張海坤 ，高志杰 ，孔 炯 ，丁 偉 ，陶清林

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 安徽 馬鞍山 243032；2.中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心,安徽 馬鞍山 243000)

型鋼混凝土是在混凝土內(nèi)配置型鋼形成的一種組合結(jié)構(gòu)，因其具有承載力高、剛度大、防火防腐性能佳等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于大跨、高層建筑結(jié)構(gòu)中。將型鋼混凝土構(gòu)件中的普通混凝土升級(jí)為高強(qiáng)混凝土，能夠有效提高構(gòu)件軸向、抗剪承載力，但由于高強(qiáng)混凝土的拉壓比較低，導(dǎo)致型鋼高強(qiáng)混凝土構(gòu)件脆性明顯，影響構(gòu)件的抗震性能[1-2]。研究[3]表明在混凝土中摻入纖維可避免出現(xiàn)脆性破壞形態(tài)，提高混凝土的延性。因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注纖維混凝土方面的應(yīng)用研究。

常見(jiàn)的纖維有柔性纖維及剛性纖維[4-5]。柔性纖維如聚丙烯纖維、PVA 纖維等可緩解混凝土的干燥收縮，提高混凝土的受壓、抗彎承載力和抗裂性能[6-9]。Dong 等[10]、Fischer 等[11]用PVA 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替普通混凝土制備型鋼-混凝土組合構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)組合構(gòu)件具有較高的承載能力和較大的變形能力；鄧明科等[12]研究發(fā)現(xiàn)，加入PVA 纖維的型鋼混凝土短柱變形能力明顯高于普通型鋼混凝土構(gòu)件。剛性纖維如鋼纖維、玄武巖纖維等在提高混凝土抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的同時(shí)，還可改善混凝土的延性性能[13-15]。吳鵬[16]、陳寶全[17]研究發(fā)現(xiàn)，添加鋼纖維可顯著增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能、明顯改善混凝土的變形性能且經(jīng)濟(jì)性好。相較于柔性纖維，鋼纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度、承載力、延性等力學(xué)性能更好且制備成本低，但目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鋼纖維在型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面的研究不多，且多集中于受彎構(gòu)件。伍凱等[18]針對(duì)型鋼-鋼纖維混凝土組合梁受彎構(gòu)件的承載力研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維可替代部分箍筋作用，鋼筋骨架的配置能夠增強(qiáng)縱筋；Tao 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，加入鋼纖維可有效改善高強(qiáng)混凝土的脆性，型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土受彎構(gòu)件表現(xiàn)出較高的開(kāi)裂和極限承載能力。為探索鋼纖維對(duì)型鋼-高強(qiáng)混凝土柱抗震性能的影響，通過(guò)開(kāi)展型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱往復(fù)加載試驗(yàn)，分析鋼纖維摻量對(duì)型鋼-高強(qiáng)混凝土柱變形能力、承載力、延性等的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱的截面尺寸為160 mm×240 mm，高度為870 mm，剪跨比為3.27；型鋼為Q235 級(jí)H 型鋼H12.6(H126 mm×74 mm×6 mm×8 mm)，含鋼率為4.7%；縱筋為HRB335 鋼按4 10 配置，箍筋按6@60 配置(配箍率1.38%)，軸壓比設(shè)計(jì)值為0.28，截面尺寸及配筋見(jiàn)圖1。

圖1 試件截面尺寸及配筋 單位：mmFig.1 Sectional size and reinforcement of specimen Unit: mm

1.2 試件制備

1.2.1 混凝土的制備

本試驗(yàn)中所用混凝土為C80 高強(qiáng)混凝土，采用二次合成法配比制備。原料為：水泥，P.O 52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥；鋼纖維，銑削波浪形，體積分?jǐn)?shù)分別為0，0.5%，1.0%，2.0%；粉煤灰，Ⅰ級(jí)；硅灰，粒徑0.15 μm的加密硅灰；細(xì)骨料，中粗沙(連續(xù)級(jí)配)；粗骨料，粒徑5～10 mm 的碎石；減水劑，高性能聚羧酸減水劑(減水率40%)，具體配合比如表1?；炷林苽溥^(guò)程中預(yù)留一組立方體抗壓試件和啞鈴形抗拉試件，與試件同條件養(yǎng)護(hù)28 d 測(cè)得的抗壓、抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表2。表2 表明制備的混凝土為C80 高強(qiáng)混凝土。

