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不同轴压比冻融RC剪力墙抗震性能试验

2019-04-26郑山锁董晋琦荣先亮张艺欣董立国

关键词:轴压冻融循环冻融

郑山锁,董晋琦,荣先亮,张艺欣,董立国



不同轴压比冻融RC剪力墙抗震性能试验

郑山锁,董晋琦,荣先亮,张艺欣,董立国

(西安建筑科技大学土木工程学院,西安 710055)

通过人工气候快速冻融技术仿真混凝土结构所处的冻融环境,制作4榀剪跨比为2.14的RC剪力墙试件进行冻融循环试验,继而采用悬臂梁式加载方案对其进行拟静力加载试验,以研究轴压比变化和冻融循环作用对RC剪力墙承载能力、变形能力、强度衰减、初始刚度、刚度退化以及耗能能力等抗震性能指标的影响规律.结果表明:相同轴压比下,经冻融循环作用后的RC剪力墙试件加载破损更加严重,其初始刚度、水平承载能力、变形能力和耗能能力均有不同程度的退化,同时,强度衰减幅度、刚度退化速率、不同受力状态下的剪切变形及其占总变形的比例均有不同程度的增大;冻融循环次数相同时,随轴压比的增加,RC剪力墙试件破坏时裂缝分布范围、墙顶水平承载能力、初始刚度、强度衰减幅度以及刚度退化速率均逐渐增大,而变形能力、耗能能力、不同受力状态下的剪切变形、屈服状态下剪切变形占总变形的比例逐渐降低,在峰值状态下则逐渐增大并逐渐成为主要变形.综合考虑冻融损伤参数与轴压比对RC剪力墙峰值荷载与极限位移的影响,通过多参数拟合得到了考虑冻融损伤的RC剪力墙峰值荷载与极限位移计算式.该研究可为严寒地区以剪力墙为主要抗侧力构件的在役高层建筑结构的性能评估提供参考.

RC剪力墙;轴压比;冻融循环;拟静力加载;抗震性能

RC剪力墙作为RC框剪、剪力墙、框筒等结构的主要抗侧力构件,广泛应用于现代高层建筑结构中.轴压比是影响RC剪力墙承载能力、变形能力等抗震性能指标的关键参数.近年来,国内外学者就轴压比变化对RC剪力墙抗震性能的影响开展了大量研究[1-4],其中,Li等[1]、Su等[2]分别对不同轴压比下低矮和高RC剪力墙试件进行了试验研究,发现随轴压比的增加,不同剪跨比RC剪力墙的承载力都逐渐增加,但延性及耗能能力逐渐降低;Kuang等[5]的统计分析表明,随轴压比的增加,不同截面形式RC剪力墙试件的延性普遍降低,且剪跨比大于1.5时,延性下降尤为明显;陈勤等[6]建立了以弯曲变形为主的RC剪力墙静力弹塑性分析宏模型,并探讨了轴压比变化对RC剪力墙受力性能的影响,发现轴压比超过一定范围后,RC剪力墙承载力随轴压比的增大显著减弱;刘成清等[7]通过理论分析与数值模拟研究了轴压比变化对RC剪力墙抗震性能的影响,并建立了墙肢轴压比限制的理论计算公式.

然而,需要指出的是,上述研究对象均为完好RC剪力墙,并未涉及冻融损伤后RC剪力墙.已有研究表明,冻融循环作用将使混凝土材料产生物理损伤,导致其力学性能及其与钢筋间的黏结性能发生不同程度的退化[8-11],进而严重影响RC构件与结构的力学性能和抗震性能.鉴于此,Xu等[11]、郑捷等[12]、Yang等[13]、秦卿等[14]分别对冻融损伤后RC框架柱、框架节点、剪力墙进行了拟静力试验,研究表明,冻融损伤后上述各类RC构件的抗震性能均发生了不同程度的退化.此外,郑山锁等[15]还就轴压比变化对冻融RC剪力墙抗震性能的影响进行了试验研究,但其研究对象为以剪切破坏为主的低矮RC剪力墙试件,而对弯剪破坏形式的高RC剪力墙并未涉及.

