纖維混凝土受壓本構(gòu)試驗(yàn)及其抗震應(yīng)用

胡張齊，鄔雨生，賀 冉，李井超，張 淼

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則，以實(shí)現(xiàn)延性破壞機(jī)制，充分耗散地震能量.然而，已有的震害經(jīng)驗(yàn)表明，這一目標(biāo)較難實(shí)現(xiàn)，在高層剪力墻及核心筒結(jié)構(gòu)中，通常表現(xiàn)為連梁等關(guān)鍵受力部位脆性破壞[1-2]，見(jiàn)圖1.采用增設(shè)斜向鋼筋(或鋼筋暗支撐)、菱形配筋、型鋼等構(gòu)造方式[3-6]可改善連梁的抗剪能力及變形性能，但存在施工復(fù)雜、型鋼與混凝土間粘結(jié)差等問(wèn)題.為克服上述困難，Subedi等[7]提出了鋼板-混凝土組合梁，該構(gòu)造方式相對(duì)于型鋼混凝土組合連梁，其抗彎能力較弱，但能提供足夠的抗剪能力，符合“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)理念.在鋼板上焊接抗剪釘(PRC連梁[8])則可增強(qiáng)混凝土與鋼板的協(xié)同工作性，連梁的變形及耗能效果更佳，施工方便.但因混凝土自身變形性能較差，當(dāng)跨高比較小時(shí)，PRC連梁仍會(huì)在較大概率上發(fā)生脆性破壞[9].同理，跨高比較小的對(duì)角斜筋連梁也會(huì)因剪切破壞而影響耗能，見(jiàn)圖2[4,6].因此，僅依靠配筋(配鋼)構(gòu)造措施，難以使小跨高比連梁等受力敏感部位形成理想的耗能機(jī)制.

圖1 震中連梁剪切破壞

圖2 試驗(yàn)連梁剪切破壞

混凝土的工作性能極大地影響結(jié)構(gòu)的抗震性能，而在混凝土中摻入纖維和聚合物材料等是改善其工作性能的有效途徑.學(xué)者們已對(duì)纖維混凝土進(jìn)行了一系列研究，汪夢(mèng)甫等[10]提出的高阻尼混凝土屬于其中的一種類型，它具有阻尼高、變形性能好的優(yōu)點(diǎn)，且強(qiáng)度有保證.圖3為纖維混凝土立方體試塊與普通混凝土試塊受壓破壞模式對(duì)比.由圖3可知，普通混凝土立方體破壞前無(wú)明顯征兆；纖維混凝土中的纖維可對(duì)豎向荷載引起的側(cè)向膨脹起到有效約束作用，避免了試塊在側(cè)向拉應(yīng)力作用下突然破壞，試塊破壞前有明顯的裂縫開展過(guò)程，最終破壞呈斷裂式，且裂縫基本平行于壓應(yīng)力方向.

圖3 不同混凝土立方體破壞模式對(duì)比

基于此，文獻(xiàn)[11-18]提出了新型構(gòu)造方式的剪力墻與核心筒結(jié)構(gòu)，以期通過(guò)內(nèi)部構(gòu)造與纖維混凝土的協(xié)同工作，使其在地震作用下形成良好的耗能機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多道設(shè)防.但這類混凝土結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能仍不明確，為進(jìn)一步深入了解其受力特性，以便投入實(shí)際應(yīng)用，本文完成了3個(gè)纖維混凝土圓柱體受壓本構(gòu)測(cè)試，探討了纖維混凝土的變形性能及耗能密度，并對(duì)比分析2組4個(gè)已有剪力墻抗震試驗(yàn)結(jié)果，研究了混凝土性能對(duì)破壞模式、延性、耗能等的影響，可為纖維混凝土的抗震應(yīng)用與后續(xù)設(shè)計(jì)方法的研究提供參考.

1 受壓本構(gòu)試驗(yàn)

參照文獻(xiàn)[10]的配合比，制作了3個(gè)尺寸Φ150 mm×300 mm的纖維混凝土圓柱體試件，其強(qiáng)度等級(jí)為C30，配合比見(jiàn)表1，減水劑適量，經(jīng)28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行試驗(yàn).

表1 纖維混凝土圓柱體試件配合比

1.1 加載裝置

采用1 000 t電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，全程位移控制；在圓柱體兩端固定環(huán)形鋼箍，間距200 mm，并于四周安放LVDT(Linear Variable Differential Transformer)以記錄混凝土柱軸向變形.加載裝置及破壞形態(tài)見(jiàn)圖4.

