混杂纤维增强高性能混凝土剪力墙性能研究.pdf

第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n) V0 1 2 5 No 4 De c 2 0 0 8 混杂纤维增强高性能混凝土剪力墙性能研究 夏广政，夏冬桃 ( 湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 4 3 0 0 6 4 ) 摘要：通过 9片钢纤维 聚丙烯纤维混杂增强高性能混凝土剪力墙的水平低周反复荷载试验，分析了混杂纤 维增强高性能混凝土剪力墙的破坏形态、抗剪强度、 滞回特性、延性、耗能和刚度退化等问题。 研究结果表明： 掺加少量的钢纤维 ( 0 3 )和聚丙烯纤维 ( O 1 1 )后，剪力墙的开裂荷载提高了3 0 左右，使高性能混凝土 剪力墙的极限强度提高了4 0 以上； 随着轴压比的增大， 剪力墙的极限强度提高显著， 但耗能和延性稍许降低。 关键词：剪力墙；混杂纤维；高性能混凝土；抗震性能：轴压比 中图分类号：T u3 7 7 9 4 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 1 0 3 0 4 高性能混凝土剪力墙是 目前高层房屋建筑 中 使用最为广泛的一种主要抗侧力结构构件 。国内 外大量研究表 明I 】 q J ： 掺加适量的高弹性模量的纤 维可明显提高混凝土的强度，而掺加适量的低弹 性模量、高延伸率的纤维可明显提高混凝土 的韧 性。在高性能混凝土中掺入钢纤维或聚丙烯纤维 后，由于纤维在混凝土中的阻裂效应而使混凝土 的抗拉强度或韧性得到提高，因此纤维增强高性 能混凝土剪力墙的结构性能、承载力与普通混凝 土剪力墙和普通高强混凝土剪力墙不同。而 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 建筑抗震设计规范I 4 和 J GJ 3 - 2 0 0 2 高层建筑规范中的剪力墙设计计算公式主要 是针对普通混凝土和高强混凝土的，该公式是否 适用 于纤维增 强高性能混凝 土剪力墙还有待验 证 。 对用纤维混凝土建成的剪力墙性能进行研究， 为纤维增强高性能混凝土剪力墙的承载力计算的 进一步修订提供相关参考依据，具有理论意义和 工程意 义。 1 试验概况 1 1 试件设计 高性能混凝土配 比的有关要求I 5 】 ，选择配置 C 5 0的材料 ：普通硅酸盐水泥 4 2 5级； I 级粉煤 灰；粗骨料粒径要求在 l 0 1 5 m m 之间，为粘结 强度比较好的石英斑岩石；细骨料细度模数在 2 6 8左右；汉森钢纤维有限公司生产 的 S F B 3 2 钢纤维，长径 比 5 7 ，抗拉强度 6 0 0 MP a ；美国 杜拉牌聚丙烯纤维，直径 4 0 m，长度 1 9 mm。 高效减水剂： F DN。各纤维增强 H P C的配合比除 纤维外其它材料均和基准 H P C相同： 计算材料用 量时统一取水胶比 0 - 3 ，砂率 4 0，粉煤灰掺量 2 0，钢纤维体积掺量为 0 _ 3，聚丙烯纤维体 积掺量为 0 1 1 。 本次试验共设计 9片混杂纤维增强试验墙和 1片对比试验墙 ( 未加纤维的第一类墙 ) ，为截面 形状完全相 同的矩形 ： 宽为 7 5 0 mm， 厚为 7 0 mm， 高：第一类为 7 5 0 mm；第二类为 1 1 2 5 mm；第 三类为 1 5 0 0 mm，每类三片 。 试件采用相 同的配 筋形式 。所有剪力墙的顶部和底部都与水平梁整 体连接，顶梁尺寸均为 1 1 5 0 2 0 0 x2 0 0( mm) ， 底梁尺寸均为 1 3 5 0 3 0 03 0 0( mm) ，所有剪 力墙的两边各设置 了 6 8 钢筋组成的暗柱 ， 水平 和竖 向分布钢筋均为 4 7 0 ，箍筋为 4 4 0 ， 其它参数见表 1 。 表 1 试验墙的主要参数 收稿日期：2 0 0 8 0 6 3 0 作者简介：夏广政 ( 1 9 5 4 )，男，湖北武穴人，高级工程师，研究方向为建筑与结构、纤维混凝土结构基本理论与 应用 ，x d t x y 1 2 6 c o m。 基金项 目：湖北省教育厅资助项 目 ( B 2 0 0 5 1 4 0 0 3 ) 。 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 1 2 加载方案 试验墙均承受竖向轴力和水平反复荷载的共 同作用 ，竖向轴力以两点方式加载 ，加载点到相 应墙边的距离均为 2 0 0 mi l l ，分 3次加至预定的 全部荷载，且在试验过程中保持不变，在千斤顶 和反力梁之间设置能 自由滑动 的滚轴，以保证试 验墙在轴向和侧向荷载作用下顶部能沿水平方向 自由平移；水平荷载的施加正反两向均按荷载一 位移方式控制 ，在试件达到屈服荷载之前采用等 量荷载增量来控制 ，每级荷载 4 0 k N，循环一次， 屈服后采用位移来控制 ， 每一位移等级循环三次， 循环的位移增量取屈服位移 。 