型鋼-鋼纖維高強混凝土柱抗震性能試驗研究

張海坤 ，高志杰 ，孔 炯 ，丁 偉 ，陶清林

(1.安徽工業(yè)大學 建筑工程學院, 安徽 馬鞍山 243032；2.中國十七冶集團有限公司 技術中心,安徽 馬鞍山 243000)

型鋼混凝土是在混凝土內(nèi)配置型鋼形成的一種組合結構，因其具有承載力高、剛度大、防火防腐性能佳等優(yōu)點而被廣泛用于大跨、高層建筑結構中。將型鋼混凝土構件中的普通混凝土升級為高強混凝土，能夠有效提高構件軸向、抗剪承載力，但由于高強混凝土的拉壓比較低，導致型鋼高強混凝土構件脆性明顯，影響構件的抗震性能[1-2]。研究[3]表明在混凝土中摻入纖維可避免出現(xiàn)脆性破壞形態(tài)，提高混凝土的延性。因此，國內(nèi)外眾多學者關注纖維混凝土方面的應用研究。

常見的纖維有柔性纖維及剛性纖維[4-5]。柔性纖維如聚丙烯纖維、PVA 纖維等可緩解混凝土的干燥收縮，提高混凝土的受壓、抗彎承載力和抗裂性能[6-9]。Dong 等[10]、Fischer 等[11]用PVA 纖維增強復合材料代替普通混凝土制備型鋼-混凝土組合構件，發(fā)現(xiàn)組合構件具有較高的承載能力和較大的變形能力；鄧明科等[12]研究發(fā)現(xiàn)，加入PVA 纖維的型鋼混凝土短柱變形能力明顯高于普通型鋼混凝土構件。剛性纖維如鋼纖維、玄武巖纖維等在提高混凝土抗壓強度和抗彎強度的同時，還可改善混凝土的延性性能[13-15]。吳鵬[16]、陳寶全[17]研究發(fā)現(xiàn)，添加鋼纖維可顯著增強混凝土的力學性能、明顯改善混凝土的變形性能且經(jīng)濟性好。相較于柔性纖維，鋼纖維混凝土的抗彎強度、承載力、延性等力學性能更好且制備成本低，但目前國內(nèi)外學者關于鋼纖維在型鋼混凝土組合結構應用方面的研究不多，且多集中于受彎構件。伍凱等[18]針對型鋼-鋼纖維混凝土組合梁受彎構件的承載力研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維可替代部分箍筋作用，鋼筋骨架的配置能夠增強縱筋；Tao 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，加入鋼纖維可有效改善高強混凝土的脆性，型鋼-鋼纖維高強混凝土受彎構件表現(xiàn)出較高的開裂和極限承載能力。為探索鋼纖維對型鋼-高強混凝土柱抗震性能的影響，通過開展型鋼-鋼纖維高強混凝土柱往復加載試驗，分析鋼纖維摻量對型鋼-高強混凝土柱變形能力、承載力、延性等的影響。

1 試 驗

1.1 試件設計

設計的型鋼-鋼纖維高強混凝土柱的截面尺寸為160 mm×240 mm，高度為870 mm，剪跨比為3.27；型鋼為Q235 級H 型鋼H12.6(H126 mm×74 mm×6 mm×8 mm)，含鋼率為4.7%；縱筋為HRB335 鋼按4 10 配置，箍筋按6@60 配置(配箍率1.38%)，軸壓比設計值為0.28，截面尺寸及配筋見圖1。

圖1 試件截面尺寸及配筋 單位：mmFig.1 Sectional size and reinforcement of specimen Unit: mm

1.2 試件制備

1.2.1 混凝土的制備

本試驗中所用混凝土為C80 高強混凝土，采用二次合成法配比制備。原料為：水泥，P.O 52.5 級普通硅酸鹽水泥；鋼纖維，銑削波浪形，體積分數(shù)分別為0，0.5%，1.0%，2.0%；粉煤灰，Ⅰ級；硅灰，粒徑0.15 μm的加密硅灰；細骨料，中粗沙(連續(xù)級配)；粗骨料，粒徑5～10 mm 的碎石；減水劑，高性能聚羧酸減水劑(減水率40%)，具體配合比如表1。混凝土制備過程中預留一組立方體抗壓試件和啞鈴形抗拉試件，與試件同條件養(yǎng)護28 d 測得的抗壓、抗拉強度見表2。表2 表明制備的混凝土為C80 高強混凝土。

