延性基材对小跨高比连梁抗震性能的影响

张秀芳，吴炳楠

(大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连 116024)

连梁是联肢剪力墙体系中一个重要的组成部件，它除了能连接墙肢外，还能约束墙肢，对联肢剪力墙尤为重要。连梁的强度、刚度和变形性能对联肢剪力墙体系的性能有显著影响，当结构遭受强烈地震时，有着合适强度、刚度和变形性能的连梁会先于墙肢屈服，在梁端形成塑性铰，利用塑性变形能力耗散地震能量，进而减轻甚至避免墙肢底部发生破坏[1-4]。对小跨高比连梁，目前在连梁中增设斜向对角钢筋形式如交叉斜筋配筋、集中对角斜筋配筋、对角暗撑配筋等方案[5-6]虽有较好的抗震性能，但仍然存在用钢量大、施工困难等问题。

超高韧性水泥基复合材料UHTCC是一种新型建筑材料，通过在水泥基复合材料中掺入不超过材料总体积2.5%的聚乙烯醇乱向短纤维，使材料在硬化后能稳定表现出明显应变硬化特征[7]。已有研究证实[8-14]，该材料具有较高的抗剪延性和承载力，在结构构件承受高剪应力部位使用UHTCC可改善抗震性能，且具有较高的耐损性能[15]，可减少甚至免除震后的修复。

为了提高小跨高比连梁的承载力和延性，使其具有较好的抗震性能，将UHTCC替代混凝土作为连梁的基体材料，设计制作了2个跨高比为1.5的连梁进行拟静力反复加载试验，其中超高韧性水泥基复合材料连梁和普通钢筋混凝土连梁各1个，并将《混凝土结构设计规范》[5](GB 50010—2010)中的集中对角斜筋进行简化，梁内不设置拉筋，降低配箍率，研究其抗震性能，旨在探究施工简易、抗震性能良好的连梁方案。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验设计制作了2个跨高比为1.5的连梁试件，其中超高韧性水泥基复合材料连梁和普通钢筋混凝土连梁各1个，试件截面尺寸为400 mm×150 mm，跨度为600 mm。为使试件发生剪切破坏，试件按强弯弱剪的原则设计，二者配筋相同，梁上下纵向受力钢筋和对角斜筋均采用HRB400级钢筋，腰筋和箍筋采用HPB300级钢筋，具体配筋情况为：单侧纵筋为2C16，配筋率为0.705%；单向对角斜筋为2C14，配筋率为0.54%；单侧腰筋为2B6.5，配筋率为0.116%；箍筋为B6.5@120，配筋率为0.369%，小于规范要求的最小配箍率1.091%，具体配筋简图如图1所示。

图1试件配筋简图(单位：mm)

1.2 试验材料

本次试验所用的UHTCC材料由聚乙烯醇(PVA)纤维和水泥基基材组成。其中，PVA纤维由日本Kuraray公司生产，体积掺量为2%，其基本物理性能和力学性能见表1。UHTCC水泥基基材由常州固邦复合材料科技有限公司提供，由普通硅酸盐水泥、精细砂、粉煤灰和矿物掺合料按照一定比例掺和而成。所用商品混凝土由大连天瑞水泥有限公司生产，每立方米混凝土的材料质量用量比为水泥380 kg∶水170 kg∶砂子630 kg∶碎石1 250 kg，连梁试验时由标准立方体强度试块测得的混凝土抗压强度为45.7 MPa。此外，试验中用回弹仪量测了实际试件的混凝土和UHTCC的抗压强度见表2，在表2中同时也列出试验所用的纵向钢筋、对角斜筋、箍筋及腰筋的拉伸指标。

表1 PVA纤维性能指标

表2 各试件材料指标统计表

注：fyz、fuz、fyd、fud分别是纵筋和对角斜筋的屈服强度和极限强度；fyv和fuv是箍筋和腰筋的屈服强度和极限强度。

1.3 加载装置及加载制度

本次试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室结构分实验室进行，加载装置如图2所示。试件竖直放置，连梁两侧端块用于模拟刚度较大的墙肢；上下端块分别与L型加载钢架和底部钢梁连接；底部钢梁固定于地面上；L型加载钢架通过两侧的四连杆机构与底梁相连，避免加载过程中试件进入塑性阶段后可能发生的端块转动，使试件始终处于纯剪位移加载。

试验采用低周往复加载机制，以作动器位移作为控制位移，位移增量为1.5 mm，每周期循环两次，加载至试件不能稳定承受荷载或荷载下降到最大荷载75%时停止加载。

本次试验测量的数据包括：作动器施加的荷载、连梁两端的相对位移(由位于连梁上下端块的位移计测得)、钢筋应变(由纵筋、箍筋以及对角斜筋上的应变片测得)及裂缝的发生、发展情况。

图2加载装置示意图

2 试验结果与分析

2.1 开裂过程和破坏模式

图3为试件的裂缝分布和破坏形态。规定加载以推为正，以拉为负。试件变形由转角θ表示，由θ=(D5-D6)/L(连梁上下端位移计D5、D6的差值除以位移计之间的距离)计算得到。试件CB-1正负两方向加载至θ=0.35%时，连梁出现弯剪斜裂缝。正负两方向分别加载至θ=0.60%和θ=0.77%时，试件对角方向斜裂缝形成；试件上侧边缘两方向斜裂缝交汇处，出现一条沿纵筋的顺筋裂缝。加载至θ=1.22%时，试件腹部两条斜裂缝相交区域的混凝土出现表面脱落。加载至θ=1.37%(F=280 kN)时，试件正方向对角斜裂缝开始加宽，可听到“滋滋”声。加载至θ=1.62%(F=295 kN)时，试件正方向对角斜裂缝突然开展，两条对角斜裂缝附近的混凝土脱落加重；上侧边缘出现新的顺筋裂缝，同时可观察到左侧边缘局部混凝土外突。加载至θ=2.17%(F=-144 kN)时，由于两对角方向斜裂缝和弯剪斜裂缝的密集交叉，试件左侧中部至下部边缘区域的混凝土压碎、外鼓严重；加载至θ=3.99%时，试件中腹部出现大面积混凝土脱落，承载力下降到121 kN，停止加载，试件发生剪切破坏。

