高延性混凝土在剪力墻置換中應(yīng)用性能分析

摘 要：為了探究高延性混凝土對(duì)剪力墻抗震性能的影響，本文利用改性活性粉末混凝土局部置換加固剪力墻，并且設(shè)置兩個(gè)對(duì)照組，第Ⅰ組是強(qiáng)度等級(jí)為C15的剪力墻試件（不加固），第Ⅱ組是強(qiáng)度等級(jí)為C30的剪力墻試件（不加固），第Ⅲ組是強(qiáng)度等級(jí)為C15的剪力墻試件（加固）。按照不同的軸壓比向試件施加恒定豎直載荷和水平低周反復(fù)載荷，綜合鋼筋應(yīng)變、混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變、載荷大小、試件位移等因素，判斷3組試件的承載力。結(jié)果顯示，經(jīng)過高延性混凝土局部置換加固的剪力墻，極限承載力、破壞承載力明顯提升，優(yōu)于兩個(gè)對(duì)照組，說明該加固方式有利于提高剪力墻的抗震性能。當(dāng)建筑物受到地震影響時(shí)，豎直載荷、水平載荷作用于剪力墻，使墻體出現(xiàn)伸縮變形，一旦超過其承載能力，將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。高延性混凝土中添加了PP纖維、鋼纖維以及多種活性物質(zhì)，改善了普通混凝土材料的抗拉、抗壓以及延展性，因此研究此類混凝土對(duì)剪力墻的加固效果具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：高延性混凝土；局部置換加固剪力墻；抗震性能試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU 352" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 高延性混凝土材料及試件概述

1.1 高延性混凝土材料

我國(guó)的許多房屋建筑年代久遠(yuǎn)，因此建造時(shí)對(duì)抗震設(shè)計(jì)的重視程度不高。為了滿足新的使用需要，要對(duì)這些建筑物進(jìn)行改造。由于新標(biāo)準(zhǔn)普遍高于舊標(biāo)準(zhǔn)，既有建筑結(jié)構(gòu)不能滿足抗震要求，因此須對(duì)既有建筑物進(jìn)行加固。我國(guó)現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，建筑使用年限一般為50～100年。但建國(guó)后，新建建筑物大多已超過50年，維修與加固工作亟待加強(qiáng)。隨著時(shí)間流逝，部分老建筑會(huì)逐漸進(jìn)入服役期，從而導(dǎo)致大量建筑物發(fā)生不同程度損壞乃至倒塌。因此，提高改建技術(shù)在當(dāng)代建筑業(yè)中非常重要，也成為建筑業(yè)未來發(fā)展的主要方向。在高層建筑中，剪力墻是一種重要的承載構(gòu)件，它的受力性能及變形能力直接影響整個(gè)工程的質(zhì)量。通過試驗(yàn)檢測(cè)可以明確高延性混凝土的性能并合理進(jìn)行建筑加固。

試驗(yàn)過程使用的混凝土材料為改性活性粉末混凝土（Modified Reactive Powder Concrete，MRPC），制備MRPC的原材料及配比見表1。由于材料中添加了活性粉末、鋼纖維、PP纖維，因此其抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、延性以及耐久性等重要性能指標(biāo)得到了明顯改善。

1.2 試件制作要求

1.2.1 剪力墻試件強(qiáng)度及加固措施

當(dāng)鋼筋混凝土剪力墻的強(qiáng)度較低時(shí)，可利用MRPC材料對(duì)其進(jìn)行局部置換，從而達(dá)到加固剪力墻的目的。在試驗(yàn)前制作3組剪力墻試件，每組均為3個(gè)。第一組剪力墻試件采用強(qiáng)度等級(jí)為C15的混凝土，不使用MRPC材料進(jìn)行局部置換加固[1]。第二組剪力墻試件采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，不采取MRPC加固措施。第三組剪力墻試件采用強(qiáng)度等級(jí)為C15的混凝土，利用MRPC材料進(jìn)行局部置換加固。