2 试验结果及分析 2 1 主要试验结果 试验中得出的主要试验结果见表 2 ，其中屈 服荷载 是根据实测的骨架 曲线 ， 用能量面积等 效法来确定的，屈服位移 y也从骨架曲线上得 出；极限荷载 是取试验得出的最大水平荷载 值，极限位移 取 8 5 对应的位移值，试 验墙的延性系数为位移延性系数 = A u A y ，相对 侧移指数 定义为极限水平位移 与墙高之 比。 表 2 主要实验试验结果 从表 2中可 以看 出：高宽比为 1 0时，混杂 纤维混凝土剪力墙开裂荷载 比对 比剪力墙提高了 3 0 6，屈服荷载提高了 3 0 1，最大水平荷载 提高了 4 4 3，轴压比为 0 2和 0 3的墙所能承 受的最大水平荷载比轴压比为 0 1的墙分别高出 了 6 5和 2 9 6；高宽比为 1 5时， 轴压比为 0 2 和 0 - 3的墙所能承受的最大水平荷载比轴压 比为 0 1 的墙分别高出了2 8 6和 4 7 6；高宽比为 2 0时， 轴压比为 0 2 和 0 3的墙所能承受的最大水 平荷载 比轴压 比为 0 1的墙分别高出了 2 9 1和 4 7 3 ；可见轴压 比对提高构件 的承载力非常 明 显，且高宽比越大 ，增幅越大，但当高宽比大于 1 5时，增幅相差不明显。 从表 2中还可以看出：增大轴压比可以提高 墙体 的承载力 ，但 降低 了墙体 的极 限水平位移 Au。 高宽比为 1 0时，试验墙为典型的矮墙，水 平裂缝首先在墙 的根部受拉区三分之一范围内出 现，当水平荷载达到极限荷载的 2 3左右 ，初始 斜裂缝出现，斜裂缝 出现后迅速 向受压区发展， 在反复荷载作用下，墙的腹部形成十字交叉的剪 切裂缝，原有水平裂缝也 向受压区倾斜，墙的根 第 4期 夏广政等：混杂纤维增强高性能混凝土剪力墙性能研究 1 0 5 部受压区开始 出现细微的竖 向裂缝。继续加载 ， 原有裂缝 的长度和宽度逐渐增大，并逐渐形成新 的弯 曲和斜裂缝 ，主要斜裂缝宽度约为 0 2 n l n l 。 随着轴压 比的增大， 主要斜裂缝的倾角逐渐变大 ， 即相对受压区高度逐渐变大，受压区混凝土 的竖 向开裂后，由于钢 聚丙烯混杂纤维的连接作用， 在暗柱根部附近的保护层与约束区混凝土分离但 并未剥落，此时墙体的承载力提高不明显 。最后 轴压比不同的三片试验墙在部都形成较大的水平 裂缝 ，暗柱混凝土压碎纵筋屈服而破坏，随着轴 压 比的增大，试验墙发生了不同程度的滑移剪切 现象 。 高宽比为 1 5时，水平裂缝首先在墙受拉区 暗柱的宽度范围内出现，随着水平荷载的增大， 水平裂缝开始向下倾斜进入墙腹部逐渐形成弯 曲 裂缝，此后在墙 中部出现 了一些剪切裂缝 ，并逐 渐 向受压区开展 。继续加载，在墙中部以下，一 边产生的弯 曲裂缝与对边产生的弯剪裂缝逐渐交 叉 。随着轴压 比的增大 ，主要斜裂缝的倾角也逐 渐变大，最后弯 曲裂缝逐渐延伸形成一条主要 的 水平裂缝 ，而轴压 比为 0 3时的水平裂缝宽度达 到 5 mm。轴压比较大时，试验墙在暗柱根部附 近的保护层与约束区混凝土分离后，暗柱混凝土 逐渐压碎纵筋屈服而破坏 ，轴压 比为 0 - 3时，试 验墙发生了明显滑移剪切现象 。 高宽比为 2 0时，试验墙 以水平弯 曲裂缝为 主 ，加载过程中的斜裂缝较少，随着轴压比的增 大，试验墙上未见明显的斜裂缝，试验墙在暗柱 根部附近 的混凝土逐渐压碎 ，纵筋受压屈服先于 受拉屈服 。 综上所述 ：轴压比对试件的破坏形态有重要 的影响，尤其是高宽比较小时的低矮剪力墙在反 复作用下抗剪强度较小 ，更容 易发生滑移剪切现 象，在工程应用 中应采取相应保障措施 。 2 3 滞 回曲线 试验墙 的典型滞 回曲线具有如下特征：开裂 之前，滞回环基本重合，包围的面积较小，试验 墙基本处于弹性阶段 ；随着荷载增加，弯曲裂缝 和剪切裂缝逐渐出现和开展，试验墙刚度下降， 滞回环逐渐 向水平轴偏移，水平荷载卸载后，水 平位移没有回到原点，表明试验墙 已经进入非线 性反应阶段；试验墙达到屈服荷载后 ，当荷载微 小增加后 ，水平位移迅速增加，滞回环面积显然 增大，并逐渐 向垂直轴偏移 ，向中部捏拢 。达到 极限荷载后，刚度开始退化 ，滞回曲线形状逐渐 向变成反弓形 。 滞回曲线 的共 同特征表 明：增大轴压 比或者 降低高宽比都 降低 了试验墙 的延性，耗能性能变 差，因此试验墙出现明显的滑移剪切现象 ，水平 滑移和纵筋 的粘结滑移导致滞 回曲线出现明显的 捏拢现象。 2 4 刚度退化 线刚度有很大的影响，而且对不同高宽比的 试验墙影响程度不同。高宽比为 1 0时，试验墙 为典型的矮墙，刚度随轴压比的增大明显，但退 化较快；高宽比为 1 5时，刚度退化次之；高宽 比为 2 0时，影响最小，当轴压比从 0 1变化到 0 2和 0 3时，刚度增长不大，退化比较平缓。