钢纤维混凝土力学特性及其在异形柱节点中的应用.pdf

2 0 1 2 年 第 9期 (总 第 2 7 5 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 2 ( T o t a ! No ． 2 7 5 ) 混 凝 土 Co n c r e r e 理论研究 T HEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 8 ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ．0 9 ． 0 0 5 钢纤维混凝土力学特性及其在异形柱节点中的应用 戎贤 1 l 。张健新 1 I ，李艳艳 ( 1 ． 河北工业大学 土木工程学院，天津 3 0 0 4 0 1 ；2 ． 河北省土木工程技术研究中心， 天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要： 在总结钢纤维混凝土力学特性及阻裂机理方面研究成果的基础上证实了钢纤维混凝土的增强效应。 通过对应用钢纤维增强的 混凝土异形柱中节点与同条件下未增强的普通混凝土异形柱中节点的拟静力试验研究， 对比分析了异形柱中节点的破坏特征、 承载能力、 变形能力及延性。 研究结果表明： 应用钢纤维混凝土显著改善了异形柱中节点的破坏特征， 提高了异形柱中节点的承载能力， 提高了异形 柱中节点的变形能力和延性性能。 关键词： 钢纤维混凝土；力学特性； ． 异形柱中节点； 延性 中图分 类号： T U5 2 8 ．5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9 — 0 0 1 2 — 0 3 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e a n d a p p l i c a t i o n i n j o i n t wi t h s p e c i a l l y s h a p e d c o l u mn RONGXi a n ． ZHANGJ i a n - x i n ． LIYa n- y a n ， ( 1 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， He b e i Un i v e r s i tyo f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ； 2 ． C i v i l E n gin e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r o f He b e i P r o v i n c e ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e r e s e arc h r e s ult s wi t h me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d r e s i s t a n c e o fs t e e l fi b e r c o n c r e t e Were s u mma r i z e d．Th e e n h an c e me n t me c h ani s m o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e wa s a mr med． T h e j o int wi t h s p e c i a l ly s h a p e d c o l u mn w i t h o r w i th o u t r e i n f o r c e d b y s t e e l fi b e r w e r e t e s t e d u n d e r c o n s ta n t a x — i a l c o mp r e s s i o n l o a d a n d l o w c y c l i c l o a d i n g wh i c h i mi t a t e d l o w t o mo d e r a t e e a r t h q u a k e f o r c e ．Th e r e s u l t s in t e r ms o fd a ma g e c h a r a c t e ris t i c， b e ar— i n g c a p a c i t y， el i s p l a c e me n t a n d d u c t i l i t y w e r e c o mp are d ．I t i s s h o w n tha t the d a ma g e c h ara c t e ri s t i c o f s p e c i a l l y s h a p e d c o l u mn int e r i o r j o i n t s r e i n — f o r c e db y s t e e l f ibe r Wa Si mp r o v e d， t h eb e a r i n gc a p a c i t ywa s e n ha n c e dandt h ede f o r ma t i o nb e h a v i o r an dd u c t i l i t yWaS a l s oi mp r o v e d． K e y WO r d s ： s t eel fi b er c o n c r e t e ； me c h ani c a l p r o p e r t y ； s p e c i a l l y s h a p e d c o l u mn i n t e r i o r j o i n t ； d u c t i l i t y 0 引言 钢纤维混凝土是将适量均匀分散的短钢纤维掺人普通混 凝土而形成的新型复合材料 ， 除抗压强度之外， 钢纤维的物理 力学性能均比普通混凝土显著提高， 使混凝土这种脆性材料变 成具有一定的塑性复合材料。 由于混凝土的抗压强度高， 钢纤维 的抗拉强度高， 因此， 钢纤维混凝土具有较好的抗拉、 抗弯、 抗冲 击、 抗疲劳及耐磨耗、 高韧性等优点。 