扭矩作用下钢筋PVA-ECC柱抗震性能试验研究*

2021-12-10邵永健傅少华易乐平

建筑结构 2021年22期

凌智，邵永健，傅少华，易乐平

(1 苏州科技大学土木工程学院，苏州 215011；2 中亿丰建设集团股份有限公司，苏州 215131)

0 引言

在地震作用下，结构角柱等构件往往处于复合受扭状态[1-3]，极易发生破坏。研究人员已对钢筋混凝土柱的压弯剪扭滞回性能进行了试验研究，揭示了钢筋混凝土柱受扭破坏机理，获得一系列研究成果[4-7]：扭矩的存在对构件的抗震性能削弱较大，使得构件耗能能力不足。因此改善扭矩作用下柱的抗震性能，提高其变形和耗能能力，对提高建筑结构抗震能力具有重要意义。

高延性纤维增强水泥基复合材料具有高韧性、高强度、高耐损伤能力和受拉应变硬化的特性[8]，在剪切和拉伸荷载作用下表现出高耗能和高延性能力，能够显著提高构件的耐损伤能力和受剪性能。姜睿等[9]对聚乙烯醇(PVA)纤维高强混凝土短柱进行了研究，结果表明：聚乙烯醇纤维增强水泥基复合(PVA-ECC)材料能够明显提高高轴压比下高强混凝土短柱的延性。邓明科等[10]进行了PVA-ECC短柱抗震性能试验研究，研究表明：高延性纤维混凝土短柱的开裂强度、屈服强度和极限位移明显高于普通钢筋混凝土短柱，采用PVA-ECC材料能明显提高短柱的剪切变形能力。汪梦甫等[11]对3根PVA-ECC柱进行了低周反复加载试验，结果表明：PVA-ECC柱相较于普通钢筋混凝土柱具有更好的耗能能力、延性和抗震能力。

为了提高扭矩作用下普通钢筋混凝土柱的抗震性能，采用PVA-ECC代替普通混凝土，深入研究该类型柱在压弯剪扭复合作用下的破坏形态、骨架曲线、强度退化、延性及耗能能力，对于进一步提高建筑结构的抗震性能和推广高延性纤维混凝土的应用具有实际意义。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验按1∶2缩尺比例设计7个试件，其中PVA-ECCZ-1D～PVA-ECCZ-6D试件为PVA-ECC柱，RCZ-D试件是作为对比的普通钢筋混凝土柱。柱身混凝土保护层厚度为20mm，试件的设计参数见表1，设计尺寸及配筋布置见图1。

试件设计参数表1

图1 试件尺寸及配筋

PVA-ECC材料强度按C40混凝土设计，试验配合比见表2。其中PVA纤维采用日本某公司的REC15/12mm型纤维，其力学性能见表3。浇筑试件时，每个PVA-ECC柱预留3个边长为100mm的立方体试块和3个100mm×100mm×300mm棱柱体试块，普通混凝土柱预留3个边长为150mm的立方体试块，与试件同条件养护，并在试验开始前一天进行试块抗压强度试验。由于目前PVA-ECC材料立方体和棱柱体强度之间没有较为公认的换算关系，故本文采用棱柱体抗压强度实测平均值作为PVA-ECC的轴心抗压强度。本试验各试件PVA-ECC强度及普通混凝土强度见表4。试验采用的钢筋力学性能见表5。

PVA-ECC材料配合比表2

PVA纤维性能表3

PVA-ECC及混凝土强度表4

钢筋力学性能表5

1.2 加载装置与制度

根据实验室条件和文献[12]，试验加载装置及截面受力图见图2。由竖向液压千斤顶通过反力钢梁对柱顶施加轴向压力N。通过MTS水平作动器和起力臂(力臂大小由扭弯比决定)作用的加载钢梁对试件施加水平偏心力F，该水平偏心力在柱截面上产生弯矩、剪力和扭矩。最终试件的试验段处于压弯剪扭复合受力状态。