1.2.2 剪力墻試件尺寸及配筋設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程共設(shè)計(jì)了9個(gè)剪力墻試件，其結(jié)構(gòu)形式完全一致，包括墻體、地梁以及加載梁，根據(jù)高度、寬度和墻體厚度決定試件的幾何尺寸，幾個(gè)試件的高度均為2.7m，寬度均為1.2m，厚度均為0.14m。對(duì)采取MRPC加固措施的墻體試件來說，其加固位置位于墻體的兩端，局部置換的長(zhǎng)度為0.2m。地梁截面的幾何尺寸為0.5m×0.8m，加載頂梁的截面設(shè)計(jì)為0.18m×0.3m。墻體試件的尺寸及配筋設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

1.2.3 檢測(cè)MRPC的抗壓強(qiáng)度

當(dāng)使用MRPC材料置換加固剪力墻時(shí)，應(yīng)保證其抗壓強(qiáng)度處于同一級(jí)別，避免抗壓強(qiáng)度不同影響抗震性能試驗(yàn)的結(jié)果。針對(duì)MRPC-1、MRPC-2、MRPC-3這3種試件各配置3次MRPC材料，得到9個(gè)立方體試塊。按照《混凝土檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50107—2010）的試驗(yàn)方法和混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定方法，進(jìn)行MRPC抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表3。從表3可知，MRPC材料的抗壓強(qiáng)度差異非常小，性能較為穩(wěn)定。

1.2.4 剪力墻混凝土材料力學(xué)性能檢測(cè)

除了MRCP材料外，試驗(yàn)過程還涉及C15混凝土和C30混凝土，作為澆筑剪力墻的主體材料，應(yīng)檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度是否與設(shè)計(jì)強(qiáng)度一致。在澆筑剪力墻的過程中，同時(shí)制作標(biāo)準(zhǔn)的立方體混凝土試塊，邊長(zhǎng)均為100mm，試塊的混凝土材料、養(yǎng)護(hù)條件與剪力墻完全保持一致，每種強(qiáng)度等級(jí)均制做3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊，分別檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度。C15混凝土試塊的檢測(cè)結(jié)果分別為15.43MPa、15.59MPa、15.68MPa，均值為15.57MPa，滿足強(qiáng)度等級(jí)要求。C30混凝土試塊的強(qiáng)度等級(jí)分別為35.58MPa、36.76MPa、35.45MPa，均值為36.26MPa，滿足C30混凝土的強(qiáng)度等級(jí)要求。對(duì)比C15混凝土、C30混凝土和MRCP材料的抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度比值約為1∶2∶4。

1.2.5 剪力墻鋼筋性能檢測(cè)

鋼筋是制作剪力墻的重要材料，在剪力墻抗震性能試驗(yàn)中，3 種剪力墻使用的鋼筋在性能上應(yīng)保持一致。性能檢驗(yàn)的重點(diǎn)為剪力墻的水平分布鋼筋、縱向筋以及拉結(jié)筋。檢測(cè)鋼筋的抗拉強(qiáng)度，縱向鋼筋的直徑為12mm，其屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為420MPa、585MPa。水平鋼筋的直徑為10mm，屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為411MPa、564MPa，拉結(jié)筋的直徑為8mm，屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為420MPa、525MPa。所有鋼筋的材質(zhì)均為HRB400型。

2 抗震性能試驗(yàn)方法

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

2.1.1 設(shè)置鋼筋應(yīng)變片

用鋼筋應(yīng)變片檢測(cè)剪力墻中鋼筋的應(yīng)變情況，測(cè)點(diǎn)分布在剪力墻的水平鋼筋、縱向鋼筋以及端部縱向受力鋼筋上。試件上的鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)共9個(gè)，其中4個(gè)設(shè)置在縱向鋼筋上，另外5個(gè)均設(shè)置在水平鋼筋上，并且5個(gè)水平鋼筋測(cè)點(diǎn)呈45°斜向分布[2]。

2.1.2 設(shè)置混凝土應(yīng)變片

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到地震作用時(shí)，有可能出現(xiàn)伸縮變形，因此在剪力墻的混凝土構(gòu)件上設(shè)置應(yīng)變片。當(dāng)構(gòu)件發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)變片也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致金屬箔材伸長(zhǎng)或者收縮，在該過程中，其電阻值隨之改變，使電壓也發(fā)生變化。通過觀察電壓的變化情況，即可判斷混凝土構(gòu)件的伸縮程度。在剪力墻的對(duì)角線上布置應(yīng)變片，只須布置一條對(duì)角線。

