冻融环境作用下RC剪力墙抗震性能试验

秦　卿,郑山锁,甘传磊,杨　威

(西安建筑科技大学 土木工程学院，710055西安)



冻融环境作用下RC剪力墙抗震性能试验

秦卿,郑山锁,甘传磊,杨威

(西安建筑科技大学 土木工程学院，710055西安)

摘要:为了解冻融环境作用下RC剪力墙的抗震性能，采用人工气候实验室对6片剪跨比为2.14的RC剪力墙试件进行冻融循环模拟试验，而后对其进行拟静力加载试验，得到了不同混凝土强度等级和不同冻融循环次数下冻融试件的滞回曲线，绘制出各个试件的骨架曲线，分析了混凝土强度和冻融循环次数对冻融试件强度、刚度、延性、耗能能力等抗震性能指标的影响.结果表明:相同混凝土强度的RC剪力墙随冻融循环次数的增加，承载力、位移延性系数和塑性转角显著降低，强度衰减和刚度退化幅度增大，累积耗能不断减小，抗震性能降低；经相同次数冻融循环的RC剪力墙随混凝土强度等级的提高，承载力和累积耗能增加，强度衰减和刚度退化幅度降低，而延性则先增加后减小，说明提高混凝土强度等级可改善冻融后RC剪力墙的抗震性能.

关键词:冻融环境；人工气候试验；RC剪力墙；抗震性能；拟静力试验

中国东北、华北和西北地区由于冬季持续时间长，温度低，昼夜温差大，导致该地区的水工、港口、铁路、桥涵以及工业和民用建筑等混凝土结构都存在不同程度的冻融剥蚀破坏[1]，严重影响了建筑物的长期使用和正常安全运行[2].同时，该地区时有地震发生，而目前对冻融环境作用下RC构件的抗震性能研究相对较少，从而不能准确判断经冻融循环后各类RC构件的抗震性能.

近年来，国内外学者通过大量试验对混凝土材料及构件在冻融循环作用下的静力力学性能进行研究[2-9].文献[2-4]通过碟簧耗能装置得到了经冻融循环后完整的混凝土应力-应变全曲线，并对冻融后的RC梁、柱构件进行了静力加载试验，随冻融循环次数的增加，RC柱由大偏心受压破坏转变为小偏心受压破坏，而RC梁则由适筋破坏逐渐转变为超筋破坏；文献[5]提出了无约束混凝土和约束混凝土经冻融作用后的应力-应变全曲线方程；文献[6]认为孔隙率影响混凝土的强度和抗冻性；文献[7]试验研究了冻融、锈蚀环境下以及在二者共同作用下RC梁的受弯性能，总结了在不同环境下RC梁的承载力、挠度、钢筋应变和裂缝开展情况等的变化规律；文献[8]通过试验研究了冻融深度和冻融位置对RC梁受力性能的影响，研究表明无论RC梁受压一侧还是受拉一侧随冻融深度的增加，承载力、初始刚度、变形都不断减小，且受压一侧受冻融影响较为显著.

剪力墙由于其良好的抗侧力能力被广泛应用于多、高层及核电站等建筑物中.文献[9]对纤维增强混凝土剪力墙的抗震性能进行了系统的试验研究；文献[10]通过OpenSees开源软件开发了可分别考虑钢筋和混凝土的非线性循环桁架模型对RC剪力墙进行了数值分析，充分考虑了RC剪力墙的剪切变形，与试验符合较好；文献[11]则通过电化学腐蚀方法对2片低矮RC剪力墙进行锈蚀，然后再对其进行拟静力试验，与完好试件进行对比.目前对冻融环境作用下RC剪力墙抗震性能的试验研究尚未发现.本文采用人工气候环境模拟技术实现RC剪力墙试件的快速冻融试验，进而对冻融循环后的试件进行拟静力加载试验，探讨在冻融环境作用下，冻融循环次数和混凝土强度等级对RC剪力墙抗震性能的影响.

1试验概况

1.1试件设计与制作

表1　RC剪力墙试件参数

注：表中及本文涉及的轴压比均为试验轴压比.