圖4 加載裝置及混凝土圓柱體破壞形態(tài)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

由式(1)和式(2)將軸壓力與變形分別轉(zhuǎn)換為應(yīng)力和應(yīng)變：

其中，F(xiàn)表示軸壓力；A為圓柱體截面積；ΔL為4個(gè)位移計(jì)位移平均值.

C40以下混凝土圓柱體強(qiáng)度可通過(guò)

轉(zhuǎn)換為棱柱體強(qiáng)度，由此得到本文3個(gè)試件HDC1～HDC3的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19](GB50010-2010)中C30普通混凝土本構(gòu)曲線(簡(jiǎn)稱“混規(guī)”本構(gòu))對(duì)比，見(jiàn)圖5.

圖5 纖維混凝土軸壓本構(gòu)曲線與“混規(guī)”本構(gòu)曲線對(duì)比

“混規(guī)”本構(gòu)模型可分為彈性、彈塑性、不穩(wěn)定與下降4個(gè)階段，而纖維混凝土在達(dá)到或接近峰值后的一定應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)力幾乎不下降.文中將該范圍稱為類塑性段(見(jiàn)圖6)，其中，εe、εep、εck、εp和εcu分別表示彈性、彈塑性、峰值、類塑性及破壞臨界點(diǎn)(壓應(yīng)力下降到0.5fck)的對(duì)應(yīng)壓應(yīng)變.表2為3個(gè)纖維混凝土圓柱體試件和“混規(guī)”本構(gòu)的各特征點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變及割線模量.

圖6 纖維混凝土本構(gòu)模型曲線

由圖5及表2對(duì)比可知，纖維混凝土的初始材料“剛度”略低于普通混凝土，彈塑性臨界點(diǎn)的割線模量反而較高.究其原因在于，苯丙乳液和羧基丁苯乳液顆粒分散到混凝土中后，會(huì)與水化水泥相融合，在混凝土內(nèi)部形成互穿空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，破壞原有的無(wú)機(jī)離子鍵，導(dǎo)致初始割線模量降低，但是隨著加載的進(jìn)行，纖維對(duì)混凝土的約束作用增強(qiáng)，限制了骨料界面和砂漿內(nèi)部微裂縫的發(fā)展和延伸，因此能延緩混凝土的“剛度”退化，并使混凝土的變形能力得到大大增強(qiáng).本文纖維混凝土的極限壓應(yīng)變值為“混規(guī)”本構(gòu)的2～3倍.

表2 纖維混凝土各特征點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變及割線模量

混凝土在地震作用下通過(guò)自身?yè)p傷耗散能量，對(duì)于混凝土軸壓試件而言，可通過(guò)應(yīng)變能反映其吸能狀況，混凝土的單位體積應(yīng)變能(即應(yīng)變能密度)可通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的面積積分得到：

由表3可知，纖維混凝土在加載前期的應(yīng)變能密度較低，但其最終應(yīng)變能密度遠(yuǎn)高于“混規(guī)”本構(gòu)，這表示纖維混凝土在地震作用下可耗散更多能量.

表3 纖維混凝土應(yīng)變能密度 N·mm?2

2 纖維混凝土在剪力墻中的抗震應(yīng)用

2.1 試件信息

汪夢(mèng)甫等[11-14]參照文獻(xiàn)[20]中的CSW-3和CSW-7試件設(shè)計(jì)了2個(gè)編號(hào)為HDCSW1和HDCSW2的纖維混凝土剪力墻，試件尺寸及配筋見(jiàn)圖7.其中，CSW-3，HDCSW1和HDCSW2均是隔層設(shè)暗支撐；CSW-7是每層設(shè)暗支撐.根據(jù)連梁跨高比l/hb，將這4個(gè)剪力墻分為2組進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4.不同混凝土剪力墻的鋼材力學(xué)性能基本相近，見(jiàn)表5[20].

圖7 剪力墻尺寸及配筋

表4 剪力墻試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比

表5 剪力墻鋼材力學(xué)性能

2.2 對(duì)比分析

1)破壞模式.由圖8和圖9可知，采用普通混凝土澆筑的CSW-3和CSW-7試件均于連梁部位發(fā)生剪切破壞；而HDCSW1和HDCSW2試件的連梁端部混凝土被壓碎，形成明顯的塑性鉸，且墻身裂縫分布均勻.