2.1.3 設(shè)置位移傳感器

當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，建筑物不僅受到豎直方向的載荷，同時(shí)還存在水平載荷，后者會(huì)導(dǎo)致建筑物在水平方向發(fā)生位移，為了檢測(cè)剪力墻試件的水平位移，在其頂部和底部設(shè)置位移傳感器，型號(hào)為YHD-300，傳感器的量程為±150mm。用設(shè)置在底部的傳感器監(jiān)測(cè)地梁在試驗(yàn)過程中是否發(fā)生水平位移，傳感器與電阻應(yīng)變采集儀相連。

2.2 測(cè)試內(nèi)容

在試驗(yàn)過程中，需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括剪力墻的水平載荷、破壞形態(tài)、水平位移量、混凝土應(yīng)變以及鋼筋應(yīng)變。試驗(yàn)過程使用的設(shè)備包括位移采集系統(tǒng)、應(yīng)變采集系統(tǒng)以及液壓伺服加載系統(tǒng)，以數(shù)字化的方式采集和展示試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.3 加載方案

2.3.1 豎向載荷加載方案

在抗震試驗(yàn)中，需要通過試驗(yàn)裝置模擬地震時(shí)的水平載荷和豎直載荷，使其作用在墻體試件上[3]。利用液壓穩(wěn)壓加載系統(tǒng)完成豎向載荷加載過程，沿著剪力墻試件的軸向施加恒定載荷，軸向壓力的取值與軸壓比密切相關(guān)，將軸向壓力記為N，其計(jì)算方法如公式（1）所示。

N=n·fc·A " （1）

式中：n為軸壓比；A為墻肢的全截面面積；fc為混凝土的軸向抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。針對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3組試件，分別施加不同大小的豎向載荷，第Ⅰ組載荷值為360.36kN，第Ⅱ組為600.60kN，第Ⅲ組為840.84kN。

2.3.2 水平載荷加載方案

由MTS液壓伺服加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水平載荷的加載過程，地震引起的水平載荷通常低周期反復(fù)出現(xiàn)，水平載荷采用位移加載控制方式，載荷按照其運(yùn)行方向，存在正負(fù)之分。當(dāng)動(dòng)作器施加推動(dòng)作用時(shí)，載荷為正向，當(dāng)動(dòng)作器施加拉向作用時(shí)，載荷為負(fù)向。隨著動(dòng)作器位移增加，施加在試件上的載荷也不斷增加。在初始階段，按照0.3mm/次加載，待試件產(chǎn)生初始裂縫后，增加載荷幅值，按照每級(jí)1.2mm進(jìn)行加載控制[4]。當(dāng)試件出現(xiàn)較大程度變形時(shí)，進(jìn)入新的加載級(jí)別，將位移增幅調(diào)整為2.4mm。隨著載荷增加，試件的破壞程度不斷加劇，當(dāng)載荷突然下降時(shí)，說明試件的承載能力已經(jīng)越過極限值，此時(shí)可停止加載。

3 抗震性能試驗(yàn)中試件的破壞過程

3.1 試件破壞形態(tài)分析

3.1.1 第Ⅰ組試件的破壞形態(tài)

將試件RC15-1、RC15-2、RC15-3的強(qiáng)度均設(shè)計(jì)為C15，未采取MRPC局部置換加固措施，幾何尺寸和結(jié)構(gòu)形式也完全一致。3個(gè)構(gòu)件的軸壓比存在差異，以RC15-1為例，當(dāng)恒定豎向載荷為360.36kN時(shí)，其破壞形態(tài)見表4。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，RC15-1剪力墻的受拉峰值載荷和受壓峰值載荷分別為-233.7kN、211.7kN，對(duì)應(yīng)的水平位移量分別為-39.6mm、+32.4mm。RC-2試件的受拉載荷峰值為-241.5kN，受推載荷峰值為+236.1kN，相應(yīng)的位移量分別為-26.2mm、+28.2mm。RC-3試件的受拉和受推載荷峰值分別為-250.9kN、261.9kN，相應(yīng)的位移量為-21.6mm、+25.6mm。

