鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱抗震性能研究

于明鑫，胡曉宇，楊 楠，俞家歡

(1.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系 沈陽(yáng)市 110167； 2.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院 設(shè)計(jì)與藝術(shù)系 沈陽(yáng)市 110167；3.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院 沈陽(yáng)市 110168)

0 引言

基于當(dāng)前工程實(shí)際需求，本研究采用改性聚丙烯PP纖維，優(yōu)化配合比，制作超強(qiáng)韌性混凝土(PP ECC)[1]，其造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)ECC[2]，而力學(xué)性能、工藝性能等各項(xiàng)性能又基本接近ECC?，F(xiàn)階段，超強(qiáng)韌性混凝土已能實(shí)現(xiàn)全部國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)突破了價(jià)格的瓶頸，并且施工工藝簡(jiǎn)單，具有較好的工程前景[3]。

根據(jù)超強(qiáng)韌性混凝土優(yōu)良的性能，使應(yīng)用其代替普通混凝土材料與鋼筋協(xié)同工作成為可能。例如在工業(yè)建筑加固修復(fù)、水利工程、市政工程等對(duì)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂限制嚴(yán)格的領(lǐng)域，超強(qiáng)韌性混凝土將會(huì)有很好的工程應(yīng)用。

由于超強(qiáng)韌性混凝土不同于混凝土，變形能力較強(qiáng)，在開(kāi)裂后仍然繼續(xù)承受荷載，因此需要對(duì)該種材料配筋結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，尤其是抗震性能，進(jìn)行深入研究[4]。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件和加載情況

試件參數(shù)見(jiàn)表1，尺寸配筋情況如圖1所示，PP ECC的壓縮和拉伸本構(gòu)曲線[5]如圖2所示。

表1 試件的基本參數(shù)

圖1 試件尺寸及配筋圖

圖2 超強(qiáng)韌性混凝土壓縮和拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

研究采用滯回試驗(yàn)[6]，裝置如圖3所示，加載采用位移控制，加載制度如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)裝置

圖4 加載制度

1.2 破壞現(xiàn)象描述

在試驗(yàn)中，所有鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱加載一開(kāi)始，試件表面就出現(xiàn)了細(xì)裂紋，構(gòu)件裂縫隨著加載緩慢開(kāi)展，當(dāng)試驗(yàn)加載荷載達(dá)到了試驗(yàn)結(jié)果中構(gòu)件的極限承載力左右時(shí)，構(gòu)件出現(xiàn)了主裂縫，加載中可聽(tīng)到纖維被拉斷的“嘶嘶”響聲，當(dāng)加載到極限位移，滯回試驗(yàn)停止。

普通鋼筋混凝土柱在加載中，隨著位移增加，裂紋數(shù)量增多，最終鋼筋屈服，兩側(cè)混凝土碎裂。

可以看出普通鋼筋混凝土柱破壞雖有預(yù)兆，但變形、耗能等方面明顯小于鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱，表現(xiàn)出的是脆性破壞的特征。

2 抗震性能分析

2.1 試件荷載(F)-位移(Δ)滯回曲線分析

圖5為各試件的滯回曲線。由圖5(a)～圖5(e)可知，鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱滯回曲線在前期為彈性階段，滯回曲線沿直線上升；構(gòu)件屈服后，由梭型向反“S”型發(fā)展。

由圖5(f)可知，普通混凝土柱滯回曲線沒(méi)有出現(xiàn)反“S”型。通過(guò)曲線可以看出，普通鋼筋混凝土柱構(gòu)件早期的剛度非常大，荷載(F)-位移(Δ)呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，但試驗(yàn)后期承載力下降速度很快。

圖5 試件F-Δ滯回曲線

2.2 骨架曲線分析

圖6 不同參數(shù)的骨架曲線

滯回曲線峰值點(diǎn)連結(jié)起來(lái)可得到骨架曲線[7]。如圖6所示，在軸壓比固定的前提下，通過(guò)不同參數(shù)情況下鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱的骨架曲線對(duì)比，可概括性地得出以下結(jié)論：

(1)圖6(a)可見(jiàn)，配筋率越高，超強(qiáng)韌性混凝土柱構(gòu)件的極限承載力就越高，但提高幅度隨配筋率增加而減少。

(2)圖6(b)可見(jiàn)，齡期增加，試件承載力提高，但變形能力下降。

(3)圖6(c)可見(jiàn)，鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱構(gòu)件中，PP纖維的體積摻量在1.5%～2%之間的改變，對(duì)骨架曲線影響不明顯。

