后摻骨料混凝土短柱抗震性能試驗研究

賈金青，鄭婉婷，張麗華，張 強，毛鵬飛

(大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

后摻骨料混凝土是指在基準混凝土(一般為泵送混凝土)中拋填部分粗骨料，而后進行二次攪拌，從而制成工作性能和力學性能良好的混凝土[1]。鄒波[2]針對后摻骨料混凝土抗裂性能進行試驗，結(jié)果顯示后摻粗骨料的添加能夠較好地抑制混凝土早期的塑性收縮，從而改善基準混凝土的抗裂性能。后摻骨料混凝土在保持泵送混凝土原有優(yōu)勢的同時在一定范圍內(nèi)解決了泵送混凝土早期開裂嚴重的問題，同時還具有巨大的經(jīng)濟與環(huán)保意義?？赏ㄟ^減少膠凝材料使用率，降低制造成本、降低生產(chǎn)過程中二氧化碳的排放量，更符合綠色建材的理念[3]。目前關(guān)于后摻骨料混凝土構(gòu)件抗震性能的研究較少，因此十分有必要開展研究。

隨城市化進程加快，柱承擔的豎向荷載逐漸增大，由于軸壓比限制，截面尺寸也隨之增加，從而形成剪跨比不大于2的短柱，在實際地震作用中短柱更易破壞[4]。因此，后摻骨料混凝土混凝土短柱的抗震能力研究十分必要，本次試驗以5個剪跨比λ=2.0的后摻骨料混凝土短柱為研究對象，通過不同后摻率、不同軸壓比的后摻骨料混凝土短柱的低周往復荷載試驗分析其破壞形式及滯回性能，為后摻骨料混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的實際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計及試驗參數(shù)

本試驗在大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室進行，采用1∶4的比例進行縮尺模型試驗[5]，制作試件幾何尺寸及配筋如圖1所示。本試驗共設(shè)計5個試件，剪跨比λ為2.0，變化參數(shù)為后摻率r和軸壓比n，參數(shù)見表1。試件采用強度C40混凝土，縱筋配筋率ρS為2.26%，箍筋體積配箍率ρv為2.57%。后摻骨料混凝土的脆性更加明顯，峰值應(yīng)變較基準混凝土要大，需要加強約束，因此配箍率和箍筋強度較基準鋼筋混凝土構(gòu)件高。

圖1 試件基本構(gòu)造(單位：cm)

表1 設(shè)計參數(shù)

1.2 加載裝置及試件測點布置

試驗豎向荷載由200 t液壓千斤頂在柱頂施加，并設(shè)置球鉸確保豎向荷載不發(fā)生偏心。水平荷載則由50 t電液伺服作動器在預(yù)設(shè)加載點施加，布置4個位移計，2個LVDT測量柱端及塑性鉸區(qū)位移；布置8個應(yīng)變片分別測量塑性鉸區(qū)縱筋及箍筋局部應(yīng)變。

1.3 加載方案

試驗采用低周往復水平加載。選用位移變幅等幅混合控制水平位移增量加載，前4級加載幅值中，控制位移角(θ=Δ/H)按0.25%加載幅值增加，每級循環(huán)1次；此后以0.5%位移轉(zhuǎn)角增加，每級循環(huán)3次，直至水平荷載降到峰值荷載的85%或結(jié)構(gòu)豎向失去承載能力后停止加載[6]。

2 試驗破壞現(xiàn)象

試件的主要破壞形式均為剪切破壞，破壞特征較為相似。根據(jù)試驗現(xiàn)象，可將破壞過程分為以下3個階段：

(1)初裂階段。此階段試件基本處于彈性階段，隨著荷載的增加，在試件的節(jié)點區(qū)域即柱根處首先出現(xiàn)彎曲的水平裂縫。卸載過程中，可觀察到裂縫的閉合現(xiàn)象，卸載后殘余變形非常小。隨后摻率的提高本階段的裂縫數(shù)量減少，后摻骨料對早期裂縫的開展有抑制作用，試件節(jié)點區(qū)域產(chǎn)生的開裂荷載Pcr約為峰值荷載Pmax的0.6～0.8。

(2)裂縫穩(wěn)定擴展階段。此階段試件彎曲裂縫的發(fā)展速度一般較慢，出現(xiàn)多條從試件根部到支點的細微斜裂縫。此時剪應(yīng)力開始重分布，縱筋和箍筋逐漸開始承受混凝土傳來的剪應(yīng)力，使得鋼筋的應(yīng)力及應(yīng)變迅速增加，對抗剪形成主導作用。隨水平位移的往復變化，原有豎向粘結(jié)裂縫和水平彎曲裂縫數(shù)量增加，寬度也發(fā)生明顯變化，斜裂縫快速向頂點(對角線方向)延伸，逐漸形成1～2條相對明顯的沿對角線方向的“X”形交叉的主要斜裂縫。

(3)破壞階段。試件表現(xiàn)為“突然性”的剪切破壞形態(tài)。破壞發(fā)生時，試件的保護層混凝土小塊被壓潰而退出工作，崩掉外射、大塊脫落，穿過石子的骨料斷面較為平整，主筋與箍筋外露，縱筋壓曲失穩(wěn)，并表現(xiàn)為突然無法穩(wěn)定地繼續(xù)承受預(yù)加軸向力，同時伴隨有巨響。

總體來看，后摻率增加會使試件早期裂縫數(shù)量減少，但最終破壞形態(tài)與普通混凝土近似；軸壓比增加會發(fā)生更為明顯的脆性破壞。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 滯回曲線

滯回曲線是擬靜力試驗中水平荷載P與水平位移Δ之間的關(guān)系曲線，是抗震性能的綜合體現(xiàn)[7]。圖2為試驗測得各試件的荷載-位移滯回曲線。從圖2可以看出：

