低周反复荷载作用下混杂纤维混凝土柱变形性能分析

徐 蓉，白建文，赵燕茹，徐 娜

(1.内蒙古建筑职业技术学院建筑工程与测绘学院，呼和浩特 010070；2.内蒙古工业大学理学院,呼和浩特 010051; 3.内蒙古工业大学矿业学院,呼和浩特 010051;4.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051)

0 引 言

混杂纤维混凝土是由两种或两种以上不同种类的纤维按照一定的比例混合掺入混凝土中，能取长补短地发挥各种纤维的优良性能而形成的新型复合材料[1]。目前，国内外已有许多学者对混杂纤维混凝土的力学性能进行了多方面的研究[2-6]，文献[2]通过抗压强度和劈裂抗拉强度试验，发现高强度的钢纤维和聚丙烯纤维混杂掺入混凝土中，其抗压强度不增加，而抗拉强度显著增加。文献[3]将不同类型的钢纤维与聚丙烯纤维进行组合，研究混杂纤维混凝土的各项力学性能，发现存在一个最佳配比，在这个配比下，混杂纤维混凝土的劈裂强度和弯曲强度与普通混凝土相比，分别提高了44.34%和49.05%，抗冲击能力是普通混凝土的6.8倍。文献[4]的试验结果表明，钢纤维和聚丙烯纤维按照一定的比例混杂掺入混凝土中可以极大地提高高性能混凝土深梁的受弯承载力。但以上文献多数是对抗拉、抗压、抗弯以及抗冲击等基本力学性能方面的讨论，对于混杂纤维混凝土抗震性能的研究尚不完善。而近年来，我国地震频现，伤亡触目惊心，据统计，90%以上的地震灾害的直接或间接损失是由地震对建筑物、构筑物的破坏造成的。这让研究者们对建筑物的抗震性能更加重视。本文针对单掺钢纤维及复掺钢-聚丙烯混杂纤维的混凝土柱模拟低周反复荷载试验进行研究，分别对钢筋及混凝土的应变进行对比分析。用有限元分析的方法对混凝土柱受力全过程进行分析，是对试验有效的补充[7]。本文最后运用ANSYS软件对试验进行模拟分析，为混杂纤维混凝土在实际工程中更加广泛的应用提供理论依据。

1 实 验

1.1 材料及配合比

本试验设计混凝土的强度等级为C30，所选用的水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用粒径为5～20 mm的碎石；细骨料采用细度模数为2.5的优质河砂，含泥量1.89%。试验选用纤维为聚丙烯纤维和钢丝切断型钢纤维，其主要性能指标如表1所示。

根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、CECS 38:2004《纤维混凝土结构技术规程》，混凝土水灰比为0.47，配合比(kg)为水泥∶水∶石子∶砂=468∶220∶979∶653。

表1 纤维性能指标Table 1 Performance index of fibers

图1 柱的配筋图(单位：mm)Fig.1 Reinforcement details of columns(unit：mm)

1.2 柱的设计及测点布置

1.2.1 柱的设计

本试验按照GB 50010—2011《混凝土结构设计规范》设计了21根钢筋混凝土柱，包括9根钢纤维混凝土柱、9根钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱和3根普通混凝土柱。钢筋混凝土柱截面为180 mm×180 mm，高度为1 000 mm。柱配筋如图1所示。试验取轴压比为0.11，剪跨比为3。钢纤维、聚丙烯纤维的体积分数、柱编号及分组情况如表2所示。

1.2.2 应变测点布置

柱浇注前，在钢筋笼上布置11个钢筋应变片，以记录混凝土柱在加载过程中钢筋的应变演化规律，应变片布置如图2所示；待柱标准养护结束后在混凝土表面，靠近支座处的正反面各粘贴2个混凝土应变片，用来测试加载过程中混凝土的应变演变规律，布置如图3所示。

表2 柱编号Table 2 Serial number of the columns

图2 钢筋应变片布置示意图Fig.2 Arrangement of strain gauges on steel bars

图3 混凝土应变片布置示意图Fig.3 Arrangement of strain gauges on concrete

1.3 试验设备及加载方式

1.3.1 试验设备

参照本课题组先期研究成果[8],采用自制设备模拟实现低周反复加载试验。试验加载装置示意图如图4所示，加载现场图如图5所示。采用机械千斤顶加载，通过标定过的压力传感器输出的应变信号来控制荷载的大小；柱子的轴向力在施加水平荷载过程中保持定值，在柱子的上端通过球铰放松固定约束，以减小轴力引起的摩擦力；水平方向荷载通过两侧的千斤顶逐级加载，并在加载过程中采集钢筋及混凝土的应变值。

图 4加载装置示意图Fig.4 Diagram of loading device

图5 加载装置现场图Fig.5 Diagram of loading spot

压力传感器的标定是将接有静态电阻应变仪的压力传感器置于电液伺服万能试验机上进行加载试验(在传感器量程的70%之内进行)，通过万能试验机上瞬时显示的荷载值，记录对应荷载值下静态电阻应变仪输出的微应变值，通过多组测试后得到压力传感器受压荷载与其应变之间的关系。

