混杂纤维混凝土连梁抗震性能试验及受剪承载力研究*

于 婧 贾会芳 张 辉

(1.西安建筑科技大学土木工程学院, 西安 710055; 2.西部绿色建筑国家重点实验室, 西安 710055)

高层建筑剪力墙或核心筒结构在遭遇强震作用时,小跨高比连梁往往承受较大的剪力,极易发生脆性剪切破坏,导致其无法充分耗散地震能量,从而不能有效地保护主体结构。我国GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[1]建议通过改变连梁配筋形式来提高其抗震性能,但这些配筋形式用钢量大,施工困难,在工程应用中受到限制。鉴于此,国内外学者提出了改善连梁基体材料的研究思路[2-6]。

混杂纤维混凝土可实现多尺度增强,因此是一种综合性能更加优越的复合材料[7-8]。其变形能力卓越,且损伤容限性高,这使其具备了成为理想连梁基体材料的条件。然而,当前国内外学者对单一纤维混凝土连梁的研究较多,对混杂纤维混凝土连梁的相关研究成果较少。夏冬桃等研究发现:混杂纤维混凝土深梁比单一纤维混凝土深梁的抗弯性能更好[9]。刘胜兵等提出:混杂纤维对深梁初始强度的提高幅值为84%,对极限抗压强度的提高幅值为35%[10]。前期,课题组对钢-PVA混杂纤维混凝土的力学性能进行了试验研究[7],发现:混杂纤维可在不同尺度上发挥作用,PVA纤维可在微观上抑制裂缝的产生,提高初裂强度,钢纤维可在宏观上控制裂缝的发展,提高混凝土极限强度。

另外,课题组前期研究[5]表明:应用纤维混凝土,可制作出轻质高强的预制连梁。将纤维混凝土连梁应用于抗震设防高烈度区的装配式结构,有望在现有基础上大幅提高结构的抗震性能,并且明显缩短工期,促进产业化发展,具有较好的实用价值和经济意义。文章的研究是上述研究课题的一部分,主要对3个混杂纤维混凝土连梁和1个普通混凝土连梁进行试验研究,通过对比分析连梁基体材料和连梁截面宽度对其受剪承载力的影响,并结合理论分析,基于分项叠加思想,提出了混杂纤维混凝土连梁受剪承载力计算式,以期为相关领域研究和工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

共设计了4个1/2缩尺连梁试件。其中1个普通混凝土连梁,编号为CB-1;3个混杂纤维混凝土连梁,编号为CB-2～CB-4;各试件的跨度(ln)和截面高度(h)分别为900 mm和600 mm。主要设计参数见表1。各试件配筋形式一致,且均为对称配筋,其中纵筋和腰筋均为HRB400,箍筋为HPB300,试件尺寸和配筋如图1所示。

a—试件尺寸; b—1—1截面; c—2—2截面。图1 试件尺寸和配筋 mmFig.1 Dimensions and reinforcements of specimen

表1 试件主要参数Table 1 Main parameters of specimens

浇筑混杂纤维混凝土连梁时,根据车佳玲等提出的预制连梁埋入长度计算式[11],并结合实际施工情况,确定连梁两端埋入深度为250 mm,混杂纤维混凝土连梁浇筑后湿润养护5 d,待其有一定强度后用C40商品混凝土浇筑两端墙肢;普通混凝土连梁由C40商品混凝土一次性浇筑。

1.2 材料性能

混杂纤维混凝土由水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、国产PVA纤维、端钩型钢纤维、减水剂和水按一定比例配备而成,配合比见表2。浇筑试件时,对每批墙体混凝土预留标准立方体试块和标准抗拉试块,试块与试件同条件养护,在试件加载当天测得各基体材料的强度平均值,见表1。钢筋力学性能指标见表3。

表2 SPHFC配合比Table 2 Mix proportion ratio of SPHFC

表3 钢筋力学性能Table 3 Mechanical properties of reinforcement

1.3 加载装置和加载制度

试件加载时,将连梁竖立安装在建研式加载装置上。在连梁上部安装平行四边形连杆,以防止试件端部发生转动;将1 000 kN液压伺服作动器作用在连梁跨中,以模拟连梁实际受力情况;同时,在L形加载刚臂两侧安装侧向支撑,以防止发生平面外加载,加载装置如图2所示。