图1　RC剪力墙试件尺寸及配筋(mm)

MPa

表3　钢筋力学性能　MPa

1.2人工气候快速冻融试验方案

文献[3-4]采用“快冻法”[13]对RC梁、柱试件进行了不同程度的冻融循环，然而实际环境中很少会出现完全水冻水融的状况，同时由于本文设计试件尺寸较大，冻融试验箱尺寸限制而无法采用冻融效果较好的“快冻法”,故采用人工气候实验室对RC构件进行冻融循环试验.

为了使试件在人工气候实验室能较好且快速实现冻融损伤，在试件28 d养护龄期后，置于水中浸泡4 d使试件处于饱水状态，然后将其放置于实验室内开始冻融循环，并且在每次冻融循环开始前将试件喷淋润湿，人工气候环境参数见图2.

图2　人工气候环境参数设定

制作C30、C40和C50级混凝土棱柱体试件各一组(一组3个)，用以测量不同冻融循环次数后混凝土质量和相对动弹模量的损失，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm.另外，每一种强度等级的混凝土制作3组(一组3个)100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，用以测量不同冻融循环次数后混凝土的抗压强度.同时，为防止试件加载梁和基座因冻融循环作用而影响剪力墙的破坏形态，试件采用墙体与基座分离二次浇注，待冻融循环完成后再与基座进行浇注.

1.3试验加载装置与制度

RC剪力墙试件在进行人工气候环境冻融循环后，在西安建筑科技大学结构抗震试验室进行拟静力试验，采用悬臂梁式加载方案，加载装置见图3.试验时，首先施加竖向荷载，达到试件的设计轴压比，并在试验过程中保持不变.然后再由100 t电液伺服作动器对试件施加往复水平荷载，加载点位于加载梁的中心.

采用荷载-位移混合控制的加载制度.即试件达到屈服荷载前，采用荷载控制并分级加载，各级荷载增量为±30 kN，每级控制荷载往复循环一次；试件加载至屈服荷载后，以屈服位移的倍数为级差进行位移控制加载，每级控制位移循环3次；当RC剪力墙试件承载力下降到峰值荷载的85%之后或试件破坏明显时停止加载.试验加载制度示意见图4.

图3　试验装置

图4　加载制度示意

2冻融试验结果与分析

2.1冻融试验现象

经人工气候实验室冻融循环100次后，沿暗柱纵筋方向的混凝土保护层表面出现不同程度的冻胀裂缝，裂缝主要集中于墙体边缘，见图5(a)；经冻融循环200后，冻胀裂缝增多，暗柱边缘裂缝开始变宽，并向中间延伸，裂缝主要集中于墙体的四周，棱角处有少量骨料露出，见图5(b)；经冻融循环300次后，原有裂缝继续变宽、延伸，中间裂缝呈网状分布，边、角处混凝土开始疏松，部分骨料和砂浆发生剥落，见图5(c).从裂缝出现在墙体不同部位的先后顺序来看，暗柱和墙体分布钢筋对冻胀裂缝的开展有明显约束作用，可延缓冻融循环作用对试件造成的破坏.

图5　RC剪力墙试件冻融后的表观现象

2.2质量损失率和相对动弹性模量

图6、7给出经人工气候实验室冻融循环后棱柱体试块的质量损失率Δm和相对动弹性模量ΔEd与冻融循环次数n的关系曲线.从图6可看出，与文献[3-4]得出的规律类似，随着混凝土强度等级的增加，冻融质量损失率相对减小；同时，经历50次冻融循环后，混凝土质量略有增加，主要是由于冻胀导致混凝土内部孔隙含水量的增加大于冻融损失的质量；不同之处在于C40棱柱体试块经历300次冻融循环后质量损失仅为2.35%，并没有完全冻坏(一般认为质量损失率达到5%即为冻坏[14])，说明人工气候实验室模拟冻融环境较水冻水融方法缓慢，与实际环境较为相符.从图7可看出，随冻融循环次数增加，相对动弹性模量逐渐减小，且随混凝土强度等级提高减小的幅度不断降低.

