反復(fù)荷載作用下纖維增強(qiáng)異形柱的抗震性能試驗(yàn)

王鐵成，郝貴強(qiáng)，趙海龍，張學(xué)輝

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市土木工程結(jié)構(gòu)及新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

反復(fù)荷載作用下纖維增強(qiáng)異形柱的抗震性能試驗(yàn)

王鐵成1,2，郝貴強(qiáng)1，趙海龍1，張學(xué)輝1

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市土木工程結(jié)構(gòu)及新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

異形柱柱底容易壓潰是異形柱結(jié)構(gòu)的一個(gè)薄弱部位.通過(guò)有無(wú)纖維的 2組混凝土異形柱在反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)，對(duì)比分析 2組異形柱的破壞特征、承載能力和位移延性、滯回性能、剛度退化、耗能能力以及累積損傷等，研究纖維對(duì)異形柱抗震性能和柱底的增強(qiáng)作用.研究表明：加入纖維可以推遲開(kāi)裂，顯著改善異形柱柱底混凝土剝裂狀態(tài)，提高異形柱的初始剛度，減輕異形柱累積損傷，改善異形柱底薄弱現(xiàn)象.纖維增強(qiáng)異形柱具有很好的位移延性，使承載能力有一定提高，但其耗能能力略有降低.

異形柱；纖維；增強(qiáng)；反復(fù)荷載；抗震性能

異形柱結(jié)構(gòu)由于填充墻與柱肢的厚度相同，室內(nèi)不出現(xiàn)外凸柱棱，有利于家居布置，提高使用面積，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.但異形柱特殊的截面形式致使其受力性能較普通矩形柱有很大差異，尤其是異形柱截面高厚比大，柱肢較薄，鋼筋密集，混凝土不易振搗密實(shí).框架試驗(yàn)研究表明，作為底層柱時(shí)，異形柱柱底容易壓潰，成為異形柱結(jié)構(gòu)的一個(gè)薄弱部位[1-5].聚丙烯纖維在混凝土堿性條件下非常穩(wěn)定，具有良好的分散性，其機(jī)械性能、可操作性能、性?xún)r(jià)比等諸多方面優(yōu)于其他纖維，有利于工程應(yīng)用[6-7].因此，筆者在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，針對(duì)一層柱底破壞的嚴(yán)重現(xiàn)象，采用聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土柱底，通過(guò)低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究纖維增強(qiáng)異形柱的抗震性能.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)2組1/3縮尺的4個(gè)異形柱，其中T形柱(C-Ta)和L形柱(C-La)在柱底部(約250,mm柱高范圍)混凝土中摻入聚丙烯纖維，纖維的性能參數(shù)如表 1所示.纖維按一般工程摻量0.9,kg/m3，相當(dāng)于體積含量 0.1%.作為對(duì)比，進(jìn)行了未摻纖維的 T形柱(C-T)和 L形柱(C-L)的試驗(yàn).混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，鋼筋采用 HPB235、HRB400等級(jí)，材料力學(xué)性能如表 2所示.異形柱配筋及截面尺寸相同，如圖 1所示.澆注時(shí)在商品混凝土中直接投入相應(yīng)比例纖維，人工攪拌2～5,min，均勻分散后，在柱底兩側(cè)插入擋板，對(duì)纖維混凝土和普通混凝土同時(shí)澆注，待振搗完畢抽出擋板，使其混合.

表1 纖維性能指標(biāo)Tab.1 Performance index for polypropylene fiber

表2 鋼筋和混凝土力學(xué)性能Tab.2 Mechanical property of steel bars and concrete MPa

圖1 異形柱尺寸及配筋Fig.1 Size and reinforcement details of special-shaped columns

1.2 加載與測(cè)量

在柱頂豎向施加恒定軸壓力.T形柱軸壓力 300 kN，軸壓比 0.198.L形柱軸壓力 250,kN，軸壓比0.132.通過(guò)拉壓千斤頂在柱端施加水平反復(fù)荷載，加載裝置如圖2所示.采用力-位移混合加載方式，試件屈服前，采用荷載控制分級(jí)加載(每級(jí)荷載循環(huán) 1次)，屈服后采用位移控制分級(jí)加載(每級(jí)位移循環(huán) 3次)，直至試件破壞，加載制度如圖 3所示.通過(guò)DH3818采集系統(tǒng)記錄荷載位移關(guān)系，鋼筋表面貼置應(yīng)變片，記錄鋼筋應(yīng)變.

