聚丙烯腈纤维混凝土墩柱抗震性能试验研究

2019-07-09林新鹏卓卫东谷音孙颖陈力波

福州大学学报（自然科学版） 2019年3期

林新鹏，卓卫东，谷音，孙颖，陈力波

(福州大学土木工程学院，福建福州350108)

0 引言

对建于强震区的桥梁而言，桥墩是结构抗侧力体系中的关键构件.为保证桥墩的延性，通常需要在其塑性铰区配置大量的箍筋［1］.但密集的箍筋配置会影响混凝土的施工质量，且降低施工效率.为了解决桥墩塑性铰区配箍密集的问题，国内外学者研究在混凝土中掺入纤维来提高材料自身的延性，从而提高桥墩和整体结构的抗震性能.Lan等［2］通过拟静力试验，发现碳纤维增强混凝土(carbon fiber reinforced concrete，CFRC)桥墩、聚丙烯纤维混凝土桥墩和混合纤维混凝土桥墩均比钢筋混凝土(reinforced concrete，RC)桥墩有更好的耗能能力.Zhang等［3］通过水平反复荷载试验和有限元模拟分析，结果表明钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete，SFRC)矩形空心墩的各项抗震性能指标均优于RC矩形空心墩，且钢纤维可以代替部分箍筋的作用.Chen等［4］通过水平反复荷载试验，发现SFRC墩柱与RC墩柱相比，具有较大的耗能能力，且屈服后刚度退化较小，破坏时裂缝较细和较密.李秉南等［5］通过拟静力试验，发现CFRC实体墩可有效减小配置高强钢筋桥墩试件的初期裂缝宽度，显著提高试件的变形能力和累积耗能能力.近年来，由于纤维混凝土的优越性能，其也被应用于桥墩抗震加固方面.吴刚等［6］通过低周反复荷载下的对比试验，证实了连续玄武岩无捻粗纱丝束缠绕加固方形和圆形RC墩柱方法较碳纤维布材包裹的抗震性能好.魏洋等［7］也通过对比试验，证实了连续玄武岩纤维丝束及钢丝绳缠绕加固方法对提高RC墩柱抗震性能的有效性，且认为这两种加固方法较碳纤维布材加固方法具有更好的性价比.邹友林［8］采用芳纶纤维薄板加固受损的钢筋混凝土圆柱，发现这种加固方法不仅可有效防止裂缝的出现和开展，还可改善墩柱的延性.Dagenais等［9］针对早期RC矩形桥墩存在的纵筋搭接锚固不足的缺陷，提出采用自密实超高性能纤维混凝土替换纵筋搭接区域的普通混凝土的加固技术，并通过单向拟静力试验，证实了这种加固技术可消除早期RC墩柱的粘结失效模式.

目前，应用于桥墩的纤维混凝土主要为碳纤维增强混凝土、聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土等.聚丙烯腈纤维作为一种有机合成纤维，具有自重轻、耐候性和耐腐蚀性好等优点.近年的研究发现，在混凝土中掺加少量的聚丙烯腈纤维，不仅对其抗压强度、劈裂强度、弯拉强度有一定提高，而且对混凝土抗裂性、抗冲击性、抗折性、抗冻性以及耐久性等均有明显提高［10－14］.国内外对聚丙烯腈纤维混凝土的研究，目前还主要集中在其基本物理和力学性能方面.本研究通过拟静力试验，研究掺入单一纤维以及掺入长、短混杂纤维的聚丙烯腈纤维混凝土(polyacrylonitrile fiber reinforced concrete，PANFRC)墩柱的抗震性能，并与普通RC墩柱的抗震性能进行对比.试验结果可为PANFRC墩柱的工程应用提供参考.

1 试验概况

1.1 试件设计

拟静力试验考虑的主要影响因素为纤维掺入方式及轴压比.采用全面试验法，将墩柱试件分为普通钢筋混凝土墩柱(RC)、掺入单一长度的聚丙烯腈纤维混凝土墩柱(PANFRC)和掺入长、短混杂的聚丙烯腈纤维混凝土墩柱(polyacrylonitrile hybrid fiber reinforced concrete，PANHFRC)3组:其中，RC组为作为对照的普通RC墩柱试件，PANFRC组为掺入12 mm长且体积掺量为0.15%的聚丙烯腈纤维混凝土墩柱试件，PANHFRC组为掺入6 mm和12 mm长的聚丙烯腈纤维的混凝土墩柱(其中，短纤维体积掺量为0.10%，长纤维体积掺量为 0.13%); 轴压比分别取为 0.2、0.3 和 0.4.