目前对钢纤维混凝土力学 性能、 增强作用及其在工程中的应用取得了一定的研究成果I 。 异形柱节点是结构中的薄弱部位， 这是由于异形柱的柱肢薄弱、 节点核心区的钢筋密集及节点的受力复杂等 ， 在复杂的地震作 用下， 异形柱节点更容易发生破坏 - q 。 国内外对应用钢纤维局 部增强异形柱节点的试验研究较少。 因此， 通过对 4 个钢纤维增 强的异形柱中节点进行低周往复荷载的试验研究 ， 分析钢纤维 的作用及延伸梁内的钢纤维掺加范围对异形柱节点破坏特征、 承载能力及变形能力的影响。 1 钢纤维混凝土力学特性 钢纤维混凝土的力学特性方面的研究结果表明， 与普通混 凝土相 比， 随着钢纤维掺量增加， 钢纤维混凝土抗压强度变化 较小 ， 其抗拉强度 、 抗弯剪扭强度显著提高。 程铁生、 章文纲等 人介绍当纤维掺量为 l ％~ 2 ％时， 钢纤维混凝土的抗拉强度可 提高 2 5 ％~ 5 0 ％， 其抗弯强度可提高 3 0 ％~ 8 0 ％， 但其抗压强度提 高 0 ~ 2 5 ％m 。 钢纤维对混凝土的抗压弹性模量的影响不大， 随纤维掺量 增加， 受拉弹性模量提高0 ~ 2 0 ％。 钢纤维对混凝土的韧性影响较 大。 在一般的钢纤维掺量下， 其抗压韧性提高 2 ～ 7 倍 ， 其抗弯韧 性提高几倍至几十倍 ， 其弯曲冲击韧性约提高 2 " 4倍 ， 板式试 验落锤法击碎试验测得冲击韧性提高约几倍到几十倍。 钢纤维混凝土收缩值随掺量增加而降低。 如 P ． S ． Ma n g a t a ， M．M嗍 介绍了掺量为 1 ． 5 ％， 长径 比为 5 0的钢纤维混凝土 比普 通混凝土收缩值约降低 7 ~A r ~ 9 ％。 钢纤维混凝土的抗裂性能较好， 在保持一定程度耐力情况 下其变形能力较大。 钢纤维不但在裂缝发生时变形为普通混凝 土两倍以上， 而且在裂缝产生以后， 钢纤维跨越裂缝两边 ， 能很 好地传递应力， 在承受外力作用的同时， 可以限制变形扩展。 2 钢 纤维混凝土 阻裂机理 钢纤维增强混凝土的效果是通过钢纤维与混凝土间的黏 结力来实现的。 钢纤维与混凝土基体是紧密黏结的， 当钢纤维混 凝土基体受力的作用时， 其受到的应力可通过黏结力传给钢纤 维 ， 以消散混凝土自身应力。 即混凝土在破坏过程中， 钢纤维也 收稿 日期 ：2 0 1 2 - -0 3 - 2 1 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 8 1 4 1 ) ； 河北 省 自然科学基金项 目( E 2 0 1 1 2 0 2 0 1 3 ) 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 没有试件J _ +严重， 表明钢纤维增强的混凝土可以显著改善中节 点的破坏形态。 节点 J + a 在破坏时， 其与右梁的交接处出现了一 条较宽竖向裂缝 ， 宽度比试件 J + ． b及 J + ． c的大 ， 这是由于试件 J + 一 a的此处为钢纤维混凝土和普通混凝土的分界面， 比较薄弱 所致。 用钢纤维增强的异形柱中节点 J _ + a 、 J ． + b及 J _ + c中， J - + b 的最大裂缝较小， 表明当在中节点核心区浇筑钢纤维混凝土并 向梁内延伸一倍的有效梁高时， 钢纤维的掺人对改善节点的破 坏特征效果较好。 3 ． 3 承 载 能力及 变形 能力 异形柱中节点的荷载 、 位移及延性系数如表 3所示。 用钢 纤维增强的异形柱中节点 J 斗a 、 J ． + b及 J _ + c的开裂荷载比未用 钢纤维增强的异形柱中节点 J ’ +的开裂荷载大， 可见掺入钢纤维 可以提高试件的抗裂能力。 试件 J _ + a 、 J ． + b及 J _ + c的屈服荷载 及极限荷载比试件 J - +的大， 表明钢纤维能够阻止裂缝的发展 ， 提高了试件的承载能力。 在试件 J - + a 、 J 一 + b 及 J _ + c中， 试件 J ． + b 的极限荷载最大， 即在中节点核心区浇筑钢纤维混凝土并向梁 内延伸一倍的有效梁高的试件的承载能力最大。 用钢纤维增强 的异形柱中节点 J _ + a 、 J + b 及 J - + c的位移均比未用钢纤维增强 的异形柱中节点J - +的相应位移大， 表明掺入钢纤维提高了试件 的变形能力。 研究表明， 结构位移延性系数的取值一般在 3 - 5 之 问， 以保证结构构件有较高的曲率延性， 更利于结构抗震。 本研究 计算得到四个中节点的位移延性系数平均值均在这个范围内， 说明试件的延性较好。 用钢纤维增强的异形柱中节点 J _ + a 、 J ． + b 及 J c的延性系数均大于未用钢纤维增强的异形柱中节点 J _ + 的延性系数， 其 中， J ． + b的延性系数最大， 节点的延性最好 ， 表 明钢纤维对试件的延性影响较大， 这是由于钢纤维跨越了斜裂 缝， 发挥了相当于钢筋作用， 承担部分混凝土开裂释放应力， 限 值裂缝地开展； 增强了钢筋与混凝土之间的握裹力 ， 改善了混 凝土与钢筋之间黏性性能， 提高了纵筋销栓作用及箍筋约束作 用㈣； 增强裂缝之问骨料胶合的作用， 减缓了混凝土脆性破坏 ； 改善了混凝土韧性 ， 提高了异形柱节点的变形能力。 4结 论 ■ 通过对钢纤维混凝土力学特性和阻裂机理的阐述 ， 将钢纤 维掺入钢筋混凝土异形柱中节点 ， 进行了对比试验研究 ， 得出 了以下结论 ： 通过比较异形柱中节点的破坏特征得出在异形柱中节点 的核心区、 核心区与梁内部分区域浇筑纤维混凝土可以减小裂 缝宽度 ， 显著改善节点的破坏形态。 在中节点核心区浇筑钢纤 维混凝土并向梁内延伸一倍的有效梁高时， 钢纤维的掺入对改 善节点的破坏特征的效果最好。 通过比较异形柱的承载能力及变性能力得出在异形柱中 上接第 1 1 页 参考文献： [ 1 ]1 J E N S E N A D， C H AT F E R J I S ．S t a t e o f t h e A r t R e - p o r t o n Mi c r o - c r a c k i n g a n d L i f e t i m e o f C o n c r e t e ： P a r t l [ J ] ．