型钢-钢纤维高强混凝土柱抗震性能试验研究

张海坤 ，高志杰 ，孔 炯 ，丁 伟 ，陶清林

(1.安徽工业大学 建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032；2.中国十七冶集团有限公司 技术中心,安徽 马鞍山 243000)

型钢混凝土是在混凝土内配置型钢形成的一种组合结构，因其具有承载力高、刚度大、防火防腐性能佳等优点而被广泛用于大跨、高层建筑结构中。将型钢混凝土构件中的普通混凝土升级为高强混凝土，能够有效提高构件轴向、抗剪承载力，但由于高强混凝土的拉压比较低，导致型钢高强混凝土构件脆性明显，影响构件的抗震性能[1-2]。研究[3]表明在混凝土中掺入纤维可避免出现脆性破坏形态，提高混凝土的延性。因此，国内外众多学者关注纤维混凝土方面的应用研究。

常见的纤维有柔性纤维及刚性纤维[4-5]。柔性纤维如聚丙烯纤维、PVA 纤维等可缓解混凝土的干燥收缩，提高混凝土的受压、抗弯承载力和抗裂性能[6-9]。Dong 等[10]、Fischer 等[11]用PVA 纤维增强复合材料代替普通混凝土制备型钢-混凝土组合构件，发现组合构件具有较高的承载能力和较大的变形能力；邓明科等[12]研究发现，加入PVA 纤维的型钢混凝土短柱变形能力明显高于普通型钢混凝土构件。刚性纤维如钢纤维、玄武岩纤维等在提高混凝土抗压强度和抗弯强度的同时，还可改善混凝土的延性性能[13-15]。吴鹏[16]、陈宝全[17]研究发现，添加钢纤维可显著增强混凝土的力学性能、明显改善混凝土的变形性能且经济性好。相较于柔性纤维，钢纤维混凝土的抗弯强度、承载力、延性等力学性能更好且制备成本低，但目前国内外学者关于钢纤维在型钢混凝土组合结构应用方面的研究不多，且多集中于受弯构件。伍凯等[18]针对型钢-钢纤维混凝土组合梁受弯构件的承载力研究发现，钢纤维可替代部分箍筋作用，钢筋骨架的配置能够增强纵筋；Tao 等[19]研究发现，加入钢纤维可有效改善高强混凝土的脆性，型钢-钢纤维高强混凝土受弯构件表现出较高的开裂和极限承载能力。为探索钢纤维对型钢-高强混凝土柱抗震性能的影响，通过开展型钢-钢纤维高强混凝土柱往复加载试验，分析钢纤维掺量对型钢-高强混凝土柱变形能力、承载力、延性等的影响。

1 试 验

1.1 试件设计

设计的型钢-钢纤维高强混凝土柱的截面尺寸为160 mm×240 mm，高度为870 mm，剪跨比为3.27；型钢为Q235 级H 型钢H12.6(H126 mm×74 mm×6 mm×8 mm)，含钢率为4.7%；纵筋为HRB335 钢按4 10 配置，箍筋按6@60 配置(配箍率1.38%)，轴压比设计值为0.28，截面尺寸及配筋见图1。

图1 试件截面尺寸及配筋 单位：mmFig.1 Sectional size and reinforcement of specimen Unit: mm

1.2 试件制备

1.2.1 混凝土的制备

本试验中所用混凝土为C80 高强混凝土，采用二次合成法配比制备。原料为：水泥，P.O 52.5 级普通硅酸盐水泥；钢纤维，铣削波浪形，体积分数分别为0，0.5%，1.0%，2.0%；粉煤灰，Ⅰ级；硅灰，粒径0.15 μm的加密硅灰；细骨料，中粗沙(连续级配)；粗骨料，粒径5～10 mm 的碎石；减水剂，高性能聚羧酸减水剂(减水率40%)，具体配合比如表1。混凝土制备过程中预留一组立方体抗压试件和哑铃形抗拉试件，与试件同条件养护28 d 测得的抗压、抗拉强度见表2。表2 表明制备的混凝土为C80 高强混凝土。