表1 混凝土配合比Tab.1 Proportioning of the concrete

表2 混凝土試塊的實測強度Tab.2 Measured strength of the concrete test blocks

1.2.2 型鋼-鋼纖維高強混凝土柱的制作

按照上述設計參數(shù)對型鋼-鋼纖維高強混凝土柱的柱身和支座型鋼進行焊接，并在型鋼外圍綁扎鋼筋籠，對其進行支模后進行混凝土澆筑，每次澆注高度不超過50 cm，邊澆筑邊用插入式振動器振搗，每次振搗3～5 min 且不觸動鋼筋。澆筑完成后對型鋼-鋼纖維高強混凝土柱進行恒溫保濕養(yǎng)護，將體積分數(shù)為0，0.5%，1.0%，2.0%鋼纖維的型鋼-鋼纖維高強混凝土柱分別記作C-0.0，C-0.5，C-1.0，C-2.0 試件。型鋼-鋼纖維高強混凝土柱制作過程如圖2。

圖2 型鋼-鋼纖維高強混凝土柱的制作過程Fig.2 Manufacturing process of steel reinforced high-strength concrete column with steel fiber

1.3 加載試驗

對型鋼-鋼纖維高強混凝土柱試件進行低周往復加載試驗，通過地錨螺栓固定試件基礎底座，加載裝置示意圖如圖3。由50 t 液壓千斤頂施加豎向壓力，在千斤頂與反力架平衡梁之間設置滑車以保證豎向荷載處于試件中心，并通過千斤頂上荷載傳感器測量豎向軸壓力；由100 t 電液伺服作動器施加并記錄水平荷載；在柱頂及柱身中部放置2 個位移計測量水平位移。測試前，對試件進行預加載以檢測加載裝置能否正常運行，檢測完畢對柱頂逐步施加軸向壓力至500 kN，并保持恒定。水平方向以增量為2 mm(約 0.2Δy，Δy為試件屈服時柱頂對應的位移)的位移控制方式施加往復荷載，試件屈服前往復循環(huán)1 次；試件屈服后往復循環(huán)3 次，直到水平荷載降至峰值荷載的70%～85%，混凝土出現(xiàn)明顯剝落時停止加載。

圖3 試驗加載裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test loading device

2 結果與分析

2.1 試件的破壞過程與破壞形態(tài)

鋼纖維體積分數(shù)在0～2.0%范圍內(nèi)，不同摻量鋼纖維的型鋼高強混凝土柱試件在低周往復加載試驗過程的破壞過程大體相同：水平位移荷載加載初期(0～2 mm)，不同摻量鋼纖維的試件基本處于彈性階段，表面未見裂縫；水平位移增至2～4 mm 時，柱底開始出現(xiàn)水平裂縫，進入帶裂縫工作狀態(tài)，但鋼纖維試件比無鋼纖維試件的開裂時間稍晚，作動器反向加載時，柱的另一側出現(xiàn)類似的對稱水平裂縫；繼續(xù)增加水平位移(4～8 mm)，水平裂縫開始延伸，發(fā)展至型鋼翼緣時，受型鋼翼緣的約束，裂縫開始有斜向發(fā)展的趨勢，但發(fā)展速度緩慢；水平位移增至8～20 mm 時，水平裂縫繼續(xù)發(fā)展，豎向鋼筋和型鋼翼緣相繼受拉屈服，表面混凝土開始剝落，此時由于鋼材的強化效應和型鋼翼緣核心區(qū)混凝土的咬合作用，承載力仍可繼續(xù)增加，直至達到峰值荷載；繼續(xù)增加水平位移(20～30 mm)，柱兩側水平裂縫逐漸貫通，柱表面混凝土破壞明顯，試件內(nèi)部發(fā)出劈裂聲，承載力開始逐步下降，縱筋和型鋼大面積屈服，由于鋼纖維的作用，鋼纖維型鋼混凝土柱比無鋼纖維型鋼高強混凝土柱承載力衰減速度緩慢；當承載力下降至峰值荷載的85%左右時，混凝土出現(xiàn)大面積剝落，所有試件均發(fā)生彎曲破壞，破壞形態(tài)如圖4。

圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of specimens

綜上看出：無鋼纖維試件混凝土脫落現(xiàn)象最嚴重，鋼纖維體積分數(shù)在0～2.0%范圍內(nèi)，隨著鋼纖維摻量的增大，混凝土剝落現(xiàn)象得到明顯改善。

