扭矩作用下鋼筋PVA-ECC柱抗震性能試驗(yàn)研究*

凌 智，邵永健，傅少華，易樂(lè)平

(1 蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 蘇州 215011；2 中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司， 蘇州 215131)

0 引言

在地震作用下，結(jié)構(gòu)角柱等構(gòu)件往往處于復(fù)合受扭狀態(tài)[1-3]，極易發(fā)生破壞。研究人員已對(duì)鋼筋混凝土柱的壓彎剪扭滯回性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示了鋼筋混凝土柱受扭破壞機(jī)理，獲得一系列研究成果[4-7]：扭矩的存在對(duì)構(gòu)件的抗震性能削弱較大，使得構(gòu)件耗能能力不足。因此改善扭矩作用下柱的抗震性能，提高其變形和耗能能力，對(duì)提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力具有重要意義。

高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有高韌性、高強(qiáng)度、高耐損傷能力和受拉應(yīng)變硬化的特性[8]，在剪切和拉伸荷載作用下表現(xiàn)出高耗能和高延性能力，能夠顯著提高構(gòu)件的耐損傷能力和受剪性能。姜睿等[9]對(duì)聚乙烯醇(PVA)纖維高強(qiáng)混凝土短柱進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合(PVA-ECC)材料能夠明顯提高高軸壓比下高強(qiáng)混凝土短柱的延性。鄧明科等[10]進(jìn)行了PVA-ECC短柱抗震性能試驗(yàn)研究，研究表明：高延性纖維混凝土短柱的開(kāi)裂強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和極限位移明顯高于普通鋼筋混凝土短柱，采用PVA-ECC材料能明顯提高短柱的剪切變形能力。汪夢(mèng)甫等[11]對(duì)3根PVA-ECC柱進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明：PVA-ECC柱相較于普通鋼筋混凝土柱具有更好的耗能能力、延性和抗震能力。

為了提高扭矩作用下普通鋼筋混凝土柱的抗震性能，采用PVA-ECC代替普通混凝土，深入研究該類型柱在壓彎剪扭復(fù)合作用下的破壞形態(tài)、骨架曲線、強(qiáng)度退化、延性及耗能能力，對(duì)于進(jìn)一步提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和推廣高延性纖維混凝土的應(yīng)用具有實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)按1∶2縮尺比例設(shè)計(jì)7個(gè)試件，其中PVA-ECCZ-1D～PVA-ECCZ-6D試件為PVA-ECC柱，RCZ-D試件是作為對(duì)比的普通鋼筋混凝土柱。柱身混凝土保護(hù)層厚度為20mm，試件的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)計(jì)尺寸及配筋布置見(jiàn)圖1。

試件設(shè)計(jì)參數(shù) 表1

圖1 試件尺寸及配筋

PVA-ECC材料強(qiáng)度按C40混凝土設(shè)計(jì)，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。其中PVA纖維采用日本某公司的REC15/12mm型纖維，其力學(xué)性能見(jiàn)表3。澆筑試件時(shí)，每個(gè)PVA-ECC柱預(yù)留3個(gè)邊長(zhǎng)為100mm的立方體試塊和3個(gè)100mm×100mm×300mm棱柱體試塊，普通混凝土柱預(yù)留3個(gè)邊長(zhǎng)為150mm的立方體試塊，與試件同條件養(yǎng)護(hù)，并在試驗(yàn)開(kāi)始前一天進(jìn)行試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。由于目前PVA-ECC材料立方體和棱柱體強(qiáng)度之間沒(méi)有較為公認(rèn)的換算關(guān)系，故本文采用棱柱體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值作為PVA-ECC的軸心抗壓強(qiáng)度。本試驗(yàn)各試件PVA-ECC強(qiáng)度及普通混凝土強(qiáng)度見(jiàn)表4。試驗(yàn)采用的鋼筋力學(xué)性能見(jiàn)表5。

PVA-ECC材料配合比 表2

PVA纖維性能 表3

PVA-ECC及混凝土強(qiáng)度 表4

鋼筋力學(xué)性能 表5

1.2 加載裝置與制度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件和文獻(xiàn)[12]，試驗(yàn)加載裝置及截面受力圖見(jiàn)圖2。由豎向液壓千斤頂通過(guò)反力鋼梁對(duì)柱頂施加軸向壓力N。通過(guò)MTS水平作動(dòng)器和起力臂(力臂大小由扭彎比決定)作用的加載鋼梁對(duì)試件施加水平偏心力F，該水平偏心力在柱截面上產(chǎn)生彎矩、剪力和扭矩。最終試件的試驗(yàn)段處于壓彎剪扭復(fù)合受力狀態(tài)。