鉴于此,本文拟采用人工气候快速冻融技术来仿真实际冻融环境,制作了4榀剪跨比为2.14的RC剪力墙试件进行冻融循环试验,进而对其进行低周反复加载试验,探讨冻融循环作用后轴压比变化对以弯剪破坏为主的RC剪力墙构件抗震性能的影响,以期为严寒地区带剪力墙的高层建筑结构的性能评估提供参考.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

以轴压比和冻融循环次数为变化参数,参考国家规程和规范[16-18],按1∶2缩尺比例,本试验共设计制作了4榀两端带暗柱约束区且尺寸及配筋均相同的一字型RC剪力墙试件.各试件均采用配合比相同(中砂∶细石∶水泥∶水=980∶810∶400∶95),设计强度等级为C50(根据材性试验得其立方体抗压强度cu、弹性模量c、轴心抗压强度c分别为55.08MPa、35335.71MPa、40.50MPa)的混凝土浇筑.各剪力墙试件具体设计参数和编号见表1.各类钢筋力学性能由材性试验测得,具体参数见表2.试件尺寸和配筋如图1所示.

表1 RC剪力墙试件参数

Tab.1 Parameters of RC shear wall specimens

注:轴压比是指试验轴压比,其计算式为=/(c),其中c为混凝土轴心抗压强度平均值,由材性试验测得;为由液压千斤顶施加在剪力墙上的竖向荷载;为剪力墙截面面积.

表2 钢筋的力学性能

Tab.2 Mechanical properties of reinforcements

图1 RC剪力墙试件尺寸及配筋

1.2 人工气候快速冻融试验方案

室内冻融循环试验方法多为“慢冻法”与“快冻法”[19],然而,处于严寒地区的RC剪力墙构件极少出现完全“气冻水融”和“水冻水融”的情况,且本文设计墙体试件尺寸较大,因而无法完全参考上述冻融试验方法对所设计试件进行冻融试验,因此,为更好地模拟实际冻融环境,本文采用人工气候快速冻融技术对所设计的RC剪力墙试件进行快速冻融试验,并通过控制试验室的温度,实现对自然环境下冻融循环过程的模拟,人工气候环境温度参数设定如图2所示,具体冻融方案见文献[12].其中,各试件的设计冻融循环次数见表1.

图2 人工气候环境参数

1.3 加载及量测方案

快速冻融试验完成后,采用悬臂梁式加载方式对各RC剪力墙试件进行拟静力加载,加载装置见图3.首先由液压千斤顶施加轴向荷载至设定轴压比后保持不变,然后采用力与位移混合控制施加水平荷载至墙体明显失效或墙顶水平荷载低于0.85倍峰值荷载时停止加载,相应加载制度如图4所示.其中,轴向压力与水平往复荷载通过布置在墙顶的竖向压力传感器和水平拉压传感器分别进行监测.

此外,通过粘贴在钢筋表面的电阻应变片及布置在试件外部的位移计分别量测墙体塑性铰区箍筋、纵筋应变,墙顶、墙底水平侧移以及塑性铰区剪切变形等,其中墙体外部测点布置如图3(b)所示.

