凍融低剪跨比RC 梁抗震性能試驗研究

鄭山鎖，姬金銘，裴培，賀金川，張藝欣，董立國(.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西，西安70055；西安建筑科技大學結構工程與抗震教育部重點實驗室，陜西，西安70055；.西安建筑科技大學建筑設計研究院，陜西，西安70055)

寒冷氣候環境中，凍融循環作用是影響混凝土結構耐久性的重要原因之一[1]。針對結構凍融損傷現象，Powers 等[2 ? 3]先后提出了靜水壓理論及滲透壓理論以解釋混凝土發生凍融損傷的機理。混凝土材料相關研究[4 ? 10]表明：凍融作用會導致混凝土抗壓與抗拉強度、彈性模量等多項力學性能發生退化，且隨凍融損傷程度增加，退化程度加劇。冀曉東[11]、曹芙波等[12]發現凍融作用會導致混凝土材料與鋼筋間粘結強度降低，滑移量增加。此外，各國學者還對凍融RC 構件性能進行試驗研究。Xu 等[13]指出凍融損傷致使RC 柱的塑性轉動能力下降、剛度及承載能力退化、累積耗能能力下降；秦卿等[14]通過擬靜力試驗發現凍融損傷后RC 剪力墻的抗震性能發生退化；鄭捷等[15]發現隨著構件凍融損傷程度的增加，低周反復荷載作用下節點核心區破壞模式發生轉變，承載力降低，組合體耗能能力下降；Toutanji 和Balaguru[16]研究了FRP 外裹混凝土柱受凍融作用后耐久性，結果表明凍融后柱試件的承載能力和延性顯著降低。

目前，針對凍融RC 梁的研究，多局限于靜載作用下凍融對梁試件抗彎性能的影響，如：曹大富等[17]研究了凍融損傷RC 梁的受彎性能，指出凍融作用可導致構件破壞形態發生改變；Duan 等[18]研究了凍融次數對RC 梁極限荷載、延性、裂縫分布和中和軸變化過程的影響；Diao 等[19]研究了凍融循環和海水腐蝕對持續荷載作用下引氣RC 梁性能的影響；Green 等[20]研究了凍融對FRP 板加固混凝土梁性能的影響。以上研究雖然充分體現了凍融作用對于RC 梁性能的不利影響，卻不足以反映凍融RC 梁在低周反復荷載下的抗震性能。

綜上，本文設計并制作了6 榀剪跨比為2.6的RC 梁試件，通過人工氣候實驗室技術對試件進行了加速凍融循環試驗，繼而進行擬靜力加載，系統地研究了凍融循環作用及混凝土強度對低剪跨比RC 梁的承載力、延性、剛度及滯回耗能能力等抗震性能指標的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

本試驗按照1∶2 的縮尺比例設計了6 榀剪跨比為2.6 的RC 梁試件，各試件尺寸及配筋均相同。試驗設計凍融循環次數與混凝土強度為變量，以研究其對RC 梁抗震性能的影響。試件編號及設計參數見表1，幾何尺寸與配筋見圖1，混凝土配合比、混凝土及鋼筋實測力學性能參數分別見表2、表3 及表4。在澆筑梁試件的同時澆筑每種強度等級的混凝土立方體試件(邊長150 mm)四組，每組3 個，用于測量凍融前后混凝土抗壓強度。澆筑尺寸為100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體試件用于測量混凝土相對動彈性模量。

