纤维增强混凝土对剪压柱塑性铰形成影响的比较试验.pdf

2 0 1 2年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 201 2 No ． 6 J u n e 纤维增强混凝土对剪压柱塑性铰形成影响的比较试验 蔡传 国， 韦忠碹 ， 杨绪普 ( 解 放军 理工 大 学 ， 南京 2 1 0 0 0 7 ) 摘 要 ： 针 对汶 川地震 中钢 筋混凝土结构 出现 大量脆性破坏 ， 以 改善 抗震结构延性 为研究 目标 ， 对 7根具 有相 同截 面 和 配 筋 、不 同纤 维品 种 和 掺 量 的 纤 维增 强 混 凝 土 结 构 柱 进 行 了低 周 反 复 加 栽 试 验 ，得 到 了框 架柱 的 剪切 荷 载一位 移 曲线 、 骨架曲线以及 各阶段 的荷载位移值。并据此分析 了不同的纤维品种和掺量 对混凝 土柱延性的影响 。 试验 结果表明 ， 纤维增强混凝土显著改善 了剪压柱的延性 ， 延缓 了塑性铰的产生。 试验数据 比较说 明， 在承受剪压的 框 架结构柱非线性变形过程 中， 钢 纤维混凝土具有最强的耗能 能力， 碳 纤维混凝土对剪压柱的水平延性提 高幅度较 大， 合成纤 维能有效延缓 塑}生 铰 的 出现 ， 但是 对柱端最大承载力提 高幅度较小。 关 键 词 ： 纤 维 增 强 混 凝 土 ； 钢 纤 维 ； 碳 纤 维 ； 合 成 纤 维 ； 塑性 铰 ； 延 性 Ab s t r a c t ：I n v i e w o f t h e ma s s b r i t t l e f a i l u r e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n s i n W e n c h u a n e a r t h q u a k e ，t h e d u c t i l i t y o f c o n s t ruc t i o n s i s s e l e c t e d t o b e t h e r e s e a r c h o b j e c t ， a n d t h e c y c l i c l o a d i n g e x p e r i me n t s a r e c a r r i e d o u t o n 7 c o n c r e t e s h e a r i n g p r e s s u r e c o l u mn s wi t h d i fi e r e n t fi b e r t y p e s a n d d o s a g e s b u t wi t h s a me C R O S S — s e c t i o n a n d r e i n f o r c e me n t s ． Af t e r t h a t ，t h e s h e a fin g l o a d — d i s p l a c e me n t C H I V e a n d t h e s k e l e t o n C H IVe o f t h e L a me c o l u mn a r e a t t a i n e d 。 a s we l l a s t h e l o a d — d i s p l a c e me n t v a l u e o f e a c h s t e p ． Ba s e d o n t h e s e d a t a ， t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t fi b e r t y p e s a n d d o s a g e s o n t h e d u c t i l i t y o f c o n c r e t e s h e a fin g p r e s s u r e c o l u mn