Ma t e ri a l s and S t r u c t u r e s ， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 1 ) ： 3 — 8 ． f 2 1 NA V A R RO V， Y U S T R E S A， C E A L， e t a 1 ． C h a r a c t e ri z a t i o n o f th e w a t e r flo w t h r o u Is h c o n c r e t e b a s e d o n p a r a me t e r e s t i ma t i o n f r o m i n fi l t r a t i o n t e s t s [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ( 3 6 ) ： 1 5 7 5 — 1 5 8 2 ． 3 张士萍 ， 刘加平． 荷载裂缝对混凝土氯离子扩散的影响[ J 】 ． 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 2 4 — 2 6 ． [ 4 ] 程传煊．表面物理化学【 M 】 ． 北京： 科学技术文献出版社， 1 9 9 5 ． 1 4 表 3 中节点 的承载力、 位移及延性 系数 节点掺人钢纤维可以提高试件的承载能力和变形能力， 显著改 善了异形柱节点的延性性能。 在中节点核心区及延伸向梁的一 倍的有效梁高范围内掺入钢纤维对提高试件的承载力及改善 试件的延性效果最好。 参考文献 ： 『 1 ]1 陈景， 林华． 钢纤维增强高性能混凝土力学性能研究[ J 】 ． 混凝土与水 泥制品， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 3 7 — 3 9 ． 『 2 ]2 杨勇 ， 任青文． 钢纤维混凝土力学性能试验研究[ J 】 ． 河海大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 ) ： 9 2 — 9 4 ． 【 3 】 胡岩， 李新辉， 王洪哲．钢纤维高性能混凝土框架节点的延性分析【 J J ． 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 6 6 — 6 7 ． 『 4 1 王廷彦， 李长永， 张军伟． 钢纤维高强混凝土框架边节点抗震性能研 究f J 1 ．混凝土， 201 1 ( 9 ) ： 3 2 — 3 5 ． 【 5 】黄珏， 肖建庄， 葛亚杰 ， 等． 异形柱框架节点受力性能研究进展与评 述f J 1 ．结构工程师， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 5 2 — 5 7 ． [ 6 ]6 王铁成， 张学辉， 康谷贻厕 种混凝土异形柱框架抗震性能试验对 比f J 1 ． 天津大学学报 ， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 7 ) ： 7 9 1 — 7 9 8 ． 【7 】 章文纲， 程铁生， 等 冈 纤维混凝土的主要力学性能和工艺特性[ J 】 j 昆 凝土及加筋混凝土， 1 9 8 4 ( 4 ) ： 1 - 9 ． 【 8 】MAN G A T A P S ， A Z AR I M M．S h ri n k a g e of s t e e ] fi b e r r e i n f o r c e d c e me n t c o mp o s i t e s [ J ] ．J o n ma l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e ， 1 9 8 5 ( 2 0 ) ： 1 6 3 - 1 7 1 ． f 9 】RO MU A D I J MN A D E L J A ． T e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a f f e c t e d b y u — n i f o r ml y d i s t ri b u t e d a n d c l o s e l y s p a c e d s h 0 n l e n gth o f wi r e r e i n f o r c e — m e n t [ J ] ． A C I J o u r n a l ， 1 9 6 4 ( 6 ) ： 5 6 7 - 6 7 0 ． [ 1 O ] 壬春印， 张兴民 钢纤维混凝土的阻裂机理分析及应用[J ] ．基建优化， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 4 ) ： 4 7 — 4 8 ． 作者简介： 戎贤( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 教授， 博士， 主要研究方向： 结构抗震。 联系地址： 天津市北辰区河北工业大学北辰校区( 3 0 0 4 0 1 ) 联系电话 ： 1 3 6 1 2 1 1 8 4 3 3 [ 5 】KA T O E ， K A T O Y， U O MO T O T ．D e v e l o p me n t o f s i mu l a t i o n mo d e l o f c h l o - ri d e i o n t r a n s p o r t a t i o n i n c r a c k e d c o n c r e t e f J ] ． J o u r n a l of A d v a n c e d C o n — c r e t e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ， 3 ( 1 ) ： 8 5 — 9 4 ． 作者简介 联 系地址 联 系电话 张士萍( 1 9 8 2 一 ) ， 女， 博士， 主要研究方向为水泥混凝土材 料的耐久性。 江苏省南京市江亍科学园弘景大道 1 号 南京工程学院建 筑工程学院( 2 1 1 1 6 7 ) 1 3 7 70 6 0 41 5 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m