圖2 加載裝置Fig.2 Loading equipment

圖3 加載制度Fig.3 Loading system

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 裂縫及破壞特征

2組異形柱試驗(yàn)過(guò)程經(jīng)都?xì)v了初裂、裂縫發(fā)展、極限和破壞 4個(gè)階段.分別對(duì)每 1組 2個(gè)異形柱的破壞特征進(jìn)行比較.

由圖 4(a)和 4(b)對(duì)比可見(jiàn)，C-T腹板剪切裂縫數(shù)量多，寬度大，剪切裂縫在柱底相交，腹板外側(cè)有豎向裂縫產(chǎn)生，造成大量混凝土的壓潰和剝落，縱筋屈服外露，翼緣表面彎曲裂縫較多，最終破壞翼緣根部出現(xiàn)剪切裂縫，與腹板剪切裂縫貫通，柱底出現(xiàn)塑性鉸.C-Ta腹板剪切裂縫產(chǎn)生數(shù)量少，寬度小，剪切裂縫未貫通，加載后期翼緣出現(xiàn)少量彎曲裂縫.最終破壞腹板底部混凝土起皺外鼓，但并未剝落，剝裂混凝土處纖維拉斷或拔出，混凝土整體脆性有所改善，最終破壞時(shí)柱底剛出現(xiàn)塑性鉸.可見(jiàn)，加入纖維能夠有效減少柱底裂縫，改善柱底混凝土壓潰剝落現(xiàn)象，推遲柱底塑性鉸的產(chǎn)生和發(fā)展.

圖4 T形柱破壞狀態(tài)Fig.4 Failure characteristic of T-shaped columns

由圖 5(a)和 5(b)對(duì)比可見(jiàn)，C-L柱腹板剪切裂縫數(shù)量不多，但寬度較大，翼緣處有剪切裂縫，加載后期腹板底部裂縫較多，最終破壞腹板底部有大量豎向裂縫產(chǎn)生，混凝土壓潰剝落，縱筋壓曲外凸，箍筋外露，破壞時(shí)翼緣底部保護(hù)層剝落.C-La柱腹板剪切裂縫產(chǎn)生數(shù)量多而密，但寬度較小，翼緣出現(xiàn)少量剪切裂縫，最終破壞時(shí)混凝土基本完好，柱底未出現(xiàn)塑性鉸.說(shuō)明加入纖維能夠限制剪切裂縫的產(chǎn)生和已有裂縫的發(fā)展，減輕底部混凝土開(kāi)裂剝落現(xiàn)象，推遲塑性鉸產(chǎn)生.

圖5 L形柱破壞狀態(tài)Fig.5 Failure characteristic of L-shaped columns

2.2 承載能力和位移延性

在構(gòu)件抗震性能分析中，延性是一個(gè)重要衡量指標(biāo).構(gòu)件位移延性系數(shù)表示為

式中：μΔ為位移延性系數(shù)；Δu為破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的位移，mm(即骨架曲線(xiàn)下降到 0 .85Pmax時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移)；Δy為屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)位移，mm.分別計(jì)算 2組構(gòu)件的開(kāi)裂、屈服、極限和破壞階段對(duì)應(yīng)的荷載和位移延性系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3和表4.

表3 T形柱的承載力、位移及延性系數(shù)Tab.3 Loading，displacement and ductility coefficient of T-shaped columns

表4 L形柱的承載力、位移及延性系數(shù)Tab.4 Loading，displacement and ductility coefficient of L-shaped columns

研究表明，結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)的取值一般在 3～5之間，以保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件有較高延性，更利于結(jié)構(gòu)抗震.計(jì)算得到有無(wú)纖維增強(qiáng) T形柱的位移延性系數(shù)平均值分別為 4.08和 4.07，有無(wú)纖維增強(qiáng) L形柱的位移延性系數(shù)均值分別為4.35和4.34，延性較好.可見(jiàn)，加入纖維對(duì)于異形柱位移延性影響并不明顯，但是可以減小構(gòu)件拉推雙向位移延性之間的較大差異，更有利于結(jié)構(gòu)抗震.