应 当注意的是，轴力的存在可 以延缓裂缝的开展， 在加载的初始阶段，轴压比为 0 3时，刚度比较 接近，而轴压 比为 0 1时的墙 ，刚度则有很大的 降低，这主要是由于裂缝 的开展引起的。 3 结论 ( 1 )不同高宽比的钢一 聚丙烯混杂纤维增强 高性能混凝土剪力墙 ，轴压力的存在均使剪力墙 的承载力和刚度明显提高，使水平位移有不同程 度地降低 ，使结构 的延性稍许降低。对于轴压 比 为 0 1时的低矮剪力墙，各项影响最明显。 ( 2 )高宽 比大小对钢 聚丙烯混杂纤维增强 高性能混凝土剪力墙的破坏形态影响很大 ：高宽 比从 1 0 1 5 2 0 ，三种剪力墙基本上都从发生 类似纯剪的脆性破坏转变为弯剪破坏，最后发生 弯 曲破坏。 ( 3 )不同高宽比的钢一 聚丙烯混杂纤维增强 高性能混凝土剪力墙 ，墙底的水平裂缝均 由弯曲 开裂和纵筋粘结滑移引起 ，这也使抗剪承载力有 不同程度 的降低，从而导致试验墙刚度和能量消 耗明显下 降。 参考文献 【 1 】 刘志伟， 周克荣高性能混凝土剪力墙抗震性能的 试验研究 C 高强与高性能混凝土及应用第四届学 术讨论会论文集 长沙。 2 0 0 1 ： 4 3 8 4 4 4 【 2 】 肖建庄，李 杰 矿渣高性能混凝土剪力墙高温后 抗震性能试验研究【 J 】 建筑结构学报，2 0 0 3 ，( 4 ) ： 3 5 4 0 3 】 T鲍雷，MJ N 普里斯特利钢筋混凝土和砌体结构 的抗震设计【 M】 戴瑞同，陈世鸣译北京：中建筑 工业出版社， 1 9 9 9 4 1 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ，建筑抗震设计规范【 S 】 1 0 6 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 【 5 】 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 ，纤维混凝土结构技术规程【 s 】 6 1 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ，混凝土结构设计规范【 s 】 Re s e a r c h o n Be h a v i o r o f Hy b r i d Fi b e r Re i n f o r c e d Hi g h P e r f o r ma n c e Co n c r e t e S h e a r W a l l s XI A Gu an g - z he n g， XI A Do n g t a o ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， H u b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 6 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e e x p e ri me n t a l s t u d y o n 9 h i g h p e r f o r ma n c e s t e e l f i b e r - p o l y p r o p y l e n e fi b e r h y b ri d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e a r wa l l s t h r o u g h l o w fre q ue n c y r e p e a t e d l o a d t e s ti ng h a v e be e n c a r r i e d o ut The da ma g e pa t t e m ， s h e a r s t r e n g t h ， h y s t e r e s i s c h ara c t e ri s t i c s ， d u c ti l i t y， e n e r g y d i s s i p a t i o n a n d s t i ffn e s s d e g r a d a ti o n an d o the r i s s u e s o f h i g h - p e rfo rm a n c e h y b ri d fi b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e a r wa l l s h a v e b e e n a n a l y z e d Th e r e s u l t s s h o w tha t ： b l e n d i n g a s mal l a mo u n t o f s t e e l