鋼筋活性粉末混凝土電桿抗震性能研究

沈秀斌 鄺凡

【摘 要】作為一種新型水泥基復合材料，活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）相比于普通混凝土和高強混凝土有更高的強度、韌性、耐久性和環保性，因而在現階段被廣泛應用在輸電工程電桿架設中。應用RPC澆筑節點核心區，能在解決核心區箍筋配置過密的問題，而中間層框架邊節點的單側梁只能為核心區提供單側約束，在地震時更容易破壞，因此，對中間層鋼筋活性粉末混凝土框架邊節點進行抗震性能研究具有重要意義。

本文通過對鋼筋RPC電桿框架節點開展試驗，研究其節點抗震性能，分析節點核心區箍筋配筋率、梁縱筋強度及軸壓比3個因素對節點抗震性能的影響，探討適應于鋼筋RPC抗震設計方法。通過本文研究，為RPC應用到框架節點提供了理論和試驗依據，也為RPC這種高性能水泥基復合材料在輸電工程中更廣泛的應用奠定了堅實的理論基礎。

【關鍵詞】新型活性粉末混凝土電桿；框架邊節點；抗震性能；配筋率

0引言

鋼筋混凝土電桿廣泛應用在我國10千伏、35千伏、110千伏輸電線路工程架設中。而我國屬于地震高發國家，因此，輸電用鋼筋混凝土電桿及其框架在設計建造時都必須考慮其抗震性能。

作為一種新型水泥基復合材料，RPC是采用“高致密水泥基均勻體系”，集合高強、高性能、纖維增強3種混凝土之優點，剔除掉粗骨料，遵循最緊密堆積原理，采用擁有較好顆粒級配石英砂作為骨料，并加入適量短纖維和粉末狀活性礦物料，配以成型施壓、熱養護等制備方法，研制獲得的一種新型高致密水泥基復合材料。將RPC具體應用到實際工程可以有如下幾個優勢：（1）超高抗壓強度能縮小構件截面尺寸，減低混凝土用量，從而降低結構建造成本；同時，結構更輕質，能降低結構地震慣性力，增大結構柔性，增強結構變形能力，從而提高結構耗能能力；（2）較高抗彎強度和斷裂能能增強混凝土約束效應，而較高抗剪強度也能增大結構側向抗剪承載能力，進而共同提高結構抗震性能；（3）較好延性，能提高結構延展性；（4）大的極限拉應變能加強框架節點轉動能力，及時釋放柱端內力，避免在柱端形成塑性鉸。因此，RPC在土木工程抗震領域中應該有很好的應用。

近年來，國內外學者研究重點主要是針對常規混凝土框架節點的抗震，而專門針對RPC這種新型高性能水泥基復合材料框架節點的抗震卻研究的較少，本文的主要目的是通過擬靜力加載試驗探討RPC應用到框架節點的可行性及對鋼筋RPC框架節點的抗震設計方法及計算公式進行研究。

1試驗方案設計

本文選取典型多層鋼筋混凝土框架結構中的中間層邊節點作為試驗研究對象，并假定梁、柱力矩反彎點位于跨中及柱中。因為本試驗主要研究對象為節點核心區和梁端塑性鉸，所以在擬靜力加載過程中可以忽略柱子位移時的荷載-位移效應，采用梁端加載方案。在試驗過程中，試件的柱子應保證垂直狀態，通過作動器在梁自由端施加豎向反復低周荷載。因此，其邊界條件為上下柱反彎點為不動鉸，梁反彎點為自由端。

為了限制柱頂發生左右滑動，柱頂通過夾板和水平連桿（采用大規格角鋼加工制作，其剛度較大，沿水平拉桿徑向布置的應變片顯示其沒有較大的拉壓形變）與左側立柱聯接。柱頂上端安放一個固定單向鉸，在固定單向鉸與200t液壓千斤頂之間安放壓力荷載傳感器，在加載過程中通過傳感器的實時監控實現軸壓力的基本恒定（試驗中壓力變化幅度在20%以內）。梁自由端的加載采用數控電動液壓伺服作動器MTS，作動器端頭與梁端通過連接件相連，作動器作用點至靠近核心區梁端部距離為900mm，數控電動液壓伺服作動器端頭設有球鉸，加載過程中能夠保證加載連接件的鋼板與梁端上表面緊密接觸，不發生相對角位移。

