冻融低剪跨比RC 梁抗震性能试验研究

郑山锁，姬金铭，裴培，贺金川，张艺欣，董立国(.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西，西安70055；西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西，西安70055；.西安建筑科技大学建筑设计研究院，陕西，西安70055)

寒冷气候环境中，冻融循环作用是影响混凝土结构耐久性的重要原因之一[1]。针对结构冻融损伤现象，Powers 等[2 − 3]先后提出了静水压理论及渗透压理论以解释混凝土发生冻融损伤的机理。混凝土材料相关研究[4 − 10]表明：冻融作用会导致混凝土抗压与抗拉强度、弹性模量等多项力学性能发生退化，且随冻融损伤程度增加，退化程度加剧。冀晓东[11]、曹芙波等[12]发现冻融作用会导致混凝土材料与钢筋间粘结强度降低，滑移量增加。此外，各国学者还对冻融RC 构件性能进行试验研究。Xu 等[13]指出冻融损伤致使RC 柱的塑性转动能力下降、刚度及承载能力退化、累积耗能能力下降；秦卿等[14]通过拟静力试验发现冻融损伤后RC 剪力墙的抗震性能发生退化；郑捷等[15]发现随着构件冻融损伤程度的增加，低周反复荷载作用下节点核心区破坏模式发生转变，承载力降低，组合体耗能能力下降；Toutanji 和Balaguru[16]研究了FRP 外裹混凝土柱受冻融作用后耐久性，结果表明冻融后柱试件的承载能力和延性显著降低。

目前，针对冻融RC 梁的研究，多局限于静载作用下冻融对梁试件抗弯性能的影响，如：曹大富等[17]研究了冻融损伤RC 梁的受弯性能，指出冻融作用可导致构件破坏形态发生改变；Duan 等[18]研究了冻融次数对RC 梁极限荷载、延性、裂缝分布和中和轴变化过程的影响；Diao 等[19]研究了冻融循环和海水腐蚀对持续荷载作用下引气RC 梁性能的影响；Green 等[20]研究了冻融对FRP 板加固混凝土梁性能的影响。以上研究虽然充分体现了冻融作用对于RC 梁性能的不利影响，却不足以反映冻融RC 梁在低周反复荷载下的抗震性能。

综上，本文设计并制作了6 榀剪跨比为2.6的RC 梁试件，通过人工气候实验室技术对试件进行了加速冻融循环试验，继而进行拟静力加载，系统地研究了冻融循环作用及混凝土强度对低剪跨比RC 梁的承载力、延性、刚度及滞回耗能能力等抗震性能指标的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本试验按照1∶2 的缩尺比例设计了6 榀剪跨比为2.6 的RC 梁试件，各试件尺寸及配筋均相同。试验设计冻融循环次数与混凝土强度为变量，以研究其对RC 梁抗震性能的影响。试件编号及设计参数见表1，几何尺寸与配筋见图1，混凝土配合比、混凝土及钢筋实测力学性能参数分别见表2、表3 及表4。在浇筑梁试件的同时浇筑每种强度等级的混凝土立方体试件(边长150 mm)四组，每组3 个，用于测量冻融前后混凝土抗压强度。浇筑尺寸为100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱体试件用于测量混凝土相对动弹性模量。

表1 试件设计参数Table 1 Design parameters of specimens

图1 试件尺寸及配筋 /mm Fig. 1 Size and reinforcement arrangement of specimens

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

表3 混凝土力学性能Table 3 Mechanical properties of concrete

表4 钢材力学性能Table 4 Material properties of reinforcement

1.2 人工气候冻融循环试验方案

受限于试件及冻融试验箱尺寸，难以采用“快冻法”[21]模拟水冻水融过程，因此，本次试验利用人工气候模拟实验室对RC 梁试件进行加速冻融循环试验。养护28 d 后，将梁试件与伴随混凝土试块置于温度为15 ℃～20 ℃的水中浸泡7 d，浸泡时保持水面高出试件顶面20 mm[21]，浸泡结束后开展冻融循环试验。为实现较好的冻融效果，每次冻融循环开始前，试验箱内部喷淋装置会向试件表面喷水，以保证试件尽量处于饱和水状态。本试验人工气候单次加速冻融循环方案见图2。