s i s a n a l y z e d ． T | l e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d u c t i l i t y o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc t u r a l c o l u mn s i s i mp r o v e d s i g ni fic a n t l y a n d t he p r o du c t i o n o f p l a s t i c hi ng e s i s d e l a y e d．Ex pe rime n t a l da t a s h o w t ha t i n t h e n o n l i n e a r d e f o r ma t i o n p r o c e s s o f s h e a rin g p r e s s u r e c o l u mn ，t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e h a s t h e s t r o n g e s t e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y ，t h e c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c a n i mp r o v e d u c t i l i t y o f t h e c o l u mn ，t h e s y n t h e t i c f i b e r c a n e f f e c t i v e l y d e l a y t h e e me r g e n c e o f p l a s t i c h i n g e s ， b u t t h e ma x i mu m c a p a c i t y t o e n d — c o l u mn i mp r o v e s l e s s e x t e n t ． Ke y wo r d s ：F i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； S t e e l fi b e r ； C a r b o n fi b e r ； S y n t h e t i c fi b e r s ； P l a s t i c h i n g e ； Du c t i l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 ( 2 0 1 2) 0 6 - 4 1 — 0 5 0前 言 塑性 铰的概念在结构抗震设 计 中具有重要意 义 。目前 ， 世界各 国的钢筋混凝土结构抗震设计规 范都是基于塑性铰形成后结构 内力重新分配 ， 趋 向 于更 均匀 ， 整体结构 的抗震潜力得 以发挥 ， 或者认 为塑性铰形成过程能够耗散部分变形势能 ， 有效降 低整体结构失效倒塌的风险。塑性铰出现以后所形 成 的机 构 有 以 新 西 兰 规 范 为 代 表 的 “ 理 想 梁 铰 机 构 ” 和以美 国规范为代表的“ 先梁后柱塑性铰机构” ， 我 国规 范 比较 接近 后 者『 1 1 。然 而 ， 汶川 地震 中钢筋 混 凝土结构 的普遍 损伤型式嘲， 并没有 出现抗震设 计 的“ 梁铰机制 ” ， 而是柱端 出现大量脆性破坏 。混凝 土破碎过早 ，使该部分结构完全失去承载能力 ， 如 图 1 ( a ) 所示 。根据江苏省地震局 赴汶川调查组 统 计 ，柱 端 脆 性 破 坏 大 约 占全部 塑 性 铰 破 坏 型 式 的 8 0 ％以上 ， 相当数量的柱端脆性破坏导致底层坍塌 ， 形成 图 1 ( b ) 所示 的二层落地现象 ， 极不利于震初 的 逃生 。