試驗主要量測內容及量測方法為：

（1）采用數控電動液壓伺服作動器MTS控制采集系統采集7個試件梁自由端荷載-位移滯回曲線；

（2）采用在箍筋、梁縱筋和柱縱筋特征點上粘貼應變片并聯入機控靜態電阻應變自動 采集系統量測各特征點的應變；

（3）采用壓力荷載傳感器實時監控作用于柱端上部的軸壓力通過加壓或泄壓方式實現軸壓力的基本恒定；

（4）采用沿水平拉桿徑向粘貼的應變片監測水平拉桿的拉壓形變；

（5）采用在柱下端布置側向的位移計監測柱下端沿左右滑移量；

（6）采用在節點核心區左上、左下、右上、右下以及對角線交匯處各布置一應變片量測核心區RPC開裂應變；

（7）采用放大鏡、手電筒及裂縫測寬儀觀測節點構件裂縫開展順序、核心區裂縫寬度及裂縫分布情況。

2試驗結果

試驗備件破壞情況如圖2-1所示

雖然與常規混凝土框架節點破壞過程相似，但鋼筋RPC框架節點的破壞有其獨特的特點。具體如下：（1）從鋼筋RPC框架節點開裂開始至加載結束，一直能聽見節點內部有“嚓嚓”的鋼纖維被拉拔的聲音且聲音越來越大，說明鋼纖維一直通過承受較大的拉拔阻力表現為阻裂及承擔剪力的作用；（2）由于RPC中摻入的鋼纖維為短纖維，纖維長度小于纖維被拉斷的臨界長度，所以鋼纖維在RPC開裂后只是被拔出而未被拉斷且大部分一直“橋架”在裂縫兩側，如圖4-8所示；（3）雖然箍筋屈服使得鋼筋伸長，但由于“橋架”在裂縫兩側的鋼纖維始終像若干組由小的豎向鋼筋和水平向鋼筋組成的桁架結構一樣約束核心區的RPC阻止其裂縫的無限增大及RPC沿裂縫相互錯動，所以核心區RPC并未被交織的斜裂縫分割成若干的菱形塊，核心區RPC有較好的完整性；再者，RPC采用“高致密水泥基均勻體系”，遵循最緊密的堆積原理，采用級配好的石英細砂代替粗骨料作為骨料，所以在加載后期沒有粗骨料之間的咬合作用；（4）加載后期，主斜裂縫附近的毛細裂縫逐漸并入主斜裂縫，使得在主斜裂縫交匯處出現明顯的RPC起皮現象，但并未出現嚴重的RPC酥裂甚至剝落現象。

3抗震性能分析

雖然影響框架節點抗震性能的因素有很多，本次試驗關于試件的設計只考慮了節點核心區箍筋配筋率、梁縱筋強度及軸壓比3個影響因素對鋼筋RPC框架節點抗震性能的影響。

3.1 節點核心區箍筋配筋率

在加載初期，試件處于彈性階段，荷載-位移骨架曲線基本重合，節點配箍率對試件承載力的影響不大；隨著梁端位移的增加，試件承載力也隨之增加，且在相同位移荷載下核心區箍筋配筋率大的試件有更大的承載力；當荷載-位移骨架曲線達到峰值后，核心區箍筋配筋率較大的試件骨架曲線有較好的下降滑移平臺，強度和剛度退化地較為緩慢。

