混摻高延性纖維混凝土組合十字形短柱抗震性能研究

摘要：為改善鋼筋混凝土十字形短柱的抗震性能，將高延性纖維混凝土用于十字形短柱底部。通過對混摻高延性纖維混凝土組合十字形短柱（R/ECC）和普通鋼筋混凝土十字形對比柱（RC）進行擬靜力試驗，分析其裂縫開展模式、破壞形態、滯回性能、延性、耗能能力和剛度退化等，研究混摻高延性纖維混凝土對十字形短柱抗震性能的提升作用。結果表明，在十字形短柱底部采用混摻高延性纖維混凝土，可有效控制裂縫的開展，減小裂縫寬度，改善柱底混凝土的壓潰剝落狀態；短柱的延性和耗能能力明顯提高，剛度退化緩慢，承載力有一定提高。相比 RC 柱，R/ECC 柱位移延性系數、峰值點和極限點時累積滯回耗能分別提高7.3%、225.5%和44.6%，受剪承載力提高9.5%。

關鍵詞：十字形短柱；混摻高延性纖維混凝土；組合柱；抗震性能；擬靜力試驗

中圖分類號：TU375.3文獻標志碼：A文章編號：1000-582X（2023）06-040-11

Seismic behavior of hybrid high ductility fiber reinforced concrete composite cross-shaped short columns

WANGXiaowei1 ， ZHANGWei1 ， ZHAOEnhui2 ， GUOYonggang3 ， MU Ru1 ， ZHOU Jian1 ， ZHAOCancan1 ， LIU Haoqi1

（1. School of Civil and Transportation Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401，P. R . China;2. Tianjin Lejie Building Materials Co .， Ltd .， Tianjin 300401， P. R . China;3. Tianjin FeilongQinhe Concrete Co .， Ltd .， Tianjin 300400， P. R . China）

Abstract： To improve the seismic behavior of the cross-shaped short column， the concrete was substituted with high ductility fiber reinforced concrete in the bottom of the cross-shaped short column . Quasi-static tests on the hybrid high ductility fiber reinforced concrete composite cross-shaped short column （R/ECC） and the reinforced concrete cross-shapedshort column （RC） were carried out. The crack propagation mode， failure characteristics， hystereticbehavior，ductility，energydissipationandstiffnessdegradationwerecomparedtoinvestigatethe seismic behavior of the R/ECC column . The results show that the hybrid high ductility fiber reinforced concrete caneffectivelycontrol thedevelopment of thecrack， decrease the widthof thecrackand improve thestateof collapse and spalling . The ductility and energy dissipation of the composite column are improved obviously. Thestiffnessdegradationbecomeslower，andtheshearcapacityisimproved . ComparedwithRCcolumn，the displacement ductility factor， as well as the cumulative hysteretic energy dissipation at the peak and limit points of R/ECC column increased by 7.3% ， 225.5% and 44.6% ， respectively， and the shear capacity increased by 9.5%.Keywords： cross-shaped short column; hybrid high ductility fiber reinforced concrete; composite columns; seismic performance; quasi-static tests

異形柱的柱肢與墻同厚，可避免室內出現棱角，室內空間布置更靈活，同時增大室內有效使用面積。異形柱結構既經濟又美觀，符合現代人的居住需求，具有很好的發展前景[1-2]。異形柱截面不規則，與普通矩形柱相比，受力時柱肢混凝土更易開裂，破壞時脆性特征更明顯，柱底易壓潰，且異形柱通常在短柱范圍，彎曲變形性能有限，延性較差，抗震性能差，限制了異形柱結構的使用。

改善異形柱結構的抗震性能，是解決異形柱結構使用受限的關鍵。提升異形柱抗震性能的方法主要有： 1）增設暗柱[3]；2 ）配置交叉筋[4]；3 ）配置型鋼[5-8]；4）采用高強鋼筋[9-11]；5 ）加入纖維。異形柱柱肢尺寸小，配置交叉筋、密排箍筋等措施造成鋼筋擁擠，影響混凝土的施工質量；使用型鋼增大了結構用鋼量；采用高強鋼筋，只有在高配箍的條件下，抗震性能良好。王鐵成等[12]在異形柱柱底加入聚丙烯纖維（ PP 纖維）研究其對異形柱抗震性能的影響，發現加入 PP 纖維可推遲柱的開裂，提高異形柱的位移延性，但耗能有所下降。