2.2 鋼纖維摻量對試件抗震性能的影響

2.2.1 荷載-位移滯回性能

滯回曲線可反映鋼纖維型鋼高強混凝土柱的剛度、強度、延性及耗能能力等性能[20]。鋼纖維體積分數(shù)在0～2.0%范圍內(nèi)，不同鋼纖維摻量試件往復循環(huán)加載下的荷載-位移滯回曲線如圖5。從圖5 可看出：試件均表現(xiàn)出良好的耗能能力，無鋼纖維試件的滯回曲線呈弓形，有一定的捏縮現(xiàn)象，鋼纖維試件的滯回曲線呈梭形，耗能能力明顯更佳，且隨鋼纖維摻量的增加越趨飽滿；循環(huán)加載時，無鋼纖維試件滯回環(huán)出現(xiàn)的退化現(xiàn)象顯著增加，鋼纖維試件的滯回環(huán)退化現(xiàn)象不明顯；達最大峰值荷載后，相對于無鋼纖維試件，鋼纖維試件承載力下降緩慢，可承受的循環(huán)加載次數(shù)更多。綜上說明，型鋼-鋼纖維高強混凝土柱表現(xiàn)出良好的耗能能力，這是由于混凝土內(nèi)部分散的鋼纖維能有效抑制和延緩混凝土微裂縫的發(fā)展，改善了混凝土的脆性性能。

圖5 試件荷載-位移滯回曲線Fig.5 Load-displacement hysteretic curve of specimen

2.2.2 變形能力和承載力

骨架曲線是滯回曲線的外包線，反映構件剛度、強度和延性等力學特性[21]。鋼纖維體積分數(shù)在0～2.0%范圍內(nèi)，不同鋼纖維體積摻量試件的骨架曲線如圖6。從圖6 可看出，不同鋼纖維體積摻量試件的骨架曲線大致分為彈性、開裂、屈服和下降4 個階段。加載初期，試件處于彈性階段，相較無鋼纖維試件，鋼纖維試件的剛度均有所降低，但降幅隨鋼纖維摻量的增加而減小。這是由于隨鋼纖維與基體混凝土間界面數(shù)增加，水泥漿料間流動增加，導致剛度減小，但鋼纖維與基體混凝土間的黏結力增強了試件的橫向約束。鋼纖維摻量較少時，水泥漿料間流動大于鋼纖維橫向約束作用，試件剛度降幅明顯；隨鋼纖維摻量的增加，鋼纖維橫向約束作用逐漸抵消水泥漿料間流動效應，試件剛度有所提高，降幅減小。增加水平位移荷載，試件進入帶裂縫工作狀態(tài)，骨架曲線曲率發(fā)生變化，鋼纖維試件開裂荷載較無鋼纖維試件均有所提高，這是因為鋼纖維具有增韌作用，抑制了裂縫的發(fā)展，提高了試件的開裂強度。水平位移荷載增至受拉區(qū)鋼筋屈服，試件進入屈服階段，相較無鋼纖維試件，鋼纖維試件承載力均增大，增幅為13%～21%，其中鋼纖維體積分數(shù)為1.0%時增幅最大。這是因為鋼纖維摻量過多時，包裹于鋼纖維周圍的基體材料變薄，降低鋼纖維和混凝土之間的黏結力，鋼纖維體積分數(shù)大于1.0%后，承載力出現(xiàn)小幅下降。水平位移荷載繼續(xù)增加至峰值荷載后，骨架曲線進入下降段，相較無鋼纖維試件，鋼纖維試件曲線的下降趨勢更平滑，承載力衰減幅度更小，極限位移更大。這是因為鋼纖維與骨料間的咬合作用可延緩試件破壞的速度，且鋼纖維吸收了部分往復荷載的能量，使其緩慢釋放。