1.3.2 加载制度

依据JCJ 101—2015《建筑抗震试验方法规程》中相关规定，轴力值按规定的轴压比计算确定后通过竖向机械千斤顶一次施加完毕；然后在柱两侧正反向对称施加反复水平荷载。加载制度参照本课题组先期研究成果[8]中的荷载-位移控制法进行，如图6所示。

2 结果与讨论

2.1 裂缝开展情况及破坏现象

各柱破坏现象如图7所示。由图可知，混凝土中掺入钢纤维、聚丙烯纤维后，对柱的破坏影响显著。对于普通混凝土柱，如图7(a)所示，柱子开裂后，裂缝不断发展，加载面和非加载面上均有与轴线成45°角的斜裂缝出现；随着荷载的增大，斜裂缝继续发展，宽度逐级增大，最后柱受拉侧的钢筋屈服；破坏主裂缝为两个非加载面上的斜裂缝，且根部混凝土出现剥落现象，呈现剪切破坏的形态。加入钢纤维后的破坏现象如图7(b)所示，从普通混凝土柱斜裂缝为主转变为以柱底部横向裂缝为主，且斜裂缝较少；柱子破坏时，水平横向裂缝扩展且贯通，裂缝处的纵筋被压屈，受压侧混凝土局部被压碎剥落，呈现弯曲破坏形态。而钢-聚丙烯纤维混凝土柱的破坏现象如图7(c)所示，裂缝首先出现在加载面的底部，随着荷载的增大，裂缝形态由单一型向弥散型过渡，这是纤维的“微筋”、桥接作用起到了效果，此时柱受到弯曲和剪切的共同作用，最终导致受拉钢筋屈服，局部混凝土被压碎破坏，呈现弯剪破坏形态。

图7 各柱破坏现象Fig.7 Failure modes of concrete

2.2 应变分析

各柱应变与循环次数的关系如图8所示，图中的荷载为每个加载控制点荷载，应变值为相应荷载下该点的应变。对比分析图中各数据可知，在各柱纵筋、箍筋和混凝土的应变变化中，随着循环次数的增加，混凝土纵向应变增长幅度最大，纵筋应变次之，箍筋应变和混凝土横向应变相互伴随，增长幅度最慢。其中，图8(a)为普通混凝土柱，其箍筋应变的发展较快，应变值是所有柱中最大的。图8(b)、(c)、(d)是钢纤维混凝土柱，箍筋应变和混凝土的横向应变增长比较平缓，且最大应变值相较于普通混凝土柱也明显降低，但纵筋应变和混凝土的纵向应变却呈现大幅度增加的势态。可见，当柱子开裂后，在混凝土内部乱向分布的钢纤维作为桥梁贯穿于裂缝之间，将应力承担起来并向周围传递，使得原本由箍筋分担的应力减小，因此其应变发展缓慢。对比图8(b)、(c)、(d)还可以看出，随着钢纤维体积分数的增加，箍筋应变和混凝土横向应变逐渐平缓。图8(e)、(f)、(g)是钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱，从图中看到它们不仅延续了钢纤维混凝土相对于普通混凝土柱的优点，更使得柱整体承载力增大，延性更好。可见，聚丙烯纤维的加入增强了钢筋与混凝土间的握裹力，强化了界面的薄弱区，聚丙烯纤维凭借自身良好的延展能力，拉结着裂缝两侧的浆体，且乱向分布的纤维增加了裂缝开裂路径的曲折性，从而延缓了裂纹的扩展，使混杂纤维混凝土柱在反复荷载作用下呈现出应变缓慢增长的趋势[9-10]。

图8 各柱应变与循环次数的关系Fig.8 Relationship between the strain and cycles of column

2.2.1 纵筋的应变分析

图9 各柱纵向受力钢筋7、10点处的荷载-应变曲线Fig.9 Load-strain curves of longitudinal steel reinforcement at point 7 and 10 of each column

图9是各柱纵向受力钢筋7、10点处的荷载-应变曲线，由于应变片是对称布置的，故综合两侧的应变，只取应变值为正值部分进行分析。从图中可以发现，所有柱纵向钢筋的荷载-应变曲线走势大致相同。除普通混凝土柱的应变有突变的现象外，掺纤维柱的应变均呈现出缓慢而均匀的增长趋势，并且最大应变值随着钢纤维体积分数的增加而增大。分析原因，钢纤维体积分数越大，跨越裂缝的纤维就越多，钢纤维的“微筋”作用越明显，致使裂缝的扩展速率降低；或者可以认为是钢纤维、混凝土和钢筋共同分担了破坏荷载，在钢纤维与钢筋混凝土间滑移、拔出等裂缝出现、延升、扩展的过程中，吸收了大部分断裂能，导致裂缝的扩展速度降低，并使柱的承载力得以提高。但钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱与单掺钢纤维混凝土柱的纵向受力钢筋的荷载-应变曲线大体上是重合的，说明聚丙烯纤维在此并没有表现出明显的作用。

