氣候實驗室鹽霧腐蝕后，在西安建筑科技大學結構與抗震重點試驗室進行擬靜力試驗，采用懸臂梁式加載方案、偽靜力試驗方法，加載裝置見圖3.

圖3 試驗裝置

首先施加豎向荷載，達到試件的設計軸壓比，并在試驗過程中保持不變.然后再由水平作動器對試件施加往復水平荷載.由于低矮RC剪力墻的破壞屬于脆性破壞，沒有明確的屈服點，故采用位移控制的變幅加載制度，加載速率為0.1mm／s，見圖4.當試件承載力下降到峰值承載力的85%或試件破壞明顯時停止試驗.

2 結果及分析

2.1 鋼筋銹蝕現象

刮去截取鋼筋表面粘附的混凝土，用12%的稀鹽酸溶液進行酸洗，銹蝕物被除干凈經清水漂凈后，用石灰水中和，最后再用清水洗凈、擦干后在干燥器中存放4～6 h，用分析天平稱重，并測量其長度，計算出鋼筋銹蝕后單位長度的重量，與制作試件之前預留的未銹鋼筋樣本的單位長度重量對比，按式（1）計算獲得鋼筋的實際銹蝕率（見表3）.

式中：ρsv為鋼筋平均銹蝕率；g0為樣本鋼筋單位長度重量；g1為除銹后單位長度鋼筋的重量.

圖4 加載制度示意

表3 銹蝕鋼筋質量損失率

由表3可知，暗柱縱筋最大銹蝕率為2.53%，相對暗柱箍筋和分布鋼筋銹蝕程度較輕，主要是暗柱縱筋相對靠近里側，其周圍氯離子質量分數有限.

2.2 試件破壞過程

未經人工氣候實驗室鹽霧腐蝕的試件SW－2，軸壓比0.2，當水平位移加載至4.7mm時，在墻體一側暗柱底部出現了第一條水平微裂縫；繼續加載，暗柱底部水平裂縫不斷向上發展并斜向腹板延伸，同時暗柱中間部分出現若干條水平裂縫；隨著位移不斷增加及反復，原有裂縫不斷沿對角45°方向延伸并相互貫通，將腹板分割成塊狀，在這一階段，試件總體變形不大，裂縫寬度尚小，反向加載時所產生的腹板斜壓區尚能恢復到加載前的位置，再加載時斜壓區還能有效傳遞壓力，承載力還能繼續提高；隨著位移幅值的進一步增大，腹板對角斜裂縫不斷變寬，混凝土在剪壓應力共同作用下達到其極限強度，開始鼓包、剝落.破壞呈明顯的脆性，屬于剪切斜壓破壞，沒有明顯的屈服點.

對于軸壓比相同而銹脹裂縫寬度不同的試件SW－3、SW－4和SW－5，其基本破壞特性與完好試件SW－2類似，只是隨著銹脹裂縫寬度的增加開裂位移、開裂荷載、峰值位移和峰值荷載不斷減小；而且斜裂縫發展速度隨銹脹裂縫寬度的增加而變快，脆性破壞更為突然.

對于銹脹裂縫寬度相同而軸壓比不同的試件SW－1、SW－4和SW－6，其基本破壞特性與完好試件SW－2也基本相同，只是隨著軸壓比的增加其開裂位移和峰值位移不斷減小，而開裂荷載和峰值荷載卻不斷提高，脆性破壞更無征兆.

2.3 滯回曲線

根據試驗測得6片低矮RC剪力墻試件的P－Δ滯回曲線，見圖5.

圖5 SW 1～SW 6試件滯回曲線

1）銹脹裂縫寬度不同但軸壓比相同的低矮RC剪力墻（SW－2、SW－3、SW－4和SW－5）在開裂之前滯回曲線基本呈線性關系，且隨銹蝕程度的增加斜率不斷減小，承載能力也不斷減小；隨著銹蝕程度的不斷增長，滯回曲線的豐滿程度和滯回環的面積逐漸減小，滯回循環次數也逐漸減少，說明試件的耗能能力和延性有所降低；超過極限荷載后，試件承載力和剛度的降低更趨明顯，滯回環的形狀也越來越不穩定.

2）軸壓比不同但銹脹裂縫寬度相同的低矮RC剪力墻（SW－1、SW－4和SW－6）在開裂之前滯回曲線也呈線性關系，且隨軸壓比的增加斜率不斷增加；開裂后，隨著軸壓比的增大，卸載后的殘余變形越來越大，而且同級加載循環的退化更趨明顯，強度退化和剛度退化也更顯著；同時隨著軸壓比的增加，峰值荷載不斷提升，但是加載循環次數卻逐漸減少，說明變形能力越來越差，滯回環也越來越不穩定.