表1 混凝土配合比Tab.1 Proportioning of the concrete

表2 混凝土試塊的實(shí)測(cè)強(qiáng)度Tab.2 Measured strength of the concrete test blocks

1.2.2 型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱的制作

按照上述設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱的柱身和支座型鋼進(jìn)行焊接，并在型鋼外圍綁扎鋼筋籠，對(duì)其進(jìn)行支模后進(jìn)行混凝土澆筑，每次澆注高度不超過(guò)50 cm，邊澆筑邊用插入式振動(dòng)器振搗，每次振搗3～5 min 且不觸動(dòng)鋼筋。澆筑完成后對(duì)型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱進(jìn)行恒溫保濕養(yǎng)護(hù)，將體積分?jǐn)?shù)為0，0.5%，1.0%，2.0%鋼纖維的型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱分別記作C-0.0，C-0.5，C-1.0，C-2.0 試件。型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱制作過(guò)程如圖2。

圖2 型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱的制作過(guò)程Fig.2 Manufacturing process of steel reinforced high-strength concrete column with steel fiber

1.3 加載試驗(yàn)

對(duì)型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱試件進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，通過(guò)地錨螺栓固定試件基礎(chǔ)底座，加載裝置示意圖如圖3。由50 t 液壓千斤頂施加豎向壓力，在千斤頂與反力架平衡梁之間設(shè)置滑車(chē)以保證豎向荷載處于試件中心，并通過(guò)千斤頂上荷載傳感器測(cè)量豎向軸壓力；由100 t 電液伺服作動(dòng)器施加并記錄水平荷載；在柱頂及柱身中部放置2 個(gè)位移計(jì)測(cè)量水平位移。測(cè)試前，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載以檢測(cè)加載裝置能否正常運(yùn)行，檢測(cè)完畢對(duì)柱頂逐步施加軸向壓力至500 kN，并保持恒定。水平方向以增量為2 mm(約 0.2Δy，Δy為試件屈服時(shí)柱頂對(duì)應(yīng)的位移)的位移控制方式施加往復(fù)荷載，試件屈服前往復(fù)循環(huán)1 次；試件屈服后往復(fù)循環(huán)3 次，直到水平荷載降至峰值荷載的70%～85%，混凝土出現(xiàn)明顯剝落時(shí)停止加載。

圖3 試驗(yàn)加載裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test loading device

2 結(jié)果與分析

2.1 試件的破壞過(guò)程與破壞形態(tài)

鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在0～2.0%范圍內(nèi)，不同摻量鋼纖維的型鋼高強(qiáng)混凝土柱試件在低周往復(fù)加載試驗(yàn)過(guò)程的破壞過(guò)程大體相同：水平位移荷載加載初期(0～2 mm)，不同摻量鋼纖維的試件基本處于彈性階段，表面未見(jiàn)裂縫；水平位移增至2～4 mm 時(shí)，柱底開(kāi)始出現(xiàn)水平裂縫，進(jìn)入帶裂縫工作狀態(tài)，但鋼纖維試件比無(wú)鋼纖維試件的開(kāi)裂時(shí)間稍晚，作動(dòng)器反向加載時(shí)，柱的另一側(cè)出現(xiàn)類(lèi)似的對(duì)稱(chēng)水平裂縫；繼續(xù)增加水平位移(4～8 mm)，水平裂縫開(kāi)始延伸，發(fā)展至型鋼翼緣時(shí)，受型鋼翼緣的約束，裂縫開(kāi)始有斜向發(fā)展的趨勢(shì)，但發(fā)展速度緩慢；水平位移增至8～20 mm 時(shí)，水平裂縫繼續(xù)發(fā)展，豎向鋼筋和型鋼翼緣相繼受拉屈服，表面混凝土開(kāi)始剝落，此時(shí)由于鋼材的強(qiáng)化效應(yīng)和型鋼翼緣核心區(qū)混凝土的咬合作用，承載力仍可繼續(xù)增加，直至達(dá)到峰值荷載；繼續(xù)增加水平位移(20～30 mm)，柱兩側(cè)水平裂縫逐漸貫通，柱表面混凝土破壞明顯，試件內(nèi)部發(fā)出劈裂聲，承載力開(kāi)始逐步下降，縱筋和型鋼大面積屈服，由于鋼纖維的作用，鋼纖維型鋼混凝土柱比無(wú)鋼纖維型鋼高強(qiáng)混凝土柱承載力衰減速度緩慢；當(dāng)承載力下降至峰值荷載的85%左右時(shí)，混凝土出現(xiàn)大面積剝落，所有試件均發(fā)生彎曲破壞，破壞形態(tài)如圖4。

圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of specimens

綜上看出：無(wú)鋼纖維試件混凝土脫落現(xiàn)象最嚴(yán)重，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在0～2.0%范圍內(nèi)，隨著鋼纖維摻量的增大，混凝土剝落現(xiàn)象得到明顯改善。

2.2 鋼纖維摻量對(duì)試件抗震性能的影響

2.2.1 荷載-位移滯回性能

滯回曲線(xiàn)可反映鋼纖維型鋼高強(qiáng)混凝土柱的剛度、強(qiáng)度、延性及耗能能力等性能[20]。鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在0～2.0%范圍內(nèi)，不同鋼纖維摻量試件往復(fù)循環(huán)加載下的荷載-位移滯回曲線(xiàn)如圖5。從圖5 可看出：試件均表現(xiàn)出良好的耗能能力，無(wú)鋼纖維試件的滯回曲線(xiàn)呈弓形，有一定的捏縮現(xiàn)象，鋼纖維試件的滯回曲線(xiàn)呈梭形，耗能能力明顯更佳，且隨鋼纖維摻量的增加越趨飽滿(mǎn)；循環(huán)加載時(shí)，無(wú)鋼纖維試件滯回環(huán)出現(xiàn)的退化現(xiàn)象顯著增加，鋼纖維試件的滯回環(huán)退化現(xiàn)象不明顯；達(dá)最大峰值荷載后，相對(duì)于無(wú)鋼纖維試件，鋼纖維試件承載力下降緩慢，可承受的循環(huán)加載次數(shù)更多。綜上說(shuō)明，型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱表現(xiàn)出良好的耗能能力，這是由于混凝土內(nèi)部分散的鋼纖維能有效抑制和延緩混凝土微裂縫的發(fā)展，改善了混凝土的脆性性能。