图3 加载装置及测点布置示意

图4 加载制度示意

2 试验现象

各试件破坏过程相似,具体表现为:加载低于以暗柱受拉纵筋屈服对应的墙顶水平荷载时,试件处于弹性阶段.剪力墙暗柱受拉区混凝土首次出现水平裂缝时墙顶水平荷载达80~131kN,且随水平往复加载的增大,墙体暗柱区新生多条水平裂缝,并不断斜向下开展、延伸,形成多条不同倾角的弯剪斜裂缝且宽度不断增加.当墙顶水平荷载达125~180kN时,墙体暗柱受拉纵筋屈服,试件进入弹塑性阶段,同时水平加载由荷载控制改为位移控制.随墙顶水平位移的增加,原有裂缝继续延长、加宽并贯通.当墙顶水平位移达8~17mm时,墙顶荷载达峰值,水平分布筋屈服,试件进入破坏阶段.随墙顶水平位移的继续增加,已有斜裂缝迅速发展,宽度继续增加,同时墙体底部受压区混凝土破碎面积逐渐增加,墙顶水平荷载迅速下降,试件破坏.由此可见,不同设计参数下各试件破坏模式均为弯剪型破坏,各试件最终破坏形态见图5.

图5 试件破坏形态

此外,在加载过程中,由于冻融循环次数和轴压比的不同,各试件又表现出不同的破坏特征,具体表现为:相对完好试件SW-1,冻融损伤试件SW-3底部出现沿纵筋的黏结滑移裂缝,且其开裂、屈服、破坏时的墙顶水平位移较小,墙体裂缝宽度较大,最终破坏时损坏显著加重.冻融循环次数相同时,较高轴压比试件的水平裂缝出现较晚即弯曲裂缝出现滞后,交叉主裂缝的宽度和倾角较大,但其发展速度较慢,破坏时裂缝分布范围较大.由此可见,冻融循环、较高轴压比将对RC剪力墙试件破坏过程产生显著的不利影响.

3 试件抗震性能试验结果与分析

3.1 滞回曲线

对比各试件墙顶水平位移-荷载滞回曲线(见图6)发现,各试件滞回性能相似.具体表现为:暗柱受拉纵筋屈服前,其滞回曲线近似呈一条斜直线,无加卸载刚度退化与残余变形.暗柱受拉纵筋屈服后,随墙顶水平位移的增加,试件加卸载段刚度逐渐退化,滞回环包围的面积及卸载后残余变形逐渐增加且滞回曲线出现一定程度的捏缩.峰值后,随墙顶水平位移的增加,试件加卸载段刚度退化更加显著,卸载后残余变形进一步增大,滞回环变得不再稳定,承载力迅速下降.此外,由于冻融的不均匀性[20]以及初始加载的方向性等原因,使得正、负向滞回曲线呈现出较为明显的不对称分布.

图6 试件滞回曲线

不同参数对滞回性能的影响如下:①相对于完好试件SW-1,冻融损伤试件SW-3的峰值荷载及相同墙顶水平位移下滞回环的丰满程度较低,但峰值荷载后墙顶水平荷载的下降速度较快,滞回曲线的屈服平台消失;②冻融循环次数相同时,随轴压比的增大,相同墙顶水平位移下试件滞回环的丰满程度逐渐减小,但试件的峰值荷载以及达峰值荷载后墙顶水平荷载的下降速度逐渐增加,滞回曲线的屈服平台逐渐消失.

3.2 骨架曲线及特征点参数

基于上述滞回曲线得到各试件骨架曲线对比如图7所示,进而根据平均骨架曲线得出各试件骨架曲线特征点参数值列于表3,同时采用位移延性系数为指标衡量试件的塑性变形能力,其计算式如下:

(1)

表3 骨架曲线特征参数

Tab.3 Characteristic parameters of skeleton curve

图7 试件骨架曲线

3.3 强度衰减

由图可见,小屈服位移倍数时,强度衰减幅度较小,这主要是由于暗柱纵筋并未完全屈服以及试件裂缝发展并不明显所致.随屈服位移倍数的增加,墙体底部受压区混凝土破碎面积逐渐增加,试件有效受力面积逐渐减小[23],致使强度衰减幅度逐渐增大.相对完好试件SW-1,冻融损伤试件SW-3的强度衰减幅度较大,脆性特征表现相对明显.冻融循环次数相同时,大轴压比试件的强度衰减幅度较大.