傳統的纖維混凝土（ FRC ， fiber reinforced concrete）雖在一定程度上提升了混凝土的抗裂性和延性，但在受力時，由第1條裂縫出現引起局部破壞后依然發生應變軟化的張拉特性。工程水泥基復合材（ ECC ， engineered cementitious composites）是一種具有高延性、良好的假應變硬化和多裂縫開展特性的亂向分布短纖維增強水泥基復合材料。聚乙烯醇纖維（ PVA 纖維）由于高強高彈模、親水性好，是比較理想的增強材料， Li 等[13-14]開始將 PVA 纖維用于 ECC ，制成 PVA -ECC 。ECC 材料具有高韌性、高耐損傷能力，改善了混凝土材料自身的脆性缺陷，調整基體材料及配合比將 PVA 纖維用于制備高延性纖維混凝土材料，并用于混凝土構件以改善構件的延性，提高構件的抗震性能。鄧明科等[15]以水泥、礦物摻合料和最大粒徑為1.18 mm 的細河砂為基體材料，日產PVA 纖維為增強材料制備了高延性纖維混凝土材料，研究了高延性纖維混凝土矩形短柱的抗震性能。潘金龍等[16]以水泥、礦物摻合料和細石英砂為基體材料，日產 PVA 纖維為增強材料制備了 ECC ，研究了 ECC/RC 組合矩形柱的抗震性能。潘鉆峰等[17]以水泥、礦物摻合料和平均粒徑為110μm 細石英砂為基體材料，日產 PVA 纖維為增強材料制備了 ECC ，研究了3種不同剪跨比的鋼筋 ECC 矩形柱的抗震性能。結果表明，高延性纖維混凝土材料減小了普通矩形柱的裂縫寬度，有效控制了裂縫的發展，提高了普通矩形柱的抗震性能。目前，研究成果主要是用單摻日產 PVA 纖維作為增強材料的高延性纖維混凝土進行矩形柱的抗震性能研究，未見高延性纖維混凝土異形柱抗震性能的深入研究。異形截面柱的受力性能不同于矩形柱，有必要對高延性纖維混凝土異形柱抗震性能進行系統研究。

文中采用粒徑范圍為0.2～0.4 mm 的細河砂，國產和日產混摻 PVA 纖維制備高延性纖維混凝土，將其用于十字形短柱柱底，通過擬靜力試驗，對比分析混摻高延性纖維混凝土組合十字形短柱與普通鋼筋混凝土十字形短柱的破壞形態、延性及耗能能力等，研究混摻高延性纖維混凝土材料對十字形短柱抗震性能的影響，為其在異形柱實際工程的應用奠定基礎。

1 試驗概況

1.1 十字形短柱設計

設計制作了1根混摻高延性纖維混凝土組合十字形短柱（ R/ECC 柱）與1根同尺寸普通鋼筋混凝土十字形短柱（ RC 柱）。其中， R/ECC 柱在柱底部（350 mm 柱高范圍）使用混摻高延性纖維混凝土。十字形短柱的截面尺寸及配筋如圖1所示，肢高350 mm ，肢厚120 mm ，柱高800 mm ，水平加載點至柱底700 mm ，剪跨比為2，試驗軸壓比為0.15。縱筋和箍筋均采用 HRB400級鋼筋，縱筋配筋率為2.57%，箍筋間距為60 mm ，其材性性能如表1所示。

混摻高延性纖維混凝土由水泥、粉煤灰、硅灰、砂、水、減水劑組成基體材料，PVA 纖維作為增強材料。其中，水泥采用標號等級為 P · O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，砂選用粒徑范圍為0.2～0.4 mm 的普通細河砂，減水劑是聚羧酸型高效減水劑，減水率為18%。纖維選用日本可樂麗公司生產的KURALONm K-Ⅱ型 PVA 纖維和中國寶華林公司生產的 PVA 纖維，2種纖維的體積摻量均為1%，纖維的性能參數如表2所示。混摻高延性纖維混凝土和普通混凝土的配合比如表3所示。