本試驗(yàn)采用與文獻(xiàn)[13]相同的加載制度，首先將豎向千斤頂加載至預(yù)定荷載并在試驗(yàn)過(guò)程中保持恒定，再通過(guò)水平作動(dòng)器施加水平荷載。采用按位移控制的低周往復(fù)加載制度，每級(jí)幅值對(duì)應(yīng)的位移角分別為1/800，1/500，1/250，1/150，1/100，1/75，1/50，1/30，1/20，1/15，1/10。試件屈服前每級(jí)位移循環(huán)1次，試件屈服或力-位移曲線明顯偏離直線后，每級(jí)位移循環(huán)3次，直至試件破壞或者試件水平荷載下降至峰值荷載的85%以下，結(jié)束加載。

圖2 試驗(yàn)加載裝置及截面受力圖

1.3 測(cè)點(diǎn)布置與量測(cè)方案

在每根縱筋上布置兩片應(yīng)變片；在基礎(chǔ)頂面以上柱根部4個(gè)箍筋上布置應(yīng)變片，每個(gè)箍筋布置4片?？v筋與箍筋的應(yīng)變片布置見(jiàn)圖3，柱身混凝土應(yīng)變花布置見(jiàn)圖4。

圖3 縱筋與箍筋應(yīng)變片布置圖

圖4 混凝土應(yīng)變花布置圖

圖5 位移計(jì)布置圖

在加載短梁上加載點(diǎn)處布置位移計(jì)W1，W2，兩個(gè)位移計(jì)的水平間距為400mm；在加載點(diǎn)下部200mm處和基礎(chǔ)頂面上部200mm處柱身分別布置位移計(jì)W3，W4和W5，W6，水平間距為200mm；位移計(jì)W7，W8布置在基礎(chǔ)頂面高度中心處，水平間距為400mm，用于測(cè)量試件在加載過(guò)程中發(fā)生的剛體位移；位移計(jì)布置見(jiàn)圖5。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

6根PVA-ECC柱試驗(yàn)現(xiàn)象相近，以PVA-ECCZ-1D試件為例，闡述試件的破壞現(xiàn)象與過(guò)程。在柱身表面開(kāi)裂前，各試件近似處于彈性階段；當(dāng)作動(dòng)器加載至1/75位移角時(shí)，試件首先在剪應(yīng)力疊加面出現(xiàn)斜裂縫，與水平加載方向的傾角約為60°；當(dāng)加載至正向1/50位移角時(shí)，A，C，D面均出現(xiàn)多條斜裂縫，在A面即剪應(yīng)力疊加面上新出現(xiàn)的裂縫與舊裂縫形成交叉裂縫；在往復(fù)荷載作用下，柱身各面均出現(xiàn)細(xì)密的交叉斜裂縫，裂縫方向與水平加載方向的傾角均在60°左右；當(dāng)加載至1/30位移角時(shí),隨著加載位移的增大，各面裂縫數(shù)量不斷增多，形成網(wǎng)狀交叉斜裂縫，在試件加載過(guò)程中，伴隨著纖維受拉斷裂的“呲呲”聲；加載后期A，C，D面均出現(xiàn)寬度較大并且貫通的主斜裂縫，承載力下降明顯；由于纖維的橋聯(lián)作用，PVA-ECCZ系列試件在試驗(yàn)過(guò)程中均未出現(xiàn)保護(hù)層脫落現(xiàn)象。最后試件由于臨界斜裂縫處上下PVA-ECC材料發(fā)生錯(cuò)動(dòng)破壞或者荷載達(dá)到極限荷載的85%而加載結(jié)束。對(duì)于PVA-ECCZ-2D試件，初始斜裂縫的傾角約為45°，符合軸壓比越小初始斜裂縫傾角越小的規(guī)律。

對(duì)于RCZ-D試件，當(dāng)加載至1/100位移角時(shí)，柱身A面、C面和D面中下部均出現(xiàn)了初始斜裂縫，且A面斜裂縫最大寬度達(dá)到0.1mm左右；加載至負(fù)向1/100位移角時(shí)，A面和C面出現(xiàn)交叉斜裂縫；當(dāng)加載至1/75位移角時(shí)，舊裂縫繼續(xù)發(fā)展，最大裂縫寬度已達(dá)0.25mm左右,各面開(kāi)始出現(xiàn)螺旋裂縫；加載至1/30位移角時(shí)，試件達(dá)到峰值荷載，隨后承載力下降明顯；當(dāng)加載至1/20位移角時(shí)，基本沒(méi)有新裂縫出現(xiàn)，主斜裂縫寬度急劇加大，臨界混凝土塊明顯錯(cuò)動(dòng)，混凝土保護(hù)層脫落，荷載下降至峰值荷載的85%，試件發(fā)生明顯的扭型破壞。