3.4 刚度退化

刚度是构件或结构抗震性能的一个重要因素,构件在低周循环荷载作用下的刚度采用割线刚度[16]表示,其表达式为

图8 强度衰减曲线

(2)

各试件割线刚度随墙顶水平位移变化曲线见图9.由图看见,冻融循环作用后试件SW-3的初始刚度低于完好试件SW-1的(反映了混凝土材料受冻融循环的影响,即冻融循环降低了混凝土弹性模量c[10]),且其刚度退化速率更大,这主要是由于冻融循环造成试件内部微裂缝增多且发展加快所致.冻融循环次数相同时,由于轴压力抑制了试件水平裂缝的开展,导致大轴压比试件的初始刚度较大;且随墙顶水平位移的增大,-效应逐渐增强,致使大轴压比试件的刚度退化速率较大.

图9 割线刚度退化曲线

3.5 耗能能力

3.5.1 能量耗散系数

(3)

根据式(3)求得各试件屈服和峰值状态下的能量耗散系数,见图11.可以看出:冻融损伤试件SW-3屈服状态下的能量耗散系数大于完好试件SW-1的,这主要是由于冻融循环增大了试件残余变形所致;峰值状态下试件SW-3的能量耗散系数则低于完好试件SW-1的.此外,冻融循环次数相同时,随轴压比的增大,各试件屈服和峰值状态下的能量耗散系数逐渐减小,即轴压比的增大削弱了试件耗能能力.

图11 能量耗散系数

3.5.2 累积耗能

各试件累积耗能随循环加载次数变化曲线如图12所示.可以看出:加载前期,相对于完好试件SW-1,相同循环加载次数下冻融损伤试件SW-3的累积耗能较大(主要是由于冻融损伤试件较完好试件的残余变形增大所致),而第10次循环加载后,其累积耗能低于完好试件SW-1的,且两试件累积耗能之差随循环加载次数的增加而增大,最终破坏时,SW-3的累积耗能较SW-1降低了38.8%.冻融循环次数及循环加载次数相同时,累积耗能随轴压比的增大呈降低趋势,且降低趋势逐渐减小;最终破坏时,试件SW-3的累积耗能较试件SW-2下降了21.5%,试件SW-4的累积耗能较试件SW-3下降了48.8%,这主要是由于轴压比增大使得试件水平承载力及延性下降,试件破坏提前所致.

图12 累积耗能曲线

3.6 剪切变形分析

(4)

(5)

图13 剪切变形计算示意

3.7 冻融RC剪力墙峰值承载力与极限位移修正模型

由第3.1节和第3.2节剪力墙试验结果可以发现:轴压比和冻融循环次数是影响冻融RC剪力墙峰值承载能力与极限变形能力的主要因素,因此,本文结合课题组试验结果[14],以相对动弹性模量为冻融损伤指标,定量表征混凝土冻融损伤程度,建立了混凝土冻融损伤参数表达式[24],进而综合考虑冻融损伤参数与轴压比对RC剪力墙峰值荷载(极限位移)的影响,并以各冻融损伤试件所对应完好试件为基准,对冻融损伤RC剪力墙峰值荷载(极限位移)进行归一化处理,通过多参数拟合,考虑边界条件得到考虑冻融损伤影响的RC剪力墙峰值荷载(极限位移)修正系数计算式为

表4 特征点剪切变形

Tab.4 Shear deformation of characteristic points

试件编号屈服点峰值点 /10-3/%/10-3/% SW-10.403.8505.1023.25 SW-20.687.1710.1641.87 SW-30.656.3509.7944.69 SW-40.565.9906.8955.74

式中:(,)为峰值荷载修正系数;(,)为极限位移修正系数;为轴压比;为冻融损伤参数.

4 结 论

(1) 经冻融循环后,RC剪力墙试件的承载能力、变形能力、耗能能力均有不同程度的退化,强度衰减幅度和刚度退化速率增大.