fi b e r ( 0 3 ) a n d p o l y p r o p y l e n e fi b e r ( 0 1 1 ) c a n i n c r e a s e the c r a c k i n g l o a d o f s h e ar Wa l l s a b o ut 3 0 ， t h e u l t i m a t e s t r e ng t h o f s h e ar wa l l s mo r e than 40 ，a s the r a t i o o f a xi s c o mp r e s s i v e t o t h e c a p a c i t y i n c r e a s e s ， the u l t i ma t e s tr e n g t h o f s h e a r wa l l s i n c r e a s e s s i g n i fic ant l y， b u t e n e r g y d i s s i p a t i o n a n d d u c t i l i t y s l i g h t l y d e c r e a s e Ke y wo r d s ：s h e ar wall s ； h y b ri d fi b e r ； h i g h p e rfo r man c e c o n c r e t e ； s e i s mi c b e h a v i o r ； r a t i o o f ax i a l c o mp r e s s i v e f o r c e t o ul t i m a t e c a pa c i t y ( 上接第 9 8页) Effe c t o f t h e M a s s o f Pr e f a b r i c a t e d F l o a t i n g S l a b s o n t h e Ov e r h e a d Ra i l wa y Y A N G Gu a n g J u n ， XI E Xi a o Pe n g， LIGu a ng - Hu i ， DONG Xi a o- M a ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g ， Zh e n g z h o u I n s ti t u t e o f Ae r o n a u ti c a l I n d u s t r y Ma n a g e me n t ， z h e n g z h o u 4 5 0 01 5 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：A d y n a mi c mo d al f o r the p r e f a b ri c a t e d fl o a t i n g s l a b s i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r o n the b a s i s o f a n a n a l y s i s o f floa t i n g s l a b tra c k s ys t e m I n t h e mod al， the floa t i n g s l a b s are r e g ard e d a s the rig i d b o di e s s u p po r t e d b y e l a s t o me r b e a r i n g s By e x p l o ri n g the e ffe c t o f the ma s s o f fl o a t i n g s l a b s o n t h e tr a i n - b rid g e c o u p l e d v i b r a t i o n c h ara c t e ri s t i c s ， a c h a r a c t e ri s t i c o f ma s s o f fl o a ti n g s l a b s o n t h e flo a t i n g s l a b tr a c k s y s t e m i s o b t ain e d The o pti mum d e s i g n me t h o d i s p r o p o s e d Ke y wo r d s ： flo a t i n g s l a b ； v e h i c l e - b rid g e s y s t e m； c o u p l e d v i b r a ti o n ； v i a d u c t ；b a l l a s t l e s s t r a c k