可以得到：（1）節點核心區箍筋配筋率增加，使得試件極限承載力、延性及耗能能力有不同程度的增加；（2）試件在核心區通過配置1根直徑為6mm的環向箍筋使其配箍率為1.419%，雖然能在破壞后期由箍筋直接承受剪力以及為混凝土提供環向約束增大其極限荷載，但由于配箍數較少極限承載力增加的程度不大，所以建議加大核心區箍筋配置的數量；（3）節點核心區配置箍筋而最終發生延性破壞的試件有更好的耗能能力。

3.2 梁縱筋強度

核心區不配置環向箍筋而縱筋分別采用HRB400級和HRB600級時，鋼筋RPC框架節點極限承載力、延性及耗能能力的對比結果。試件的極限承載力、延性及耗能能力分別比的大13.96%、39.23%及18.33%。所以，如果核心區不配置環向箍筋而僅僅是增強梁、柱縱筋的等級只能使得框架節點核心區相比柱、梁更弱而發生承載力、延性及耗能能力都較差的脆性破壞。

3.3 軸壓比

圖3-1所示為鋼筋RPC框架節點在不同軸壓比下的梁自由端荷載-位移骨架曲線，圖中可以看出：在加載初期，荷載-位移骨架曲線基本重合，軸壓比的作用不大；當控制模式改為位移控制后，試件承載能力隨著梁端位移的進一步增大而增大，但軸壓比小的試件其承載力增加較軸壓比大的試件要稍緩慢一些；當荷載-位移骨架曲線達到峰值后，軸壓比大的試件骨架曲線下降地更為陡峭，強度和剛度退化更快；另外，與其余幾個試件相比，EJ-1有較明顯的荷載下降滑移平臺，這是因為軸壓比較小沒有明顯削弱試件的塑性變形能力及延性較好而發生了在梁端產生塑性鉸的延性破壞所致，所以又一次說明軸壓比的改變不僅能影響試件的破壞過程甚至能導致試件最終破壞形態的改變。

在不同節點核心區箍筋配筋率情況下軸壓比從0.3增加到0.5，鋼筋RPC框架節點極限承載力、延性及耗能能力的對比結果。可以得到：（1）配置箍率的情況下，軸壓比增加，使得試件極限承載力有所提高；（2）試件延性隨軸壓比增加顯著降低，且所有的試件延性都較差，發生延性破壞的試件相比發生脆性破壞的試件有較好的延性；（3）試件耗能能力隨軸壓比增加有下降的趨勢，發生延性破壞的試件相比發生脆性破壞的試件有較好的耗能能力。

4總結

通過本次試驗的的研究，可以得到如下結論：

（1）鋼筋RPC框架節點的破壞過程也可以大致分為初裂、通裂、極限和破壞4個階段；

（2）從開裂至破壞，RPC中摻入的鋼纖維一直只是被拔出而未被拉斷且大部分“橋架”在裂縫兩側，始終通過承受較大的拉拔阻力，像若干組由小的豎向鋼筋和水平向鋼筋組成的桁架結構一樣，表現為阻裂及承擔剪力的作用；

（3）鋼筋RPC框架節點的整體剛度在每一級位移幅值的不同循環次數下，退化不明顯，但增大位移幅值會使得其整體剛度明顯退化；

（4）用RPC澆筑節點核心區時，應在遵照規范和箍筋配置不過密的情況下，增大箍筋配置量；

（5）若核心區配置箍筋，軸壓比從0.3增大到0.5，鋼筋RPC框架節點極限承載力有所提高，但延性及耗能能力卻有所下降。

參考文獻：

[1]田向陽.鋼纖維高強混凝土邊節點試驗研究與有限元分析[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[2]鄭宇.再生混凝土框架梁柱節點抗震承載力試驗研究[D].合肥：合肥工業大學，2012.

[3]秦全.考慮應變率效應的鋼筋混凝土框架節點抗震性能研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[4]蘇駿，李威.UHTCC局部增強框架節點抗剪承載力計算方法[J].土木工程學報，2015，48（1）：29-36.

[5]傅劍平.鋼筋混凝土框架節點抗震性能與設計方法研究[D].重慶：重慶大學，2002.

（作者單位：廣東電網有限責任公司東莞供電局）