3.1.2 第Ⅱ組試件的破壞形態(tài)

第Ⅱ組試件的強(qiáng)度等級(jí)為C30，未采取MRPC局部置換加固措施，RC30-1的軸壓比為0.15，RC30-2的軸壓比為0.25，RC30-3的軸壓比為0.35，其恒定豎向載荷分別為360.36kN、600kN、840.48kN。以RC30-1試件為例，水平載荷由動(dòng)作器加載，按照正向和負(fù)向反復(fù)加載，-3.0mm位移對(duì)應(yīng)的拉力為90.8kN，此時(shí)受拉部位初次產(chǎn)生裂縫[5]。反向加載推力，當(dāng)位移量達(dá)到3.6mm時(shí)，施加在試件上的載荷為89.4kN，此時(shí)受壓部位初次產(chǎn)生裂縫。當(dāng)正向位移量增至26.5mm時(shí)，推力達(dá)到220.9kN，試件產(chǎn)生第一條豎向裂縫。繼續(xù)加載，試件底部徹底破碎。

3.1.3 第Ⅲ組試件的破壞形態(tài)

第Ⅲ組試件的強(qiáng)度等級(jí)均為C15，采取MRPC局部置換加固措施，MRPC-1、MRPC-2、MRPC-3這3個(gè)試件的軸壓比分別為0.3、0.5、0.7，豎向恒定載荷分別為360.36kN、600.0kN、840.84kN。以剪力墻試件MRPC-1為例，通過動(dòng)作器向試件施加水平載荷，當(dāng)位移量為-3.0mm時(shí)，試件上首次出現(xiàn)水平受拉載荷，此時(shí)對(duì)應(yīng)的拉力值為82.9kN。當(dāng)位移量為+33mm時(shí)，試件上的壓力達(dá)到峰值263.8kN。當(dāng)位移量為-41.0mm時(shí)，拉力達(dá)到峰值，最大拉力為-273.9kN。試件MRPC-2的試驗(yàn)結(jié)果顯示，其峰值拉力和推力分別為-328.8kN、310.3kN，對(duì)應(yīng)的最大位移量分別為-38.0mm、+40.0mm。試件MRPC-3的峰值拉力和壓力分比為-369.6kN、360.7kN，相應(yīng)的位移量為-46.0mm、42.0mm。數(shù)值見表5。

3.2 承載力試驗(yàn)結(jié)果

綜合抗震試驗(yàn)的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)3組試件在不同條件下的開裂載荷、極限載荷以及破壞載荷，結(jié)果見表6。以極限載荷為例，在組別I中，RC15-3的極限載荷最大，分別為+261.8kN、-250.8kN，而組別Ⅲ中，試件MRPC-3的極限載荷最大，分別為+360.6kN、-369.5kN，比RC15-3高出約100kN。與第Ⅱ相比，該組中RC15-30的極限載荷最大，分別為+294.4kN、-309.0kN，MRPC-3同樣的相應(yīng)數(shù)值仍然更大。從中可知，采取高延性混凝土置換加固措施后，第Ⅲ組試件的極限載荷和破壞載荷明顯高于第Ⅰ組和第Ⅱ組，承載能力增強(qiáng)證明經(jīng)過MRPC局部置換加固后的剪力墻具有更強(qiáng)的抗震性能。

4 結(jié)語

綜合全文，在此次研究過程中，本文分別制作了3種剪力墻試件，試驗(yàn)組利用MRPC材料進(jìn)行置換加固（強(qiáng)度等級(jí)為C15），對(duì)照組均不采取加固措施，強(qiáng)度等級(jí)分別為C15和C30。在試件上布置測(cè)點(diǎn)，包括鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、水平位移測(cè)點(diǎn)等，以固定的豎直載荷作用于試件，并分級(jí)施加水平載荷，觀察其破壞形態(tài)以及承載力。從結(jié)果可知，經(jīng)過高延性混凝土局部置換加固的剪力墻試件，有效地提高了載荷能力，剪力墻抗拉、抗壓強(qiáng)度也顯著提升，有利于提高其抗震性能。

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