这说明在现有规范指导下 ， 抗震设计采取 的 “ 强柱弱梁 ”模式和为实现这一 目标而采取 的各种 措 施 ， 并 不 一 定能 导致 结 构 在 梁端 出现塑 性 铰 的预 设状态 。几年来 ， 产生这一设计预料之外现象的原 因引起了国内学术 和工程界广泛的讨论 ， 其 中多数 研究文献都聚焦于结点附近的结构柱延性偏低『 ] ～， 提 高延 性成 为抗 震结 构设 计 的新 课 题 。 ( a ) ( b ) 图 1 汶川地震 结构柱脆性破坏 一 4l一 2 0 1 2年第 6期 ? 昆 凝土与水泥制 品 总第 1 9 4期 众所周知 ， 普通混凝土材料本身存在抗拉强度 较低 、 延性较差 、 在交变应力作用下易发生脆性破 坏等缺陷 ， 随着混凝土强度 的不断提高 ， 这一弱点 更加突出。通常认 为 ， 混凝土的强度越高 ， 其韧性 越差 ， 脆性越高 ， 结构延性和抗裂能力越不足 ， 这就 给结构抗震 性能带来了严重安全隐患。因此 ， 长期 以来 人们不 断探索改善混凝土上述性能 的方法 和 途径 。纤维 增强 混凝 土就 是近 年研 究和应 用很 广 的 重要途 径 之一 。 目前 ， 纤维 增强 混凝 土 主要有 两种 ： 一 是高弹性模量的短纤维增强混凝土 ， 其代表纤维 是钢纤维 ；二是低弹性模量 的短纤维增强混凝土 ， 其代 表纤 维是 聚丙 烯 和尼龙 纤维 。碳纤 维就 材料 自 身力学性质来说优于前两者 ，但 由于成本较高 ， 在 普通结构 中应用较少。本文针对具体的剪压结构柱 在反复交变荷载下的失效试验 ， 从塑性铰产生和发 展 的过程 中 ， 比较 了不 同品种 的纤 维对 抗 震 结 构柱 动力反应产生的影响 ， 以期探索提高抗震结构延性 的途 径 。 1 低周 反 复剪压 试 验 1 ． 1 试 验模 型 国内外关于结构抗震性能的试验研究很 多 ， 但 基本都是将梁和柱综合考虑 ， 这样做似乎考虑 的影 响 因 素较 全 面 ， 所得 出的试 验结 果 一 般 都 能较 好 地 符 合 当前 设 计规 范 中“ 先 出现 梁 铰 ， 后 出现 塑 铰 ” 的 设 计 理念 。然而 ， 汶川 地震 结 构震 害 的特 点提 醒 我 们 思 考 的一 个 重要 问题 ， 就是 失 效 的框 架 结构 出现 大 量 发 展过 分 的柱 端 塑性 铰 ， 而 梁 铰 没有 出现 。这 说 明现代 昆凝 土结 构抗 震 设计 规 范 虽 然遵 从 了 “ 强 柱 弱梁” 设计理念 ， 但 由于多数 抗震设计没有 正确 考 虑楼 面 刚度 对 梁 刚度 的增 强 影 响 ，实 际工 程 的 “ 强柱” 效果大打折扣 。因此 ， 只考虑框架和节点的 试验 ， 梁柱 的刚度分配是与工程实际脱节的。鉴于 以 上 考 虑 ，本 次试 验模 拟 两 端 近 似 固定 端 的 剪 压 柱 ， 该力学模型更接近实际工程中现浇楼面与剪压 柱 的关 系 。 1 ． 2 试 件 制作 为了合理 和准确地研究框 架柱承受轴压和剪 切时非线性变形 ， 尤其是文献[ 2 ] 所描述 的汶川地震 柱端位置出现塑性铰的实际情况 ， 所选构件的长度 必须恰 当。按照清华大学叶列平教授的分析嘲 ， 如果 试件过长将导致大偏心受压出现弯曲塑性铰 ； 试件 如 果 过短 ， 则 与 一般 民用 工程 实 际 相 差太 远 。依 据 G B 5 0 0 1 1 —2 0 1 0 《 建筑抗 震设 计规范》 Ⅲ 的规定 ， 本 次试验取试 件长细比等于 l 0的 3 ： 1缩尺 同条件试 件来进行研究 ， 即试件为截面尺寸 1 5 0 mmx 1 5 0 m mx — 4 2． — 1 5 0 0 mm 的 四棱 柱 ，配 置 H R B 4 0 0 01 0螺 纹 钢 筋 8 根 ， 箍筋为 H P B 2 3 5 0 6 @1 0 0， 如 图 2所示。 