柱子均采用立式分段澆筑，先澆筑基礎梁部分，再澆筑十字形短柱柱身部分。對于 R/ECC 柱，為防止柱底與基礎梁接觸面因材料不同分段澆筑發生粘結破壞，普通混凝土澆筑至距基礎梁頂面100 mm 處，待基礎梁初凝后將基礎梁表面鑿毛處理，清除表面浮灰；然后 ，距柱底350 mm 范圍內澆筑混摻高延性纖維混凝土，用振搗棒振搗密實，靜置4 h 后澆筑普通混凝土至柱頂。

十字形短柱制作時，普通混凝土預留3個150 mm×150 mm×150 mm 標準立方體試塊，3 個150 mm×150 mm×300 mm 標準棱柱體試塊，混摻高延性纖維混凝土預留3個100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊，3個100 mm×100 mm×300 mm 棱柱體試塊，6 個15 mm×100 mm×350 mm 平板試件，并與十字形短柱在同等條件下進行養護。實測普通混凝土立方體抗壓強度為43.4 MPa ，軸心抗壓強度為37.3 MPa ；混摻高延性纖維混凝土立方體抗壓強度為50.2 MPa ，軸心抗壓強度為42.3 MPa 。通過平板直接拉伸試驗測得混摻高延性纖維混凝土極限抗拉強度為4.79 MPa ，極限延伸率為0.679%，圖2和圖3所示分別為混摻高延性纖維混凝土平板試件受拉應力-應變曲線及其裂縫開展形態。

1.2 加載方案

試驗加載裝置如圖4所示，使用50 t 千斤頂施加豎向軸力，50 t 水平作動器施加水平作用力。為了保證往復加載時柱頂自由滑動，在柱頂千斤頂與反力架橫梁之間設置滑動支座。根據《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ/T 101—2015），試驗水平加載采用力-位移混合加載。加載制度如圖5所示，屈服前十字形短柱采用力控制加載，每級循環1次加載；屈服后采用位移控制加載，每級增幅為十字形短柱縱向受力鋼筋屈服時對應的位移Δy ，每級循環3次加載。加載至荷載下降至峰值荷載的80%時停止加載，試驗結束。

1.3 測點布置及數據采集

如圖4所示，在十字形短柱頂部水平加載點中心位置布置1個位移計測十字形短柱的頂點位移，由 DH3816靜態應變測試系統采集位移計的數據。在底梁一側布置百分表，試驗時，人工監測底梁的水平滑移。水平荷載采用 DH3816靜態應變測試系統通過荷載傳感器進行數據采集。十字形短柱縱筋應變片布置，如圖6（a）所示，分別布置在距柱底50 mm 處和200 mm 處。箍筋應變片從柱底向上布置于四排箍筋上，如圖6（b）所示。鋼筋應變片通過導線與 DH3816靜態應變測試系統相連，采集縱筋和箍筋的應變。

2 裂縫及破壞特征

2個十字形短柱均經歷了初裂、裂縫發展、極限和破壞4個階段，最終均發生彎剪破壞，破壞形態如圖7所示，對比分析2個短柱的裂縫開展及破壞形態。

根據加載方向對十字形短柱的12個面進行編號，如圖8所示。

兩柱裂縫開裂模式相似，均先在腹板外側（1、7面）出現水平裂縫，隨后在腹板內側（2、6、8、12面）出現水平裂縫和斜裂縫。隨著加載位移的增大，翼緣（3、4、5、9、10、11面）各面隨后開始出現裂縫。