本试验采用与文献[13]相同的加载制度，首先将竖向千斤顶加载至预定荷载并在试验过程中保持恒定，再通过水平作动器施加水平荷载。采用按位移控制的低周往复加载制度，每级幅值对应的位移角分别为1/800，1/500，1/250，1/150，1/100，1/75，1/50，1/30，1/20，1/15，1/10。试件屈服前每级位移循环1次，试件屈服或力-位移曲线明显偏离直线后，每级位移循环3次，直至试件破坏或者试件水平荷载下降至峰值荷载的85%以下，结束加载。

图2 试验加载装置及截面受力图

1.3 测点布置与量测方案

在每根纵筋上布置两片应变片；在基础顶面以上柱根部4个箍筋上布置应变片，每个箍筋布置4片。纵筋与箍筋的应变片布置见图3，柱身混凝土应变花布置见图4。

图3 纵筋与箍筋应变片布置图

图4 混凝土应变花布置图

图5 位移计布置图

在加载短梁上加载点处布置位移计W1，W2，两个位移计的水平间距为400mm；在加载点下部200mm处和基础顶面上部200mm处柱身分别布置位移计W3，W4和W5，W6，水平间距为200mm；位移计W7，W8布置在基础顶面高度中心处，水平间距为400mm，用于测量试件在加载过程中发生的刚体位移；位移计布置见图5。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象与破坏形态

6根PVA-ECC柱试验现象相近，以PVA-ECCZ-1D试件为例，阐述试件的破坏现象与过程。在柱身表面开裂前，各试件近似处于弹性阶段；当作动器加载至1/75位移角时，试件首先在剪应力叠加面出现斜裂缝，与水平加载方向的倾角约为60°；当加载至正向1/50位移角时，A，C，D面均出现多条斜裂缝，在A面即剪应力叠加面上新出现的裂缝与旧裂缝形成交叉裂缝；在往复荷载作用下，柱身各面均出现细密的交叉斜裂缝，裂缝方向与水平加载方向的倾角均在60°左右；当加载至1/30位移角时,随着加载位移的增大，各面裂缝数量不断增多，形成网状交叉斜裂缝，在试件加载过程中，伴随着纤维受拉断裂的“呲呲”声；加载后期A，C，D面均出现宽度较大并且贯通的主斜裂缝，承载力下降明显；由于纤维的桥联作用，PVA-ECCZ系列试件在试验过程中均未出现保护层脱落现象。最后试件由于临界斜裂缝处上下PVA-ECC材料发生错动破坏或者荷载达到极限荷载的85%而加载结束。对于PVA-ECCZ-2D试件，初始斜裂缝的倾角约为45°，符合轴压比越小初始斜裂缝倾角越小的规律。

对于RCZ-D试件，当加载至1/100位移角时，柱身A面、C面和D面中下部均出现了初始斜裂缝，且A面斜裂缝最大宽度达到0.1mm左右；加载至负向1/100位移角时，A面和C面出现交叉斜裂缝；当加载至1/75位移角时，旧裂缝继续发展，最大裂缝宽度已达0.25mm左右,各面开始出现螺旋裂缝；加载至1/30位移角时，试件达到峰值荷载，随后承载力下降明显；当加载至1/20位移角时，基本没有新裂缝出现，主斜裂缝宽度急剧加大，临界混凝土块明显错动，混凝土保护层脱落，荷载下降至峰值荷载的85%，试件发生明显的扭型破坏。

试件的最终破坏形态见图6，从左向右依次为该试件的A，B，C和D面，由试验现象可知各试件均发生扭型破坏。与RCZ-D试件相比，PVA-ECCZ系列试件裂缝均为细密裂缝，最大裂缝宽度0.2mm左右，且未出现混凝土保护层剥落现象，而RCZ-D试件裂缝宽度和裂缝间距均较大，加载后期有混凝土剥落现象。对于所有试件，A面破坏严重，C面破坏最小，这是由于A面为正负向加载时的剪应力叠加面，受力影响较大；C面为加载时的剪应力相减面，受力影响最小。