未掺纤维 混凝土的强度等级为 C 3 0 ；掺加的合成纤维为深圳 某公 司生产 的改 性 聚丙 烯 纤维 ， 其长 度 为 1 9 ra m， 抗 拉 强度 3 5 8 MP a ， 弹性 模量 3 9 0 0 MP a ； 碳 纤维 采用 常 州 某 公 司 生产 的短 切 碳 纤 维 ， 其 长 度 为 6 ra m， 直 径 度 为 2 0 1 x m， 抗 拉 强 度 4 5 0 0 MP a ， 弹 性 模 量 2 5 0 G P a ； 钢纤维采用重庆某公司生产的剪切波浪型纤维 ， 长 径 比为 1 2 ： 0 ． 3 ， 抗拉强度 2 3 1 4 MP a 。 不同纤维掺量的 试件制作 时 ， 分别制作混凝土标准试 块 ， 其 2 8 d静 力性 能指 标见 表 1 。 图 2 试件截面及配筋 表 1 2 8 d 静 力测试数 据 1 ． 3 加 载设施 试验中， 轴 向压力使用顶部可转动的油压千斤 顶施 加 ， 千斤顶与反力梁之间设 置滚轴装置 ， 可使 千斤顶随柱顶保持水平移动并减小摩擦力影响。低 周往 复水平剪力采用 电液伺服程控实验系统 ， 由支 于 反力 墙 上 的水 平 作 动 器 提 供 ，作 动 器 行 程 5 0 0 ra m， 如 图 3所 示 。 1 ． 4 轴压 比与横向剪切力试验 试 验的 目的是分析纤维增强 混凝 土柱承受交 变荷载和地震时剪压塑性铰的形成和发展 。根据工 程 实 际工 况 ， 试 验选 取 一 特定 的轴 压 比 0 ． 4， 侧 向水 平推力初始采用荷载控制 ， 从一个较小 的荷载水平 开始 ， 每级荷载循环 1次 ， 待试件局部 出现宏观可 见的裂纹后改为位移控制 ， 如图 4所示 。△为荷载 控制结束 时的柱顶位移 ， 此后 以△为级差 ， 每级循 蔡传 国， 韦忠碹 ， 杨绪普 纤维增强混凝土对剪压柱塑性铰形成影响的比较试验 M= z ——滚轴 液压千斤顶 水平动作器 C L = ／加载横梁 ，加 力 架 ] ／ r 。 1 ／ E -LJ _ —— _ u、U l 蜘能泪 邑 量 凝土柱 一 一 高驺 钢棒 彳 _— — 一 固 定 压 办 墙 一 一pl 暖 1 l I I I l l ： 1 + ． I ! ． ? ： 一 ． j 。 ● 图 3 试 验 系统 示 意 图 环 3次 ， 逐 级 加 大 位 移 ， 直 至 试 件 表 面 混 凝 土 宏 观 裂纹迅速扩展 ， 形成塑性铰 ， 且荷载急剧下降时认 定 破 坏 。 2试 验数 据及 记 录 曲线 - j - 八人八 八八八 八 人 ⋯一 V V ＼／ V V ＼／ V V ＼ ⋯ 荷载控制 位移控制 图 4加 载 制 度 2 ． 1 数 据记 录和计 算 表 纤 维增 强混 凝 土柱水 平抗剪 数 据见 表 2 。 表 2中和屈服荷载根据采用等能量法从骨架 曲线上作图确定 ， 其余为直接记录值 。 表 2 纤 维增强混凝土柱水平抗剪数据 注 ： 表 中 8 y和屈 服荷 载根 据采用等能量法从骨架 曲线上作 图确定 ， 其余为直接记录值 。 2 ． 2 柱端剪力一 水平位移滞 回曲线及骨架曲线 7 0 ％， 合成纤维掺量为 2 ％的混凝土试件 ， 则提高了 不同纤维品种和掺量的滞 回曲线见 图 5 ，骨架 1 3 0 ％； 掺入钢纤维的增强混凝土 ， 水平抗剪能力更 曲线见图 6 。 是分别提高到 2 5 0 ％和 3 0 0 ％； 掺人碳纤维 的增强混 3试验数据分析 凝土柱 ， 水平抗剪能力略低于钢纤维增强柱 ，但延 3 ． 1 剪压塑性铰形成过程 性是普通混凝土 的 2 - 3 倍 以上 。 如此显著的提高， 与 不同试件各主要 阶段的水平荷载 、 柱端位移见 纤维在混凝土开裂过程 中所起的作用有很大的关 表 2 ， 试件的滞回曲线见图 5 ， 骨架曲线见 图 6 。 从普 系。