本文試驗(yàn)實(shí)際施工澆注采用商品混凝土，混凝土澆注質(zhì)量得到保證，試件養(yǎng)護(hù)期間正值暑期高溫濕熱，實(shí)際混凝土強(qiáng)度比設(shè)計(jì) C45有較大程度提高，如表 2所示，有無(wú)纖維混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度相差較大的情況.為消除混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件承載能力的影響，采用將承載力對(duì)混凝土強(qiáng)度和截面面積進(jìn)行規(guī)格化的剪壓比分析異形柱的承載能力.異形柱剪壓比定義為

式中：γ為剪壓比；V為柱底剪力；cf為柱底混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；wb和wh分別為異形柱截面驗(yàn)算方向腹板截面的寬度和高度.將 2組異形柱各加載階段承載能力分別按式(2)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的剪壓比進(jìn)行分析.如圖 6所示，纖維增強(qiáng)構(gòu)件的開(kāi)裂荷載大幅提高，L形柱提高約37.4%，T形柱提高約為38.7%，構(gòu)件的抗裂性能具有很大程度改善.對(duì)于極限荷載和破壞荷載來(lái)說(shuō)，加入纖維的T形柱比無(wú)纖維 T形柱提高約為 8.4%和 8.1%，加入纖維的 L形柱比無(wú)纖維 L形柱提高約為22.3%和19.4%.可見(jiàn)，加入纖維對(duì)異形柱承載能力有不同程度的提高，對(duì)開(kāi)裂荷載提高尤為顯著.

圖6 剪壓比Fig.6 Shear-compression ratio

2.3 滯回特性

繪制試驗(yàn)所得水平荷載與柱頂位移之間的滯回曲線(xiàn)，如圖7和圖8所示.

由圖 7可知，滯回曲線(xiàn)開(kāi)始為梭形，之后逐漸轉(zhuǎn)化為反 S形，都出現(xiàn)不同程度的捏縮現(xiàn)象.屈服以后，隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，變形持續(xù)增加，而承載力增加較小.C-T滯回曲線(xiàn)前期較飽滿(mǎn)，后期中部捏縮成為弓形繼而轉(zhuǎn)為反S形，表明構(gòu)件受到剪切破壞和鋼筋滑移的影響.達(dá)到最大荷載后，其承載能力衰退較快.C-Ta達(dá)到屈服后滯回曲線(xiàn)循環(huán)次數(shù)更多，后期滯回曲線(xiàn)向反S形變化，中部捏縮現(xiàn)象有所緩和.

圖7 T形柱滯回曲線(xiàn)Fig.7 Hysteretic curves of T-shaped columns

由圖 8可知，二者均由梭形過(guò)渡到弓形.C-L柱的強(qiáng)度退化較快，達(dá)到最大荷載后其強(qiáng)度衰退并不明顯而直接達(dá)到破壞.滯回環(huán)捏縮現(xiàn)象比較嚴(yán)重，破壞后殘余變形大，說(shuō)明反復(fù)作用的荷載對(duì)構(gòu)件造成損傷和不可恢復(fù)的塑性變形.C-La柱的強(qiáng)度退化較慢，為有規(guī)律漸進(jìn)退化，滯回曲線(xiàn)捏縮現(xiàn)象有所改善，破壞后殘余變形小.說(shuō)明加入纖維可以增加 L形柱底混凝土澆筑的致密性，提高異形柱底部混凝土的韌性，有利于抵抗反復(fù)荷載作用.

圖8 L形柱滯回曲線(xiàn)Fig.8 Hysteretic curves of L-shaped columns

2.4 剛度退化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到異形柱等效剛度隨柱端位移變化的剛度退化曲線(xiàn)如圖9所示.

圖9 剛度退化曲線(xiàn)Fig.9 Curves of rigidity degradation

2組異形柱的剛度退化過(guò)程類(lèi)似，剛度均經(jīng)歷了速降、次降和緩降 3個(gè)階段.總體上纖維增強(qiáng)異形柱的剛度退化曲線(xiàn)分布和無(wú)纖維異形柱剛度退化曲線(xiàn)相互交錯(cuò)，只是在加載初期纖維增強(qiáng)異形柱的初始剛度高于無(wú)纖維異形柱初始剛度.C-Ta柱初始剛度正反方向分別為85 kN/mm和78 kN/mm，C-T柱初始剛度正反方向分別為41 kN/mm和42 kN/mm.C-La柱初始剛度正反方向分別為 53 kN/mm和 46 kN/mm，C-L柱初始剛度正反方向分別為 41 kN/mm和 45 kN/mm.表明加入纖維能夠提高異形柱的初始剛度和整體受力性能.