图6 试件的最终破坏形态

2.2 扭矩-扭率滞回曲线

各试件的扭矩-扭率滞回曲线见图7，图中T，θ分别代表试件的扭矩、扭率。由图7可见，在柱身开裂前，试件基本处于弹性阶段，加卸载时滞回曲线基本呈直线发展，卸载后基本能回到零点附近，且在弹性阶段轴压比、扭弯比、剪跨比对试件的影响较小。随着加载位移的增大，柱身PVA-ECC材料开裂后裂缝不断增多，滞回曲线开始向扭率轴倾斜，滞回环的面积也不断变大，试件处于弹塑性阶段，卸载后滞回曲线并未回到零点附近，表明试件存在残余变形。试件屈服后，每级加载位移循环3圈，试件扭矩-扭率滞回曲线由最初的弓形逐渐发展成反S形，说明试件受到滑移影响，试件的强度和刚度发生明显退化。其中，PVA-ECCZ-4D试件在加载至最后一级第二圈循环时，位移计发生移动，故此后的滞回曲线不可比较。

对比不同轴压比试件，轴压比小的滞回曲线更饱满，极限扭率更大，说明降低轴压比试件有更好的耗能能力和变形能力。对比不同剪跨比试件，剪跨比大的滞回曲线更为饱满，具有更好的耗能能力。与普通钢筋混凝土柱相比，PVA-ECC柱的滞回环面积、峰值承载力和极限扭率更大，滞回曲线达到峰值后荷载下降相对缓慢，表明PVA-ECC柱具有更高的受扭承载力、变形能力和耗能能力。

图7 试件的扭矩-扭率滞回曲线

2.3 骨架曲线

图8给出了各试件的扭矩-扭率骨架曲线，采用等效能量法计算得到骨架曲线各特征点参数见表6。由图8可见，各试件的扭矩-扭率骨架曲线形状相似，大致呈S形。在试件未开裂前，各试件的骨架曲线几乎呈直线发展，且骨架曲线斜率接近，说明轴压比、扭弯比和剪跨比对试件的初始刚度影响较小。在试件处于带裂缝工作阶段，骨架曲线偏离直线，特别是接近屈服时更加明显。试件屈服后的破坏阶段，PVA-ECCZ系列试件后期表现出明显的硬化现象，骨架曲线下降比普通钢筋混凝土试件平缓。与RCZ-D试件相比，PVA-ECCZ-1D试件的极限承载力与极限扭率更高，表现出更好的延性。与PVA-ECCZ-3D试件相比，PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-2D试件的极限扭矩均值分别提高了16.7%，16.0%，极限扭率分别提高了31.4%，51.9%，说明轴压比降低，极限扭矩有所提高，试件的极限扭率提高明显；PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-3D试件的开裂扭矩比PVA-ECCZ-2D试件分别提高了45.5%，30.9%，说明提高轴压比有助于抑制试件的开裂。当轴压比为0.2，扭弯比从0.53增大到1.00时，试件的峰值扭矩和破坏扭矩分别降低了4.1%，6.8%。比较不同剪跨比试件的骨架曲线，PVA-ECCZ-6D试件的开裂扭矩比PVA-ECCZ-1D试件降低了17.7%，说明提高剪跨比则试件的开裂荷载降低。

图8 各试件的骨架曲线

2.4 延性

试件扭率延性系数μθ可由下式计算：

μθ=θu/θy

(1)

式中θu，θy分别为试件破坏扭率和屈服扭率。

各试件加载正负向扭率延性系数的平均值见表6。对比PVA-ECCZ-1D～PVA-ECCZ-3D试件的扭转延性系数可知，轴压比从0.1增大到0.3，试件的扭转延性均值由3.01减小至2.48，极限位移角逐渐减小，说明轴压比的提高能够抑制试件的扭转变形。对比PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-4D试件，试件的扭弯比由1减小至0.53，试件的扭转延性均值由2.77减小至2.51，极限扭转角均值由0.091 3减小至0.068 6，说明扭弯比的减小抑制了试件的扭转变形和扭转延性。对比PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-6D试件，试件的剪跨比由2.57增加至3.57，扭转延性系数均值由2.77增加至4.05，说明增大剪跨比能使试件具有更好的延性性能。与RCZ-D试件相比，