2.2.2 箍筋的应变分析

图10(a)是各柱上2点处箍筋的荷载-应变曲线。普通混凝土柱在开裂前，水平荷载主要是由混凝土来承担，故箍筋应变很小，当试件表面出现裂缝后，箍筋的应变随荷载增大而迅速增大；钢纤维混凝土柱中箍筋应变增长的速度远小于普通混凝土柱。这是由于乱向分布的钢纤维的掺入增强了混凝土基体对钢筋的握裹力，同时也改善了钢筋与混凝土之间的粘结性，提高了纵向受力钢筋的“销栓”作用和箍筋对混凝土基体的横向约束作用。比较柱SF1.0、SF1.5、SF2.0可以发现，相同荷载作用下，随着钢纤维体积分数的增加，箍筋应变增长逐渐减缓。同时，在对比混杂纤维混凝土柱后，发现掺有钢-聚丙烯混杂纤维的各柱也有相同的规律。

图10 各柱2点处箍筋荷载-应变曲线Fig.10 Load-strain curves at stirrup point 2 of each column

取钢纤维体积分数为1.5%的钢纤维混凝土柱SF1.5和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱SPF1.5箍筋的荷载-应变进行分析，如图10(b)所示。由图可以看出，在相同荷载下，钢纤维混凝土箍筋应变增长大于混杂纤维混凝土柱，且混杂纤维混凝土柱的箍筋应变更加均匀，没有突变，可见聚丙烯纤维的掺入使得柱内部的应力分配更加均匀。

2.2.3 混凝土的应变分析

图11(a)是各柱混凝土纵向14、16点处的荷载-应变曲线。由于应变片是对称布置的，综合两侧的应变，取应变值为正值部分进行分析。可以看到，所有柱混凝土纵向应变的发展规律基本一致。其中，普通混凝土的应变发展最快，钢纤维的掺入明显缓和了这种状况，并且随着纤维体积分数的增加，混凝土应变增长越缓慢；而聚丙烯纤维的加入对曲线的发展并没有明显的影响。同时，在试验中也发现钢纤维体积分数为1.5%和2.0%的柱的混凝土应变曲线基本重合，可见，当钢纤维体积掺量达到一定值时，混凝土应变并不随钢纤维掺量的增加而继续减缓。分析其原因，钢纤维的掺入在一定范围内能够适当提高混凝土柱的力学性能，但掺量过多会降低混凝土内部的密实性，反而对混凝土承载力的提高不利。

图11 各柱混凝土纵向14、16点处荷载-应变曲线Fig.11 Load-strain curves at longitudinal point 14 and 16 of each column concrete

图11(b)是钢纤维体积分数为1.5%的钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的荷载-应变曲线的对比。从图中可以看出，在相同荷载下，钢纤维混凝土应变增长要大于混杂纤维混凝土。同样可以得出聚丙烯纤维的掺入使得柱内部的应力分配更加均匀的结论(见2.2.2节)。

3 ANSYS模拟验证

利用有限元软件ANSYS建立模型，根据试验数据进行数值模拟，对试验结论进行验证。由于加载时除方向相反外无其他差异，利用ANSYS做出各柱屈服时的钢筋应变云图基本一致，取其中一根柱的应变云图来进行分析。SF1.5正向屈服时的应变云图如图12所示。在水平荷载作用的一侧纵向钢筋呈受拉状态，且根部应变最大，这与试验中同一柱的上部钢筋应变都小于下部钢筋的现象相吻合。钢筋的拉应变主要分布在水平荷载作用点至固定端的部分，且越靠近固定端应变越大，与其承受的弯矩成正比。这除了与柱的受力特点有关外，还与试验装置有关，即柱上部的约束较弱，而下部约束较强。同时，这也与观察到的柱下端的破坏较上端的更严重的试验现象相吻合。

纵向钢筋荷载-应变的轮廓曲线如图13所示，发展趋势与试验基本一致，但由于实际柱中钢筋与混凝土的握裹性能不是绝对牢固，杂乱分布的纤维与混凝土基体之间也存在滑移现象，而使用软件分析时，钢筋、混凝土与纤维均为理想化的受力状态，且在建模时将纤维等效为纵向的钢筋，使其与纵筋、混凝土共同承担荷载，导致在经过有限元模拟后，纤维混凝土柱中纵筋承担的荷载比普通混凝土柱小，可承受应变增大，钢筋应变值要比试验值偏高。

图12 纵向钢筋应变云图Fig.12 Strain cloud image of longitudinal reinforcement

图13 纵向钢筋的荷载-应变曲线Fig.13 Load-strain curves of longitudinal reinforcement

4 结 论

(1)通过分析钢筋的荷载-应变关系，可知钢纤维的掺入可明显降低混凝土柱中钢筋应变的增长速度，提高钢筋的承载能力；而聚丙烯纤维的掺入在此方面的改善作用并不明显。

(2)通过对混凝土应变的分析，发现聚丙烯纤维和钢纤维在混凝土中对裂缝的发展及应力传递起到了抑制作用，使得混凝土内部应力得到分散，且钢-聚丙烯混杂纤维的阻裂作用较单一钢纤维更显著。

(3)有限元软件ANSYS分析所得钢筋应变曲线与试验结果吻合较好。