图3试件破坏形态

试件CB-2加载至θ=0.37%时，试件负方向出现第一条弯剪斜裂缝；随后继续出现多条短小对角斜裂缝。正负加载至θ=0.80%时，试件对角方向上的多条短小斜裂缝基本连通，对角主斜裂缝出现；随后继续增大位移，出现多条次生斜裂缝。加载至θ=1.36%(F=362 kN)时，出现长度大约为2 cm～8 cm的多条斜裂缝，并延伸至边缘与弯曲裂缝相连接；继续加载第二循环时，斜裂缝宽度略有开展。加载至θ=1.94%(F=-367 kN)和θ=2.07%(F=401 kN)时，两方向对角斜裂缝开始快速加宽，可听到“滋滋”声。加载至θ=2.86%(F=377 kN)和θ=2.54%(F=-313 kN)时，裂缝间纤维被拉断，发出“沙沙”声，声音密集，对角斜裂缝迅速开展，宽度超过5 mm。加载至θ=3.68%时，试件中腹部对角裂缝交叉处小块UHTCC略有突起，之后随着加载位移增大，对角斜裂缝宽度进一步增大。加载至θ=4.40%(F=271 kN)时，跨中部位箍筋被拉断，在斜裂缝处可直接观察到钢筋断口，停止加载，试件呈现剪切破坏形态。

对比分析：

(1) 试验结束后，将连梁试件裂缝附近混凝土进行剥离清理，发现2个试件的对角斜筋在跨中均发生压屈；CB-2纵筋在梁墙交界处的斜裂缝部位发生局部弯曲，而CB-1纵筋外侧混凝土保护层基本破碎脱落，纵筋未发生弯曲。

(2) 混凝土梁体上由于各条斜裂缝往复切割咬合，混凝土破碎严重，UHTCC梁体被两条对角斜裂缝分割为4部分，各部分基本保持完整，显示出UHTCC连梁有较好的耐损伤能力。

2.2 滞回曲线

图4给出了本次试验得到的荷载-变形滞回曲线。由图4可发现各试件的滞回曲线具有以下特征：(1) 配筋相同、基体材料不同的试件CB-1和CB-2，在钢筋屈服之前的弹性阶段，加载卸载曲线基本重合，荷载与位移呈线线性关系；(2) 屈服后两试件进入弹塑性变形阶段，滞回环所包的面积逐渐增大，但CB-2试件由于UHTCC延缓了钢筋的屈服，同时斜裂缝开展较CB-1缓慢，故其峰值前滞回环较CB-1更饱满；(3) 峰值后基体材料不同的试件的滞回曲线呈现出较大差异，与CB-1相比，基体材料为UHTCC的CB-2峰值后仍表现出较稳定的滞回环，具有良好的耗能性能；(4) 试件CB-1加载至峰值荷载后，对角斜裂缝迅速开展，连梁腹板混凝土逐渐破碎和脱落，对角斜筋由于失去混凝土支撑发生压屈，试件承载力迅速丧失；(5) CB-2在达到峰值荷载后，由于对角斜裂缝上的纤维拔出和拉断，滞回曲线上出现一段较突然的承载力下降。主斜裂缝贯通后，连梁承载力主要由钢筋提供，由于纤维的桥接作用，被主斜裂缝分割为四块的UHTCC基体各自保持完整，继续对斜筋提供握裹，之后的数个周期连梁承载力稳定下降。

图4试件滞回曲线

2.3 承载力及延性

表3总结了试件的承载力、角位移、试验剪压比和延性系数。其中，屈服变形取对角斜筋屈服时的试件位移，极限变形取试件承载力下降至0.85倍峰值荷载时对应的位移。试验剪压比由Vp/(fcbh0)计算，延性系数是试件的极限变形与屈服变形之比θu/θy。

表3 试件试验结果汇总

注：表中下标y代表屈服点；p代表峰值点；u代表破坏点。

可以发现：(1) 试件CB-1与CB-2配筋相同，基体材料不同，UHTCC连梁的屈服荷载、峰值荷载对应的角位移和极限角位移都明显高于普通混凝土连梁；(2) CB-2与CB-1相比，位移延性系数提高了22.4%，极限角位移提高了68.7%。表明采用UHTCC能大幅度提高连梁的塑性变形能力。剪压比是影响对角斜筋连梁延性的一个主要因素，CB-2的试验剪压比与CB-1相比提高了36.9%。

3 结 论

(1) 2个未配拉筋的对角斜筋连梁试件，均在跨中出现对角斜筋局部压屈，最终呈现剪切破坏形态。

(2) 在基体强度接近，且连梁尺寸、配筋相同的情况下，UHTCC连梁具有更高的抗震承载力。

(3) UHTCC连梁表现出更好的延性，推迟斜筋、纵筋和箍筋的屈服；在试件配筋按强弯弱剪设计、不设拉筋、箍筋配筋率较小等不利于连梁延性的情况下，UHTCC连梁的极限位移可高达3.5%，延性系数达到4.62，在高剪压比下仍能满足抗震需求。

(4) 由于纤维的桥接作用，UHTCC连梁在峰值和极限时刻均未发生严重破损，仍保持较完整的形态，承载力稳定下降，具有较好的抗震性能和损伤容限。

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