纤维在混凝土 中的主要作用是在混凝土开裂初 通混凝 土的骨架曲线 图中可以看 出， 当往复水平 剪 期抑制裂缝 的产生 ] ， 在开裂前 ， 荷载由混凝土基 力达 到峰值荷 载后 ，结构柱的水平承载力急剧 下 体和基体 中的纤维共 同承担 ，在初始微裂纹出现 降 ，曲线下降段陡峭 ，肉眼观察的结果是试件局部 后 ，由于纤维 的强度和极 限应变值大 于基体混凝 混凝土初裂后很 快便扩展成为贯穿整个截面 的通 土 ， 纤维成为一组锚固在裂纹两岸的“ 索桥” ，这些 缝 ，随即裂缝两侧 的混凝土便出现压碎 ，同时碎屑 纤维可以将基体所承担的荷载部分地分担 出来_9 _ 10 ] 。 脱落 ， 钢筋外露并屈 服 ， 混凝土呈 现出典 型的脆 性 纤维通过与基体的粘结面而将荷载传递给基体。如 破坏特征 ， 单 向静载破坏 时的塑性 铰形成过程不明 果纤维能承担足够大 的荷载 ， 那么就能使基体在初 显 。而掺人 了 1 ％合成纤维的混凝土试件与普通 混 裂后再次产生裂缝 ，直到试件上布满了很多平行的 凝 土试 件 相 比 ，极 限水平 抗 剪能 力提 高 了大 约 微裂缝[ 1 l - 1 5 】 。在试件弹塑性变形的整个过程 中， 纤维 —． 4 3— ． P 弘 丛 协 。 丝 弘 一 一 一 2 0 1 2年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 4期 P ／ k N 2 0 - - 1 2 0 — C 3 0普通混凝土 轴压比 0 ．4 ( a ) P／kN 3 5 一 掺 1 ％合 成纤 维混凝 土 轴 压 比 0 ． 4 ( b ) t kl 、 7 O 》 砺 姨 坳如 ， 一 5【 J 掺 2 ％钢纤维混凝土 轴压 比 0 ． 4 ( e ) P ／ k N 3U 4 0 。 } l| C n 掺 2 ％合成纤维混凝土 轴压 比 0 ．4 ( c) k_ 、 _6 。 。 ~ ／ k ／ ． o 一 6 O 掺 l ％ 础 纤维混凝土 轴 压 比 0 ． 4 ( f ) 图 5 不 同纤维和掺量混凝土 的滞 回曲线 u 1 5 ～ 10 。 ／ 普 通 C 30 钢 筋 { Z ／ 5 )一 1 5— 1 0 — 5 u d 5 1 0 1 5 2 I 一 △／ ram | ＼ 1 5 ／ 凝 土 2 ％钢纤维 ， U I 6 O 5 0 4 0 z 3 0 耋 2 0 1 O ． 2 O 4 0 6 0 8 ( △／ mm 、= = = == 一 一 O P ／ k N 8 0 ／／ ／ ／／ 7 一 7 O 一6 U 掺 1 ％钢纤维混凝土 轴压 比 0 ．4 ( d ) 5 0 俩j ㈣ l ／／／ H t o ~ o 掺 2 ％o 碳纤维混凝土 轴压 比 O ．4 ( g ) 斗u 3 0 2 0 。／／ 1 ％ 合 成 纤 维 Z 《 誉 10 - 一6 0 — 4 0 — 2 0 2 0 4 0 6 O △／ ram ＼ 、 ’— — ／ 5 O 4 O ／ 3 0 Z 2 0 1 0 0 2 O 4 0 6 I △／ ram 、 -． ． —— ． ．— ． ．． ．． — ．． ．—一 一 图 6不同纤维和掺量混凝土的骨架曲线 在微裂纹间起 到“ 搭桥” 式的补强效果。正是由于纤 维 在 微裂 纹 产生 后 所起 的这 种桥 接 作 用 ， 纤 维混 凝 土的极限抗拉强度大大高于普通混凝土。这种在初 始微裂缝产生后 ， 其应力依然随着应变的增加而增 长 的现 象 在 许 多文 献 中被 称 为混 凝 土 的 “ 应 变 硬 —— 44— — 化 ” _7 】 ， 对 于 承 受 交 变 应 力 的 混凝 土来 说 ， 这 种 应 变 硬化现象是结构耗散变形势能的主要原 因， 它有效 地延迟了微裂纹的合并扩展 ， 从而延迟 了混凝土的 压碎 ，使得混凝土剪力传递功能不致迅 速下降 ， 形 成真正意义上的塑性铰。 蔡传 国， 韦忠碹 ， 杨绪普 纤维增强混凝土对剪压柱塑性铰形成影响的比较试验 3 ． 