鋼筋鋼纖維高強混凝土柱橫向承載靜力試驗研究
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劉申永， 劉中憲， 徐慎春， 金何偉
（1天津城建大學天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護與加固重點實驗室，天津300384；2天津大學建筑工程學院，天津300072）
[摘要] 通過6根鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的橫向承載靜力試驗，研究了其承載力、剛度、延性及破壞形態(tài)，探討了鋼纖維種類、軸力對其抗彎剪性能、橫向荷載一跨中撓度曲線及延性的影響。試驗結(jié)果表明，鋼纖維的摻入顯著提高了鋼筋混凝土柱的橫向承載力及延性，且超細鋼纖維(MF)的提高效果優(yōu)于螺旋形鋼纖維(TF)。另外，所采用的軸力對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的橫向承載力、剛度及其延性也具有較大的增強作用。
0 引言
鋼筋鋼纖維高強混凝土具有高強度、高韌性、高和易性的優(yōu)異特性，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中，以滿足其日益提高的性能需求。當?shù)卣�、爆炸等荷載作用于建筑時，建筑結(jié)構(gòu)往往承受彎矩和剪力的共同作用，進而產(chǎn)生彎剪型破壞。因此研究鋼筋鋼纖維高強混凝土構(gòu)件的抗彎剪破壞性能就顯得尤為重要。
國內(nèi)外眾多學者對鋼筋鋼纖維高強混凝土構(gòu)件的抗彎剪性能進行了研究。例如，林濤等運用三分點抗彎試驗，對鋼筋鋼纖維高強混凝土構(gòu)件的抗彎性能進行了研究，研究表明，鋼筋鋼纖維高強混凝土構(gòu)件的開裂荷載、極限荷載和受壓區(qū)邊緣最大應(yīng)變都隨鋼纖維的含量的增大而提高；劉蘭等通過6根鋼筋鋼纖維高強混凝土構(gòu)件的抗彎性能試驗，研究了普通鋼筋高強混凝土構(gòu)件摻入鋼纖維后的破壞形態(tài)和受力性能。Ashour S A等對鋼筋鋼纖維高強混凝土構(gòu)件的抗彎、抗剪性能進行了研究，結(jié)果表明，鋼纖維顯著提高了混凝土構(gòu)件的韌性，抑制了裂縫的發(fā)生和開展，改善了構(gòu)件的破壞形式。Nagashima T等進行了高強混凝土柱在軸壓力下的力學性能試驗，研究結(jié)果表明，高強混凝土的強度和延性不受縱筋的屈服強度和縱筋數(shù)量的影響。Qian Chunxiang等通過抗彎試驗比較了普通高強混凝土構(gòu)件與鋼纖維超高強混凝土構(gòu)件的抗彎性能，試驗結(jié)果表明，與普通高強混凝土構(gòu)件相比，鋼纖維超高強混凝土構(gòu)件的初始抗彎強度及峰值荷載后延性有顯著提高。
綜上所述，現(xiàn)有研究多采用三分點加載試驗以研究鋼筋鋼纖維高強混凝土構(gòu)件在純彎狀態(tài)下的力學性能，而對處于彎剪切共同作用下鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的力學性能研究較少。本文通過6根鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的橫向承載靜力試驗，以橫向力近似模擬爆炸荷載，作用于柱子中部，簡化研究爆炸荷載對混凝土柱的影響，研究了鋼纖維種類及軸力對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱抗彎剪性能的影響（注意這里的彎剪復合作用是近似模擬爆炸荷載作用特點，同地震作用下的柱端部彎剪復合破壞在破壞形式上有很大差別），以期能夠為鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的推廣應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，同時可為類似參數(shù)設(shè)計構(gòu)件的野外爆炸試驗提供數(shù)據(jù)參照。另外需指出的是，本文研究所采用的鋼纖維混凝土材料抗壓強度達到150MPa以上，以往關(guān)于這種強度水平的研究相對較少。
1 試驗設(shè)計
1.1試驗材料
為準確獲得鋼纖維超高強混凝土力學性能參數(shù)，對其進行了標準試件抗壓試驗和抗折試驗，試驗結(jié)果如表1所示。
縱筋采用PSB1080鋼筋，為準確獲得鋼筋的材料力學性能參數(shù)，對其進行了拉拔試驗，試驗結(jié)果如表2所示。
1.2試件制作與養(yǎng)護