(2) 冻融循环次数相同时,随轴压比的增大,RC剪力墙试件的承载能力逐渐增加,变形能力及耗能能力逐渐下降,强度衰减幅度及刚度退化速率逐渐增大,且峰值承载能力的提高幅度逐渐降低,塑形变形能力的下降幅度逐渐增大.

(3) 经冻融循环作用后,RC剪力墙试件屈服和峰值状态下的平均剪应变以及剪切变形占总变形的比例均有所增加;冻融循环次数相同时,随轴压比的增大,RC剪力墙试件屈服和峰值状态下的平均剪应变逐渐减小,且剪切变形占总变形的比例在屈服状态下逐渐下降,峰值状态下逐渐增大,剪切变形逐渐成为主要变形.

(4) 综合考虑冻融损伤参数与轴压比对RC剪力墙峰值承载力与极限变形的影响,通过多参数拟合建立了考虑冻融损伤影响的RC剪力墙峰值承载力与极限变形修正系数计算式.

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Experiment on the Seismic Behavior of Freeze-Thaw RC Shear Walls with Different Axial Compression Ratios

Zheng Shansuo,Dong Jinqi,Rong Xianliang,Zhang Yixin,Dong Liguo

(School of Civil Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

The freeze-thaw cycle test of four RC shear wall specimens with the shear span ratio of 2.14 was carried out by simulating the actual freeze-thaw environment of concrete structure with artificial climate rapid freeze-thaw technology. Then a quasi-static loading test was carried out using a cantilever beam loading scheme to investigate the influence of both freeze-thaw cycles and axial compression ratio on the seismic behavior of RC shear wall,that include bearing capability,deformation capacity,strength degradation,initial stiffness,stiffness degradation,and energy-dissipating capacity.The results reveal that the RC shear wall specimens subjected to freeze-thaw cycles suffered more serious damage than the intact specimen with the same axial compression ratio.Their initial stiffness,horizontal bearing capacity,deformation capacity,and energy dissipation capacity all showed different degrees of degradation.In addition,the strength attenuation amplitude,rate of stiffness degradation,shear deformation under different stress states,and ratio of shear deformation to total deformation under different loading conditions increased to varying degrees.When the number of freeze-thaw cycles is the same,with the increase in axial compression ratio,the crack distribution range,horizontal bearing capacity,initial stiffness,strength attenuation amplitude,and rate of stiffness degradation of RC shear wall specimens gradually increased,while the deformation capacity,energy dissipation capacity,and the shear deformation under different stress states decreased.The ratio of shear deformation to total deformation gradually decreased in the yield state,but it gradually increased and became the main deformation in the peak state.Considering the influence of freeze-thaw damage parameterand axial compression ratioon the peak load and ultimate displacement of RC shear wall,the calculation formula of RC shear wall peak load and ultimate dislacement correction factor that accounts for the influence of freeze-thaw damage was established by using multi-parameter fitting.This research can provide a reference for performance evaluation of in-service high-rise building structures using shear walls as the main lateral load resisting system in severely cold areas.

RC shear wall;axial compression ratio;freeze-thaw cycle;pseudo-static loading;seismic performance

10.11784/tdxbz201809026

TU375.4

A

0493-2137(2019)07-0690-09

2018-09-10;

2018-11-17.

郑山锁(1960—  ),男,博士,教授,zhengshansuo@263.net.

荣先亮,rxl021@126.com.

国家科技支撑计划资助项目(2013BAJ08B03);国家自然科学基金计划资助项目(51678475);陕西省重点研发计划资助项目(2017ZDXM-SF-093);陕西省教育厅产业化项目(18JC020).

the National Science and Technology Support Program(No.2013BAJ08B03),the National Natural Science Foundation of China(No.51678475),the Key Research and Development Programs in Shanxi,China(No.2017ZDXM-SF-093),the Industrialization Project of Shanxi Provincial Education Department(No.18JC020).

(责任编辑:樊素英)

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