图2 加载装置Fig.2 Loading device

依据JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》[12],水平荷载采用全位移控制加载,依次以位移角θ=Δ/ln=0.000 55、0.000 83、0.001 1、0.001 7、0.002、0.002 5、0.003 3、0.005逐级加载,其中Δ为加载位移。试件屈服前,每级循环1次;当连梁纵筋达到屈服应变或试件的荷载-位移曲线出现明显的斜率变化时,认为试件进入屈服状态,此后,每级循环3次;当试件承载力低于峰值荷载的85%时,认为试件破坏,停止加载。

2 试验结果和分析

2.1 破坏过程及破坏特征

为方便描述,规定以推为正,拉为负。各试件的破坏形态和裂缝分布情况如图3所示。

a—CB-1; b—CB-2; c—CB-3; d—CB-4。图3 连梁破坏状态Fig.3 Failure modes of coupling beam

试件CB-1加载至-0.5 mm时,连梁受拉侧出现首条长约150 mm的水平裂缝;加载至+4.5 mm时,出现长约100 mm的斜裂缝;加载至+7.0 mm时,对角斜裂缝延伸扩展,纵筋屈服,此后每级加载往复循环3次;当完成+12.5 mm第一次加载时,连梁主斜裂缝宽度扩展到3 mm,伴随有混凝土迸出,同时连梁达到峰值荷载;加载至+18.0 mm时,对角斜裂缝混凝土大量剥落,宽度达到6 mm;加载到+24.0 mm时,试件沿剪切斜裂缝发生错动,表现为明显的剪切型破坏模式,可以看到内部碎石和钢筋,连梁丧失承载力,停止加载。

混杂纤维混凝土连梁以试件CB-2为例,试件CB-2加载至-1.5 mm时,连梁右下方出现首条长约200 mm的水平裂缝;加载至-6 mm时,连梁底部出现断断续续的细微水平裂缝;加载至+9 mm时,连梁右下角和左上角均出现长约300 mm的斜裂缝,同时右下方水平裂缝延伸至连梁中部;加载至+15 mm时,产生多条交叉斜裂缝,并伴随有钢纤维断裂的“滋滋”声,说明裂缝处纤维开始发挥其桥联作用;加载到+21 mm时,连梁右下角混凝土剥落;加载至+27 mm时,斜裂缝基本停止发展,底部水平主裂缝贯通,停止加载。这种破坏主要是由纵筋屈服后试件变形增大、塑性铰区丧失受剪承载能力引起的,故认定为弯曲剪切型破坏。

综合分析以上试件破坏模式和试验现象,得到以下特点:

1)普通混凝土连梁破坏时,出现大量的混凝土剥落现象,发生明显剪切破坏。混杂纤维混凝土连梁屈服前,产生少量水平细微裂缝;屈服后,大量细裂缝产生并扩展;破坏时,连梁上裂缝分布密集,未出现明显混凝土剥落现象。这是由于桥联于裂缝间的纤维分担了一部分应力,有效控制了裂缝的产生和发展。混杂纤维混凝土连梁最终均表现为弯曲剪切型破坏,表明混杂纤维的掺入可以改变连梁的破坏形态,而混杂纤维混凝土连梁的破坏形态未受混杂纤维混凝土基体强度变化的影响。

2)当混杂纤维混凝土连梁截面宽度从120 mm增大到150 mm时,试件CB-4跨中裂缝分布少,且无明显斜裂缝,连梁与上下端块交界处裂缝分布密集,这是由于剪压区混凝土面积增大,连梁受剪承载力提高,限制了裂缝的发展。

3)总体而言,混杂纤维混凝土连梁破坏时表现为微细裂缝密集分布,最终破坏形态为弯曲剪切型,表明混杂纤维混凝土可有效控制连梁剪切斜裂缝的产生和发展,同时提高抗震性能。混杂纤维混凝土连梁最终破坏时,没有出现大量混凝土剥落现象,保证了连梁的完整性。