本試驗制作了6根鋼筋鋼纖維高強混凝土柱，試件構(gòu)造如圖1所示，縱筋直徑為lOmm，箍筋直徑為8mm，保護層厚度為35mm。試件參數(shù)見表3。
采用鋼制模具澆筑，同時澆筑同條件標準試塊，自然養(yǎng)護24h后拆模，進行48h熱水浴養(yǎng)護，取出后進行自然養(yǎng)護，直至試驗開始。
1.3試驗方法
本試驗在天津城建大學結(jié)構(gòu)實驗室進行，試件工況如表3所示。采用1 000t自平衡加載系統(tǒng)進行加載，在跨中處設(shè)置1個位移計并沿截面高度等間距布置5個縱向應(yīng)變片，同時，在左右1/4跨部位分別設(shè)置一個位移計并沿截面高度等間距布置3個縱向應(yīng)變片，具體試驗裝置如圖2所示。
試驗開始前，進行精確的幾何對中及物理對中，并通過預加載減小加載誤差。試驗開始時，通過豎向作動器在試件跨中直接進行橫向加載，采用力一位移混合控制加載方式，加載時首先采用加載速率為5 kN/min的力控制加載，加載至50kN后，改為位移控制加載，加載速率為0.2mm/min，荷載到達峰值后改為0.1 mm/min，直至試件完全破壞。
2 試驗結(jié)果及其分析
2.1試驗結(jié)果及破壞形態(tài)分析
橫向承載力、極限彎矩及跨中撓度試驗結(jié)果匯總于表4。由試驗獲得的試件破壞形式如圖3所示。
由圖3可以看出，無軸力時，試件（SJ-1，SJ3，SJ-5）破壞形式為試件跨中拉伸貫通型主裂縫破壞，摻加了鋼纖維的試件（SJ-1，SJ-3）在貫通主裂縫周圍均勻分布著多條非貫通小裂縫。有軸力時，試件（SJ-2，SJ-4）為斜剪貫通主裂縫，主裂縫從試件底延伸至加載點處。上述試件破壞現(xiàn)象與理論分析相吻合。
2.2抗彎剪性能分析
2.2.1鋼纖維類型對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱抗彎剪性能的影響
鋼纖維種類對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱抗彎剪性能的影響見圖4，由圖4可以看出，鋼纖維的摻入大幅改善了鋼纖維高強混凝土柱的抗彎剪性能。例如，由圖4(c)，(d)可以看出，當N=1 000kN時，與沒有摻加鋼纖維( NoF)試件相比，摻入TF及MF對試件橫向承載力的提高幅度分別為67.9%和95. 6%，對極限彎矩的提高幅度分別為68.0%和95.5%。
此外，無論有無軸力的影響，MF對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱抗彎剪性能的增強作用明顯優(yōu)于TF:當無軸力影響時，MF對橫向承載力和極限彎矩的增強作用比TF分別高出了9.3%和9.5%；當N=1000kN時，MF對橫向承載力和極限彎矩的增強作用比TF分別高出了16. 5%和16.3%。
出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是：鋼纖維與混凝土之間的黏結(jié)力使鋼纖維與混凝土共同承受荷載。隨著荷載的不斷增大，鋼筋鋼纖維高強混凝土柱內(nèi)部微缺陷不斷發(fā)展，最終形成宏觀裂縫，可認為此時承載力達到最大值。在承載力達到最大值的過程中，鋼纖維被不斷拔出或拔斷，因此消耗了很多能量，從而提高了試件承載力。另外，鋼纖維的存在對混凝土介質(zhì)中微裂紋的擴展具有一定的約束作用，從而提高了材料的極限強度和延性。而超細鋼纖維增強效果更優(yōu)的主要原因在于這種鋼纖維長度較短，在摻加率相同的情況下，其數(shù)量更多，對于混凝土內(nèi)部微裂縫的約束作用更強。
2.2.2軸力對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱抗彎剪性能的影響。
軸力對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱抗彎剪性能的影響見圖5，由圖5可以看出，軸力提高了鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的抗彎剪承載力：對于TF而言，有軸力試件(N=1 000kN)比無軸力試件(N =OkN)的橫向承載力提高了86.9%，極限彎矩提高了87.1%；對于MF而言，有軸力試件(N=1 000kN)比無軸力試件(N= OkN)橫向承載力提高了99%，極限彎矩提高了98.9%。
產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因為：在加載初始階段，由于軸力的存在使得試件全截面受壓，沒有產(chǎn)生受拉區(qū)；隨著橫向荷載的增大，在截面底部由橫向力及軸向力P-△效應(yīng)引起的截面拉應(yīng)力逐漸大于由軸力引起的截面壓應(yīng)力，截面隨即產(chǎn)生受拉區(qū)，此過程中需要較大的橫向力，因此有軸力試件的橫向承載力得到了大幅提高。
