鋼筋超強韌性混凝土柱抗震性能研究

于明鑫，胡曉宇，楊 楠，俞家歡

(1.沈陽城市建設學院 土木工程系 沈陽市 110167； 2.沈陽城市建設學院 設計與藝術系 沈陽市 110167；3.沈陽建筑大學 土木工程學院 沈陽市 110168)

0 引言

基于當前工程實際需求，本研究采用改性聚丙烯PP纖維，優化配合比，制作超強韌性混凝土(PP ECC)[1]，其造價遠遠低于傳統ECC[2]，而力學性能、工藝性能等各項性能又基本接近ECC。現階段，超強韌性混凝土已能實現全部國產化，同時突破了價格的瓶頸，并且施工工藝簡單，具有較好的工程前景[3]。

根據超強韌性混凝土優良的性能，使應用其代替普通混凝土材料與鋼筋協同工作成為可能。例如在工業建筑加固修復、水利工程、市政工程等對結構開裂限制嚴格的領域，超強韌性混凝土將會有很好的工程應用。

由于超強韌性混凝土不同于混凝土，變形能力較強，在開裂后仍然繼續承受荷載，因此需要對該種材料配筋結構的各項性能，尤其是抗震性能，進行深入研究[4]。

1 試驗概況

1.1 試件和加載情況

試件參數見表1，尺寸配筋情況如圖1所示，PP ECC的壓縮和拉伸本構曲線[5]如圖2所示。

表1 試件的基本參數

圖1 試件尺寸及配筋圖

圖2 超強韌性混凝土壓縮和拉伸應力-應變曲線

研究采用滯回試驗[6]，裝置如圖3所示，加載采用位移控制，加載制度如圖4所示。

圖3 試驗裝置

圖4 加載制度

1.2 破壞現象描述

在試驗中，所有鋼筋超強韌性混凝土柱加載一開始，試件表面就出現了細裂紋，構件裂縫隨著加載緩慢開展，當試驗加載荷載達到了試驗結果中構件的極限承載力左右時，構件出現了主裂縫，加載中可聽到纖維被拉斷的“嘶嘶”響聲，當加載到極限位移，滯回試驗停止。

普通鋼筋混凝土柱在加載中，隨著位移增加，裂紋數量增多，最終鋼筋屈服，兩側混凝土碎裂。

可以看出普通鋼筋混凝土柱破壞雖有預兆，但變形、耗能等方面明顯小于鋼筋超強韌性混凝土柱，表現出的是脆性破壞的特征。

2 抗震性能分析

2.1 試件荷載(F)-位移(Δ)滯回曲線分析

圖5為各試件的滯回曲線。由圖5(a)～圖5(e)可知，鋼筋超強韌性混凝土柱滯回曲線在前期為彈性階段，滯回曲線沿直線上升；構件屈服后，由梭型向反“S”型發展。

由圖5(f)可知，普通混凝土柱滯回曲線沒有出現反“S”型。通過曲線可以看出，普通鋼筋混凝土柱構件早期的剛度非常大，荷載(F)-位移(Δ)呈現出一定的線性關系，但試驗后期承載力下降速度很快。

圖5 試件F-Δ滯回曲線

2.2 骨架曲線分析

圖6 不同參數的骨架曲線

滯回曲線峰值點連結起來可得到骨架曲線[7]。如圖6所示，在軸壓比固定的前提下，通過不同參數情況下鋼筋超強韌性混凝土柱的骨架曲線對比，可概括性地得出以下結論：

(1)圖6(a)可見，配筋率越高，超強韌性混凝土柱構件的極限承載力就越高，但提高幅度隨配筋率增加而減少。

(2)圖6(b)可見，齡期增加，試件承載力提高，但變形能力下降。

(3)圖6(c)可見，鋼筋超強韌性混凝土柱構件中，PP纖維的體積摻量在1.5%～2%之間的改變，對骨架曲線影響不明顯。

(4)圖6(d)可見，鋼筋超強韌性混凝土柱的承載能力、變形能力等各方面，要明顯好于普通鋼筋混凝土柱。

2.3 抗震耗能性能

滯回曲線荷載循環一周后環內面積表示抗震耗能[8]。研究通過編程計算出每個試件的總抗震耗能E，并繪制對比曲線，如圖7所示。

圖7 不同參數的耗能曲線

(1)由圖7(a)可以看出，隨配筋率的增大，曲線E逐漸提高。

(2)由圖7(b)可以看出，在加載的前期，不同齡期的鋼筋超強韌性混凝土柱的滯回曲線所圍成的面積是相近的；但屈服后，齡期高的鋼筋超強韌性混凝土柱其耗能性能高于齡期低的柱。

(3)由圖7(c)可以看出，鋼筋超強韌性混凝土柱構件中，PP摻量在1.5%～2%之間的改變對柱子的抗震性能影響并不明顯。

(4)由圖7(d)可以看出，普通混凝土后期耗能低于PP ECC。

3 鋼筋超強韌性混凝土柱抗震計算模型

3.1 骨架曲線模型確定

根據現有研究總結[7-8]，如圖8中所示，本研究中鋼筋超強韌性混凝土柱理論骨架曲線可用三線型恢復力模型表示，該模型可由六個特征參數確定。

圖8 三線型骨架曲線

3.2 特征參數計算方法

(1)

式中：My—截面的屈服彎矩；

H—構件的計算高度。

(2)

式中：fcu—超強韌性混凝土軸心抗壓強度；

fy—鋼筋的屈服強度；

h0—截面的有效高度；

b—截面寬度；

As—受拉鋼筋截面面積；

as—鋼筋保護層厚度；

x—超強韌性混凝土受壓區高度；

ρ—試件配筋率。

(3)

式中：β1—等效矩形應力系數；

Es—鋼筋的彈性模量；

εcu—超強韌性混凝土的極限壓應變。

(4)

式中：λ—超強韌性混凝土受壓區系數。

(5)

(6)

極限位移 Δu=μuΔy

(7)

(8)

αw—箍筋系數，本文αw取1.0[9]。

試件的破壞荷載 Pcu=0.85Pu

(9)

根據試驗中的加載制度，所有試件都加載至統一位移，試件最終的破壞位移為

Δcu=52mm

(10)

3.3 骨架曲線特征參數計算結果及對比

研究得出特征點計算值，見表2～表6，通過與相應的試驗結果對比可見，計算值與試驗值基本貼合，驗證了公式的合理性。

表2 屈服荷載對比

表3 屈服位移對比

表4 極限荷載對比

表5 極限位移對比

表6 破壞荷載對比

3.4 計算模型與試驗曲線對比分析

如圖9所示，根據公式所計算的鋼筋超強韌性混凝土柱理論骨架曲線模型整體變化趨勢與試驗實測曲線吻合度較好，尤其是破壞段的曲線，基本重合。高配筋率的超強韌性混凝土柱試件骨架曲線模型實測值與計算值有一定偏差，需要更深入的研究。

4 結論

(1)PP ECC柱在其抗震性能方面明顯優于普通混凝土柱。

(2)PP ECC柱承載力隨著配筋率的增長而增加，抗震耗能增強；超強韌性混凝土中的PP纖維的體積摻量在1.5%～2.0%范圍內對柱的抗震性能影響不大；PP ECC材料隨著齡期增長，構件承載力提高，變形能力降低，抗震耗能變化不明顯。

(3)給出了超強韌性混凝土柱骨架曲線關鍵點的計算方法，確定了超強韌性混凝土柱滯回骨架曲線的理論模型，對超強韌性混凝土柱的抗震耗能簡化計算具有一定的工程適用性。

圖9 計算與試驗骨架曲線對比