2.2 滞回性能

各试件滞回曲线、骨架曲线分别如图4、图5所示。加载前期,各试件骨架曲线均接近为直线,加载和卸载曲线基本重合,包络面积小,呈梭形;试件出现裂缝后,滞回曲线逐渐向水平位移轴倾斜,连梁刚度开始退化,滞回环面积增大;屈服后,滞回环面积继续增加;达到峰值荷载时,滞回曲线最为饱满,之后承载力逐渐下降,钢筋与混凝土之间发生滑移,捏拢现象更加明显。

a—试件CB-1; b—试件CB-2; c—试件CB-3; d—试件CB-4。屈服点; 峰值点; 极限点。图4 各试件荷载-位移滞回曲线对比Fig.4 Comparison of hysteretic curves of all specimens

a—基体材料; c—截面宽度。图5 各试件骨架曲线对比Fig.5 Comparison of skeleton curves of all specimens

由图4和图5可得:

1)相比于普通混凝土连梁,混杂纤维混凝土连梁的滞回环圈数明显增多,滞回曲线包络面积较大,极限位移和极限荷载均显著提高,且下降段骨架曲线较为平缓,表明纤维可有效抑制连梁裂缝的产生和发展,增强连梁韧性。

2)增大混杂纤维混凝土连梁基体强度,CB-3的滞回曲线比CB-2更饱满,承载力提高,延性降低。

3)增加混杂纤维混凝土连梁截面宽度,CB-4的极限承载力提高。荷载-位移滞回曲线中,在位移为13 mm左右时,连梁受剪承载力较为平缓,这是由于连梁上下端部水平裂缝不断延伸,受剪承载力由连梁对角斜压杆提供,直到水平裂缝贯通后,受剪承载力才开始显著下降。

2.3 承载力与延性

各试件屈服荷载由能量等值法[13]确定,极限荷载取峰值荷载的85%,延性用位移延性系数衡量,由表4可得:

1)相比普通混凝土连梁CB-1,混杂纤维混凝土连梁CB-2和CB-3的极限荷载分别提高了42.06%和53.66%,位移延性系数分别提高了44.40%和29.31%。显然混杂纤维混凝土连梁的受剪承载力和位移延性均优于普通混凝土连梁。原因一:PVA纤维在微观上推迟初始裂缝的产生,钢纤维在宏观上限制已有裂缝的发展,二者协同作用[7],可显著改善连梁受剪承载力和延性;原因二:混凝土和端钩型钢纤维的黏结力会在连梁接近极限承载力时进一步加强[10],从而提高连梁承载力。提高混杂纤维混凝土连梁基体强度,试件CB-3比CB-2的位移延性系数降低了10.45%。这是由于提高钢纤维掺量会劣化纤维的均匀分布情况,从而影响连梁延性。

2)增大混杂纤维混凝土连梁截面宽度,CB-4极限承载力比CB-2提高10.91%,位移延性系数降低21.79%。这是因为连梁截面宽度的增加提高了混凝土项的抗剪贡献,然而在纤维掺量不变的情况下,增大截面宽度会使裂缝处纤维有效应力降低,抑制混凝土裂缝发展的能力减弱,导致连梁延性下降。

3 数值建模及参数分析

为了进一步探讨跨高比和箍筋间距对混杂纤维混凝土连梁受剪承载力的影响,运用ABAQUA有限元软件对试件CB-2进行数值建模,通过与试验结果对比,验证模型的有效性,在此基础上,进行了参数分析。

3.1 数值建模

模型的尺寸、材料物理参数、加载制度、边界条件等均与试验一致。其中混凝土采用八结点六面体线性缩减积分单元C3D8R,钢筋选用两结点直线桁架空间单元T3D2。为了提升运算速率,钢筋单元嵌入混凝土实体单元,不考虑二者的界面黏结滑移。

采用ABAQUS提供的损伤塑性模型建模,此模型引入了损伤因子,能较好地模拟钢筋混凝土材料在循环荷载作用下的塑性行为。由于普通混凝土和混杂纤维混凝土二者材性相差较大,因此需要采用不同的本构模型。普通混凝土本构按GB 50010—2010[1]计算;混杂纤维混凝土受拉本构按试验实测应力-应变曲线输入,见图6;受压本构参考文献[14]计算。