图2 单次冻融循环方案Fig. 2 Single freeze-thaw cycle scheme

1.3 试验加载及量测方案

本次试验采用位移控制方法，对梁试件进行悬臂式拟静力加载。梁顶水平荷载由电液伺服作动器施加，梁顶水平位移由传感器控制，试验数据由数据采集仪自动采集。加载制度如下：以理论计算屈服位移δy为单位，试件屈服前，按照0.1δy、0.2δy、0.3δy等小位移限值逐渐加载；试件屈服后，以δy、1.5δy、2δy、2.5δy等大位移限值加载至试件破坏明显。加载系统及加载制度见图3与图4。

图3 加载系统及测点布置Fig. 3 Loading system and measuring point arrangement

图4 加载制度示意图Fig. 4 Loading system diagram

试验主要量测内容有：试件加载端水平荷载及位移、塑形铰区剪切变形、裂缝发生的位置及尺寸，测点布置见图3。

2 冻融试验现象与分析

2.1 冻融后梁试件形态

冻融结束后，各试件表面形态如图5 所示，对比图5(a)～图5(d)中不同冻融次数后试件表面形态发现：未冻融试件表面均匀平整，无明显裂缝；冻融循100 次后，试件表面产生少量微裂缝，长度较短，分布稀疏，且多分布于试件端部。随着冻融次数增加，试件表面微裂缝增多，裂缝宽度逐渐变大；同时，试件外表皮变酥，表面趋于凹凸不平。冻融循环达到300 次时，试件表面裂缝加宽并向中间延伸，裂缝呈网状分布，试件端部混凝土松散，其损伤程度显著高于中间区段，即试件整体冻融损伤程度具有明显的不均匀性，其原因在于试件端部除侧面外，还有顶面直接与空气接触，温度传递较中间段更快。分析图5(d)～图5(f)发现：随着混凝土强度的增大，试件表面裂缝相对减少。混凝土水灰比的减小使得混凝土内部微孔数量减少，密实度增大，冻融前混凝土的饱和面吸水率较低，内部水含量少，冻融作用造成的的损伤更小[22]，因而试件表面裂缝较少。

图5 冻融循环后试件表面形态Fig. 5 Specimen surface states after freeze-thaw cycles

2.2 冻融后混凝土材料性能

各立方体伴随试件抗压强度测量结果及棱柱体试件相对动弹性模量计算值列于表5[14]。由表5可知，冻融作用显著削弱了混凝土抗压强度及相对动弹性模量，经历300 次冻融循环后，各等级混凝土强度损失均超过30%，相对动弹性模量损失超过20%。随着强度等级提高，混凝土抗压强度损伤减轻。

表5 冻融后混凝土性能参数Table 5 Concrete properties after freeze-thaw cycles

为研究冻融条件下混凝土的损伤积累过程，采用扫描电子显微镜对冻融前后混凝土试样的微观结构进行观察(图6)，可以发现，未冻融混凝土中凝胶体连接较为紧密，水泥水化产物相互胶

图6 混凝土试样扫描电镜照片(5000 倍)Fig. 6 SEM images of concrete (magnified by 5000 times)

结，混凝土内部结构均匀、密实，无明显裂缝。冻融300 次后，混凝土中的凝胶体逐渐松散、水化产物逐渐疏松，混凝土内部结构由块状向针状转变，孔隙率变大，同时伴有细微裂缝出现，其主要是由混凝土内部孔隙中的水冻融循环所产生的周期性冻涨压力所致。此外，C30 强度等级混凝土试样水泥水化产物密实度较低，在300 次冻融循环作用下内部呈稀疏针状结构，而C50 强度等级混凝土的内部孔隙率较小，混凝土水化产物相对密实，在300 次冻融循环作用下其内部结构呈现网状分布，由此可见较高强度等级的混凝土的抗冻能力较强。

3 拟静力试验现象与分析

3.1 试件加载破坏状态

各梁试件加载后破坏状态见图7。整个加载过程中，各试件的破坏过程相似，均经历了弹性、弹塑性和破坏三个阶段。以未冻融试件DL-1 为例，总体破坏过程概述如下：加载初期，因施加荷载较小，试件仍处于弹性工作状态，表面无明显裂缝出现；当试件顶部位移达到1.2 mm 时，距试件底部约75 mm 处受拉侧出现第一条水平弯曲裂缝，试件进入开裂阶段；随着水平位移的不断增加，在距梁端底部大约200 mm 范围内相继出现若干条水平裂缝，并沿水平方向不断延伸；而当水平位移达到4 mm 时，梁端纵向受拉钢筋屈服，并逐步形成塑性铰，试件进入弹塑性阶段；此后，随着顶端位移继续增大，部分水平裂缝转为斜向发展，并在梁端部形成数条交叉的剪切斜裂缝，且斜裂缝宽度不断增大，最终在梁底形成两道交叉的“X”形主斜裂缝，同时在顶部位移达到峰值位移前，箍筋已屈服；当顶部位移达到20 mm左右时，塑性铰区域的箍筋裸露且能观察到明显变形，剪切斜裂缝数量不再增加，但宽度继续增大，梁顶水平荷载迅速降低，试件宣告破坏，丧失承载能力。试件在加载中经历了底部纵筋屈服，塑性铰形成、箍筋屈服等过程，最终核心区混凝土剪切破坏，整体表现出剪切特征清晰的弯剪破坏模式。