2 不 同纤 维对 柱 的延性 影 响 由图 6可以看 出， 不 同纤维掺量增强试件 的骨 架曲线都具有明显的近似线弹性阶段 、 弹塑性 阶段 和极限破坏 阶段 ， 而普通混凝土试件 的初始线性最 差 。这 说 明纤 维增 强 混凝 土不 仅抗 剪强 度 和延性 大 幅提高 ， 而且初始线性也得到改善 。在初始加载阶 段 ， 纤维增强 试件的骨架曲线都接近直线 ， 试件基 本处于弹性 变形 ， 继续加载到试件上某局部 区域应 力达到材料屈服极限后 ，开始 出现非线性变形 ， 骨 架 曲线发生 弯曲 ， 试件 刚度 逐渐降低 ， 但此 时荷 载 仍在上升 ， 随着位移 的不断增 大 ， 荷载继续增 高达 到峰值荷载时 ， 在最先屈服的横截 面处 已形成塑性 铰 ， 荷载开始降低。 对 比各个试件骨架曲线可以看出 ， 纤维品种和 体积掺量两个 因素对试件 的水平位移值 分别产生 着不 同程度的影响 ：① 随着纤 维体积率的增加 ， 相 同位移对应的荷载水平明显提高 ， 以钢纤维增强试 件 为 例 ， 体 积掺 量 为 1 ％时 ， + 2 0 m m 水 平位 移对 应 的 剪 力 为 2 5 k N； 体 积 掺 量 为 2 ％时 ， 对 应 的剪 力 上 升 为 3 5 k N， 说明大掺量的纤维更有效地约束着基体混 凝土 的微 裂纹产生 ，提高 了试件柱 的水平抗剪 能 力 。②不 同品种的纤维 由于其 自身力学性质 的差 异 ， 止裂的能力和抵抗变形的能力表现悬殊_ l 川 。合 成纤维 的止裂 能力 主要 体现在裂 纹发展的前半 阶 段【 l 6 ] ， 其特征是提高 了线性变形与弹塑性变形 的交 界值 ， 一旦进入弹塑性变形 阶段 ， 其增强特征逐渐 弱化 ， 当达到极限抗剪荷载时 ， 随后的荷载下降段 与普通混凝土相差无几 ， 这说 明此时在裂缝上搭桥 的纤维应力已达到强度极限 ； 钢纤维则不仅在初始 变形 阶段大幅提高了水平抗剪能力 ， 更在 随后 的弹 塑性变形阶段有效的约束着裂纹 的扩展 ， 使得试件 柱 的极 限抗 剪 能 力 呈 多倍 的 扩大 ， 即使 在 荷 载 开 始 下降的极限破坏阶段 ， 仍能起到连接破碎 的基体混 凝土碎块 ， 使其保持一定 的承载能力 ， 其特征就是 骨架 曲线 相对平缓段 较长 ， 下降缓慢 ， 形成较完 整 的剪压塑性铰形成全 曲线 ； 碳纤维的增强特征是将 试 件 的 弹塑 性 变 形过 程 延 长 了许 多 ， 以至 于试 件 在 非线性变形 阶段 的水平 位移总量 大于其他两种纤 维 ， 是 普 通 } 昆凝 土 试 件 的 3倍 ， 此 种 模 式 的延 性 增 加是抗震结构设计的理想状态。 4结 论 ( 1 ) 纤维增强混凝土显著改善 结构柱 的延性 ， 延 缓 了塑 性 铰 的产 生 过程 ， 从 而在 地 震 中 有 可能 避 免脆 性 破坏 的发 生 。 ( 2 ) 试 验数据 比较说 明 ， 在承受剪 压的框架结 构柱 非 线性 变 形 过程 中 ， 钢纤 维 混凝 土具 有 最强 的 耗能能力 ， 碳纤维混凝土对结构的延性提高幅度较 大 ， 合成纤维能有效延缓塑性铰的 出现 ， 但是对柱 端最大承载力提高幅度较小。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 住房 和城 乡建设部，质量监督检验检疫总局． G B 5 0 0 1 1 -- 2 0 1 0建 筑抗震 设计 规 范 [ S ] ． 北 京：中 国建 筑工 业 出版社， 2 01 0． [ 2 ]叶列平， 曲哲， 马千里， 等． 从汶川 I 地震 中框架 结构震 害谈 “ 强柱 弱梁” 屈服机制 的实现[ J ] ． 建 筑结构 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 1 1 ) ： 5 2 - 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