纤维混凝土受压本构试验及其抗震应用

胡张齐，邬雨生，贺 冉，李井超，张 淼

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

混凝土结构应遵循“强剪弱弯”的设计原则，以实现延性破坏机制，充分耗散地震能量.然而，已有的震害经验表明，这一目标较难实现，在高层剪力墙及核心筒结构中，通常表现为连梁等关键受力部位脆性破坏[1-2]，见图1.采用增设斜向钢筋(或钢筋暗支撑)、菱形配筋、型钢等构造方式[3-6]可改善连梁的抗剪能力及变形性能，但存在施工复杂、型钢与混凝土间粘结差等问题.为克服上述困难，Subedi等[7]提出了钢板-混凝土组合梁，该构造方式相对于型钢混凝土组合连梁，其抗弯能力较弱，但能提供足够的抗剪能力，符合“强剪弱弯”的设计理念.在钢板上焊接抗剪钉(PRC连梁[8])则可增强混凝土与钢板的协同工作性，连梁的变形及耗能效果更佳，施工方便.但因混凝土自身变形性能较差，当跨高比较小时，PRC连梁仍会在较大概率上发生脆性破坏[9].同理，跨高比较小的对角斜筋连梁也会因剪切破坏而影响耗能，见图2[4,6].因此，仅依靠配筋(配钢)构造措施，难以使小跨高比连梁等受力敏感部位形成理想的耗能机制.

图1 震中连梁剪切破坏

图2 试验连梁剪切破坏

混凝土的工作性能极大地影响结构的抗震性能，而在混凝土中掺入纤维和聚合物材料等是改善其工作性能的有效途径.学者们已对纤维混凝土进行了一系列研究，汪梦甫等[10]提出的高阻尼混凝土属于其中的一种类型，它具有阻尼高、变形性能好的优点，且强度有保证.图3为纤维混凝土立方体试块与普通混凝土试块受压破坏模式对比.由图3可知，普通混凝土立方体破坏前无明显征兆；纤维混凝土中的纤维可对竖向荷载引起的侧向膨胀起到有效约束作用，避免了试块在侧向拉应力作用下突然破坏，试块破坏前有明显的裂缝开展过程，最终破坏呈断裂式，且裂缝基本平行于压应力方向.

图3 不同混凝土立方体破坏模式对比

基于此，文献[11-18]提出了新型构造方式的剪力墙与核心筒结构，以期通过内部构造与纤维混凝土的协同工作，使其在地震作用下形成良好的耗能机制，实现多道设防.但这类混凝土结构的基本力学性能仍不明确，为进一步深入了解其受力特性，以便投入实际应用，本文完成了3个纤维混凝土圆柱体受压本构测试，探讨了纤维混凝土的变形性能及耗能密度，并对比分析2组4个已有剪力墙抗震试验结果，研究了混凝土性能对破坏模式、延性、耗能等的影响，可为纤维混凝土的抗震应用与后续设计方法的研究提供参考.

1 受压本构试验

参照文献[10]的配合比，制作了3个尺寸Φ150 mm×300 mm的纤维混凝土圆柱体试件，其强度等级为C30，配合比见表1，减水剂适量，经28 d的标准养护后进行试验.

表1 纤维混凝土圆柱体试件配合比

1.1 加载装置

采用1 000 t电液伺服刚性试验机进行加载，全程位移控制；在圆柱体两端固定环形钢箍，间距200 mm，并于四周安放LVDT(Linear Variable Differential Transformer)以记录混凝土柱轴向变形.加载装置及破坏形态见图4.

图4 加载装置及混凝土圆柱体破坏形态

1.2 试验结果

由式(1)和式(2)将轴压力与变形分别转换为应力和应变：

其中，F表示轴压力；A为圆柱体截面积；ΔL为4个位移计位移平均值.

C40以下混凝土圆柱体强度可通过

转换为棱柱体强度，由此得到本文3个试件HDC1～HDC3的轴压应力-应变曲线，并与《混凝土结构设计规范》[19](GB50010-2010)中C30普通混凝土本构曲线(简称“混规”本构)对比，见图5.

图5 纤维混凝土轴压本构曲线与“混规”本构曲线对比

“混规”本构模型可分为弹性、弹塑性、不稳定与下降4个阶段，而纤维混凝土在达到或接近峰值后的一定应变范围内，应力几乎不下降.文中将该范围称为类塑性段(见图6)，其中，εe、εep、εck、εp和εcu分别表示弹性、弹塑性、峰值、类塑性及破坏临界点(压应力下降到0.5fck)的对应压应变.表2为3个纤维混凝土圆柱体试件和“混规”本构的各特征点的应力、应变及割线模量.

图6 纤维混凝土本构模型曲线

由图5及表2对比可知，纤维混凝土的初始材料“刚度”略低于普通混凝土，弹塑性临界点的割线模量反而较高.究其原因在于，苯丙乳液和羧基丁苯乳液颗粒分散到混凝土中后，会与水化水泥相融合，在混凝土内部形成互穿空间网络结构，破坏原有的无机离子键，导致初始割线模量降低，但是随着加载的进行，纤维对混凝土的约束作用增强，限制了骨料界面和砂浆内部微裂缝的发展和延伸，因此能延缓混凝土的“刚度”退化，并使混凝土的变形能力得到大大增强.本文纤维混凝土的极限压应变值为“混规”本构的2～3倍.