表1 試件設計參數Table 1 Design parameters of specimens

圖1 試件尺寸及配筋 /mm Fig. 1 Size and reinforcement arrangement of specimens

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

表3 混凝土力學性能Table 3 Mechanical properties of concrete

表4 鋼材力學性能Table 4 Material properties of reinforcement

1.2 人工氣候凍融循環試驗方案

受限于試件及凍融試驗箱尺寸，難以采用“快凍法”[21]模擬水凍水融過程，因此，本次試驗利用人工氣候模擬實驗室對RC 梁試件進行加速凍融循環試驗。養護28 d 后，將梁試件與伴隨混凝土試塊置于溫度為15 ℃～20 ℃的水中浸泡7 d，浸泡時保持水面高出試件頂面20 mm[21]，浸泡結束后開展凍融循環試驗。為實現較好的凍融效果，每次凍融循環開始前，試驗箱內部噴淋裝置會向試件表面噴水，以保證試件盡量處于飽和水狀態。本試驗人工氣候單次加速凍融循環方案見圖2。

圖2 單次凍融循環方案Fig. 2 Single freeze-thaw cycle scheme

1.3 試驗加載及量測方案

本次試驗采用位移控制方法，對梁試件進行懸臂式擬靜力加載。梁頂水平荷載由電液伺服作動器施加，梁頂水平位移由傳感器控制，試驗數據由數據采集儀自動采集。加載制度如下：以理論計算屈服位移δy為單位，試件屈服前，按照0.1δy、0.2δy、0.3δy等小位移限值逐漸加載；試件屈服后，以δy、1.5δy、2δy、2.5δy等大位移限值加載至試件破壞明顯。加載系統及加載制度見圖3與圖4。

圖3 加載系統及測點布置Fig. 3 Loading system and measuring point arrangement

圖4 加載制度示意圖Fig. 4 Loading system diagram

試驗主要量測內容有：試件加載端水平荷載及位移、塑形鉸區剪切變形、裂縫發生的位置及尺寸，測點布置見圖3。

2 凍融試驗現象與分析

2.1 凍融后梁試件形態

凍融結束后，各試件表面形態如圖5 所示，對比圖5(a)～圖5(d)中不同凍融次數后試件表面形態發現：未凍融試件表面均勻平整，無明顯裂縫；凍融循100 次后，試件表面產生少量微裂縫，長度較短，分布稀疏，且多分布于試件端部。隨著凍融次數增加，試件表面微裂縫增多，裂縫寬度逐漸變大；同時，試件外表皮變酥，表面趨于凹凸不平。凍融循環達到300 次時，試件表面裂縫加寬并向中間延伸，裂縫呈網狀分布，試件端部混凝土松散，其損傷程度顯著高于中間區段，即試件整體凍融損傷程度具有明顯的不均勻性，其原因在于試件端部除側面外，還有頂面直接與空氣接觸，溫度傳遞較中間段更快。分析圖5(d)～圖5(f)發現：隨著混凝土強度的增大，試件表面裂縫相對減少。混凝土水灰比的減小使得混凝土內部微孔數量減少，密實度增大，凍融前混凝土的飽和面吸水率較低，內部水含量少，凍融作用造成的的損傷更小[22]，因而試件表面裂縫較少。

圖5 凍融循環后試件表面形態Fig. 5 Specimen surface states after freeze-thaw cycles

2.2 凍融后混凝土材料性能

各立方體伴隨試件抗壓強度測量結果及棱柱體試件相對動彈性模量計算值列于表5[14]。由表5可知，凍融作用顯著削弱了混凝土抗壓強度及相對動彈性模量，經歷300 次凍融循環后，各等級混凝土強度損失均超過30%，相對動彈性模量損失超過20%。隨著強度等級提高，混凝土抗壓強度損傷減輕。

表5 凍融后混凝土性能參數Table 5 Concrete properties after freeze-thaw cycles

為研究凍融條件下混凝土的損傷積累過程，采用掃描電子顯微鏡對凍融前后混凝土試樣的微觀結構進行觀察(圖6)，可以發現，未凍融混凝土中凝膠體連接較為緊密，水泥水化產物相互膠

圖6 混凝土試樣掃描電鏡照片(5000 倍)Fig. 6 SEM images of concrete (magnified by 5000 times)