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

表2 混凝土试块的实测强度Tab.2 Measured strength of the concrete test blocks

1.2.2 型钢-钢纤维高强混凝土柱的制作

按照上述设计参数对型钢-钢纤维高强混凝土柱的柱身和支座型钢进行焊接，并在型钢外围绑扎钢筋笼，对其进行支模后进行混凝土浇筑，每次浇注高度不超过50 cm，边浇筑边用插入式振动器振捣，每次振捣3～5 min 且不触动钢筋。浇筑完成后对型钢-钢纤维高强混凝土柱进行恒温保湿养护，将体积分数为0，0.5%，1.0%，2.0%钢纤维的型钢-钢纤维高强混凝土柱分别记作C-0.0，C-0.5，C-1.0，C-2.0 试件。型钢-钢纤维高强混凝土柱制作过程如图2。

图2 型钢-钢纤维高强混凝土柱的制作过程Fig.2 Manufacturing process of steel reinforced high-strength concrete column with steel fiber

1.3 加载试验

对型钢-钢纤维高强混凝土柱试件进行低周往复加载试验，通过地锚螺栓固定试件基础底座，加载装置示意图如图3。由50 t 液压千斤顶施加竖向压力，在千斤顶与反力架平衡梁之间设置滑车以保证竖向荷载处于试件中心，并通过千斤顶上荷载传感器测量竖向轴压力；由100 t 电液伺服作动器施加并记录水平荷载；在柱顶及柱身中部放置2 个位移计测量水平位移。测试前，对试件进行预加载以检测加载装置能否正常运行，检测完毕对柱顶逐步施加轴向压力至500 kN，并保持恒定。水平方向以增量为2 mm(约 0.2Δy，Δy为试件屈服时柱顶对应的位移)的位移控制方式施加往复荷载，试件屈服前往复循环1 次；试件屈服后往复循环3 次，直到水平荷载降至峰值荷载的70%～85%，混凝土出现明显剥落时停止加载。

图3 试验加载装置示意图Fig.3 Schematic diagram of test loading device

2 结果与分析

2.1 试件的破坏过程与破坏形态

钢纤维体积分数在0～2.0%范围内，不同掺量钢纤维的型钢高强混凝土柱试件在低周往复加载试验过程的破坏过程大体相同：水平位移荷载加载初期(0～2 mm)，不同掺量钢纤维的试件基本处于弹性阶段，表面未见裂缝；水平位移增至2～4 mm 时，柱底开始出现水平裂缝，进入带裂缝工作状态，但钢纤维试件比无钢纤维试件的开裂时间稍晚，作动器反向加载时，柱的另一侧出现类似的对称水平裂缝；继续增加水平位移(4～8 mm)，水平裂缝开始延伸，发展至型钢翼缘时，受型钢翼缘的约束，裂缝开始有斜向发展的趋势，但发展速度缓慢；水平位移增至8～20 mm 时，水平裂缝继续发展，竖向钢筋和型钢翼缘相继受拉屈服，表面混凝土开始剥落，此时由于钢材的强化效应和型钢翼缘核心区混凝土的咬合作用，承载力仍可继续增加，直至达到峰值荷载；继续增加水平位移(20～30 mm)，柱两侧水平裂缝逐渐贯通，柱表面混凝土破坏明显，试件内部发出劈裂声，承载力开始逐步下降，纵筋和型钢大面积屈服，由于钢纤维的作用，钢纤维型钢混凝土柱比无钢纤维型钢高强混凝土柱承载力衰减速度缓慢；当承载力下降至峰值荷载的85%左右时，混凝土出现大面积剥落，所有试件均发生弯曲破坏，破坏形态如图4。