图6质量损失率与冻融循环次数关系曲线

图7　相对动弹性模量与冻融循环次数关系曲线

2.3抗压强度

图8　混凝土相对强度与冻融循环次数关系曲线

3抗震性能试验结果与分析

3.1试件破坏过程及破坏形态

对于完好试件SW-3，当水平推力达到120.16 kN，顶点位移为2.64 mm(位移角δ=1/543)时，试件西侧端部约束区下方出现第一条细微的水平裂缝；随荷载继续增加，暗柱边缘水平裂缝不断向上发展，并且向腹板开展、延伸，与水平方向呈30°夹角；顶点位移达到7.31 mm(位移角δ=1/205，记为Δy)时，P-Δ曲线偏离直线，墙体暗柱纵筋屈服，构件开始屈服，改为位移控制加载.随着位移幅值的增大，墙体中下部出现较多新的剪切斜裂缝，原有斜裂缝继续延长、贯通并加宽；顶点位移达到19.22 mm(位移角δ=1/78)时，与斜裂缝相交的横向分布钢筋屈服，试件达到峰值荷载；继续加载，东侧端部约束区下方的纵筋受压屈曲，脚部混凝土压碎、剥落，试件破坏；试件呈典型的弯剪破坏，见图9(c).

对于冻融循环次数不同的试件SW-4、SW-5和SW-6，破坏特征随冻融次数的增加不尽相同.冻融100次的试件SW-4，最终破坏时墙体两侧端部约束区下方的纵筋均受压屈曲，可听见明显的劈裂声，混凝土被压碎，见图9(d)；冻融200次的试件SW-5，冻融损伤深度超过混凝土保护层厚度，破坏时墙体分布钢筋约束区内的部分混凝土与保护层一起剥落，塑性铰高度达到35 cm，见图9(e)；冻融300次的试件SW-6，试件屈服后，墙体底部50 cm高的区段内出现大量交错的短裂缝，见图9(f)，且随着位移幅值的增加，短裂缝相互贯通，墙体沿横截面法线方向的钢筋全部受压屈曲墙体端部混凝土突然被压碎，墙体高度骤然降低，试件丧失承载力，属于脆性破坏.

图9　试件加载破坏后的照片

对于混凝土强度不同的试件SW-1、SW-2和SW-4，都经历了100次的冻融循环，均发生了弯剪破坏.SW-1的混凝土强度为C30，墙体开裂较早，随着位移幅值的增大，墙体较早出现了剪切斜裂缝，墙体两侧端部约束区下方的纵筋均受压屈曲，角部的混凝土被压碎、剥落，剪切变形较为严重，见图9(a)；SW-2的混凝土强度为C40，破坏时墙体东侧端部约束区下方的纵筋受压屈曲，角部的混凝土被压碎、剥落，剪切变形较SW-1相对减小，见图9(b)；SW-4破坏过程已在上文叙述，其剪切变形较SW-2也相对减小.

3.2滞回曲线

根据试验测得6片RC剪力墙试件的P-Δ滞回曲线，见图10.分析可知，经人工气候实验室冻融环境作用下不同混凝土强度和不同冻融循环次数试件的滞回曲线有如下特点：

1)冻融100次的试件SW-1、SW-2和SW-4，开裂之前，滞回曲线呈线性关系，且随混凝土强度增加，斜率不断增大；开裂后，滞回环的丰满程度和面积随混凝土强度的提高而不断增大，峰值荷载也不断增大.说明提高混凝土强度可有效改善冻融环境作用下RC剪力墙的抗震性能.

2)冻融0、100、200和300次的试件SW-3、SW-4、SW-5和SW-6，开裂之前，滞回曲线也呈线性关系，且随冻融循环次数的增加斜率不断降低；开裂后，随冻融次数的增加，同级加载循环的刚度及强度退化显著，峰值荷载、滞回环的丰满程度和面积都逐渐减小；峰值荷载后，随冻融次数的增加，承载力下降更为突然，脆性越来越明显.说明冻融环境作用下对RC剪力墙抗震性能影响较大.