圖5 試件荷載-位移滯回曲線(xiàn)Fig.5 Load-displacement hysteretic curve of specimen

2.2.2 變形能力和承載力

骨架曲線(xiàn)是滯回曲線(xiàn)的外包線(xiàn)，反映構(gòu)件剛度、強(qiáng)度和延性等力學(xué)特性[21]。鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在0～2.0%范圍內(nèi)，不同鋼纖維體積摻量試件的骨架曲線(xiàn)如圖6。從圖6 可看出，不同鋼纖維體積摻量試件的骨架曲線(xiàn)大致分為彈性、開(kāi)裂、屈服和下降4 個(gè)階段。加載初期，試件處于彈性階段，相較無(wú)鋼纖維試件，鋼纖維試件的剛度均有所降低，但降幅隨鋼纖維摻量的增加而減小。這是由于隨鋼纖維與基體混凝土間界面數(shù)增加，水泥漿料間流動(dòng)增加，導(dǎo)致剛度減小，但鋼纖維與基體混凝土間的黏結(jié)力增強(qiáng)了試件的橫向約束。鋼纖維摻量較少時(shí)，水泥漿料間流動(dòng)大于鋼纖維橫向約束作用，試件剛度降幅明顯；隨鋼纖維摻量的增加，鋼纖維橫向約束作用逐漸抵消水泥漿料間流動(dòng)效應(yīng)，試件剛度有所提高，降幅減小。增加水平位移荷載，試件進(jìn)入帶裂縫工作狀態(tài)，骨架曲線(xiàn)曲率發(fā)生變化，鋼纖維試件開(kāi)裂荷載較無(wú)鋼纖維試件均有所提高，這是因?yàn)殇摾w維具有增韌作用，抑制了裂縫的發(fā)展，提高了試件的開(kāi)裂強(qiáng)度。水平位移荷載增至受拉區(qū)鋼筋屈服，試件進(jìn)入屈服階段，相較無(wú)鋼纖維試件，鋼纖維試件承載力均增大，增幅為13%～21%，其中鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)增幅最大。這是因?yàn)殇摾w維摻量過(guò)多時(shí)，包裹于鋼纖維周?chē)幕w材料變薄，降低鋼纖維和混凝土之間的黏結(jié)力，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于1.0%后，承載力出現(xiàn)小幅下降。水平位移荷載繼續(xù)增加至峰值荷載后，骨架曲線(xiàn)進(jìn)入下降段，相較無(wú)鋼纖維試件，鋼纖維試件曲線(xiàn)的下降趨勢(shì)更平滑，承載力衰減幅度更小，極限位移更大。這是因?yàn)殇摾w維與骨料間的咬合作用可延緩試件破壞的速度，且鋼纖維吸收了部分往復(fù)荷載的能量，使其緩慢釋放。

圖6 試件骨架曲線(xiàn)Fig.6 Skeleton curve of specimen

一般認(rèn)為當(dāng)試件受力筋屈服時(shí)試件進(jìn)入屈服狀態(tài)，實(shí)際試驗(yàn)中難以明確屈服點(diǎn)位置，因此文中采用等效彈塑性能量法[22]確定試件的屈服點(diǎn)。如圖7 所示，當(dāng)陰影區(qū)A1和A2的面積相等時(shí)，定義D點(diǎn)為屈服點(diǎn)，且將承載力下降至峰值荷載的85%時(shí)，定義為破壞點(diǎn)(C點(diǎn))，對(duì)應(yīng)的荷載為破壞荷載，由此得到試件各階段承載力，見(jiàn)表3。從表3 可看出：與無(wú)鋼纖維試件相比，鋼纖維試件的屈服荷載隨鋼纖維摻量的增大呈先增后減的趨勢(shì)，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增至1.0%時(shí)，屈服荷載增幅最大，平均增幅為21.43%；鋼纖維試件的峰值荷載和破壞荷載隨鋼纖維摻量的增大而增大，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，增幅最大，為24.24%。綜上表明：鋼纖維摻量(體積分?jǐn)?shù)為0～1.0%)較少時(shí)，試件承載力增強(qiáng)效應(yīng)較明顯；鋼纖維摻量(體積分?jǐn)?shù)為2.0%)達(dá)到一定量后，試件承載力增強(qiáng)效應(yīng)趨于穩(wěn)定。