2.5 耗能能力

滯回環(huán)的飽滿(mǎn)程度反應(yīng)構(gòu)件消耗能量的能力，滯回環(huán)的面積可以衡量構(gòu)件的耗能能力，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滯回曲線(xiàn)中滯回環(huán)所包圍的面積等于該循環(huán)吸收的能量.工程中一般用等效黏滯阻尼系數(shù)eh來(lái)衡量試件的耗能能力，定義為

如圖 10所示，式(3)中 SABC+ SADC表示滯回環(huán)ABCD所耗散的能量，三角形OBE、ODF面積表示假想的彈性結(jié)構(gòu)達(dá)到相同位移 OE、OF時(shí)所吸收的能量.圖 11為試驗(yàn)所得構(gòu)件等效黏滯阻尼系數(shù)隨柱端位移在加載不同時(shí)期的變化曲線(xiàn)，主要加載階段黏滯阻尼系數(shù)計(jì)算值如表5所示.

圖10 荷載-變形滯回曲線(xiàn)Fig.10 Hysteretic curves of load-deformation

圖11 等效黏滯阻尼系數(shù)曲線(xiàn)Fig.11 Curves of equivalent viscous damping coefficient

如圖 11和表 5所示，各構(gòu)件等效黏滯阻尼系數(shù)在屈服前均較小(一般小于 0.1)，屈服后迅速增長(zhǎng).纖維增強(qiáng)異形柱等效黏滯阻尼系數(shù)值總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì).在加載前期(開(kāi)裂和屈服)的等效黏滯阻尼系數(shù)有所提高，達(dá)到極限荷載后期等效黏滯阻尼系數(shù)略有降低.說(shuō)明加入纖維后，異形柱在極限荷載前耗能能力提高，后期耗能能力略有降低.加載后期，無(wú)纖維異形柱柱底塑性鉸的形成和發(fā)展，塑性變形加大是其耗能能力增大的主要原因，纖維增強(qiáng)異形柱在加載后期不出現(xiàn)塑性鉸或塑性鉸剛剛出鉸，因而耗能能力降低.

表5 等效黏滯阻尼和累計(jì)損傷Tab.5 Results of equivalent viscous damping coefficient and cumulated damage index

2.6 累積損傷

依據(jù)能量耗散原理和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)荷載作用下的荷載-位移滯回特性，以理想無(wú)損狀態(tài)下外力功為初始標(biāo)量，建立反復(fù)荷載作用下?lián)p傷評(píng)估模型.該模型綜合反映了反復(fù)荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)在變形過(guò)程中的能量耗散、強(qiáng)度衰減、剛度退化等累積損傷特征，能夠跟蹤任意循環(huán)下結(jié)構(gòu)的累積損傷劣化程度(以累積損傷指標(biāo) Dcy表示)，從而反映混凝土結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下所經(jīng)歷的損傷歷程[8-9].根據(jù)文獻(xiàn)[9]可按式(4)研究異形柱的累積損傷指標(biāo).

如圖 12所示，式(4)中 K0為結(jié)構(gòu)的初始剛度，f1( Δi) 、f2(- Δi)分別表示第i循環(huán)正、反向加載函數(shù)，±Δi表示第i循環(huán)正、反向加載至峰值點(diǎn)荷載時(shí)的變形.因此根據(jù)外力所做的功及能量守恒定律，可以認(rèn)為累積損傷指標(biāo)為

計(jì)算構(gòu)件各主要階段累積損傷指標(biāo)結(jié)果如表 5所示.異形柱構(gòu)件根據(jù)損傷指標(biāo)和結(jié)構(gòu)實(shí)際損傷程度可劃分為5個(gè)損傷等級(jí)：①損傷指標(biāo) Dcy＝0～0.2，結(jié)構(gòu)基本完好；②Dcy＝0.2～0.4，結(jié)構(gòu)輕微損傷；③Dcy＝0.4～0.6，結(jié)構(gòu)處于中等損傷，裂縫寬度從 0.2 mm 到結(jié)構(gòu)屈服；④Dcy＝0.6～0.9，從結(jié)構(gòu)屈服到破壞荷載，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞；⑤Dcy＞ 0.9，結(jié)構(gòu)倒塌[9].