考虑试验条件及经费等因素，各组墩柱试件的截面尺寸均取为200 mm×200 mm.参考国内公路桥梁典型柱式桥墩进行试件设计，混凝土强度等级取为C30，纵筋采用直径12 mm的HRB335级钢筋，箍筋采用直径6 mm的HPB235级钢筋.试件几何尺寸及配筋情况见图1，各组试件设计参数见表1.在试件浇筑养护30 d后，测试了试件所用混凝土和钢筋的基本物理力学性能(见表2)，并同时开展水平单向加载的拟静力试验.

图1 试件几何尺寸及配筋情况(单位:mm)Fig.1 Dimension and reinforcement detail of the specimen(unit:mm)

表1 试件设计参数Tab.1 Design parameters of each specimen

表2 混凝土和钢筋的基本材性指标Tab.2 Basic material parameters of the concrete and the steel (MPa)

1.2 试验加载与量测

试验在福建省土木工程多灾害防治重点实验室(福州大学)进行，竖向恒定荷载由100 t液压千斤顶施加，其大小根据表1所列的轴压比计算确定;在千斤顶上方设置低摩擦水平滚轴，以允许墩顶发生自由水平位移和转动;水平单向荷载由MTS作动器施加.根据《建筑抗震试验规程(JGJ/T 101—2015)》［15］，试验采用变幅变位移加载制度，每级位移幅值循环3次，前两个幅值增量为2 mm，到位移幅值为4 mm时，每级位移幅值增量为4 mm，直至荷载下降到峰值的85%后停止加载.通过MTS作动器，同时量测水平位移及施加的荷载大小.

2 试验结果与分析

2.1 墩柱试件破坏过程及形态

试验观察发现，在水平单向反复荷载作用下，各组墩柱试件的破坏过程基本相同.首先，在垂直于加载方向的试件底部的两个侧面上出现细微的横向裂缝;随着位移幅值的增大，靠近墩底的保护层混凝土因反复压应力作用出现压溃现象，同时出现更多的横向水平裂缝，且裂缝宽度不断增大，并最终在试件底部附近的两侧表面上各自形成一条较宽的主裂缝;当水平横向荷载达到峰值时，主裂缝迅速开展并不断加宽，RC组试件四角及墩底部分混凝土开始出现大量压溃和剥落现象，但由于试件纵向钢筋受到良好约束，没有出现纵筋受压屈曲和外鼓现象.此外，在反复加载过程中，随着位移幅值的增大，在试件底部附近与横向荷载作用方向平行的两侧表面上出现斜裂缝，并与向核心混凝土发展的主裂缝汇合.图2为试验过程中观测到的墩柱试件的典型破坏形态.

试验现象观察到各组墩柱试件均出现了延性弯曲破坏，表明在常规轴压比范围内，轴压比不会影响各组试件的破坏模式.与RC组试件相比，PANFRC组和PANHFRC组试件在相同位移幅值下出现的裂缝更细，且在极限状态下也没有出现保护层混凝土剥落现象，这表明掺入单一长度或长短混杂的聚丙烯腈纤维，均可显著提高混凝土墩柱的抗裂性能，并改善其破坏形态.此外，对试验破坏形态的观察表明，对于约束良好的墩柱，即使保护层混凝土出现大量的压溃和剥落，纵向钢筋也不会发生受压屈曲现象.

图2 墩柱试件典型破坏形态Fig.2 Typical failure modes of the specimens

2.2 滞回曲线与骨架曲线

利用MTS作动器采集的横向力和横向位移数据，得到了各组墩柱试件的滞回曲线，如图3所示.

图3 试件实测滞回曲线Fig.3 Hysteretic curves of the specimens

从图3可见，对同一组试件，轴压比越大，滞回曲线越饱满，说明增大轴压比可提高试件的滞回耗能.分析其原因，主要是因为增大轴压比可提高试件的剪切承载力，因此，在相同位移幅值下，也相应提高了试件的横向抗力，从而使滞回曲线更加饱满.此外，在相同轴压比下，相比RC组试件，掺入聚丙烯腈纤维的PANFRC组和PANHFRC组试件的滞回曲线更加饱满.这表明掺入适量的聚丙烯腈纤维可改善混凝土墩柱试件的累积滞回耗能能力，尤其是掺入适量的长、短混杂的聚丙烯腈纤维.分析其原因，主要是由于聚丙烯腈纤维对混凝土有增强和增韧的作用，而且长、短纤维混杂时，其作用效应越好，从而相应地提高了墩柱试件的横向抗力和变形能力，使滞回曲线更加饱满.另一方面，聚丙烯腈纤维与混凝土基体界面脱粘、纤维拉拔和纤维断裂等耗能机制，也增强了墩柱试件的累积滞回耗能能力.