結，混凝土內部結構均勻、密實，無明顯裂縫。凍融300 次后，混凝土中的凝膠體逐漸松散、水化產物逐漸疏松，混凝土內部結構由塊狀向針狀轉變，孔隙率變大，同時伴有細微裂縫出現，其主要是由混凝土內部孔隙中的水凍融循環所產生的周期性凍漲壓力所致。此外，C30 強度等級混凝土試樣水泥水化產物密實度較低，在300 次凍融循環作用下內部呈稀疏針狀結構，而C50 強度等級混凝土的內部孔隙率較小，混凝土水化產物相對密實，在300 次凍融循環作用下其內部結構呈現網狀分布，由此可見較高強度等級的混凝土的抗凍能力較強。

3 擬靜力試驗現象與分析

3.1 試件加載破壞狀態

各梁試件加載后破壞狀態見圖7。整個加載過程中，各試件的破壞過程相似，均經歷了彈性、彈塑性和破壞三個階段。以未凍融試件DL-1 為例，總體破壞過程概述如下：加載初期，因施加荷載較小，試件仍處于彈性工作狀態，表面無明顯裂縫出現；當試件頂部位移達到1.2 mm 時，距試件底部約75 mm 處受拉側出現第一條水平彎曲裂縫，試件進入開裂階段；隨著水平位移的不斷增加，在距梁端底部大約200 mm 范圍內相繼出現若干條水平裂縫，并沿水平方向不斷延伸；而當水平位移達到4 mm 時，梁端縱向受拉鋼筋屈服，并逐步形成塑性鉸，試件進入彈塑性階段；此后，隨著頂端位移繼續增大，部分水平裂縫轉為斜向發展，并在梁端部形成數條交叉的剪切斜裂縫，且斜裂縫寬度不斷增大，最終在梁底形成兩道交叉的“X”形主斜裂縫，同時在頂部位移達到峰值位移前，箍筋已屈服；當頂部位移達到20 mm左右時，塑性鉸區域的箍筋裸露且能觀察到明顯變形，剪切斜裂縫數量不再增加，但寬度繼續增大，梁頂水平荷載迅速降低，試件宣告破壞，喪失承載能力。試件在加載中經歷了底部縱筋屈服，塑性鉸形成、箍筋屈服等過程，最終核心區混凝土剪切破壞，整體表現出剪切特征清晰的彎剪破壞模式。

對于凍融試件，初始凍脹裂縫使得各試件開裂較早發生。隨著凍融次數增加(圖7(a)～圖7(d))，試件開裂時對應水平荷載減小，開裂后水平裂縫數量減少、斜裂縫發展迅速，裂縫間距變大且寬度增加。同時，受凍融作用影響，表層混凝土變“酥”變“脆”，保護層混凝土外鼓、脫落，在凍融循環300 次時，底部“X”形斜裂縫下三角范圍內混凝土幾乎全部脫落，破壞時受壓區混凝土酥碎，箍筋外露、變形。

凍融次數相同時(圖7(d)～圖7(f))，隨著混凝土強度等級的降低，進入彈塑性階段后，梁底部斜裂縫的發展速率加快，裂縫寬度增大，最終破壞時剪切特征更加顯著，其原因為混凝土強度的降低導致材料密實度減小，引發試件抗凍性能下降，進而造成試件抗剪性能不斷劣化。

圖7 試件破壞狀態圖Fig. 7 Failure modes of specimens

3.2 滯回曲線

對比各試件頂部P-Δ滯回曲線(圖8)發現，所有試件滯回曲線變化趨勢相似，即：開裂前，試件基本為彈性工作狀態，滯回曲線呈往復重疊的直線，加、卸載剛度基本無退化，卸載后殘余變形很小，包絡面積接近于零；繼續加載，試件逐漸進入彈塑性階段，加、卸載剛度開始發生退化，卸載后出現少量殘余變形，滯回環呈窄小的梭形；試件屈服后，加、卸載剛度退化顯著，滯回曲線形狀逐漸飽滿，包絡面積逐漸增大；加載到峰值荷載后，隨著控制位移的增大，試件承載力迅速降低，卸載后殘余變形增大，滯回曲線呈現明顯捏縮現象。