图4 试件破坏形态Fig.4 Failure mode of specimens

综上看出：无钢纤维试件混凝土脱落现象最严重，钢纤维体积分数在0～2.0%范围内，随着钢纤维掺量的增大，混凝土剥落现象得到明显改善。

2.2 钢纤维掺量对试件抗震性能的影响

2.2.1 荷载-位移滞回性能

滞回曲线可反映钢纤维型钢高强混凝土柱的刚度、强度、延性及耗能能力等性能[20]。钢纤维体积分数在0～2.0%范围内，不同钢纤维掺量试件往复循环加载下的荷载-位移滞回曲线如图5。从图5 可看出：试件均表现出良好的耗能能力，无钢纤维试件的滞回曲线呈弓形，有一定的捏缩现象，钢纤维试件的滞回曲线呈梭形，耗能能力明显更佳，且随钢纤维掺量的增加越趋饱满；循环加载时，无钢纤维试件滞回环出现的退化现象显著增加，钢纤维试件的滞回环退化现象不明显；达最大峰值荷载后，相对于无钢纤维试件，钢纤维试件承载力下降缓慢，可承受的循环加载次数更多。综上说明，型钢-钢纤维高强混凝土柱表现出良好的耗能能力，这是由于混凝土内部分散的钢纤维能有效抑制和延缓混凝土微裂缝的发展，改善了混凝土的脆性性能。

图5 试件荷载-位移滞回曲线Fig.5 Load-displacement hysteretic curve of specimen

2.2.2 变形能力和承载力

骨架曲线是滞回曲线的外包线，反映构件刚度、强度和延性等力学特性[21]。钢纤维体积分数在0～2.0%范围内，不同钢纤维体积掺量试件的骨架曲线如图6。从图6 可看出，不同钢纤维体积掺量试件的骨架曲线大致分为弹性、开裂、屈服和下降4 个阶段。加载初期，试件处于弹性阶段，相较无钢纤维试件，钢纤维试件的刚度均有所降低，但降幅随钢纤维掺量的增加而减小。这是由于随钢纤维与基体混凝土间界面数增加，水泥浆料间流动增加，导致刚度减小，但钢纤维与基体混凝土间的黏结力增强了试件的横向约束。钢纤维掺量较少时，水泥浆料间流动大于钢纤维横向约束作用，试件刚度降幅明显；随钢纤维掺量的增加，钢纤维横向约束作用逐渐抵消水泥浆料间流动效应，试件刚度有所提高，降幅减小。增加水平位移荷载，试件进入带裂缝工作状态，骨架曲线曲率发生变化，钢纤维试件开裂荷载较无钢纤维试件均有所提高，这是因为钢纤维具有增韧作用，抑制了裂缝的发展，提高了试件的开裂强度。水平位移荷载增至受拉区钢筋屈服，试件进入屈服阶段，相较无钢纤维试件，钢纤维试件承载力均增大，增幅为13%～21%，其中钢纤维体积分数为1.0%时增幅最大。这是因为钢纤维掺量过多时，包裹于钢纤维周围的基体材料变薄，降低钢纤维和混凝土之间的黏结力，钢纤维体积分数大于1.0%后，承载力出现小幅下降。水平位移荷载继续增加至峰值荷载后，骨架曲线进入下降段，相较无钢纤维试件，钢纤维试件曲线的下降趋势更平滑，承载力衰减幅度更小，极限位移更大。这是因为钢纤维与骨料间的咬合作用可延缓试件破坏的速度，且钢纤维吸收了部分往复荷载的能量，使其缓慢释放。