对于冻融试件，初始冻胀裂缝使得各试件开裂较早发生。随着冻融次数增加(图7(a)～图7(d))，试件开裂时对应水平荷载减小，开裂后水平裂缝数量减少、斜裂缝发展迅速，裂缝间距变大且宽度增加。同时，受冻融作用影响，表层混凝土变“酥”变“脆”，保护层混凝土外鼓、脱落，在冻融循环300 次时，底部“X”形斜裂缝下三角范围内混凝土几乎全部脱落，破坏时受压区混凝土酥碎，箍筋外露、变形。

冻融次数相同时(图7(d)～图7(f))，随着混凝土强度等级的降低，进入弹塑性阶段后，梁底部斜裂缝的发展速率加快，裂缝宽度增大，最终破坏时剪切特征更加显著，其原因为混凝土强度的降低导致材料密实度减小，引发试件抗冻性能下降，进而造成试件抗剪性能不断劣化。

图7 试件破坏状态图Fig. 7 Failure modes of specimens

3.2 滞回曲线

对比各试件顶部P-Δ滞回曲线(图8)发现，所有试件滞回曲线变化趋势相似，即：开裂前，试件基本为弹性工作状态，滞回曲线呈往复重叠的直线，加、卸载刚度基本无退化，卸载后残余变形很小，包络面积接近于零；继续加载，试件逐渐进入弹塑性阶段，加、卸载刚度开始发生退化，卸载后出现少量残余变形，滞回环呈窄小的梭形；试件屈服后，加、卸载刚度退化显著，滞回曲线形状逐渐饱满，包络面积逐渐增大；加载到峰值荷载后，随着控制位移的增大，试件承载力迅速降低，卸载后残余变形增大，滞回曲线呈现明显捏缩现象。

图8 试件滞回曲线Fig. 8 Force-displacement responses of specimens

当冻融循环次数和混凝土强度等级发生改变时，不同试件在滞回特性上呈现出以下差异：比较图8(a)～图8(d)发现，随着冻融次数增加，试件的峰值承载力逐渐降低，加、卸载刚度退化速率加快，滞回曲线包络面积减小，说明冻融次数增加造成试件的承载力、刚度以及滞回耗能能力发生退化；此外，当加载至峰值荷载后，随着冻融次数增加，试件滞回曲线的捏拢现象加剧、破坏时梁顶水平位移逐渐减小，表明梁试件的变形能力随着冻融损伤程度的增大不断发生退化。比较图8(d)～图8(f)发现，混凝土强度提高时，试件受冻融循环作用造成的损伤程度有所减轻，试件的峰值荷载略微增大。

根据静水压力理论[2]，冻融作用使得混凝土材料内部结构疏松，微孔隙增多，混凝土吸水率增大，冻融时，孔隙迁移出的孔隙水量较大，混凝土内部的静水压力增大，直至超过混凝土抗拉强度，导致混凝土损伤，力学性能削弱。而高强度混凝土由于内部结构密实，孔隙细小，吸水率低，冻融时，内部静水压力较小，使得其抗冻性能较强。

同时，冻融作用还削弱了混凝土与钢筋间的粘结性能：一方面粘结界面上钢筋肋周围混凝土强度下降，导致材料间的机械咬合力降低；另一方面，粘结界面上的毛细孔在冻融时所产生的静水压力，将垂直作用于钢筋表面，迫使毛细孔周围的材料分离，破坏材料间的化学胶着力。

冻融作用造成的混凝土力学性能削弱、混凝土与钢筋间粘结性能劣化，将共同导致RC 梁构件的承载力、延性、刚度及耗能能力等抗震性能指标劣化，影响构件抗震性能。后文将具体分析冻融循环次数与混凝土强度等级对各指标的影响。

3.3 骨架曲线与特征点参数

根据试验滞回曲线，得到各试件骨架曲线及其特征点参数，如图9 和表6 所示，其中等效屈服点根据能量等值法[23]确定，极限荷载Pu取为试件峰值荷载Pc的85%，试件的变形能力采用延性系数μ(μ=∆u/∆y)衡量。