圖7 等效彈塑性能量法Fig.7 Equvialent elasto-plastic energy method

表3 試件承載力Tab.3 Bearing capacity of specimen

2.2.3 延性性能

延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件屈服后可繼續(xù)承擔(dān)荷載并保持一定變形的能力，可采用位移延性系數(shù) μ表征試件的延性性能[23]，μ=Δu/Δy，Δu為試件的名義極限位移，取試件水平承載力降低到最大承載力85%時(shí)對(duì)應(yīng)的水平位移；Δy為試件的屈服位移，試驗(yàn)中試件的位移延性系數(shù)見(jiàn)表4。由表4 可看出：鋼纖維試件延性系數(shù)均在3.4 以上，均表現(xiàn)出良好的延性；試件延性隨鋼纖維摻量的增加而增大，C-2.0 試件的延性系數(shù)達(dá)5.344；無(wú)鋼纖維試件正反向屈服位移相差較大，而鋼纖維試件正反向屈服位移較為接近。鋼纖維對(duì)型鋼高強(qiáng)混凝土柱的延性增強(qiáng)主要有體現(xiàn)在兩方面：鋼纖維具有良好的增韌效果，改善了混凝土的韌性，混凝土的變形能力顯著提高；鋼纖維具有阻裂性，可延遲混凝土的開(kāi)裂時(shí)間，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，鋼纖維承擔(dān)了混凝土釋放的應(yīng)力，限制了裂縫的發(fā)展，且一定范圍內(nèi)鋼纖維摻量越高，這種增強(qiáng)作用愈明顯。

表4 試件的位移延性系數(shù)Tab.4 Displacement ductility coefficient of specimen

2.2.4 強(qiáng)度衰減

強(qiáng)度衰減指位移控制加載時(shí)試件的水平荷載隨加載次數(shù)的增多而下降的現(xiàn)象，通常用某一級(jí)位移控制下第n次循環(huán)的最大荷載與第一次循環(huán)的最大荷載比Fn/F1表示[24]。圖8 為不同鋼纖維試件的強(qiáng)度衰減曲線(xiàn)。由圖8 可知：鋼纖維試件強(qiáng)度衰減速率比無(wú)鋼纖維試件小，可循環(huán)次數(shù)多，抗震性能更佳；隨鋼纖維摻量的增大，試件強(qiáng)度衰減逐漸變緩，循環(huán)加載次數(shù)增加，控制位移增大，型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱的控制位移超過(guò)了40 mm；在變形較大的情況下，試件的強(qiáng)度衰減從28%降為16%，型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱強(qiáng)度衰減更緩慢；同級(jí)位移加載條件下，鋼纖維試件強(qiáng)度衰減程度更小，如控制位移同為27 mm 時(shí)，無(wú)鋼纖維試件強(qiáng)度衰減為28%，而纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%的強(qiáng)度衰減僅為7%。由此說(shuō)明加入鋼纖維對(duì)延緩試件強(qiáng)度衰減效果明顯，試件抗震性能更好。

圖8 試件的強(qiáng)度衰減曲線(xiàn)Fig.8 Intensity attenuation curve of specimen

3 結(jié) 論

通過(guò)分析4 種鋼纖維摻量的型鋼高強(qiáng)混凝土柱試件在低周往復(fù)荷載作用下的破壞過(guò)程與破壞形態(tài)，揭示鋼纖維摻量對(duì)型鋼高強(qiáng)混凝土柱抗震性能的影響，得到以下結(jié)論：

1) 鋼纖維的加入可改善型鋼-鋼纖維高強(qiáng)混凝土柱混凝土大面積剝落現(xiàn)象，裂縫發(fā)展緩慢、分布細(xì)密，這是由于混凝土內(nèi)部分散的鋼纖維能有效抑制和延緩混凝土微裂縫的發(fā)展，改善混凝土的脆性。

2) 鋼纖維的加入可增強(qiáng)試件的滯回性能、變形能力、承載力、延性性能，降低試件的強(qiáng)度衰減。鋼纖維具有良好的增韌效果，加入鋼纖維可增強(qiáng)試件的韌性，顯著提高試件的變形能力；鋼纖維具有阻裂性，可延遲混凝土的開(kāi)裂時(shí)間，一定范圍內(nèi)鋼纖維摻量越高，這種作用越明顯。