試件的最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖6，從左向右依次為該試件的A，B，C和D面，由試驗(yàn)現(xiàn)象可知各試件均發(fā)生扭型破壞。與RCZ-D試件相比，PVA-ECCZ系列試件裂縫均為細(xì)密裂縫，最大裂縫寬度0.2mm左右，且未出現(xiàn)混凝土保護(hù)層剝落現(xiàn)象，而RCZ-D試件裂縫寬度和裂縫間距均較大，加載后期有混凝土剝落現(xiàn)象。對(duì)于所有試件，A面破壞嚴(yán)重，C面破壞最小，這是由于A面為正負(fù)向加載時(shí)的剪應(yīng)力疊加面，受力影響較大；C面為加載時(shí)的剪應(yīng)力相減面，受力影響最小。

圖6 試件的最終破壞形態(tài)

2.2 扭矩-扭率滯回曲線

各試件的扭矩-扭率滯回曲線見(jiàn)圖7，圖中T，θ分別代表試件的扭矩、扭率。由圖7可見(jiàn)，在柱身開(kāi)裂前，試件基本處于彈性階段，加卸載時(shí)滯回曲線基本呈直線發(fā)展，卸載后基本能回到零點(diǎn)附近，且在彈性階段軸壓比、扭彎比、剪跨比對(duì)試件的影響較小。隨著加載位移的增大，柱身PVA-ECC材料開(kāi)裂后裂縫不斷增多，滯回曲線開(kāi)始向扭率軸傾斜，滯回環(huán)的面積也不斷變大，試件處于彈塑性階段，卸載后滯回曲線并未回到零點(diǎn)附近，表明試件存在殘余變形。試件屈服后，每級(jí)加載位移循環(huán)3圈，試件扭矩-扭率滯回曲線由最初的弓形逐漸發(fā)展成反S形，說(shuō)明試件受到滑移影響，試件的強(qiáng)度和剛度發(fā)生明顯退化。其中，PVA-ECCZ-4D試件在加載至最后一級(jí)第二圈循環(huán)時(shí)，位移計(jì)發(fā)生移動(dòng)，故此后的滯回曲線不可比較。

對(duì)比不同軸壓比試件，軸壓比小的滯回曲線更飽滿，極限扭率更大，說(shuō)明降低軸壓比試件有更好的耗能能力和變形能力。對(duì)比不同剪跨比試件，剪跨比大的滯回曲線更為飽滿，具有更好的耗能能力。與普通鋼筋混凝土柱相比，PVA-ECC柱的滯回環(huán)面積、峰值承載力和極限扭率更大，滯回曲線達(dá)到峰值后荷載下降相對(duì)緩慢，表明PVA-ECC柱具有更高的受扭承載力、變形能力和耗能能力。

圖7 試件的扭矩-扭率滯回曲線

2.3 骨架曲線

圖8給出了各試件的扭矩-扭率骨架曲線，采用等效能量法計(jì)算得到骨架曲線各特征點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表6。由圖8可見(jiàn)，各試件的扭矩-扭率骨架曲線形狀相似，大致呈S形。在試件未開(kāi)裂前，各試件的骨架曲線幾乎呈直線發(fā)展，且骨架曲線斜率接近，說(shuō)明軸壓比、扭彎比和剪跨比對(duì)試件的初始剛度影響較小。在試件處于帶裂縫工作階段，骨架曲線偏離直線，特別是接近屈服時(shí)更加明顯。試件屈服后的破壞階段，PVA-ECCZ系列試件后期表現(xiàn)出明顯的硬化現(xiàn)象，骨架曲線下降比普通鋼筋混凝土試件平緩。與RCZ-D試件相比，PVA-ECCZ-1D試件的極限承載力與極限扭率更高，表現(xiàn)出更好的延性。與PVA-ECCZ-3D試件相比，PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-2D試件的極限扭矩均值分別提高了16.7%，16.0%，極限扭率分別提高了31.4%，51.9%，說(shuō)明軸壓比降低，極限扭矩有所提高，試件的極限扭率提高明顯；PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-3D試件的開(kāi)裂扭矩比PVA-ECCZ-2D試件分別提高了45.5%，30.9%，說(shuō)明提高軸壓比有助于抑制試件的開(kāi)裂。當(dāng)軸壓比為0.2，扭彎比從0.53增大到1.00時(shí)，試件的峰值扭矩和破壞扭矩分別降低了4.1%，6.8%。比較不同剪跨比試件的骨架曲線，PVA-ECCZ-6D試件的開(kāi)裂扭矩比PVA-ECCZ-1D試件降低了17.7%，說(shuō)明提高剪跨比則試件的開(kāi)裂荷載降低。