圖8 第1組剪力墻破壞模式對(duì)比

圖9 第2組剪力墻破壞模式對(duì)比

2)滯回曲線、骨架曲線及剛度衰減.圖10和圖11分別為2組剪力墻的滯回曲線與骨架曲線對(duì)比.4個(gè)試件各特征點(diǎn)的位移、荷載及最終耗能對(duì)比見(jiàn)表6.其中，Ucr和Fcr分別表示正負(fù)向開裂位移及荷載平均值；Uy，F(xiàn)為正負(fù)向屈服位移及荷載平均值，由等值能量法計(jì)算獲得；Up，F(xiàn)p分別為峰值位移及荷載平均值；Ud表示極限位移，取荷載下降至85%Fp時(shí)的對(duì)應(yīng)位移；μ=Ud/Uy，為延性系數(shù)；ED表示結(jié)構(gòu)最終耗能，取滯回曲線包裹面積.由表6、圖10和圖11可知，同組試件中，纖維混凝土剪力墻初始剛度略低，但是峰值荷載較大，開裂位移、峰值位移和極限變形均有提高，后期剛度退化較慢.這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由于纖維混凝土初始割線模量較低，但材料剛度穩(wěn)定(見(jiàn)表2和圖5)，應(yīng)變能密度較高，變形性能強(qiáng).內(nèi)嵌梁鋼板相對(duì)于鋼筋暗支撐可在剪力墻屈服后更好地保持墻肢間的協(xié)同工作，故相對(duì)于CSW-3而言，HDCSW1試件滯回曲線更加飽滿，耗能和極限變形也得到增強(qiáng).

表6 剪力墻各特征點(diǎn)位移、荷載及最終耗能

圖10 第1組剪力墻滯回曲線及骨架曲線

圖11 第2組剪力墻滯回曲線及骨架曲線

文獻(xiàn)[20-21]研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，采取每層設(shè)置暗支撐的方式時(shí)，剪力墻的極限變形、延性系數(shù)及耗能能力均達(dá)到最佳，CSW-7[20]即是采用這種暗支撐布置方式，而本課題組的HDCSW2試件[11-14]則是隔層設(shè)暗支撐，后者極限位移及耗能均高于前者，抗震能力較強(qiáng).

第1組剪力墻中，HCSW1相對(duì)CSW-3，極限變形增加了9.3%，最終耗能增加了76.7%；第2組試件中，HCSW2相對(duì)CSW-7極限變形及最終耗能雖增加，但幅度有限，僅為6.1%和6.6%，這表明，當(dāng)連梁跨高比較小時(shí)，纖維混凝土及內(nèi)嵌鋼板能更有效地改善剪力墻的抗震性能.這種現(xiàn)象一方面是源于暗支撐形式的影響，但主要原因在于，連梁跨高比越小時(shí)，受剪作用越明顯，剪切破壞概率大大增加，即使是采取有效構(gòu)造措施，連梁仍會(huì)發(fā)生剪切破壞(見(jiàn)圖2)，使其未能發(fā)揮應(yīng)有的耗能作用，而纖維混凝土的應(yīng)用則可極大地改善連梁的變形能力，充分發(fā)揮其第一道防線的作用，大幅增加剪力墻額抗震性能.而隨著跨高比的增加，連梁剪切破壞概率降低，采用增設(shè)對(duì)角斜筋或內(nèi)嵌鋼板即可有效改善其抗震性能，纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)并未得到完全發(fā)揮.2組剪力墻試驗(yàn)對(duì)比研究表明，以纖維混凝土代替普通混凝土，并結(jié)合內(nèi)部構(gòu)造的雙重作用的抗震設(shè)計(jì)思路是合理的，有助于形成良好的耗能機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多道設(shè)防，有效提高剪力墻的抗震性能，特別適用于連梁跨高比較小的剪力墻.

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1)纖維混凝土初始割線模量低，但是其耗能密度高，變形能力強(qiáng)，極限變形為普通混凝土(“混規(guī)”本構(gòu))的2～3倍；纖維混凝土受壓本構(gòu)曲線存在一個(gè)類塑性階段，在達(dá)到或接近峰值后的一定應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)力幾乎不下降.

2)當(dāng)跨高比較小時(shí)，僅采用內(nèi)置鋼筋暗支撐的構(gòu)造方式，剪力墻連梁仍會(huì)發(fā)生剪切破壞；采用纖維混凝土澆筑，并配合連梁內(nèi)嵌鋼板等構(gòu)造措施的剪力墻試件可形成理想的梁鉸耗能機(jī)制，其變形能力及耗能水平得到增強(qiáng).

3.2 建議

采用纖維混凝土與內(nèi)部構(gòu)造相結(jié)合的方式，不僅可有效改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，還可有效避免墻身及連梁撕裂、壓酥等破壞狀況，有利于震后修復(fù).因此，建議在連梁及底部塑性鉸區(qū)采用纖維混凝土澆筑，并配合相應(yīng)構(gòu)造方式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能.