在双向振动台试验中，碳纤维增强（CFRP）预应力预制植物纤维-氧化镁水泥复合材料框架结构的抗震性能

《Journal of Building Engineering》：Seismic performance of CFRP-strengthened prefabricated plant fiber-magnesium oxychloride cement composites frame structures under bidirectional shaking table tests

植物纤维-氧化镁氯盐水泥复合材料（PF-MOC）框架结构通过CFRP加固，采用1:3缩比模型进行双向地震振动台试验，分析不同峰值地面加速度（0.05-0.85g）下的动态特性、加速度放大系数（整体下降但局部上升）、层间位移角（最大1/769）及基底剪力（11.62kN），验证其系统级抗震性能稳定，为低碳预制结构工程应用提供实验依据。

　　

王明亮|张华刚|方强|顾鹏业|王秦正|田鹏刚

贵州大学空间结构研究中心，中国贵阳，550025

摘要

植物纤维-氧化镁水泥复合材料（PF-MOC）是一种低碳且可持续的建筑材料。现有的研究主要集中在PF-MOC的材料性能和组件级别的性能上，其在静态或准静态载荷下的表现，而其对地震激励的系统级动态响应仍不清楚。因此，设计并测试了一个1:3比例的两层单跨PF-MOC框架结构，并用碳纤维增强塑料（CFRP）进行了加固。地震动作用于El Centro和Taft地震记录中选取，考虑了单向和双向地震输入。测量并分析了框架的动态特性、加速度和位移响应以及剪力分布。结果表明，当峰值地面加速度（PGA）从0.05 g增加到0.85 g时，X方向和Y方向的基本频率分别下降了18.47%和7.90%。整体加速度放大系数（AAF）通常随着PGA的增加而减小，尽管在较高激励水平下由于周期延长和与响应谱峰值的耦合而观察到局部增加。在PGA为0.1 g和0.62 g时，最大层间位移比分别达到了1/769和1/83，最大基底剪力达到了11.62 kN。总体而言，结果表明，用CFRP加固的预制PF-MOC框架结构表现出稳定的系统级动态行为，为它们的地震评估和潜在的工程应用提供了实验证据。

引言

在全球碳中和目标以及绿色建筑概念的推动下，建筑行业面临着减少能源消耗和环境影响日益增加的压力[1]。普通波特兰水泥（PC）作为传统混凝土的主要粘合剂，在其生产过程中大约占全球人为二氧化碳排放量的5%–8%[2]。预制建筑已被广泛认为是提高建筑效率、质量控制和资源利用的有效方法，从而促进了工业化和可持续的建筑实践[3]。然而，大多数现有的预制结构系统仍然严重依赖传统混凝土，其相关的环境负担尚未得到根本缓解。这激发了开发与预制结构系统兼容的低碳水泥基材料的兴趣。

植物纤维-氧化镁水泥复合材料（PF-MOC）是通过将植物纤维加入氧化镁水泥（MOC）基质中制成的。与PC相比，MOC生产相关的二氧化碳排放量大约低40%–50%[4]，[5]，[6]。此外，利用木材加工的副产品——木材废料，不仅减少了固体废物的产生[7]，[8]，还减少了了对原始木材资源的依赖，从而减轻了森林砍伐和生态退化[9]。尽管植物纤维既用作增强材料也用作填充物，但PF-MOC仍然是一种无机水泥基复合材料，因此其地震行为应基于其自身的结构系统特性来确定。

先前的研究表明，PF-MOC具有足够的抗压、抗弯和抗拉能力，其密度大约是传统混凝土的一半，这有助于减轻结构自重[10]，[11]。然而，由于多孔微观结构和非均匀纤维分布等因素，PF-MOC的延展性和强度稳定性仍然有限。杨等人[12]表明，通过优化纤维类型、纤维含量和界面处理技术，PF-MOC的抗压强度可以在4.4–45 MPa的范围内进行调整。这些研究为PF-MOC的结构应用奠定了材料和组件级别的基础。然而，一个关键的未解决问题是，从材料和组件测试中确定的性能特性是否可以可靠地转移到预制结构系统的地震行为上，因为在这些系统中，整体响应受冗余性、隔板作用、连接行为和多方向耦合的影响。