图6 混杂纤维混凝土1单轴拉伸应力-应变曲线Fig.6 Hybrid fiber concrete 1 uniaxial tensile stress-strain curve

钢筋采用两折线本构模型,在弹性阶段假定无刚度退化,强化阶段弹性模量取初始弹性模量E的1/100,泊松比为0.3。

3.2 模型验证

按照上述方法对试件CB-2进行建模分析,由图7可以看出,试验和模拟得到的骨架曲线基本一致,但滞回曲线的捏拢效果与试验结果有明显差异,这是因为试验中混凝土和钢筋之间存在黏结滑移,而模拟时未完全体现这一点,但由于文章的研究聚焦在承载力,也即峰值点,所以捏拢现象并不影响研究目的。由表5可知:在试件达到屈服点、峰值点和极限点时,模拟值和试验结果的承载力相差5.47%、1.34%、1.34%;位移延性系数相差5.65%、0.76%、5.36%。模拟结果和试验结果的误差基本在6%以内,验证了有限元模型有效性,可采用此模型进行后续参数分析。

a—滞回曲线对比; b—骨架曲线。图7 模拟结果与试验结果对比Fig.7 Comparison of simulation results and test results

表5 特征点对比Table 5 Comparison of characteristic points

3.3 参数分析

3.3.1跨高比的影响

保持其他参数不变,连梁跨高比为2.0、1.5、1.0,对应试件编号为CB-2-1、CB-2和CB-2-2,峰值荷载分别为319.32,357.93,415.51 kN。由图8可知,随着连梁跨高比的减小,上升段刚度增大,极限位移减小,峰值荷载分别提高了12.09%、30.12%。可以看出跨高比对纤维混凝土连梁受剪承载力影响较大,应在混杂纤维混凝土连梁受剪承载力计算中予以考虑。

图8 不同跨高比试件的骨架曲线Fig.8 Skeleton curves of specimen with different span-height ratios

3.3.2箍筋间距的影响

保持其他参数不变,连梁箍筋间距为200,150,100,75 mm,对应试件编号为CB-2-3、CB-2-4、CB-2和CB-2-5,峰值荷载分别为307.57,326.23,357.93,375.63 kN。由图9可知,随着箍筋间距的减小,极限位移增大,峰值荷载分别提高了6.07%、16.37%、22.13%,且下降段更为平缓,这是由于箍筋的加密使纵筋应力能以更近的距离传递给箍筋,使混凝土薄弱部分减少,从而提高连梁承载力和延性。可见箍筋间距对连梁受剪承载力影响明显,需要在计算中予以考虑。

图9 不同箍筋间距试件的骨架曲线Fig.9 Skeleton curves of specimen with different stirrup spacings

4 混杂纤维混凝土连梁斜截面受剪承载力计算

专家学者提出了各种受剪承载力计算模型[15-16],其中分项叠加思想被广泛采纳,我国GB 50010—2010[1]也体现了这一思想,认为普通混凝土连梁的抗剪作用由混凝土项和箍筋项组成,计算式为:

(1)

式中:Vu为连梁受剪承载力;ft为混凝土抗拉强度;b为连梁截面宽度;h0为连梁截面有效高度;Asv为箍筋间距s范围内箍筋各肢的全截面面积;fyv为箍筋屈服强度。

当连梁中掺有纤维时,桥联于剪切斜裂缝处的纤维会分担一部分应力,且混杂纤维混凝土与纵筋有良好的黏结力,因此,混杂纤维混凝土连梁的受剪承载力还应考虑纤维项和纵筋项的贡献。计算如图10所示。按照参考文献[14],取斜裂缝的水平投影长度为h0。图中:T为受拉钢筋拉力;Vc、Vsv、Vf、Vd分别为混凝土项、箍筋项、纤维项和纵筋项的抗剪贡献。x为混凝土剪压区高度;C为剪压区混凝土压力;θ为临界斜裂缝倾角。

图10 混杂纤维混凝土连梁计算Fig.10 Calculation diagram of hybrid fiber concrete coupling beam

根据竖向力平衡,得到SPHFC连梁受剪承载力计算简式为:

Vu=Vc+Vsv+Vf+Vd

(2)

4.1 剪压区混凝土的贡献

(3)

