自密實(shí)輕骨料混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究

王先兵，劉錫軍，羅 丹

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

0 引 言

自密實(shí)輕骨料混凝土具有自密實(shí)和輕骨料混凝土的優(yōu)點(diǎn).其在自身重力荷載的作用下不需振搗便可以自動(dòng)填充模板并且密實(shí)［1，2］，解決了配筋過(guò)密或構(gòu)件截面過(guò)小等復(fù)雜結(jié)構(gòu)因難以施工而帶來(lái)的工程質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)避免了因振搗而帶來(lái)的環(huán)境污染，在一定程度上加快了施工速度，改善了施工環(huán)境，減輕了混凝土工人的施工強(qiáng)度.自密實(shí)輕骨料混凝土自重輕，用于建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中能夠使結(jié)構(gòu)的自震周期變長(zhǎng)，有較好的吸收地震沖擊能量的能力，同時(shí)其自重輕使得結(jié)構(gòu)的自重明顯的下降，相應(yīng)降低了地震力，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能［3］.目前，文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的關(guān)于自密實(shí)輕骨料混凝土（SCLC）的研究?jī)?nèi)容主要有：配合比的設(shè)計(jì)、工作性能的研究和基本力學(xué)性能試驗(yàn)的研究［4，5］.關(guān)于自密實(shí)輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究報(bào)道，除了大連理工大學(xué)博士研究生張?jiān)茋?guó)［6］做了關(guān)于自密實(shí)輕骨料混凝土剪力墻試驗(yàn)研究以外，其余還未見(jiàn).因此為確保自密實(shí)輕骨料混凝土將來(lái)在抗震地區(qū)的安全性，還需要開(kāi)展大量的研究工作.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為了與普通混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能比較，參照文獻(xiàn)［7］中普通混凝土框架制作了一榀自密實(shí)輕骨料混凝土框架，其截面、配筋、均與文獻(xiàn)中的普通混凝土框架相同，混凝土強(qiáng)度與文獻(xiàn)中的相近，如圖1所示.

圖1 框架配筋及截面尺寸圖

自密實(shí)輕骨料混凝土框架試件的尺寸：軸線跨度為3.0m，層高為1.85m，柱截面尺寸為180mm×250m，截面尺寸為150mm×250mm，梁柱抗彎剛度比為（EI）b／（EI）c＝0.83，柱的計(jì)算剪跨比λ＝Hn／（2×h0）＝3.81，試驗(yàn)軸壓比為0.218.

1.2 試驗(yàn)材料

混凝土原材料：輕骨料選用湖北宜昌所產(chǎn)800級(jí)、規(guī)格5～25mm碎石型高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒；水泥采用湖南紹峰P.O42.5水泥；粉煤灰采用大唐華銀株洲電廠公司所生產(chǎn)II級(jí)粉煤灰；砂子采用中砂；減水劑采用株洲中鐵橋梁外加劑有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的TQR聚羧酸型高性能減水劑；混凝土配合及其力學(xué)性能見(jiàn)表1所示，鋼筋材料試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表1 混凝土配合比及其力學(xué)性能

表2 鋼筋材料試驗(yàn)結(jié)果

1.3 加載方法

水平力由手動(dòng)液壓式雙向千斤頂施加，其最大載荷為壓力50T，拉力20T，最大行程為200mm.首先將千斤頂通過(guò)設(shè)計(jì)的連接件安裝于反力架之上，由底部四高強(qiáng)螺栓固定其位置.兩柱上軸力由千斤頂施加，梁上三分點(diǎn)處集中力由擰緊鋼筋上螺母時(shí)產(chǎn)生的壓力通過(guò)分配梁施加，柱上及梁上反力由框架底梁提供，底梁反力由基座提供，試驗(yàn)加載裝置如圖2所示.梁端位移由置于梁端的百分表直接讀取.