圖6 試件骨架曲線Fig.6 Skeleton curve of specimen

一般認為當試件受力筋屈服時試件進入屈服狀態(tài)，實際試驗中難以明確屈服點位置，因此文中采用等效彈塑性能量法[22]確定試件的屈服點。如圖7 所示，當陰影區(qū)A1和A2的面積相等時，定義D點為屈服點，且將承載力下降至峰值荷載的85%時，定義為破壞點(C點)，對應的荷載為破壞荷載，由此得到試件各階段承載力，見表3。從表3 可看出：與無鋼纖維試件相比，鋼纖維試件的屈服荷載隨鋼纖維摻量的增大呈先增后減的趨勢，鋼纖維體積分數(shù)增至1.0%時，屈服荷載增幅最大，平均增幅為21.43%；鋼纖維試件的峰值荷載和破壞荷載隨鋼纖維摻量的增大而增大，鋼纖維體積分數(shù)為2.0%時，增幅最大，為24.24%。綜上表明：鋼纖維摻量(體積分數(shù)為0～1.0%)較少時，試件承載力增強效應較明顯；鋼纖維摻量(體積分數(shù)為2.0%)達到一定量后，試件承載力增強效應趨于穩(wěn)定。

圖7 等效彈塑性能量法Fig.7 Equvialent elasto-plastic energy method

表3 試件承載力Tab.3 Bearing capacity of specimen

2.2.3 延性性能

延性是指結構或構件屈服后可繼續(xù)承擔荷載并保持一定變形的能力，可采用位移延性系數(shù) μ表征試件的延性性能[23]，μ=Δu/Δy，Δu為試件的名義極限位移，取試件水平承載力降低到最大承載力85%時對應的水平位移；Δy為試件的屈服位移，試驗中試件的位移延性系數(shù)見表4。由表4 可看出：鋼纖維試件延性系數(shù)均在3.4 以上，均表現(xiàn)出良好的延性；試件延性隨鋼纖維摻量的增加而增大，C-2.0 試件的延性系數(shù)達5.344；無鋼纖維試件正反向屈服位移相差較大，而鋼纖維試件正反向屈服位移較為接近。鋼纖維對型鋼高強混凝土柱的延性增強主要有體現(xiàn)在兩方面：鋼纖維具有良好的增韌效果，改善了混凝土的韌性，混凝土的變形能力顯著提高；鋼纖維具有阻裂性，可延遲混凝土的開裂時間，當混凝土出現(xiàn)裂縫時，鋼纖維承擔了混凝土釋放的應力，限制了裂縫的發(fā)展，且一定范圍內(nèi)鋼纖維摻量越高，這種增強作用愈明顯。

表4 試件的位移延性系數(shù)Tab.4 Displacement ductility coefficient of specimen

2.2.4 強度衰減

強度衰減指位移控制加載時試件的水平荷載隨加載次數(shù)的增多而下降的現(xiàn)象，通常用某一級位移控制下第n次循環(huán)的最大荷載與第一次循環(huán)的最大荷載比Fn/F1表示[24]。圖8 為不同鋼纖維試件的強度衰減曲線。由圖8 可知：鋼纖維試件強度衰減速率比無鋼纖維試件小，可循環(huán)次數(shù)多，抗震性能更佳；隨鋼纖維摻量的增大，試件強度衰減逐漸變緩，循環(huán)加載次數(shù)增加，控制位移增大，型鋼-鋼纖維高強混凝土柱的控制位移超過了40 mm；在變形較大的情況下，試件的強度衰減從28%降為16%，型鋼-鋼纖維高強混凝土柱強度衰減更緩慢；同級位移加載條件下，鋼纖維試件強度衰減程度更小，如控制位移同為27 mm 時，無鋼纖維試件強度衰減為28%，而纖維體積分數(shù)為1.0%的強度衰減僅為7%。由此說明加入鋼纖維對延緩試件強度衰減效果明顯，試件抗震性能更好。

圖8 試件的強度衰減曲線Fig.8 Intensity attenuation curve of specimen

3 結 論

通過分析4 種鋼纖維摻量的型鋼高強混凝土柱試件在低周往復荷載作用下的破壞過程與破壞形態(tài)，揭示鋼纖維摻量對型鋼高強混凝土柱抗震性能的影響，得到以下結論：

1) 鋼纖維的加入可改善型鋼-鋼纖維高強混凝土柱混凝土大面積剝落現(xiàn)象，裂縫發(fā)展緩慢、分布細密，這是由于混凝土內(nèi)部分散的鋼纖維能有效抑制和延緩混凝土微裂縫的發(fā)展，改善混凝土的脆性。

2) 鋼纖維的加入可增強試件的滯回性能、變形能力、承載力、延性性能，降低試件的強度衰減。鋼纖維具有良好的增韌效果，加入鋼纖維可增強試件的韌性，顯著提高試件的變形能力；鋼纖維具有阻裂性，可延遲混凝土的開裂時間，一定范圍內(nèi)鋼纖維摻量越高，這種作用越明顯。