骨架曲线的特征点参数表6

PVA-ECCZ-1D试件的极限扭率提高了97.6%，扭转延性系数提高了3.0%，说明PVA-ECC材料能大幅度提高试件的塑性变形能力。

2.5 刚度退化

试件扭矩-扭率骨架曲线的刚度可采用割线刚度来表示。割线刚度采用下式进行计算：

(2)

式中：Ki为割线刚度；Ti为在第i级循环时峰值扭矩；θi为在第i次循环时的峰值扭率；+，-分别代表正向加载和负向加载。

为了在图中能更直观地表现出试件的刚度退化，采用割线刚度Ki与初始刚度K0的比值作为纵坐标，采用扭率θ与屈服扭率θy的比值作为横坐标，7个试件的刚度退化曲线见图9。

图9 刚度退化曲线

由图9可见，所有试件的刚度退化曲线在加载前期下降较快，加载后期刚度退化较为缓慢。这是因为前期保护层材料开裂，出现较多裂缝，钢筋屈服，刚度退化较快，而加载后期裂缝充分开展，钢筋完全塑性变形，使得试件的刚度退化变缓。加载后期，PVA-ECCZ-1D试件刚度退化曲线较RCZ-D试件更加平稳，这是因为PVA-ECC材料具有应变硬化能力和更高的变形能力。对比不同轴压比试件，PVA-ECCZ-2D试件前期刚度下降最快，PVA-ECCZ-3D试件前期刚度下降最慢，这是因为加载前期轴压力的存在能抑制裂缝的开展，使得轴压比大的试件前期刚度退化相对较慢，而加载后期刚度退化速率相近。对比PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-4D试件可知，在加载后期，扭弯比大的试件刚度退化速率相对较快。与PVA-ECCZ-5D试件相比，加载后期PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-6D试件的刚度退化曲线相对缓慢，说明增大剪跨比可降低试件刚度退化速率。

2.6 强度退化

在同一加载位移下，试件的抗扭强度会随着加载循环次数的增加而降低。各试件抗扭强度退化情况见图10，其中纵坐标采用同一加载级下三次循环的峰值扭矩T与第一次循环时峰值扭矩T1的比值，横坐标为屈服后第i个加载级。由图10可见，在同一加载级下，所有试件第二次循环的强度退化比第三次更大。由图10(a)可知，早期轴压比大的试件强度退化较快，这是因为轴压比越大，早期加载时损伤越大。由图10(b)可见，扭弯比对试件的强度影响较大，扭弯比越大的试件强度退化越快，这是因为扭弯比越大试件损伤越快。由图10(c)可知，剪跨比大的试件强度退化较快，这是因为剪跨比越大，加载时损伤越快。由图10(d)可知，PVA-ECCZ系列试件强度退化较慢，这是由于PVA-ECC材料具有较好的应变硬化能力，在试件开裂后仍能保持较好的抗扭强度，故强度退化较慢。

图10 强度退化

图11 等效黏滞阻尼系数he计算示意图

图12 扭转等效黏滞阻尼系数曲线

2.7 耗能能力

试件的能量耗散能力可采用等效黏滞阻尼系数he来评价，he按以下公式进行计算：

(3)

各试件的扭转等效黏滞阻尼系数及其变化趋势见表7和图12。总体上所有试件的等效黏滞阻尼系数都较小，且随着加载级的增大而增大，但在加载前期略有波动，这是因为前期试件扭转耗能由外围PVA-ECC材料提供，在试件开裂与裂缝发展过程中，外围PVA-ECC材料退出工作，由钢筋骨架与约束PVA-ECC材料提供抗扭耗能能力，因此试件耗能能力在前期出现波动后继续上升。对于不同剪跨比试件，PVA-ECCZ-5D试件的等效黏滞阻尼系数较PVA-ECCZ-1D，PVA-ECCZ-6D试件大，表明适当减小试件的剪跨比可提高受扭耗能性能。与RCZ-D试件相比，PVA-ECCZ-1D试件的等效黏滞阻尼系数明显较高，说明PVA-ECC材料比普通混凝土材料具有更好的耗能性能。