圖8 各試件的骨架曲線

2.4 延性

試件扭率延性系數(shù)μθ可由下式計(jì)算：

μθ=θu/θy

(1)

式中θu，θy分別為試件破壞扭率和屈服扭率。

各試件加載正負(fù)向扭率延性系數(shù)的平均值見(jiàn)表6。對(duì)比PVA-ECCZ-1D～PVA-ECCZ-3D試件的扭轉(zhuǎn)延性系數(shù)可知，軸壓比從0.1增大到0.3，試件的扭轉(zhuǎn)延性均值由3.01減小至2.48，極限位移角逐漸減小，說(shuō)明軸壓比的提高能夠抑制試件的扭轉(zhuǎn)變形。對(duì)比PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-4D試件，試件的扭彎比由1減小至0.53，試件的扭轉(zhuǎn)延性均值由2.77減小至2.51，極限扭轉(zhuǎn)角均值由0.091 3減小至0.068 6，說(shuō)明扭彎比的減小抑制了試件的扭轉(zhuǎn)變形和扭轉(zhuǎn)延性。對(duì)比PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-6D試件，試件的剪跨比由2.57增加至3.57，扭轉(zhuǎn)延性系數(shù)均值由2.77增加至4.05，說(shuō)明增大剪跨比能使試件具有更好的延性性能。與RCZ-D試件相比，

骨架曲線的特征點(diǎn)參數(shù) 表6

PVA-ECCZ-1D試件的極限扭率提高了97.6%，扭轉(zhuǎn)延性系數(shù)提高了3.0%，說(shuō)明PVA-ECC材料能大幅度提高試件的塑性變形能力。

2.5 剛度退化

試件扭矩-扭率骨架曲線的剛度可采用割線剛度來(lái)表示。割線剛度采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：Ki為割線剛度；Ti為在第i級(jí)循環(huán)時(shí)峰值扭矩；θi為在第i次循環(huán)時(shí)的峰值扭率；+，-分別代表正向加載和負(fù)向加載。

為了在圖中能更直觀地表現(xiàn)出試件的剛度退化，采用割線剛度Ki與初始剛度K0的比值作為縱坐標(biāo)，采用扭率θ與屈服扭率θy的比值作為橫坐標(biāo)，7個(gè)試件的剛度退化曲線見(jiàn)圖9。

圖9 剛度退化曲線

由圖9可見(jiàn)，所有試件的剛度退化曲線在加載前期下降較快，加載后期剛度退化較為緩慢。這是因?yàn)榍捌诒Ｗo(hù)層材料開(kāi)裂，出現(xiàn)較多裂縫，鋼筋屈服，剛度退化較快，而加載后期裂縫充分開(kāi)展，鋼筋完全塑性變形，使得試件的剛度退化變緩。加載后期，PVA-ECCZ-1D試件剛度退化曲線較RCZ-D試件更加平穩(wěn)，這是因?yàn)镻VA-ECC材料具有應(yīng)變硬化能力和更高的變形能力。對(duì)比不同軸壓比試件，PVA-ECCZ-2D試件前期剛度下降最快，PVA-ECCZ-3D試件前期剛度下降最慢，這是因?yàn)榧虞d前期軸壓力的存在能抑制裂縫的開(kāi)展，使得軸壓比大的試件前期剛度退化相對(duì)較慢，而加載后期剛度退化速率相近。對(duì)比PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-4D試件可知，在加載后期，扭彎比大的試件剛度退化速率相對(duì)較快。與PVA-ECCZ-5D試件相比，加載后期PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-6D試件的剛度退化曲線相對(duì)緩慢，說(shuō)明增大剪跨比可降低試件剛度退化速率。