圖2 試驗(yàn)加載裝置

為了測(cè)得比較準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)先在柱上施加一定量的軸力，為試驗(yàn)所需加最大值時(shí)的40%，來(lái)消除材料本身組織的不均勻性，反復(fù)進(jìn)行2次（即加載－卸載），之后再逐步施加至試驗(yàn)所需的最大值（F＝150kN）.水平反復(fù)荷載通過(guò)手動(dòng)液壓雙向千斤頂施加，采用力和位移相結(jié)合的加載制度.這種加載制度是先以力控制再以位移控制.在達(dá)到屈服荷載之前，力與變形的關(guān)系基本上是呈線性的，而且為了觀察框架在加荷時(shí)的裂縫的發(fā)展形式，采用荷載控制分級(jí)加載的方法，每級(jí)荷載循環(huán)一次，即逐級(jí)加載并在接近開(kāi)裂之前減少級(jí)差進(jìn)行加載，直到框架屈服后再卸去荷載，再以同樣的方法反向加載至框架屈服后再卸去荷載；當(dāng)框架屈服之后，位移的增加速度要快于力的增加速度，故需要采用位移控制的方法來(lái)進(jìn)行加載.即按屈服位移的倍數(shù)分級(jí)加載（1δ，2δ，3δ，4δ，5δ，6δ），其中δ為屈服位移，每級(jí)位移加卸載循環(huán)兩次，直至水平力F降至最大荷載的85%時(shí)，終止試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂縫開(kāi)展與破壞過(guò)程

在兩柱頂端和梁三分點(diǎn)加載處施加豎向荷載后，自密實(shí)輕骨料混凝土框架梁兩端及跨中均無(wú)裂縫出現(xiàn)，試驗(yàn)加載裝置正常，沒(méi)有明顯的異常變化，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài).在荷載控制階段，水平力F＝±30kN～±40kN的加載過(guò)程當(dāng)中，框架梁端開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，框架柱端也開(kāi)始出現(xiàn)裂縫.梁端裂縫迅速的向梁跨中方向發(fā)展，柱端裂縫向上發(fā)展，不斷延伸.在F＝±30kN此級(jí)荷載加載過(guò)程中，正向加載到＋22.5kN時(shí)梁遠(yuǎn)端出現(xiàn)裂縫，反向加載到－15 kN時(shí)梁近端出現(xiàn)裂縫，由此可見(jiàn)框架梁正向開(kāi)裂荷載高于反向.梁端裂縫在低周反復(fù)荷載的作用下，張開(kāi)、閉合.柱下端裂縫在低周反復(fù)荷載的作用下，同梁端裂縫一樣也呈現(xiàn)出張開(kāi)、閉合的發(fā)展趨勢(shì).當(dāng)采用位移加載到達(dá)30mm后，自密實(shí)輕骨料混凝土框架的柱端、梁端的裂縫數(shù)目基本上趨于穩(wěn)定，隨著位移控制的繼續(xù)加載只是原有裂縫的伸展與加寬.在位移加載到10mm時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)斜裂縫，在以后的位移加載過(guò)程中不斷有新斜裂縫出現(xiàn)，到δ＝±30mm時(shí)趨于穩(wěn)定，后續(xù)加載斜裂縫有所延伸，加載到δ＝±40mm遠(yuǎn)端梁柱節(jié)點(diǎn)形成交叉斜裂縫.到整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，框架梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞不算嚴(yán)重.自密實(shí)輕骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)的最終破壞狀態(tài)表現(xiàn)為：框架梁端截面屈服之后，柱下端表面的混凝土被壓碎，且混凝土被剝落，相應(yīng)部位的柱下端鋼筋被壓屈服.從整個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)分析，自密實(shí)輕骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制表現(xiàn)為：“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的破壞模式.最后的破壞情況如圖3所示.

圖3 自密實(shí)輕骨料混凝土框架的破壞情況

2.2 滯回曲線

滯回曲線是在荷載反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)的荷載－位移變化曲線.它能夠反映出結(jié)構(gòu)、構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的變形、能量消耗、剛度退化規(guī)律等情況.同時(shí)它也是確定結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型和進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析的必要依據(jù).圖4是自密實(shí)輕骨混凝土框架在低周反復(fù)荷載作用下的F－δ曲線.本論文有關(guān)普通混凝土框架的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)現(xiàn)象均來(lái)自文獻(xiàn)［7］.