图10　试件滞回曲线

3.3骨架曲线及特征参数

基于试验滞回曲线，绘制出RC剪力墙试件的骨架曲线，见图11.为了便于讨论试件变形能力，采用“能量等值法”[13]确定骨架曲线的等效屈服点；由于经冻融循环的RC剪力墙呈弯剪破坏，脆性越来越明显，取滞回曲线开始骤然下降的点对应的荷载为试件的极限荷载，其对应的位移为极限位移.并通过延性系数μΔ和塑性转角θp[15]作为衡量RC剪力墙延性变化的指标，计算公式为：

(1)

(2)

式中：Δu为试件极限位移；Δy为试件屈服位移，H为RC剪力墙的计算高度.

各剪力墙试件的开裂荷载Pc、开裂位移Δc、屈服荷载Py、屈服位移Δy、峰值荷载Pp、峰值位移Δp、极限位移Δu、延性系数μΔ和塑性转角θP计算结果见表4.由图11和表4可得出以下规律：

1)经冻融循环100次的试件随混凝土强度的提高，试件的开裂、屈服和峰值荷载都呈增大趋势；由于混凝土强度的提高会降低其延性，试件的开裂位移不断减小，屈服和峰值位移也呈减小的趋势；试件的延性系数和塑性转角随混凝土强度的提高先增大后减小.

2)随冻融循环次数的增加，试件的开裂、屈服和峰值荷载不断降低，冻融300次时，试件的峰值荷载仅为完好的66%；同时，试件的开裂、屈服和峰值位移呈下降趋势，试件的延性系数和塑性转角不断减小，冻融300次时，延性系数仅为完好试件的67%，说明冻融循环次数对试件的变形能力影响显著.

图11　试件骨架曲线

试件编号开裂屈服峰值Pc/kNΔc/mmPy/kNΔy/mmPp/kNΔp/mm极限位移Δu/mm延性系数μΔ塑性转角θP/%SW-180.362.76121.807.93145.5213.6813.681.730.38SW-280.872.41132.465.94157.6512.4016.232.730.69SW-3120.162.64178.477.26213.4515.3719.492.690.82SW-499.882.34152.737.06185.3714.3417.502.480.70SW-599.312.33142.377.14171.3015.3415.342.150.55SW-678.362.46116.335.86140.7910.6210.621.810.32

3.4强度衰减

考虑试件滞回曲线的不对称性，取同一加载位移幅值下正反强度的平均值，计算得到各试件屈服后强度衰减与加载循环次数的关系曲线，见图12.j为屈服位移的倍数(j=1，2，3…)；Pij表示第j倍屈服位移幅值下第i次循环的荷载峰值(i=1，2，3)；Pjmax为第j倍屈服位移幅值下的最大荷载.经人工气候实验室冻融循环的试件强度衰减规律：

1)随混凝土强度的降低，试件的强度衰减越剧烈，破坏越迅速；相反，混凝土材料的强度越高，试件的强度衰减越小.

2)随着冻融循环次数的增加，试件的强度衰减更趋严重，加载后期，不断有混凝土退出工作，试件的有效受力面积减小，强度衰减加快，脆性特征表现明显.

3.5刚度退化

采用割线刚度来表示试件的刚度，试件每级循环的平均刚度为[16]

(3)

式中：+Pi、-Pi分别为第i级循环加载时正、反向的荷载峰值，+Δi、-Δi分别是与荷载峰值对应的位移值.各试件的刚度退化关系曲线，见图13，可知：

图12　试件强度衰减退化规律

1)混凝土强度等级对剪力墙试件初始刚度影响较大.虽然混凝土强度等级高的试件其初始刚度要大于混凝土强度等级低的试件，但由于强度高的混凝土脆性大、延性差等缺点，致使其裂缝发展快，刚度的退化也随之加快.

2)随着冻融循环次数的增加，冻融损伤不断累积，混凝土的劈裂抗拉强度降低，使得试件的初始刚度有所减小，曲线更为陡峭，刚度退化也更趋严重；相同位移幅值下，冻融循环次数较多的试件，剩余刚度更小.