2.6 強(qiáng)度退化

在同一加載位移下，試件的抗扭強(qiáng)度會(huì)隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加而降低。各試件抗扭強(qiáng)度退化情況見(jiàn)圖10，其中縱坐標(biāo)采用同一加載級(jí)下三次循環(huán)的峰值扭矩T與第一次循環(huán)時(shí)峰值扭矩T1的比值，橫坐標(biāo)為屈服后第i個(gè)加載級(jí)。由圖10可見(jiàn)，在同一加載級(jí)下，所有試件第二次循環(huán)的強(qiáng)度退化比第三次更大。由圖10(a)可知，早期軸壓比大的試件強(qiáng)度退化較快，這是因?yàn)檩S壓比越大，早期加載時(shí)損傷越大。由圖10(b)可見(jiàn)，扭彎比對(duì)試件的強(qiáng)度影響較大，扭彎比越大的試件強(qiáng)度退化越快，這是因?yàn)榕澅仍酱笤嚰p傷越快。由圖10(c)可知，剪跨比大的試件強(qiáng)度退化較快，這是因?yàn)榧艨绫仍酱螅虞d時(shí)損傷越快。由圖10(d)可知，PVA-ECCZ系列試件強(qiáng)度退化較慢，這是由于PVA-ECC材料具有較好的應(yīng)變硬化能力，在試件開(kāi)裂后仍能保持較好的抗扭強(qiáng)度，故強(qiáng)度退化較慢。

圖10 強(qiáng)度退化

圖11 等效黏滯阻尼系數(shù)he計(jì)算示意圖

圖12 扭轉(zhuǎn)等效黏滯阻尼系數(shù)曲線

2.7 耗能能力

試件的能量耗散能力可采用等效黏滯阻尼系數(shù)he來(lái)評(píng)價(jià)，he按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

各試件的扭轉(zhuǎn)等效黏滯阻尼系數(shù)及其變化趨勢(shì)見(jiàn)表7和圖12。總體上所有試件的等效黏滯阻尼系數(shù)都較小，且隨著加載級(jí)的增大而增大，但在加載前期略有波動(dòng)，這是因?yàn)榍捌谠嚰まD(zhuǎn)耗能由外圍PVA-ECC材料提供，在試件開(kāi)裂與裂縫發(fā)展過(guò)程中，外圍PVA-ECC材料退出工作，由鋼筋骨架與約束PVA-ECC材料提供抗扭耗能能力，因此試件耗能能力在前期出現(xiàn)波動(dòng)后繼續(xù)上升。對(duì)于不同剪跨比試件，PVA-ECCZ-5D試件的等效黏滯阻尼系數(shù)較PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-6D試件大，表明適當(dāng)減小試件的剪跨比可提高受扭耗能性能。與RCZ-D試件相比，PVA-ECCZ-1D試件的等效黏滯阻尼系數(shù)明顯較高，說(shuō)明PVA-ECC材料比普通混凝土材料具有更好的耗能性能。

各試件扭轉(zhuǎn)等效黏滯阻尼系數(shù) 表7

3 結(jié)論

(1)7個(gè)試件均發(fā)生扭型破壞，裂縫主要分布在柱身中部，呈交叉網(wǎng)狀。PVA-ECC柱裂縫細(xì)而密，發(fā)展較為緩慢，且未發(fā)生保護(hù)層剝落現(xiàn)象。普通混凝土柱裂縫數(shù)量較少，裂縫寬度較大，加載后期發(fā)生混凝土保護(hù)層剝落現(xiàn)象。

(2)與普通混凝土柱相比，PVA-ECC柱的強(qiáng)度退化緩慢，且開(kāi)裂、屈服、峰值荷載及極限扭率明顯提高，說(shuō)明采用PVA-ECC材料能提高試件的復(fù)合受扭能力和變形能力。

(3)當(dāng)軸壓比從0.3降低至0.1，扭矩-扭率曲線相對(duì)愈飽滿，極限扭矩提高了16.7%，極限扭率提高了51.9%，受扭延性系數(shù)提高了21.3%，受扭剛度退化相對(duì)較快，強(qiáng)度退化較慢。

(4)當(dāng)剪跨比從2.07提高至3.07，試件開(kāi)裂較早，受扭延性提高明顯，受扭強(qiáng)度退化速率加快，受扭耗能能力略微降低。

(5)當(dāng)扭彎比從0.53增加至1時(shí)，試件的極限扭率和受扭延性系數(shù)分別提高了33.1%和10.4%，扭轉(zhuǎn)剛度退化速率相對(duì)較快，受扭強(qiáng)度退化加快。