2.3橫向荷載一跨中撓度曲線及位移延性系數(shù)分析
試驗獲得橫向荷載一跨中撓度曲線如圖6所示。由圖6可以看出，鋼筋鋼纖維高強混凝土柱在橫向荷載作用下的荷載一跨中撓度曲線大致可以分為如下三個階段：
(1)彈性階段。在70%極限荷載之前，試件撓度的增長與橫向荷載的增長成線性比例，鋼筋和鋼纖維混凝土處于彈性受力階段，受拉區(qū)混凝土尚未開裂。
(2)彈塑性階段。在70%~90%極限荷載階段，試件明顯屈服，進入彈塑性階段，試件中部受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫。隨著橫向荷載的增加，試件裂縫不斷發(fā)展，截面中性軸逐漸向受壓區(qū)偏移。
(3)塑流階段。隨著荷載的進一步增長，截面中性軸繼續(xù)向受壓區(qū)偏移，裂縫發(fā)展更加迅速，受拉區(qū)鋼纖維被拔斷或拔出，鋼筋也進入塑性階段。
2.3.1鋼纖維種類對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱橫向荷載，跨中撓度曲線的影響
鋼纖維種類對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱橫向荷載一跨中撓度曲線的影響見圖7，由圖7可以看出，鋼纖維對于試件剛度的增強作用并不顯著，但對試件的橫向承載力的提高作用十分顯著，其中，MF的提高作用又優(yōu)于TF。例如，在N=1 000kN時，與無鋼纖維( NoF)試件相比，MF和TF對橫向承載力的提高幅度分別為95. 6%及67.9%。
此外，曲線下降段也與鋼纖維種類密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為：與無鋼纖維( NoF)試件相比，有鋼纖維試件曲線下降度更為平緩，同時，摻有MF的試件比摻有TF的試件曲線下降段更平緩，體現(xiàn)出了更好的延性。
2.3.2軸力對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱橫向荷載一跨中撓度曲線的影響
由圖8可以看出，有軸力的試件橫向承載力比無軸力時大：摻有TF的試件有軸力時橫向承載力比無軸力時高約86. 9%；摻有MF的試件有軸力時橫向承載力比無軸力時高約99%。
有軸力時(N=1 000kN)試件橫向荷載一跨中撓度曲線斜率比無軸力時(N=OkN)大，可以說明軸壓提高了試件的抗橫向力剛度。
產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因可能是：在彈性階段，由于加載端的存在，軸壓約束了橫向撓度的發(fā)展，故而使得試件橫向荷載．跨中撓度曲線表現(xiàn)出在較小的撓度范圍內(nèi)迅速達到最大值。
2.3.3鋼纖維種類及軸力對鋼筋鋼纖維高強混凝土柱抗彎剪延性的影響
位移延性系數(shù)Fd為試件極限位移與彈性極限位移的比值。本文定義Fd為殘余承載力為60%橫向承載力時所對應(yīng)的位移△r0.6與彈性極限位移△r0.6之比：
位移延性系數(shù)隨鋼纖維種類及軸力變化見圖9，由圖9可以看出，鋼纖維的摻人大幅提高了鋼筋鋼纖維高強混凝土柱的抗彎剪延性，例如，在N=1000kN時，摻有TF和MF的試件延性系數(shù)分別比無鋼纖維試件提高了約76. 4%和116%。同時，軸力也提高了試件的延性，例如摻加了MF的試件，當N=1 000kN時，其位移延性系數(shù)比無軸力時提高了約37.3%。
3 結(jié)論
(1)鋼纖維能夠顯著提高鋼筋鋼纖維高強混凝土柱橫向承載力，且超細鋼纖維( MF)的提高效果優(yōu)于螺旋形鋼纖維( TF)。例如，當N=1 000kN時，與沒有摻加鋼纖維( NoF)的試件相比，TF及MF對橫向承載力的提高幅度分別為67.9%和95.6%。
(2)無論摻加鋼纖維與否，在無軸力時，試件破壞形式均為跨中拉伸型貫通主裂縫破壞。但摻加了鋼纖維的試件在貫通主裂縫周圍均勻分布著多條非貫通小裂縫，表明其耗能效果和延性更好。有軸力時，試件為斜剪貫通主裂縫。
(3)與普通鋼筋混凝土柱橫向荷載一跨中撓度曲線相似，鋼筋鋼纖維高強混凝土柱橫向荷載一跨中撓度曲線也分為三個階段：彈性階段、彈塑性階段以及塑流階段。但相較而言，鋼筋鋼纖維高強混凝土柱承載力和剛度更大，延性更好。
(4)本文所采用的軸壓加載方式，在一定范圍內(nèi)會約束柱體橫向撓度的發(fā)展，進而提高試件的橫向承載力、剛度及其延性。
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