圖2 各試件的荷載-位移滯回曲線

(1)在初裂階段，所有試件荷載和位移之間均為線性變化，滯回環(huán)面積較小，加載卸載曲線大致重合，試件殘余變形可以忽略，剛度退化不明顯，處于彈性工作階段。隨位移循環(huán)的增加，裂縫開始增多，此階段滯回環(huán)包圍面積持續(xù)增加，試件開始出現(xiàn)殘余變形，剛度逐漸退化，試件進入彈塑性工作狀態(tài)。試件屈服后，荷載與位移不再保持線性變化關(guān)系，荷載的增長速度遠小于位移的增長速度。

(2)從試件A～C的滯回曲線可知，滯回曲線在后摻率為10%時最為飽滿，后摻率20%與天然骨料混凝土滯回曲線形狀基本近似，總體呈梭形。

(3)從試件B、D、E的滯回曲線可知，隨軸壓比的增加，滯回曲線飽滿度降低，水平荷載下降速度較快，試件在位移循環(huán)加載下剛度退化及強度衰退速率增加，延性性能及耗能能力也逐漸降低。

3.2 骨架曲線

荷載-位移滯回曲線中各級加載的第一次循環(huán)峰值點的包絡(luò)曲線就是骨架曲線[8]。試件的骨架曲線如圖3所示。從圖3可以看出：

(1)整個試驗中，骨架曲線大致歷經(jīng)無裂縫的彈性上升段、輕微損傷的強化段、損傷穩(wěn)定發(fā)展及急劇發(fā)展的破壞階段4個階段。

圖3 試件的骨架曲線

(2)初始時，骨架曲線近似線性，試件尚處于彈性階段。待試件開裂，剛度逐漸降低，曲線軌跡也呈現(xiàn)彎曲狀。之后，隨加載位移增加，水平荷載升高至峰值后進入下降段，試件的積累損傷不斷加大，其剛度也不斷降低，直至進入負剛度階段。

表2 主要特征荷載及延性系數(shù)

(3)不同后摻率對骨架曲線的影響，如圖3a所示。在彈性上升階段，后摻率10%和20%試件骨架曲線基本重合，均大于未添加后摻骨料的試件；在破壞階段，后摻率10%的試件下降段較為平緩，說明隨后摻率的增加，試件延性耗能呈先增后減的趨勢，說明后摻率10%為最佳。

(4)不同軸壓比對骨架曲線的影響，如圖3b所示。隨著軸壓比的增加，峰值荷載逐漸加大，峰值點曲線下降更為迅速，說明隨軸壓比增加，試件承載力增加，延性變差，強度衰減迅速增加、幅度加大。

3.3 承載能力及位移延性

試件屈服點、峰值點和破壞點及其對應(yīng)的側(cè)向位移、延性系數(shù)等見表2。依照骨架曲線，用能量等效法求試件屈服位移Δy，再按通常規(guī)定取85%的峰值荷載對應(yīng)的位移作為極限位移Δu[9-11]，延性系數(shù)可按式(1)計算，即

μΔ=Δu/Δy

(1)

隨著后摻率的增加，延性系數(shù)呈先增大后減小的趨勢，后摻率20%和10%試件的延性系數(shù)比普通混凝土短柱增加11.54%和10.00%，10%為最佳后摻率，說明適當提高后摻率，有助于提升試件的抗震性能。

延性系數(shù)隨軸壓比的增大持續(xù)降低，軸壓比為0.25時，其延性系數(shù)為2.90，比軸壓比為0.38時高10.69%，比軸壓比為0.45時高13.73%，試件抗震性能隨軸壓比增加而變差，因此，實際工程中必須嚴格控制軸壓比。

3.4 剛度退化

剛度退化是指由于試件材料的累積損傷及彈塑性性質(zhì)，導致試件剛度隨循環(huán)次數(shù)增加而減小[12]。試件剛度可用割線剛度Ki表示，即

(3)

式中，F(xiàn)i、Xi為每級循環(huán)下的峰值荷載和最大位移。

圖4 剛度退化曲線

剛度退化曲線見圖4。由圖4可知，試件剛度隨著荷載的增加而逐漸降低，其原因是隨試件斜裂縫的開展，其損傷不斷積累，混凝土退出工作速率加快，從而導致剛度不斷降低，在屈服前，剛度下降速度較快，屈服后下降趨于平緩。

從圖4a可以看出，隨后摻率升高，剛度退化曲線逐漸陡峭，說明后摻率的升高降低了試件抵抗地震作用的能力。從圖4b可以看出，在軸壓比為0.25時，加載前期剛度退化較快，而在加載后期剛度退化相對平緩，在軸壓比較大時，剛度變化則正好相反。

4 結(jié) 論

通過對后摻骨料混凝土短柱的擬靜力試驗，對試件破壞現(xiàn)象及試驗結(jié)果進行了綜合分析，得出以下結(jié)論：

(1)后摻骨料混凝土短柱均在柱腳塑性鉸區(qū)發(fā)生剪切破壞。滯回曲線大致呈梭形，且“捏縮”現(xiàn)象不明顯，試件達到水平峰值荷載后，水平承載力下降較快，延性相對較差。

(2)后摻率為10%的試件在滯回曲線形態(tài)、延性等各方面均有所改善，抗震性能最佳；后摻率為20%的試件抗震性能略好于未添加后摻骨料的試件，提升后摻率可改善試件抗震性能。隨軸壓比的增加，試件承載力提高，但截面彎曲變形能力減小，延性變差，剛度退化加快。

(3)后摻骨料混凝土短柱抗震性能強于普通混凝短柱，但仍未滿足規(guī)范要求，應(yīng)繼續(xù)探究相應(yīng)措施來改善其抗震性能。