由图9(a)和表6 可知：随着冻融次数增加，试件屈服后的骨架曲线平台段变短，滞回环包围范围逐渐减少，试件的屈服、峰值、极限荷载均呈下降趋势，对应的屈服位移增大，峰值、极限位移有所减小，延性系数先略微增长后显著下降。冻融循环300 次后，试件峰值荷载降低7.3%，极限位移减小了8.7%，延性系数降幅达31.2%，表明冻融损伤对梁试件的延性影响显著，致使梁试件脆性增加、变形能力变差，耗能能力降低；由图9(b)和表6 可以看出：随着混凝土强度提高，滞回曲线包络范围增大，各试件屈服、峰值、极限荷载均有所提高，延性系数基本不变，变形能力无明显变化。

图9 试件骨架曲线Fig. 9 Skeleton curves of specimens

3.4 刚度退化

刚度退化是结构或构件抗震性能退化的一个主要因素，构件在低周循环荷载作用下的刚度可采割线刚度[24]表示，其表达式为：

式中：+Pi、−Pi分别为试件第i次加载时正、反向峰值荷载；+Δi、−Δi分别为试件第i次加载时正、反向峰值荷载对应的位移。

各梁试件刚度退化对比曲线见图10，由图10 可知：试件刚度随加载位移的增大而减小，加载初期，试件尚处于弹性阶段，刚度较大；开裂后，试件刚度急速退化；至峰值位移后，损伤充分发展，刚度退化趋于稳定。

随着冻融次数增加，加载过程中，相同位移下试件刚度因冻融损伤程度的增加而减小，尤其是在屈服段与峰值段间，伴随着试件内部裂缝的发展，这种退化现象尤为显著；同时，随着冻融过程的深入，同级位移幅值下试件刚度退化速率加快。随着混凝土强度提高，在屈服段前后，试件刚度退化速率有所减缓，加载后期各试件内部均严重破坏，刚度变化趋势相近。

表6 骨架曲线特征参数Table 6 Characteristic parameters of the skeleton curves

3.5 耗能能力

耗能能力能够直观反映构件在往复循环加载过程中所消耗的总能量。采用累积滞回耗能E为指标，定量分析冻融作用及混凝土强度对RC 梁试件耗能能力的影响。累积滞回耗能采用式(2)计算：

式中：i为往复循环加载的圈数；Ei为第i圈的滞回耗能。计算得到各试件累积滞回耗能对比曲线如图11 所示。

由图11 可知，随着冻融次数增多，各试件总累积滞回耗能呈减小趋势，且累积耗能随加载循环的增加，增长速率逐渐变缓。主要原因为：冻融作用导致混凝土性能下降，并进一步弱化了混凝土与纵筋间的粘结性能，降低了二者的协同工作能力，试件承载力下降；同时，冻融损伤作用亦使得试件的延性降低，脆性增加，最终导致梁整体耗能能力退化。而相同冻融次数下，强度等级提高时，混凝土抗冻性能增强，混凝土与钢筋间的粘结力削弱较少，试件整体耗能能力增强。

图10 试件刚度退化曲线Fig. 10 Stiffness degradation of specimens

3.6 剪切变形

在水平荷载作用下，梁试件的横向变形一般由三个部分组成，即塑性铰区弯曲变形、节点纵筋滑移和塑性铰区剪切变形。本次试验中，试件的破坏过程经历了纵筋与箍筋的先后屈服，最终表现出剪切变形明显的弯剪破坏模式，因此，本节重点关注试件加载过程中的剪切响应，并分析其对横向总变形的贡献。如图12 所示，假设剪切变形主要集中在梁塑性铰区，根据几何关系及梁塑性铰区所设位移计记录数据，用式(3)估算塑性铰区剪切位移：

式中： ∆sh为梁塑性铰区剪切位移；l为梁塑性铰区高度；d为塑性铰区对角线长度，由l与梁截面宽度h计算所得； δ1与 δ2分别为塑性铰区两对角线处位移计所测位移。

图11 累积耗能曲线Fig. 11 Cumulative energy dissipation curves

图12 剪切位移计算示意图Fig. 12 Calculation diagram of shear displacement

图13 剪切位移占总侧向位移比例Fig. 13 Ratio of shear displacement to total lateral displacement