图4绘出了各组墩柱试件的骨架曲线.从图4可见，在轴压比为0.2时，各组试件的下降段曲线均较为平缓，其中，尤以PANHFRC组C1试件的下降段曲线最为平缓，而且极限位移幅值也最大;随着轴压比的增大，各组试件的下降段曲线相对变陡，且极限位移幅值也明显减小，表明无论是RC墩柱试件还是PANFRC或PANHFRC墩柱试件，其极限位移均随轴压比的增大而减小.此外，相比RC组试件，PANFRC组和PANHFRC组试件的横向抗力也均有一定的提高.

图4 各试件骨架曲线Fig.4 Skeleton curves of the specimens

2.3 位移延性系数与极限承载力

表3列出了各组墩柱试件实测的屈服位移、极限位移和水平极限承载力.根据位移延性系数的定义［1］及实测数据，计算得到表3中的位移延性系数.采用XTRACT软件计算各试件墩底截面的P－M－曲线，得到各试件墩底截面的最大抗弯承载力的理论值，从而得到其水平极限承载力的理论值;同时，根据Priestley等［16］提出的考虑轴压作用的墩柱塑性铰区的抗剪承载力公式，计算得到各试件抗剪承载力的理论值.从表3可见，各组墩柱试件水平极限承载力的试验值与理论值均相差不大，且均远小于其塑性铰区抗剪承载力的理论值，这表明各组墩柱试件均只发生弯曲破坏，而不会发生剪切破坏，这与试验观察到的破坏现象相符.

表3 各试件位移延性系数与水平极限承载力Tab.3 Displacement ductility factor and shear strength of each specimen

在轴压比为0.2时，相比 RC组试件(RC－A1)，PANFRC试件(PANFRC－B1)和 PANHFRC试件(PANHFRC－C1)的位移延性系数分别增大了5.4%和11.1%，水平极限承载力分别提高了2.8%和7.6%;在轴压比为0.4时，相比RC组试件(RC－A3)，PANFRC试件(PANFRC－B3)和PANHFRC试件(PANHFRC－C3)的位移延性系数分别增大了10.0%和18.5%，水平极限承载力分别提高了2.4%和13.2%.这表明掺入适量的聚丙烯腈纤维能同时提高墩柱试件的位移延性和水平极限承载力，而且轴压比越大，提高幅度越明显;此外，相比单一纤维，掺入长、短混杂聚丙烯腈纤维的效果更佳.

由表3还可知，各组试件的位移延性系数均随轴压比的增大而减小，而水平极限承载力则均随轴压比的增大而增大，这与普通混凝土桥墩的试验规律相同.

2.4 刚度退化规律

根据荷载－位移曲线计算每一级位移幅值下各组墩柱试件的割线刚度，从而绘制出各试件的刚度退化曲线，如图5所示.从图5可见，PANFRC组和PANHFRC组试件与RC组试件的刚度退化规律基本相同，表明掺入聚丙烯腈纤维对墩柱试件的刚度退化基本没有改善.

图5 各组试件刚度退化曲线Fig.5 Stiffness degradation curves of the specimens

2.5 耗能能力

为比较各组墩柱试件的滞回耗能能力，对各试件取相同的位移幅值(本研究取为16 mm)进行计算.表4列出了各试件在位移幅值为16 mm时的耗能能力，所取循环均为第一级.

表4 各试件滞回耗能Tab.4 Energy dissipation of each specimen

从表4可知，在轴压比为0.2时，相比RC组试件(RC－A1)，PANFRC试件(PANFRC－B1)和PANHFRC试件(PANHFRC－C1)的滞回耗能能力分别提高了24.6%和38.5%;在轴压比为0.4时，PANFRC试件(PANFRC－B3)和PANHFRC试件(PANHFRC－C3)的滞回耗能能力分别提高了3.7%和6.1%.试验结果表明，掺入适量的聚丙烯腈纤维可明显提高混凝土墩柱的滞回耗能能力，而且相比单一纤维，掺入长、短混杂聚丙烯腈纤维的效果更佳;此外，轴压比越小，掺入适量的长、短混杂聚丙烯腈纤维对混凝土墩柱滞回耗能能力的提高幅度越大.