圖4 自密實(shí)輕骨料混凝土框架滯回曲線

從滯回曲線可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)裂縫出現(xiàn)前或者裂縫的數(shù)量很少時(shí)，即水平荷載小于最大荷載的25%時(shí)，此值低于普通混凝土框架結(jié)構(gòu)的30%.滯回曲線包圍的面積很小，節(jié)點(diǎn)位移和荷載變化規(guī)律呈線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)此時(shí)對(duì)應(yīng)的殘余變形小，在周期往復(fù)荷載的作用下，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài).

（2）隨著自密實(shí)輕骨料混凝土框架梁及柱的開(kāi)裂，荷載的施加，滯回曲線由原來(lái)的直線型轉(zhuǎn)變?yōu)榍€型，滯回環(huán)面積在不斷的增大，每級(jí)荷載卸至零后，位移不能回零，有一定的殘余變形，隨著反復(fù)水平荷載的施加，結(jié)構(gòu)的剛度退化比較明顯，結(jié)構(gòu)進(jìn)入了非線性的工作狀態(tài).

（3）自密實(shí)輕骨料混凝土框架進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后，滯回曲線呈現(xiàn)弓形，滯回環(huán)面積不斷增大，隨著水平反復(fù)荷載的增大，每級(jí)荷載由峰值點(diǎn)卸回零后相對(duì)殘余變形量也逐漸變大，位移控制階段40 mm時(shí)相對(duì)卸載至零時(shí)殘余變形量已達(dá)到16.11 mm，滯回曲線呈現(xiàn)一定的“捏縮效應(yīng)”.但滯回環(huán)面積相對(duì)前一級(jí)荷載時(shí)，還是呈增大趨勢(shì).

（4）自密實(shí)輕骨料混凝土框架在位移控制階段，同一級(jí)位移加載，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，每級(jí)位移對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)荷載在不斷的下降，由于結(jié)構(gòu)累計(jì)損傷的影響，導(dǎo)致前一次滯回環(huán)的面積一般都大于后一次的滯回環(huán)的面積.

2.3 骨架曲線

自密實(shí)輕骨料混凝土框架的骨架曲線如圖5所示，從骨架曲線能夠看出：

圖5 自密實(shí)輕骨料混凝土框架骨架曲線

（1）自密實(shí)輕骨料混凝土框架在低周反復(fù)荷載作用下經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和極限破環(huán)階段三個(gè)時(shí)期.從它也能夠看出明顯的開(kāi)裂點(diǎn)及最大荷載點(diǎn)和極限位移點(diǎn).對(duì)比通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中觀察的正向開(kāi)裂荷載為＋22.5kN，反向開(kāi)裂荷載為－15 kN，這與從骨架曲線上反映出的開(kāi)裂荷載值比較接近.

（2）從骨架曲線上可以看出自密實(shí)輕骨料混凝土的反向最大承載力要小于正向的最大承載力.反向相對(duì)未加水平力時(shí)所確定的原點(diǎn)位移要大于與之正向位移，這與加載制度有關(guān)，即后期每次卸載帶來(lái)的殘余變形有關(guān).

2.4 特征荷載及特征位移

將開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限荷載、破壞荷載四個(gè)特征荷載列于表3，將開(kāi)裂位移、屈服位移、極限位移、破壞位移列于表4.其中屈服荷載和屈服位移按“通用屈服彎矩法”來(lái)得到［8］.

從表3和表4能夠看出：自密實(shí)輕骨料混凝土的特征荷載值均低于普通混凝土框架的特征荷載值，自密實(shí)輕骨料混凝土框架的特征位移值也低于普通混凝土框架的特征位移值.這主要與自密實(shí)輕骨料混凝土強(qiáng)度較普通混凝土低，施工工藝水平等存在差異有關(guān).自密實(shí)輕骨料混凝土的破壞時(shí)的最大層間位移轉(zhuǎn)角為1／43，表明自密實(shí)輕骨料混凝土具有較好的變形能力.