2.4 骨架曲線及其特征參數

基于試驗滯回曲線，得出低矮RC剪力墻試件的骨架曲線，見圖6.按照“通用屈服彎矩法”［13］確定試件的等效屈服點，由于低矮RC剪力墻均屬于脆性破壞，達到峰值荷載后承載力突然下降，故本文規定峰值荷載即為試件的極限荷載，峰值荷載對應的位移即為極限位移.并通過延性系數μ和塑性轉角θp［14］作為衡量低矮RC剪力墻延性變化的指標，計算公式：

式中：Δu為試件極限位移；Δy為試件屈服位移，H為低矮RC剪力墻的計算高度.

各剪力墻試件的屈服荷載（Py）、屈服位移（Δy）、峰值荷載（Pm）、峰值位移（Δm）、極限荷載（Pu）、極限位移（Δu）、延性系數（μ）和塑性轉角（θP）計算結果見表4.

圖6 試件骨架曲線

表4 骨架曲線特征參數

由圖6和表4可知：

1）隨著軸壓比的增加，經腐蝕的低矮RC剪力墻的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載都不斷提高；相反，試件的延性系數、塑性轉角則不斷減小.說明在近海大氣環境下軸壓比直接影響銹蝕RC剪力墻的抗震性能，在進行結構抗震設計時需要嚴格控制軸壓比.

2）隨著銹脹裂縫寬度的增加，低矮RC剪力墻的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載都不斷降低，試件的延性系數、塑性轉角也不斷減小.銹脹裂縫寬度為1.2 mm時，峰值荷載下降至完好試件的86%，延性系數減小為71%.說明在近海大氣環境下鋼筋銹蝕對試件的承載力和延性影響均較顯著.

2.5 剛度退化

采用割線剛度來表示試件的剛度，試件每級循環的平均剛度用下式計算［15］：

式中：＋Pi、－Pi分別為正反向第 i次峰點荷載值，＋Δi、－Δi分別為正反向第i次峰點位移值.開裂后的割線剛度與循環次數的關系曲線見圖7.

圖7 試件的剛度衰減曲線

1）隨著軸壓比的增大，試件的“嵌固效應”使得初始剛度明顯提高，且同級循環剛度退化的趨勢基本一致；峰值荷載后，軸壓比大的SW－6剛度退化越嚴重，曲線越陡峭，相反軸壓比較小的SW－1剛度退化較平緩.

2）隨著銹脹裂縫寬度的增大，各個試件初始剛度的退化趨勢基本保持一致；當達到峰值荷載后，SW－2、SW－3剛度退化較平緩，趨勢基本一致，而SW－4、SW－5的退化較為嚴重，曲線也相對陡峭，隨著循環次數的增加，SW－5的同級位移下剛度退化加快.

2.6 強度衰減

經人工氣候實驗室鹽霧腐蝕的試件內部鋼筋截面削弱，且其表面的銹蝕物減小了鋼筋截面與混凝土的粘結力，從而使試件的力學性能發生一定的退化，其中強度衰減是反映這種退化的重要宏觀物理量之一［16］，可以充分體現鋼筋銹蝕對試件抗震性能的影響.不同軸壓比和不同銹蝕程度試件在開裂后的強度與循環次數的關系曲線見圖8.

1）隨著軸壓比的增加，加載初期，試件同級強度退化基本一致；但是在加載后期，高軸壓比SW－6同級強度衰減更為嚴重.這主要是因為軸壓比增加可以提高試件的承載力，但是降低了試件的延性，促使試件在破壞階段強度衰減加快，脆性相應增加.

2）隨著銹脹裂縫寬度的增大，加載初期，各個試件同級強度退化趨于一致；但是在加載后期，銹蝕程度嚴重的SW－4和SW－5強度退化較為顯著.這主要是因為鹽霧腐蝕對鋼筋的影響更為嚴重，加載初期，試件主要通過鋼筋與混凝土共同受力，故對其同級循環強度退化影響不大；而到加載后期，混凝土破碎，試件則主要靠鋼筋承受荷載，故強度退化會越來越嚴重.

圖8 試件強度衰減退化規律

2.7 耗能特性

采用等效粘滯阻尼系數來描述鋼筋銹蝕對低矮RC剪力墻滯回耗能特性的影響，等效粘滯阻尼系數he［13］計算公式為

式中：面積SABCD為荷載正反交變一周時結構所耗散的能量；SOBE和SODF為理想彈性結構在達到相同位移時所吸收的能量，見圖9.

圖9 粘滯阻尼系數計算簡圖

結構變形恢復能力直接影響結構震后的使用性能、可修復程度和修復費用［13］.銹蝕低矮RC剪力墻的變形恢復能力可用殘余變形率η來表示，其表達式為

式中：Δe為試件的最大殘余變形，Δu為試件的極限變形.低矮RC剪力墻試件在峰值點處的殘余變形Δr、等效粘滯阻尼系數計算結果見表5.