圖8 試件滯回曲線Fig. 8 Force-displacement responses of specimens

當凍融循環次數和混凝土強度等級發生改變時，不同試件在滯回特性上呈現出以下差異：比較圖8(a)～圖8(d)發現，隨著凍融次數增加，試件的峰值承載力逐漸降低，加、卸載剛度退化速率加快，滯回曲線包絡面積減小，說明凍融次數增加造成試件的承載力、剛度以及滯回耗能能力發生退化；此外，當加載至峰值荷載后，隨著凍融次數增加，試件滯回曲線的捏攏現象加劇、破壞時梁頂水平位移逐漸減小，表明梁試件的變形能力隨著凍融損傷程度的增大不斷發生退化。比較圖8(d)～圖8(f)發現，混凝土強度提高時，試件受凍融循環作用造成的損傷程度有所減輕，試件的峰值荷載略微增大。

根據靜水壓力理論[2]，凍融作用使得混凝土材料內部結構疏松，微孔隙增多，混凝土吸水率增大，凍融時，孔隙遷移出的孔隙水量較大，混凝土內部的靜水壓力增大，直至超過混凝土抗拉強度，導致混凝土損傷，力學性能削弱。而高強度混凝土由于內部結構密實，孔隙細小，吸水率低，凍融時，內部靜水壓力較小，使得其抗凍性能較強。

同時，凍融作用還削弱了混凝土與鋼筋間的粘結性能：一方面粘結界面上鋼筋肋周圍混凝土強度下降，導致材料間的機械咬合力降低；另一方面，粘結界面上的毛細孔在凍融時所產生的靜水壓力，將垂直作用于鋼筋表面，迫使毛細孔周圍的材料分離，破壞材料間的化學膠著力。

凍融作用造成的混凝土力學性能削弱、混凝土與鋼筋間粘結性能劣化，將共同導致RC 梁構件的承載力、延性、剛度及耗能能力等抗震性能指標劣化，影響構件抗震性能。后文將具體分析凍融循環次數與混凝土強度等級對各指標的影響。

3.3 骨架曲線與特征點參數

根據試驗滯回曲線，得到各試件骨架曲線及其特征點參數，如圖9 和表6 所示，其中等效屈服點根據能量等值法[23]確定，極限荷載Pu取為試件峰值荷載Pc的85%，試件的變形能力采用延性系數μ(μ=?u/?y)衡量。

由圖9(a)和表6 可知：隨著凍融次數增加，試件屈服后的骨架曲線平臺段變短，滯回環包圍范圍逐漸減少，試件的屈服、峰值、極限荷載均呈下降趨勢，對應的屈服位移增大，峰值、極限位移有所減小，延性系數先略微增長后顯著下降。凍融循環300 次后，試件峰值荷載降低7.3%，極限位移減小了8.7%，延性系數降幅達31.2%，表明凍融損傷對梁試件的延性影響顯著，致使梁試件脆性增加、變形能力變差，耗能能力降低；由圖9(b)和表6 可以看出：隨著混凝土強度提高，滯回曲線包絡范圍增大，各試件屈服、峰值、極限荷載均有所提高，延性系數基本不變，變形能力無明顯變化。

圖9 試件骨架曲線Fig. 9 Skeleton curves of specimens

3.4 剛度退化

剛度退化是結構或構件抗震性能退化的一個主要因素，構件在低周循環荷載作用下的剛度可采割線剛度[24]表示，其表達式為：

式中：+Pi、?Pi分別為試件第i次加載時正、反向峰值荷載；+Δi、?Δi分別為試件第i次加載時正、反向峰值荷載對應的位移。

各梁試件剛度退化對比曲線見圖10，由圖10 可知：試件剛度隨加載位移的增大而減小，加載初期，試件尚處于彈性階段，剛度較大；開裂后，試件剛度急速退化；至峰值位移后，損傷充分發展，剛度退化趨于穩定。