R/ECC 柱與 RC 柱裂縫發展過程明顯不同。R/ECC 柱、RC 柱分別加載至其峰值荷載26%、29%時，出現第1條裂縫。十字形短柱開裂后，隨著荷載的增大，R/ECC 柱新增裂縫較多，裂縫寬度擴展緩慢且明顯小于 RC 柱； RC 柱新增裂縫數量不多，隨著荷載的增大，裂縫繼續延伸擴展。R/ECC 柱、RC 柱分別加載至其峰值荷載的85%、78%時屈服，R/ECC 柱在屈服后至峰值點這一階段新增裂縫數量最多。峰值荷載過后， R/ECC 柱翼緣外側（4、 10面）中部部分水平裂縫貫通，少量較短斜裂縫交叉，腹板外側（1、7面）底部水平貫通裂縫寬度增大，大量纖維被拉斷或拔出，有少量豎向裂縫出現，破壞時柱底部混凝土未剝落，縱筋未斷裂。RC 柱翼緣外側（4、 10面）剪切斜裂縫交叉并延伸，腹板外側（1、7面）出現較多豎向裂縫，豎向裂縫與水平裂縫交錯，破壞時柱底部混凝土大面積壓潰和剝落，腹板一側2根縱向受力鋼筋斷裂。

R/ECC 柱相比于 RC 柱，在低周反復荷載作用下裂縫數量多且細密，表明高延性纖維混凝土材料假應變硬化和多裂縫開展的特性，使 R/ECC 柱在試驗過程中裂縫數量增多，裂縫寬度減小；纖維的橋聯作用，有效地控制了裂縫寬度的發展，破壞時柱底混凝土仍能保持較好的完整性。

3 試驗結果及分析

3.1 滯回曲線

滯回曲線是衡量柱抗震性能的重要指標，根據試驗獲得的十字形短柱頂部水平荷載與水平位移繪制滯回曲線，試驗百分表檢測得到的基礎梁水平滑移很小，采用柱頂位移計所測結果作為柱頂水平位移。十字形短柱滯回曲線如圖9所示。

由圖9可知，在加載初期， R/ECC 柱和 RC 柱的滯回曲線無明顯差別。混凝土尚未開裂，加載曲線與卸載曲線基本重合，十字形短柱殘余變形很小。十字形短柱開裂后，進入彈塑性階段，殘余變形逐漸增大，滯回環包圍的面積持續增長。屈服前，兩柱滯回曲線飽滿程度相差不大；屈服后， R/ECC 柱相比 RC 柱，滯回曲線更為飽滿，表現出更強的耗能能力。峰值荷載過后， R/ECC 柱承載力較 RC 柱下降緩慢，滯回環面積較大，表現出較好的滯回性能。這是由于 R/ECC 柱裂縫處纖維的橋聯作用使得混摻高延性纖維混凝土開裂后纖維及纖維與基體之間的黏結力繼續承擔荷載，有效減緩了峰值荷載后承載力下降的速度。

3.2 骨架曲線和延性

通過骨架曲線的軌跡，可直觀反映出柱的承載力大小和剛度退化趨勢，根據骨架曲線得到其屈服位移和極限位移，十字形短柱骨架曲線如圖10所示。由圖可知，加載初期十字形短柱處于彈性工作階段，兩柱骨架曲線基本重合。開裂后，隨著荷載的增加，骨架曲線斜率逐漸平緩，短柱剛度開始退化，R/ECC 柱斜率下降比 RC 柱慢，強化階段較長。R/ECC 柱的承載力相較于 RC 柱略有提高，峰值荷載后， R/ECC 柱骨架曲線下降段較 RC 柱平緩，承載力下降和剛度退化緩慢，極限位移較大。

通過骨架曲線，采用能量等值法確定十字形短柱的屈服點，以骨架曲線上荷載下降至峰值荷載80%時，所對應的點確定十字形短柱的極限點。

柱的延性可通過延性系數進行衡量，柱延性系數用式（1） 計算。

μ=△u/△y

式中：μ為延性系數；?y 為試件屈服荷載所對應的水平位移；?u 為試件峰值荷載下降至80%所對應的水平位移。

兩柱屈服點、峰值點及極限點分別對應的荷載、位移以及兩柱的延性系數如表4所示。

由圖10和表4的結果可知，對比柱的峰值荷載反映2個短柱受剪承載力的大小， R/ECC 柱相比 RC 柱承載力提高9.5%，表明使用混摻高延性纖維混凝土對十字形短柱的受剪承載力具有一定的提高作用。 R/ECC 柱、RC 柱位移延性系數分別為5.15和4.80，極限位移分別為27.01 mm 和23.52 mm 。相比 RC 柱， R/ECC 柱的延性系數提高7.30%，極限位移增大14.8%。結果表明，在十字形短柱底部采用混摻高延性纖維混凝土可提高十字形短柱的延性和變形能力。在水平荷載作用下，纖維可以有效阻止、約束基體內部微裂縫的擴展，并有效橋接裂縫，多條裂縫共同擴展，提高了十字形短柱的延性和變形能力。