图13　试件的刚度衰减曲线

3.6耗能能力分析

采用能量耗散系数E[16]来评价试件的耗能能力，能量耗散系数越大，说明试件耗能能力越强.其表达式为

(4)

式中：面积SABCDA为荷载正反交变一周时结构所耗散的能量；SOBE和SODF为理想弹性结构在达到相同位移时所吸收的能量，见图14.

经人工气候实验室冻融循环的RC剪力墙试件各阶段能量耗散系数见图15，各试件累积滞回耗能随位移幅值的变化曲线见图16.由图可见：

1)由前文可知，提高混凝土强度等级可以有效改善冻融试件的承载力，但是会增加冻融试件的脆性，故随混凝土强度的提高，冻融试件各阶段的耗散系数表现出先增大后减小的趋势，但是总耗能却不断增大.

2)随着冻融循环次数的增加，试件的开裂、屈服以及峰值阶段的能量耗散系数都呈增长趋势，这主要是由于经冻融循环试件在各阶段的残余变形越来越大，滞回曲线趋于饱满；但是试件的总耗能却随冻融循环次数的增加而不断降低，冻融200次的试件SW-5总耗能为完好试件的61%，而冻融300次的试件SW-6仅为26%.

图14　能量耗散系数计算简图

图15　能量耗散系数

图16　累积耗能与水平位移关系曲线

4结论

1)经人工气候实验室冻融方法与“快冻法”相比较，冻融效果类似，但较为缓慢，与实际冻融环境较为符合.

2)经人工气候实验室冻融循环的RC剪力墙均发生弯剪破坏，且随冻融循环次数的增加剪切变形不断增大，脆性加重，破坏更为突然；而随混凝土强度的提高，试件骨架曲线特征点值均有一定提高.

3)混凝土强度为C50 时，随冻融循环次数的增加，试件承载力、位移延性系数和塑性转角均显著降低，强度衰减和刚度退化幅度增大，累积耗能变小，抗震性能降低.

4)冻融循环100次时， 随混凝土强度等级的提高，承载力和累积耗能增加，强度衰减和刚度退化幅度降低，而延性则先增加后减小，说明提高混凝土强度等级可以改善冻融后RC剪力墙的抗震性能.

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(编辑赵丽莹)

Experimental study on the seismic behaviors of RC shear walls under the freeze-thaw environment action

QIN Qing, ZHENG Shansuo, GAN Chuanlei, YANG Wei

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, 710055 Xi’an, China)

Abstract:The freeze-thaw cycling tests for 6 pieces of RC shear wall specimens with span ratio 2.14 were conducted by artificial climate laboratory, and quasi-static experiments were implemented. The hysteresis loops with different concrete strength grade and freeze-thaw cycles were obtained, and the skeleton curves were achieved. The effects on seismic performance indicators including the ultimate capacity, rigidity, ductility and energy dissipation capacity were analyzed. Results show that with freeze-thaw cycles increasing the bearing capacity of the RC shear wall, the displacement ductility coefficient and the plastic corner decrease significantly, while the strength attenuation and stiffness degradation rate increase, and the energy dissipation capacity decreases. Along with the enhancement of concrete strength grade by same freeze-thaw cycles, the bearing capacity and accumulated energy are improved, then the strength attenuation and stiffness degradation rate are reduced, but the ductility decreases after increasing at first. It indicates that with the concrete strength increasing the RC shear wall has better seismic performance after freezing and thawing.

Keywords:freeze-thaw environment; artificial climate experiment; RC shear wall; seismic behavior; quasi-static test

中图分类号:TU375

文献标志码:A

文章编号:0367-6234(2016)06-0111-08

通信作者:郑山锁，zhengshansuo@263.net.

作者简介:秦卿(1989—)，男，博士研究生;郑山锁(1960—)，男，教授，博士生导师.

基金项目:国家科技支撑计划(2013BAJ08B03).

收稿日期:2015-05-12.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.018