隨著凍融次數增加，加載過程中，相同位移下試件剛度因凍融損傷程度的增加而減小，尤其是在屈服段與峰值段間，伴隨著試件內部裂縫的發展，這種退化現象尤為顯著；同時，隨著凍融過程的深入，同級位移幅值下試件剛度退化速率加快。隨著混凝土強度提高，在屈服段前后，試件剛度退化速率有所減緩，加載后期各試件內部均嚴重破壞，剛度變化趨勢相近。

表6 骨架曲線特征參數Table 6 Characteristic parameters of the skeleton curves

3.5 耗能能力

耗能能力能夠直觀反映構件在往復循環加載過程中所消耗的總能量。采用累積滯回耗能E為指標，定量分析凍融作用及混凝土強度對RC 梁試件耗能能力的影響。累積滯回耗能采用式(2)計算：

式中：i為往復循環加載的圈數；Ei為第i圈的滯回耗能。計算得到各試件累積滯回耗能對比曲線如圖11 所示。

由圖11 可知，隨著凍融次數增多，各試件總累積滯回耗能呈減小趨勢，且累積耗能隨加載循環的增加，增長速率逐漸變緩。主要原因為：凍融作用導致混凝土性能下降，并進一步弱化了混凝土與縱筋間的粘結性能，降低了二者的協同工作能力，試件承載力下降；同時，凍融損傷作用亦使得試件的延性降低，脆性增加，最終導致梁整體耗能能力退化。而相同凍融次數下，強度等級提高時，混凝土抗凍性能增強，混凝土與鋼筋間的粘結力削弱較少，試件整體耗能能力增強。

圖10 試件剛度退化曲線Fig. 10 Stiffness degradation of specimens

3.6 剪切變形

在水平荷載作用下，梁試件的橫向變形一般由三個部分組成，即塑性鉸區彎曲變形、節點縱筋滑移和塑性鉸區剪切變形。本次試驗中，試件的破壞過程經歷了縱筋與箍筋的先后屈服，最終表現出剪切變形明顯的彎剪破壞模式，因此，本節重點關注試件加載過程中的剪切響應，并分析其對橫向總變形的貢獻。如圖12 所示，假設剪切變形主要集中在梁塑性鉸區，根據幾何關系及梁塑性鉸區所設位移計記錄數據，用式(3)估算塑性鉸區剪切位移：

式中： ?sh為梁塑性鉸區剪切位移；l為梁塑性鉸區高度；d為塑性鉸區對角線長度，由l與梁截面寬度h計算所得； δ1與 δ2分別為塑性鉸區兩對角線處位移計所測位移。

圖11 累積耗能曲線Fig. 11 Cumulative energy dissipation curves

圖12 剪切位移計算示意圖Fig. 12 Calculation diagram of shear displacement

圖13 剪切位移占總側向位移比例Fig. 13 Ratio of shear displacement to total lateral displacement

在屈服、峰值和極限荷載下分別計算了各試件剪切位移分量占總側向位移的比例。如圖13 所示，在屈服荷載以前的彈性工作階段，以及屈服后至峰值荷載前的彈塑性工作階段，剪切斜裂縫發展并不充分，試件仍保存有較好的抵抗剪切變形的能力，彎曲變形較多，此時剪切位移占梁頂總位移比例較小，且在屈服點與峰值點的剪切占比相近，均在0.2 上下；當荷載繼續增加至極限荷載期間，試件內部“X”形主斜裂縫逐漸形成且裂縫數量及寬度增加，試件趨于破壞，剪切變形持續增大，剪切占比急劇提高，在極值點處，除未凍融的試件DL-1 外，剪切位移占比均超過0.4，凍損嚴重的試件DL-5，剪切占比高達0.6；荷載繼續增加，試件最終破壞。