式中:f′c为混凝土圆柱体抗压强度,取0.79fc[18];fc为混杂纤维混凝土轴心抗压强度,取为0.8倍立方体抗压强度[19]。

混凝土剪压区高度可计算为:

(4)

式中:ρ为受拉钢筋配筋率;fy为受拉钢筋屈服强度。

(5)

前文模拟分析发现SPHFC连梁的受剪承载力同样会受连梁跨高比的影响,因此参照邢鹏涛等提出的混凝土项受剪承载力计算形式[5],可得剪压区混凝土的贡献为:

(6)

式中:Ac为有效剪压区面积,Ac=bx;λ为连梁跨高比。

4.2 箍筋的贡献

混杂纤维混凝土连梁剪切破坏时,箍筋的抗剪作用较为显著,根据试验结果,此时穿过截面的箍筋基本达到屈服,因此可得箍筋的抗剪贡献为:

(7)

式中:Asv为箍筋间距s范围内箍筋各肢的全截面面积;fyv为箍筋屈服强度。

4.3 剪切斜裂缝处纤维抗剪贡献

假定纤维在斜裂缝处的拉应力分布呈三角形,应力分布见图11。基于大量的试验研究和分析[20-21],提出开裂后混杂纤维的桥接应力为:

图11 纤维应力分布Fig.11 Fiber stress distribution

(8)

将全部纤维的拉应力Tf在竖直方向分解,得到纤维受剪承载力为:

(9)

(10)

4.4 纵筋的销栓作用

文献[24]中依据弹性地基梁理论提出了单根纵筋的销拴力计算式:

(11)

式中:d为破坏时连梁临界斜裂缝宽度,根据试验测得SPHFC连梁破坏时裂缝宽度均小于3 mm,故取d=3 mm;β为相对刚度,见式(12)。

(12)

式中:ck为纤维混凝土抗拉试验确定的系数,取1.25 ;Is为单根纵筋惯性矩。

将式(11)代入式(12)可得受拉钢筋的销拴力为:

(13)

式中:Asl为单根纵筋截面面积。

通过上述分析可得SPHFC连梁的受剪承载力计算式为:

(14)

4.5 计算值和试验值比较

分别应用式(1)和式(14)计算8片混杂纤维混凝土连梁,得到的受剪承载力计算值与试验值做对比,结果见表6。计算值与试验值比值的平均值分别为1.31和1.05,变异系数分别为0.12和0.09。可见文章提出的连梁承载力计算式可较好地预测混杂纤维混凝土连梁受剪承载力,可为工程和相关研究提供参考。

表6 计算值与试验值对比结果Table 6 Comparison of calculation value and test value

表中Vu,test为连梁受剪承载力试验值或模拟值;Vu,cal (1)为按式(1)计算得到的连梁受剪承载力;Vu,cal (2)为按式(14)计算得到的连梁受剪承载力;BC-2～BC-4为试验试件。BC-2-1～BC-2-5为模拟试件。

5 结 论

将研究得到的混杂纤维高性能混凝土用作连梁基体材料,并通过低周往复加载试验,与普通混凝土连梁试件进行对比,结论如下:

1)混杂纤维有效抑制了连梁裂缝的产生和发展,破坏时几乎没有出现混凝土剥落现象,保证了连梁的完整性,混杂纤维混凝土连梁最终均表现为弯曲剪切型破坏模式,其承载力、延性均远高于普通混凝土连梁。

2)提高混杂纤维混凝土连梁基体强度,连梁受剪承载力提高,延性降低;增大混杂纤维混凝土连梁的截面宽度,混凝土项的抗剪作用提高,进而提高连梁受剪承载力,但连梁延性呈现降低趋势,这是因为纤维掺量不变,增大连梁截面宽度,裂缝处纤维的有效应力降低,劣化了连梁延性性能。

3)通过数值模拟发现,跨高比和箍筋间距对混杂纤维混凝土连梁的影响规律与普通混凝土连梁一致。

4)同时考虑混凝土、箍筋、纤维和纵筋项对混杂纤维混凝土连梁受剪承载力的贡献,基于分项叠加思想,提出了混杂纤维混凝土连梁受剪承载力计算式,计算值与试验值吻合良好,可为该类构件设计及其相关领域研究提供参考。