表2 纤维混凝土各特征点应力、应变及割线模量

混凝土在地震作用下通过自身损伤耗散能量，对于混凝土轴压试件而言，可通过应变能反映其吸能状况，混凝土的单位体积应变能(即应变能密度)可通过应力-应变曲线的面积积分得到：

由表3可知，纤维混凝土在加载前期的应变能密度较低，但其最终应变能密度远高于“混规”本构，这表示纤维混凝土在地震作用下可耗散更多能量.

表3 纤维混凝土应变能密度 N·mm−2

2 纤维混凝土在剪力墙中的抗震应用

2.1 试件信息

汪梦甫等[11-14]参照文献[20]中的CSW-3和CSW-7试件设计了2个编号为HDCSW1和HDCSW2的纤维混凝土剪力墙，试件尺寸及配筋见图7.其中，CSW-3，HDCSW1和HDCSW2均是隔层设暗支撑；CSW-7是每层设暗支撑.根据连梁跨高比l/hb，将这4个剪力墙分为2组进行对比，结果见表4.不同混凝土剪力墙的钢材力学性能基本相近，见表5[20].

图7 剪力墙尺寸及配筋

表4 剪力墙试验参数对比

表5 剪力墙钢材力学性能

2.2 对比分析

1)破坏模式.由图8和图9可知，采用普通混凝土浇筑的CSW-3和CSW-7试件均于连梁部位发生剪切破坏；而HDCSW1和HDCSW2试件的连梁端部混凝土被压碎，形成明显的塑性铰，且墙身裂缝分布均匀.

图8 第1组剪力墙破坏模式对比

图9 第2组剪力墙破坏模式对比

2)滞回曲线、骨架曲线及刚度衰减.图10和图11分别为2组剪力墙的滞回曲线与骨架曲线对比.4个试件各特征点的位移、荷载及最终耗能对比见表6.其中，Ucr和Fcr分别表示正负向开裂位移及荷载平均值；Uy，F为正负向屈服位移及荷载平均值，由等值能量法计算获得；Up，Fp分别为峰值位移及荷载平均值；Ud表示极限位移，取荷载下降至85%Fp时的对应位移；μ=Ud/Uy，为延性系数；ED表示结构最终耗能，取滞回曲线包裹面积.由表6、图10和图11可知，同组试件中，纤维混凝土剪力墙初始刚度略低，但是峰值荷载较大，开裂位移、峰值位移和极限变形均有提高，后期刚度退化较慢.这种现象的产生主要由于纤维混凝土初始割线模量较低，但材料刚度稳定(见表2和图5)，应变能密度较高，变形性能强.内嵌梁钢板相对于钢筋暗支撑可在剪力墙屈服后更好地保持墙肢间的协同工作，故相对于CSW-3而言，HDCSW1试件滞回曲线更加饱满，耗能和极限变形也得到增强.

表6 剪力墙各特征点位移、荷载及最终耗能

图10 第1组剪力墙滞回曲线及骨架曲线

图11 第2组剪力墙滞回曲线及骨架曲线

文献[20-21]研究发现，相同条件下，采取每层设置暗支撑的方式时，剪力墙的极限变形、延性系数及耗能能力均达到最佳，CSW-7[20]即是采用这种暗支撑布置方式，而本课题组的HDCSW2试件[11-14]则是隔层设暗支撑，后者极限位移及耗能均高于前者，抗震能力较强.

第1组剪力墙中，HCSW1相对CSW-3，极限变形增加了9.3%，最终耗能增加了76.7%；第2组试件中，HCSW2相对CSW-7极限变形及最终耗能虽增加，但幅度有限，仅为6.1%和6.6%，这表明，当连梁跨高比较小时，纤维混凝土及内嵌钢板能更有效地改善剪力墙的抗震性能.这种现象一方面是源于暗支撑形式的影响，但主要原因在于，连梁跨高比越小时，受剪作用越明显，剪切破坏概率大大增加，即使是采取有效构造措施，连梁仍会发生剪切破坏(见图2)，使其未能发挥应有的耗能作用，而纤维混凝土的应用则可极大地改善连梁的变形能力，充分发挥其第一道防线的作用，大幅增加剪力墙额抗震性能.而随着跨高比的增加，连梁剪切破坏概率降低，采用增设对角斜筋或内嵌钢板即可有效改善其抗震性能，纤维混凝土的优势并未得到完全发挥.2组剪力墙试验对比研究表明，以纤维混凝土代替普通混凝土，并结合内部构造的双重作用的抗震设计思路是合理的，有助于形成良好的耗能机制，实现多道设防，有效提高剪力墙的抗震性能，特别适用于连梁跨高比较小的剪力墙.

3 结论与建议

3.1 结论

1)纤维混凝土初始割线模量低，但是其耗能密度高，变形能力强，极限变形为普通混凝土(“混规”本构)的2～3倍；纤维混凝土受压本构曲线存在一个类塑性阶段，在达到或接近峰值后的一定应变范围内，应力几乎不下降.

2)当跨高比较小时，仅采用内置钢筋暗支撑的构造方式，剪力墙连梁仍会发生剪切破坏；采用纤维混凝土浇筑，并配合连梁内嵌钢板等构造措施的剪力墙试件可形成理想的梁铰耗能机制，其变形能力及耗能水平得到增强.

3.2 建议

采用纤维混凝土与内部构造相结合的方式，不仅可有效改善结构的抗震性能，还可有效避免墙身及连梁撕裂、压酥等破坏状况，有利于震后修复.因此，建议在连梁及底部塑性铰区采用纤维混凝土浇筑，并配合相应构造方式增强结构抗震性能.