各試件屈服點與峰值點剪切位移占比隨凍融次數的增加而略微增大，隨混凝土強度的提高而略微減小；極限點處剪切位移占比則受凍融作用與混凝土強度影響較大，對比試件DL-1 與試件DL-4，凍融300 次后，極限荷載處剪切位移占比增加了47.1%，對比試件DL5 與試件DL-6，混凝土強度由C30 提高至C50 后，極限荷載處剪切位移占比降低了31.6%。一方面，這主要是由于凍融損傷使得混凝土內部凝膠體松散、微裂縫增多，在荷載作用下，混凝土材料更容易發生開裂，導致試件抗剪能力下降，剪切變形占比增加；另一方面，混凝土強度的提高使得試件的截面抗剪能力增強，剪切變形占比減小。

對于所設計RC 梁試件，抗剪承載力隨著試件變形的增大而不斷減小，其實質是混凝土開裂導致剪壓區混凝土所能提供的抗剪承載力變小，最終達不到抗剪需求而發生剪切破壞。梁整體破壞模式為介于彎曲破壞與剪切破壞之間的彎剪破壞，剪切變形與彎曲變形占總側向變形的比例均較大，當梁抗剪性能下降時，梁破壞形態將向剪切破壞“偏移”，剪切變形占比因此增大。

以上試驗數據受剪切位移測量方法及試驗操作等因素影響，雖然存在一定誤差，但也能反映出凍融作用會導致RC 梁的脆性增加，延性降低，從而影響結構整體抗震性能。

3.7 峰值荷載與極限位移修正系數

本節結合課題組試驗研究成果[14, 25]，以相對動彈性模量為凍融損傷指標，通過定義凍融損傷參數D，定量表征混凝土凍融損傷程度；同時，定義峰值荷載修正系數f(D,fcu)和極限位移修正系數g(D,fcu)，對凍融后梁試件的峰值荷載和極限位移進行修正：

式中：kD、kf分別為凍融損傷變量和混凝土強度單因素下試件的特征點荷載修正系數；mD、mf為單因素極限位移修正系數；P0、Δ0為完好試件特征點參數。由表6 可知，混凝土強度變化下梁極限位移無明顯變化，因此，本文中mf值等于1。

由表4 及文獻[14]得到以C40 強度等級混凝土為基準的凍融損傷變量：

分別以完好試件DL-1(凍融損傷變量D=0)及凍融損傷試件DL-4(混凝土強度等級為C40)為基準，對試件DL-1～試件DL-4 及試件DL-4～試件DL-6 的特征點參數分別進行歸一化處理，進而擬合得到單因素下峰值荷載修正系數表達式及極限位移修正系數表達式：

4 結論

本文通過擬靜力試驗，研究凍融循環次數和混凝土強度等級對低剪跨比RC 梁各項抗震性能指標的影響，得到如下結論：

(1) 凍融循環作用使得梁試件表面產生細微裂縫。凍融后混凝土抗壓強度降低，混凝土內部中的凝膠體逐漸松散、水化產物逐漸疏松，孔隙率變大，同時伴有細微裂縫出現。

(2) 各試件在加載結束后均呈現出剪切變形明顯的彎剪破壞模式，其剪切破壞特征隨著凍融次數的增加、混凝土強度的降低愈加顯著。

(3) 凍融循環作用削弱了RC 梁試件各項抗震性能指標：隨著凍融次數的增加，試件的承載能力、變形能力、剛度及耗能能力不斷退化。提高混凝土強度，試件承載力有所增加，耗能能力增強。

(4) 通過對試驗數據的回歸分析，基于完好構件性能建立了凍融RC 梁峰值荷載和極限位移修正公式。

(5) 在嚴寒地區，建議對服役齡期較長的RC建筑定期進行檢測與加固；對于新建建筑，提高混凝土強度有助于增強結構抗凍性及抗震性能。