(4)圖6(d)可見(jiàn)，鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱的承載能力、變形能力等各方面，要明顯好于普通鋼筋混凝土柱。

2.3 抗震耗能性能

滯回曲線荷載循環(huán)一周后環(huán)內(nèi)面積表示抗震耗能[8]。研究通過(guò)編程計(jì)算出每個(gè)試件的總抗震耗能E，并繪制對(duì)比曲線，如圖7所示。

圖7 不同參數(shù)的耗能曲線

(1)由圖7(a)可以看出，隨配筋率的增大，曲線E逐漸提高。

(2)由圖7(b)可以看出，在加載的前期，不同齡期的鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱的滯回曲線所圍成的面積是相近的；但屈服后，齡期高的鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱其耗能性能高于齡期低的柱。

(3)由圖7(c)可以看出，鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱構(gòu)件中，PP摻量在1.5%～2%之間的改變對(duì)柱子的抗震性能影響并不明顯。

(4)由圖7(d)可以看出，普通混凝土后期耗能低于PP ECC。

3 鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱抗震計(jì)算模型

3.1 骨架曲線模型確定

根據(jù)現(xiàn)有研究總結(jié)[7-8]，如圖8中所示，本研究中鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱理論骨架曲線可用三線型恢復(fù)力模型表示，該模型可由六個(gè)特征參數(shù)確定。

圖8 三線型骨架曲線

3.2 特征參數(shù)計(jì)算方法

(1)

式中：My—截面的屈服彎矩；

H—構(gòu)件的計(jì)算高度。

(2)

式中：fcu—超強(qiáng)韌性混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；

fy—鋼筋的屈服強(qiáng)度；

h0—截面的有效高度；

b—截面寬度；

As—受拉鋼筋截面面積；

as—鋼筋保護(hù)層厚度；

x—超強(qiáng)韌性混凝土受壓區(qū)高度；

ρ—試件配筋率。

(3)

式中：β1—等效矩形應(yīng)力系數(shù)；

Es—鋼筋的彈性模量；

εcu—超強(qiáng)韌性混凝土的極限壓應(yīng)變。

(4)

式中：λ—超強(qiáng)韌性混凝土受壓區(qū)系數(shù)。

(5)

(6)

極限位移 Δu=μuΔy

(7)

(8)

αw—箍筋系數(shù)，本文αw取1.0[9]。

試件的破壞荷載 Pcu=0.85Pu

(9)

根據(jù)試驗(yàn)中的加載制度，所有試件都加載至統(tǒng)一位移，試件最終的破壞位移為

Δcu=52mm

(10)

3.3 骨架曲線特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

研究得出特征點(diǎn)計(jì)算值，見(jiàn)表2～表6，通過(guò)與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，計(jì)算值與試驗(yàn)值基本貼合，驗(yàn)證了公式的合理性。

表2 屈服荷載對(duì)比

表3 屈服位移對(duì)比

表4 極限荷載對(duì)比

表5 極限位移對(duì)比

表6 破壞荷載對(duì)比

3.4 計(jì)算模型與試驗(yàn)曲線對(duì)比分析

如圖9所示，根據(jù)公式所計(jì)算的鋼筋超強(qiáng)韌性混凝土柱理論骨架曲線模型整體變化趨勢(shì)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線吻合度較好，尤其是破壞段的曲線，基本重合。高配筋率的超強(qiáng)韌性混凝土柱試件骨架曲線模型實(shí)測(cè)值與計(jì)算值有一定偏差，需要更深入的研究。

4 結(jié)論

(1)PP ECC柱在其抗震性能方面明顯優(yōu)于普通混凝土柱。

(2)PP ECC柱承載力隨著配筋率的增長(zhǎng)而增加，抗震耗能增強(qiáng)；超強(qiáng)韌性混凝土中的PP纖維的體積摻量在1.5%～2.0%范圍內(nèi)對(duì)柱的抗震性能影響不大；PP ECC材料隨著齡期增長(zhǎng)，構(gòu)件承載力提高，變形能力降低，抗震耗能變化不明顯。

(3)給出了超強(qiáng)韌性混凝土柱骨架曲線關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算方法，確定了超強(qiáng)韌性混凝土柱滯回骨架曲線的理論模型，對(duì)超強(qiáng)韌性混凝土柱的抗震耗能簡(jiǎn)化計(jì)算具有一定的工程適用性。

圖9 計(jì)算與試驗(yàn)骨架曲線對(duì)比