表3 框架特征荷載

表4 框架特征位移

2.5 剛度退化

為了分析和考察自密實(shí)輕骨料混凝土框架在低周往復(fù)荷載的作用下剛度退化的基本規(guī)律，定義框架的折算剛度為施加于梁端的水平力F與梁端位移δ之比.自密實(shí)輕骨料混凝土框架的和普通混凝土框架的剛度退化規(guī)律如圖6所示.

圖6 兩榀框架剛度退化規(guī)律

從圖6可以看出：

（1）自密實(shí)輕骨料混凝土框架和普通混凝土框架，在周期往復(fù)荷載的作用下，剛度退化比較的明顯.

（2）自密實(shí)輕骨料混凝土框架的剛度要低于普通混凝土框架的剛度.

（3）兩榀框架剛度退化的規(guī)律基本一致，退化速度基本相同.在水平荷載不是很大時(shí)，兩榀框架剛度退化速度較快.隨著位移的增大，每次循環(huán)的塑性變形不斷的積累，剛度的退化速度逐漸減慢.

2.6 自密實(shí)輕骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

2.6.1 框架結(jié)構(gòu)的延性

一般框架結(jié)構(gòu)的延性用框架在水平荷載作用下梁端的位移延性系數(shù)μ來(lái)評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式見(jiàn)下式所示：

式中：δu—框架在水平荷載作用下，水平力F下降到最大荷載的85%時(shí)對(duì)應(yīng)的梁端位移.

δy—以通用彎矩屈服法計(jì)算得到的框架屈服位移.

自密實(shí)輕骨料混凝土框架及普通混凝土框架延性系數(shù)如表5所示.

表5 兩榀框架梁端的位移延性系數(shù)比較

對(duì)于有抗震要求的一般框架結(jié)構(gòu)，要求延性系數(shù)μ≥4［9］.由表5可知，自密實(shí)輕骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)符合一般框架的抗震要求.

2.6.2 框架結(jié)構(gòu)的耗能分析

一般通常用滯回環(huán)的面積來(lái)衡量結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的耗能能力，一般滯回環(huán)面積越大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力強(qiáng).因此，滯回環(huán)面積的大小是用來(lái)衡量結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件耗能的重要指標(biāo).圖7為自密實(shí)輕骨料混凝土框架在不同加載等級(jí)下的整體耗能情況，其中取了普通混凝土框架位移加載等級(jí)到δ＝±35 mm時(shí)的耗能情況，做以對(duì)比.

圖7 框架耗能圖

從圖7可以看出，在發(fā)生相同位移時(shí)，普通混凝土框架的耗能能力要強(qiáng)于自密實(shí)輕骨料混凝土框架的耗能能力，隨著位移的增大，曲線斜率在不斷的增大，耗能能力在不斷的增強(qiáng).普通混凝土框架的耗能增長(zhǎng)速度要快于自密實(shí)輕骨料混凝土框架的耗能增長(zhǎng)速度.

3 結(jié) 論

（1）采用自行設(shè)計(jì)的配合比，澆筑了一榀自密實(shí)輕骨料混凝土框架，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)抗震的擬靜力試驗(yàn).通過(guò)與所參考文獻(xiàn)當(dāng)中的普通混凝土框架的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自密實(shí)輕骨料混凝土框架（實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為30.6MPa）的承載能力低于普通混凝土框架（立方體抗壓強(qiáng)度為35.6MPa）的承載能力，自密實(shí)輕骨料混凝土框架的耗能能力低于普通混凝土框架的耗能能力.

（2）自密實(shí)輕骨料混凝土框架的延性系數(shù)為4.38，符合一般考慮抗震的框架對(duì)延性的要求；彈性層間位移轉(zhuǎn)角為1／1020，極限破壞時(shí)的位移轉(zhuǎn)角為1／43；框架具有較好的變形能力.另外，自密實(shí)輕骨料混凝土框架的剛度退化規(guī)律與普通混凝土框架的剛度退化規(guī)律基本相同.

（3）自密實(shí)輕骨料混凝土的破壞模式表現(xiàn)為：“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的破壞模式.

（4）經(jīng)合理設(shè)計(jì)的自密實(shí)輕骨料混凝土框架，各方面指標(biāo)符合我國(guó)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010－2010）和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011－2010）的要求，能夠用于框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì).

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