在屈服、峰值和极限荷载下分别计算了各试件剪切位移分量占总侧向位移的比例。如图13 所示，在屈服荷载以前的弹性工作阶段，以及屈服后至峰值荷载前的弹塑性工作阶段，剪切斜裂缝发展并不充分，试件仍保存有较好的抵抗剪切变形的能力，弯曲变形较多，此时剪切位移占梁顶总位移比例较小，且在屈服点与峰值点的剪切占比相近，均在0.2 上下；当荷载继续增加至极限荷载期间，试件内部“X”形主斜裂缝逐渐形成且裂缝数量及宽度增加，试件趋于破坏，剪切变形持续增大，剪切占比急剧提高，在极值点处，除未冻融的试件DL-1 外，剪切位移占比均超过0.4，冻损严重的试件DL-5，剪切占比高达0.6；荷载继续增加，试件最终破坏。

各试件屈服点与峰值点剪切位移占比随冻融次数的增加而略微增大，随混凝土强度的提高而略微减小；极限点处剪切位移占比则受冻融作用与混凝土强度影响较大，对比试件DL-1 与试件DL-4，冻融300 次后，极限荷载处剪切位移占比增加了47.1%，对比试件DL5 与试件DL-6，混凝土强度由C30 提高至C50 后，极限荷载处剪切位移占比降低了31.6%。一方面，这主要是由于冻融损伤使得混凝土内部凝胶体松散、微裂缝增多，在荷载作用下，混凝土材料更容易发生开裂，导致试件抗剪能力下降，剪切变形占比增加；另一方面，混凝土强度的提高使得试件的截面抗剪能力增强，剪切变形占比减小。

对于所设计RC 梁试件，抗剪承载力随着试件变形的增大而不断减小，其实质是混凝土开裂导致剪压区混凝土所能提供的抗剪承载力变小，最终达不到抗剪需求而发生剪切破坏。梁整体破坏模式为介于弯曲破坏与剪切破坏之间的弯剪破坏，剪切变形与弯曲变形占总侧向变形的比例均较大，当梁抗剪性能下降时，梁破坏形态将向剪切破坏“偏移”，剪切变形占比因此增大。

以上试验数据受剪切位移测量方法及试验操作等因素影响，虽然存在一定误差，但也能反映出冻融作用会导致RC 梁的脆性增加，延性降低，从而影响结构整体抗震性能。

3.7 峰值荷载与极限位移修正系数

本节结合课题组试验研究成果[14, 25]，以相对动弹性模量为冻融损伤指标，通过定义冻融损伤参数D，定量表征混凝土冻融损伤程度；同时，定义峰值荷载修正系数f(D,fcu)和极限位移修正系数g(D,fcu)，对冻融后梁试件的峰值荷载和极限位移进行修正：

式中：kD、kf分别为冻融损伤变量和混凝土强度单因素下试件的特征点荷载修正系数；mD、mf为单因素极限位移修正系数；P0、Δ0为完好试件特征点参数。由表6 可知，混凝土强度变化下梁极限位移无明显变化，因此，本文中mf值等于1。

由表4 及文献[14]得到以C40 强度等级混凝土为基准的冻融损伤变量：

分别以完好试件DL-1(冻融损伤变量D=0)及冻融损伤试件DL-4(混凝土强度等级为C40)为基准，对试件DL-1～试件DL-4 及试件DL-4～试件DL-6 的特征点参数分别进行归一化处理，进而拟合得到单因素下峰值荷载修正系数表达式及极限位移修正系数表达式：

4 结论

本文通过拟静力试验，研究冻融循环次数和混凝土强度等级对低剪跨比RC 梁各项抗震性能指标的影响，得到如下结论：

(1) 冻融循环作用使得梁试件表面产生细微裂缝。冻融后混凝土抗压强度降低，混凝土内部中的凝胶体逐渐松散、水化产物逐渐疏松，孔隙率变大，同时伴有细微裂缝出现。

(2) 各试件在加载结束后均呈现出剪切变形明显的弯剪破坏模式，其剪切破坏特征随着冻融次数的增加、混凝土强度的降低愈加显著。

(3) 冻融循环作用削弱了RC 梁试件各项抗震性能指标：随着冻融次数的增加，试件的承载能力、变形能力、刚度及耗能能力不断退化。提高混凝土强度，试件承载力有所增加，耗能能力增强。

(4) 通过对试验数据的回归分析，基于完好构件性能建立了冻融RC 梁峰值荷载和极限位移修正公式。

(5) 在严寒地区，建议对服役龄期较长的RC建筑定期进行检测与加固；对于新建建筑，提高混凝土强度有助于增强结构抗冻性及抗震性能。