图6 试件骨架曲线Fig.6 Skeleton curve of specimen

一般认为当试件受力筋屈服时试件进入屈服状态，实际试验中难以明确屈服点位置，因此文中采用等效弹塑性能量法[22]确定试件的屈服点。如图7 所示，当阴影区A1和A2的面积相等时，定义D点为屈服点，且将承载力下降至峰值荷载的85%时，定义为破坏点(C点)，对应的荷载为破坏荷载，由此得到试件各阶段承载力，见表3。从表3 可看出：与无钢纤维试件相比，钢纤维试件的屈服荷载随钢纤维掺量的增大呈先增后减的趋势，钢纤维体积分数增至1.0%时，屈服荷载增幅最大，平均增幅为21.43%；钢纤维试件的峰值荷载和破坏荷载随钢纤维掺量的增大而增大，钢纤维体积分数为2.0%时，增幅最大，为24.24%。综上表明：钢纤维掺量(体积分数为0～1.0%)较少时，试件承载力增强效应较明显；钢纤维掺量(体积分数为2.0%)达到一定量后，试件承载力增强效应趋于稳定。

图7 等效弹塑性能量法Fig.7 Equvialent elasto-plastic energy method

表3 试件承载力Tab.3 Bearing capacity of specimen

2.2.3 延性性能

延性是指结构或构件屈服后可继续承担荷载并保持一定变形的能力，可采用位移延性系数 µ表征试件的延性性能[23]，µ=Δu/Δy，Δu为试件的名义极限位移，取试件水平承载力降低到最大承载力85%时对应的水平位移；Δy为试件的屈服位移，试验中试件的位移延性系数见表4。由表4 可看出：钢纤维试件延性系数均在3.4 以上，均表现出良好的延性；试件延性随钢纤维掺量的增加而增大，C-2.0 试件的延性系数达5.344；无钢纤维试件正反向屈服位移相差较大，而钢纤维试件正反向屈服位移较为接近。钢纤维对型钢高强混凝土柱的延性增强主要有体现在两方面：钢纤维具有良好的增韧效果，改善了混凝土的韧性，混凝土的变形能力显著提高；钢纤维具有阻裂性，可延迟混凝土的开裂时间，当混凝土出现裂缝时，钢纤维承担了混凝土释放的应力，限制了裂缝的发展，且一定范围内钢纤维掺量越高，这种增强作用愈明显。

表4 试件的位移延性系数Tab.4 Displacement ductility coefficient of specimen

2.2.4 强度衰减

强度衰减指位移控制加载时试件的水平荷载随加载次数的增多而下降的现象，通常用某一级位移控制下第n次循环的最大荷载与第一次循环的最大荷载比Fn/F1表示[24]。图8 为不同钢纤维试件的强度衰减曲线。由图8 可知：钢纤维试件强度衰减速率比无钢纤维试件小，可循环次数多，抗震性能更佳；随钢纤维掺量的增大，试件强度衰减逐渐变缓，循环加载次数增加，控制位移增大，型钢-钢纤维高强混凝土柱的控制位移超过了40 mm；在变形较大的情况下，试件的强度衰减从28%降为16%，型钢-钢纤维高强混凝土柱强度衰减更缓慢；同级位移加载条件下，钢纤维试件强度衰减程度更小，如控制位移同为27 mm 时，无钢纤维试件强度衰减为28%，而纤维体积分数为1.0%的强度衰减仅为7%。由此说明加入钢纤维对延缓试件强度衰减效果明显，试件抗震性能更好。

图8 试件的强度衰减曲线Fig.8 Intensity attenuation curve of specimen

3 结 论

通过分析4 种钢纤维掺量的型钢高强混凝土柱试件在低周往复荷载作用下的破坏过程与破坏形态，揭示钢纤维掺量对型钢高强混凝土柱抗震性能的影响，得到以下结论：

1) 钢纤维的加入可改善型钢-钢纤维高强混凝土柱混凝土大面积剥落现象，裂缝发展缓慢、分布细密，这是由于混凝土内部分散的钢纤维能有效抑制和延缓混凝土微裂缝的发展，改善混凝土的脆性。

2) 钢纤维的加入可增强试件的滞回性能、变形能力、承载力、延性性能，降低试件的强度衰减。钢纤维具有良好的增韧效果，加入钢纤维可增强试件的韧性，显著提高试件的变形能力；钢纤维具有阻裂性，可延迟混凝土的开裂时间，一定范围内钢纤维掺量越高，这种作用越明显。