3.3 耗能能力

柱的耗能能力是評價其抗震性能的重要指標，通過等效黏滯阻尼系數 he 和累積耗能2個參數對比分析 R/ECC 柱和 RC 柱的耗能能力。等效黏滯阻尼系數用式（2） 計算，計算簡圖如圖11所示。

式中：S（ ABC + CDA ）為滯回曲線實際包圍的面積；S（ OBF + ODE ）為理想彈性結構達到相同位移時所吸收的能量。

等效粘滯阻尼系數越大代表其耗能能力越強，十字形短柱等效黏滯阻尼系數隨位移變化趨勢如圖12所示，兩柱各階段的累積耗能如表5所示。

由圖12可知，加載初期，兩柱等效黏滯阻尼系數均較小，呈下降趨勢。屈服后， R/ECC 柱等效黏滯阻尼系數隨加載位移的增大呈增長趨勢；加載后期， R/ECC 柱的等效粘滯阻尼系數增長速率相比于 RC 柱增長更快；短柱破壞時，R/ECC 柱等效黏滯阻尼系數大于 RC 柱，表明后期 R/ECC 柱耗能能力強。

由表5可知，兩柱在屈服前累積滯回耗能差別不大；在峰值點和極限點時，R/ECC 柱累積滯回耗能明顯高于 RC 柱，分別比 RC 柱提高了225.5%和44.6%，表明在十字形柱底使用混摻高延性纖維混凝土顯著提高了柱的耗能能力。在開裂過程中，纖維橋接裂縫，有效阻止裂縫的擴展，基體發生多裂縫開裂，纖維不斷地被拔出、拔斷，需要消耗大量的能量。

3.4 剛度退化

采用等效剛度來表示柱的剛度退化特性，如圖13所示，為十字形短柱等效剛度隨柱頂位移變化的剛度退化曲線。由圖13可知，兩柱在屈服前，剛度退化曲線較陡峭；屈服后，剛度退化速率隨位移增大逐漸降低。負向加載中， R/ECC 柱與 RC 柱剛度退化曲線相互交錯，表現出相近的變化趨勢。正向加載中，在加載初期 R/ECC 柱與 RC 柱剛度退化趨勢相近；屈服后， R/ECC 柱相比 RC 柱剛度退化率較低，這是由于混摻高延性纖維混凝土較高的延性和假應變硬化特性在十字形短柱出現較多裂縫后混摻高延性纖維混凝土仍能繼續工作，抵抗反復作用力，減緩了十字形短柱剛度退化速度。

4 結論

通過低周反復荷載作用下 R/ECC 短柱和 RC 短柱的對比試驗，分析了在十字形短柱底部采用混摻高延性纖維混凝土對柱破壞形態、滯回性能、骨架曲線、延性、耗能能力和剛度退化等的影響，結論如下：

1） R/ECC 柱呈現多裂縫開裂的特征，裂縫細而密，多為水平裂縫，在翼緣外側有少量較短交叉斜裂縫；破壞時，柱底混凝土未剝落，截面保持完整，表明在十字形短柱底部采用混摻高延性纖維混凝土有效防止了柱底混凝土壓潰，改善了十字形短柱柱底薄弱現象及其破壞特征。

2）在柱底采用混摻高延性纖維混凝土可提高十字形短柱的受剪承載力和位移延性，減緩剛度退化速率。相比 RC 柱，R/ECC 柱受剪承載力提高9.5%，位移延性系數提高7.3%，骨架曲線下降段趨勢較平緩。

3）混摻高延性纖維混凝土顯著提高了十字形短柱的耗能能力。相比 RC 柱，R/ECC 柱滯回曲線更加飽滿，在峰值點和極限點的累積滯回耗能分別提高225.5%和44.6%。

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（編輯陳移峰）