表5 銹蝕低矮RC剪力墻的變形恢復能力與耗能特性

此外，本文給出了不同軸壓比和不同銹蝕程度低矮RC剪力墻試件累積滯回耗能隨位移幅值的變化曲線，見圖10.

圖10 累積耗能與水平位移關系曲線

由表5和圖10可知：

1）隨著試件軸壓比的不斷增大，殘余變形率先減小后增大，即試件的變形恢復能力先減小后增大，整體呈下降趨勢；試件等效粘滯阻尼系數卻逐漸減小，表明試件的耗能能力不斷降低；而最終試件的累積耗能基本趨于一致.總體上，隨軸壓比的增加，銹蝕試件的耗能能力不斷減小，同樣說明近海大氣環境下在進行結構抗震設計時需嚴格控制低矮RC剪力墻軸壓比.

2）隨銹脹裂縫寬度不斷增加，殘余變形率整體呈增加趨勢，表明試件變形恢復能力越來越差；而試件的等效粘滯阻尼系數先增加后減小，主要是由于銹蝕試件隨銹蝕率增加殘余變形不斷增大，致使滯回環趨于飽滿，表現出具有良好的耗能能力，但是由于銹蝕嚴重的試件SW－5后期脆性加重，試件較早破壞，其殘余變形率、粘滯阻尼系數和累積滯回耗能都降低.

3 結 論

1）近海大氣環境主要導致了低矮RC剪力墻內部鋼筋銹蝕，通過觀察試件表面和加載后取出的鋼筋表面，以及測量截取鋼筋的質量損失率，可知分布鋼筋和暗柱箍筋的腐蝕相對嚴重，暗柱縱筋腐蝕較輕.

2）銹蝕程度基本相同的低矮RC剪力墻試件，隨著軸壓比的增加，試件的屈服荷載、極限荷載、剛度不斷增大，相反，試件的延性、塑性轉角、等效粘滯阻尼系數卻不斷減小，殘余變形率隨軸壓比增加整體呈下降趨勢，但是由于高軸壓比的試件后期脆性增加，致使不同軸壓比試件累積滯回耗能基本相同.綜合考慮各項參數，在近海大氣環境下進行結構抗震設計時需嚴格控制低矮RC剪力墻的軸壓比.

3）軸壓比相同的低矮RC剪力墻試件，隨試件銹脹裂縫寬度的增加，試件的屈服荷載、極限荷載、剛度、延性、塑性轉角、累積滯回耗能都不斷減小，而試件的殘余變形率和等效粘滯阻尼系數先增后減，主要是由于銹蝕嚴重的試件后期脆性加重所致，試驗現象表現為：斜裂縫發展速度隨銹脹裂縫寬度的增加而變快，且銹蝕率的增大導致試件破壞時脆性更為顯著.近海大氣環境下，建筑物隨齡期增長，內部鋼筋銹蝕愈發嚴重，銹脹裂縫寬度增大，低矮RC剪力墻試件抗震性能越差.

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（編輯趙麗瑩）

Experimental research on theseism ic behaviors of squat RC shear walls under offshore atmospheric environment

ZHENG Shansuo，QIN Qing，YANGWei，GAN Chuanlei，ZHANG Yixin，DING Sha

（School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，710055 Xi’an，China）

The accelerated corrosion tests of six squat shearwallswith span ratio of 1.0 were conducted by artificial climate laboratory to understand the seismic performance of squat RC shear walls under offshore atmospheric environment.Their quasi-static experimentswere implemented.The hysteresis loops regarding the relation between horizontal load and displacement of specimenswith differentaxial compression ratio and various degrees of corrosion crack width were obtained.The skeleton curves of specimenswere further achieved.Based on the test results，some performance aspects，such as the ultimate capacity，rigidity，ductility and energy dissipation capacity，were analyzed.The result shows that with the increase of axial compression ratio the bearing capacity and stiffness of corrosion specimens continued to improve，while their ductility and the deformation recovery capability are reduced.Thesemanifest that the axial compression ratio must be strictly controlled during seismic design under offshore atmospheric environment.In addition，the crack load and the ultimate load，rigidity，ductility，energy dissipation capacity decrease with the increase of corrosion crack width of specimens.Moreover，when the specimen subjected to serious corrosion，the brittle failure ismore obvious without any warning.Above findings demonstrate that with concrete ages growing over time，the internal rebar under this condition suffers increasingly severe corrosion and behavesworse in seismic performance.

offshore atmospheric environment；squat RC shear wall；corrosive crack width；quasi-static tests；seismic behavior

TU375

A

0367－6234（2015）12－0064－06

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.12.011

2014－11－04.

國家科技支撐計劃（2013BAJ08B03）；教育部高等學校博士學科點專項科研基金（20136120110003）.

鄭山鎖（1960—），男，教授，博士生導師.

秦 卿，qinqing.2007.qq＠163.com.