与MOC基材料相关的一个关键挑战是自由氯离子的存在，这可能会引起嵌入钢筋的腐蚀[13]，[14]，从而限制了它们在传统钢筋混凝土系统中的应用。CFRP以其高强度重量比和优异的耐腐蚀性而广泛用于提高混凝土和木材结构的承载能力、刚度、延展性和地震性能[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。对于PF-MOC结构构件，王等人[26]报告称，外部粘合的CFRP有效改善了PF-MOC梁的破坏模式，并提高了其承载能力和延展性。冯等人[27]进一步证明，CFRP加固的PF-MOC柱不仅改善了破坏行为和承载能力，还在偏心压缩下显著提高了延展性和极限强度。这些发现表明CFRP和PF-MOC之间存在有利的机械和耐久性协同作用，为它们在预制结构系统中的应用提供了可行的加固策略。

尽管在理解PF-MOC材料性能和组件级别行为方面取得了实质性进展，但预制PF-MOC框架系统在结构级别的地震性能仍不够清楚[28]，[29]。在实际工程应用中，地震设计和性能评估是由整个结构系统的整体动态响应决定的，而不是由孤立组件的行为决定的。将组件级别的实验结果直接外推到系统级别的地震性能可能会产生误导。在结构系统尺度上，响应受到构件和接头之间相互作用的影响，特别是连接滑移和摩擦以及CFRP加固层的影响。此外，地震激励下的载荷重新分配和累积损伤进一步改变了整体行为。因此，系统级别的特性（例如，刚度退化路径、能量耗散机制、扭转耦合和变形兼容性）不能仅通过材料或组件级别的测试完全捕捉到[30]，[31]，[32]。此外，应在结构系统级别证明采用PF-MOC的实际价值。系统级别的响应指标应与文献中报告的组件级别预期和设计实践中常用的地震性能限制进行对比解释。

因此，本研究通过使用具有代表性的地震记录，通过1:3比例的单向和双向振动台测试，研究了用CFRP加固的两层单跨预制PF-MOC框架的系统级地震响应。在逐渐增加的地震强度下，测量并分析了动态特性、加速度和位移响应以及层间剪力分布。为了阐明组件到系统的可转移性和PF-MOC系统的工程优势，本文提供了三个贡献。首先，在单向和双向输入下量化了关键的系统级别响应指标。其次，讨论了观察到的整体行为与PF-MOC构件和接头报告的组件级别破坏倾向之间的关系。第三，从潜在的系统级别优势角度解释了结果，包括与CFRP结合时减少的质量相关地震需求和耐久性考虑。这些结果为这种低碳预制结构系统的地震评估和潜在工程应用提供了实验证据。

测试模型设计

如图1所示，根据中国7级地震区的标准，设计并建造了一个1:3比例的CFRP加固预制PF-MOC框架结构的实验模型。该模型是平面对称的，层高为1.0米，总共两层。框架在X方向和Y方向上都是单跨的，跨度分别为1000毫米和1200毫米。框架梁（FB）、框架柱（FC）和肋梁（RB）是

测试观察

测试完成后，模型如图12所示。在所有输入的地面运动中，Taft记录产生了最大的结构响应。所有案例完成后，梁和柱构件均未出现损坏，接头的裸露钢表面也没有发现裂缝。梁中的螺栓孔保持完好，螺栓连接也没有松动或损坏。这些观察表明连接是安全的，结构

结论

对用CFRP加固的1:3比例的两层预制PF-MOC框架进行了单向和双向地震激励下的振动台测试。根据观察到的响应，得出以下结论：

(1)

在单向或双向激励下，均未观察到CFRP、钢连接器或螺栓接头的损坏。在整个测试过程中，构件和连接的完整性得到了保持，确保了系统级别的可靠力传递。

(2)

作者贡献声明

方强：写作——审阅与编辑，概念化。张华刚：写作——审阅与编辑，监督，方法论，资金获取，概念化。王明亮：写作——初稿，方法论，调查，数据管理。田鹏刚：调查。王秦正：调查。顾鹏业：调查

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（52068008）、贵州省基础研究计划（自然科学）（QianKeHeJiChu [2024]137和MS[2025]678）、贵州省教育委员会青年科学基金（QianJiaoJi [2024]020）以及贵州大学的基础研究项目（GuiDajiChu [2024]18）的财政支持。