圖12 異形柱第i循環(huán)的滯回特性Fig.12 Hysteretic loop of special-shaped column undericycle i

由表5可見(jiàn)，T形柱和L形柱各主要受力階段對(duì)應(yīng)的累積損傷指標(biāo)值按照文獻(xiàn)[4]提出的異形柱結(jié)構(gòu)損傷等級(jí)分別為輕微損傷、中等損傷和嚴(yán)重破壞.CTa和 C-La各個(gè)主要加載階段的累積損傷指標(biāo)值均小于無(wú)纖維構(gòu)件相應(yīng)階段的累積損傷指標(biāo)值，開(kāi)裂階段纖維增強(qiáng)構(gòu)件與無(wú)纖維構(gòu)件累積損傷指標(biāo)差值較大，其他階段二者均較為接近.說(shuō)明加入纖維可以改善異形柱累計(jì)損傷程度，改善主要集中在屈服前期，對(duì)屈服后的影響不大.

3 結(jié) 論

(1) 加入纖維可以減輕異形柱混凝土開(kāi)裂和剝落，能夠明顯減少裂縫的數(shù)量，減小裂縫寬度，推遲柱底混凝土壓潰和塑性鉸的出現(xiàn)，從而改善異形柱破壞特征.

(2) 在異形柱底部混凝土中摻入纖維增強(qiáng)，與無(wú)纖維異形柱相比，可有效提高異形柱開(kāi)裂荷載，增強(qiáng)受剪承載力和變形能力.纖維能夠提高異形柱的開(kāi)裂荷載，L形柱提高約為 37.4%，T形柱提高約為38.7%.后期承載能力 T形柱提高約 8%，L形柱提高約 20%.增強(qiáng)后異形柱開(kāi)裂荷載有大幅提高，后期承載能力也有一定程度改善.纖維增強(qiáng)異形柱具有很好的位移延性.

(3) 加入纖維能夠增大異形柱初始剛度，使其達(dá)到最大承載力后強(qiáng)度退化緩慢，循環(huán)次數(shù)增加，從而改善異形柱的滯回性能，加入纖維的異形柱加載后期的耗能能力略有降低.

(4) 纖維增強(qiáng)異形柱的累積損傷普遍小于普通異形柱相應(yīng)的累積損傷，表明在柱底混凝土摻入纖維可改善異形柱的累積損傷程度，但屈服后改善不明顯.

(5) 對(duì)摻入量為0.9 kg/m3的纖維增強(qiáng)的異形柱進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)，并與同條件無(wú)纖維異形柱抗震性能進(jìn)行分析比較，得到較好的增強(qiáng)效果.

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Test on Seismic Behavior of Special-Shaped Columns Reinforced by Fiber Under Cyclic Loading

WANG Tie-cheng1,2，HAO Gui-qiang1，ZHAO Hai-long1，ZHANG Xue-hui1
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Civil Engineering Structure and New Materials，Tianjin 300072，China)

The base of the special-shaped columns is the weakness site of this structure because it crushes easily under compression. Based on the tests on two groups of special-shaped columns with or without reinforcement by fiber under cyclic loading，the failure characteristic，bearing capacity and ductility，hysteretic properties，rigidity degradation，energy dissipation，and cumulated damage of the two specimens in each group were compared to investigate the seismic behavior and the reinforcement to the base of special-shaped columns in this paper. The investigation shows that with the adoption of fiber，the cracking is delayed，the cracking and spalling for concrete in the base of columns is improved dramatically，the initial rigidity of the special-shaped columns is enhanced，the degree of cumulated damage is lightened，and the weak part in the base of special-shaped columns is improved. The specialshaped columns reinforced by fiber also exhibit good displacement ductility and better bearing capacity but less energy dissipation capacity.

special-shaped column；fiber；reinforcement；cyclic loading；seismic behavior

TU375.3

A

0493-2137(2010)11-0957-07

2009-10-12；

2009-11-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50878141）.

王鐵成（1950— ），男，博士，教授，wangtiecheng@eyou.com.

趙海龍，zhaohailong@tju.edu.cn.