活性粉末混凝土连梁抗震性能试验研究

韩旭张爱社马士俊

(山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101)

0 引言

目前，剪力墙结构、框架—剪力墙结构是高层建筑中常见的结构形式，其中剪力墙是这两种结构体系的主要抗侧力构件[1]。剪力墙由墙肢和连梁两部分组成，在地震作用下，连梁要先于墙肢屈服，连梁两端首先形成塑性铰，从而减少了地震对墙肢的破坏，达到耗能减震的目的。

近年来，涉及新型材料及其在连梁中应用方面的研究较为普遍。CHAALLAL等[2]将钢纤维掺入混凝土中，制成钢纤维混凝土，改善了混凝土的脆性，为后续的研究提供了参考。车佳玲等[3]在混凝土中加入钢纤维可以约束混凝土裂缝的发展，提高连梁的延性，同时证明了配箍率只可在一定范围内改善连梁的抗震性能，当配箍率达到一定程度后，其延性及耗能性能的提升已不再明显。张宏战等[4]研究了钢纤维混凝土连梁，发现在其破坏形态多为延性弯曲破坏时，更有利于连梁发挥抗震性能。金凌志等[5]通过试验研究了活性粉末混凝土梁的抗剪及抗弯性能，发现其较普通混凝土梁均有大幅度提高。赵军等[6]得到了随着连梁跨高比增大，其极限承载能力有所下降，而抗震性能有所提升的结果。

由上述研究可知，采用新型的混凝土材料可以改善连梁的抗震性能。混凝土中加入活性粉末可以显著提升材料的强度，而掺入钢纤维可以显著提升构件的延性[7]。活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)是由级配良好的细沙、水泥、石英粉、硅灰、高效减水剂制成，掺入钢纤维后提升了自身的抗拉性能[7]。选择更高强度、韧性、耐久性的RPC材料制作的连梁在理论上是可以改善连梁的抗震性能，但目前国内外对此暂无明确的行业规范，对于RPC连梁的研究有待进一步加强。

基于此，文章在对6根RPC连梁开展低周往复加载试验的基础上，模拟了RPC连梁在水平作用下的实际受力情形。因跨高比和配箍率对普通连梁抗震性能影响较大[8]，试验分析了跨高比和配箍率对连梁抗震性能的影响，着重探讨了RPC连梁在地震作用下的破坏机制、传力机理、滞回性能和刚度退化等。

1 试验概况

1.1 试验设计

联肢剪力墙在水平作用下所发生的变形，如图1所示。墙肢首先发生侧向变形，导致连梁两端出现位置的错动，连梁在变形时会受到剪力和弯矩的作用[9]。试验设计了6根活性粉末混凝土连梁，研究了跨高比和配箍率的不同对连梁抗震性能的影响。各连梁的纵筋与腰筋均采用传统配筋方式配置HRB400钢筋[10]，采用表示。配筋数量及尺寸对比情况见表1，其中纵筋和腰筋数量为连梁截面一侧的钢筋数量，钢纤维体积率为钢纤维与连梁的体积比，跨高比为连梁的跨度体积l与高度h之比。所有连梁均采用热水养护，即在常温状态下待混凝土初凝后脱模，将连梁放入恒温热水箱中90℃高温养护72 h，之后置于自然条件下常温养护28 d。

试验构件的尺寸形状如图2所示，其中连梁部分用活性粉末混凝土浇筑，保持宽度b和高度h不变，通过改变跨度l的大小来控制跨高比的变化。连梁两端分别设置端座，端座部分采用C50混凝土浇筑，养护条件为常温养护28 d，模拟实际结构中剪力墙的墙肢。

图1 联肢剪力墙变形示意图

制作试验构件所采用的活性粉末混凝土使用的各种材料如下:水泥选用硅酸三钙含量较高的42.5号普通硅酸盐水泥；硅灰的主要成分为二氧化硅(含量＞90%)，平均粒径为0.1μm，比表面积为20 000～25 000 m2/kg；中砂选用二氧化硅含量＞90%，粒径为0.315～0.630 mm的石英砂；细砂选用二氧化硅含量＞90%，粒径为0.160～0.315 mm的石砂；选用325目石英粉和FDN型高效减水剂；选用的钢纤维密度为170 kg/m3，直径均为0.20～0.22 mm，长度均为12～15 mm。

表1 试件尺寸配筋统计表

图2 试验试件尺寸示意图/mm

在进行RPC连梁加载试验的同时，对混凝土预留试块的强度进行了测试。实测结果表明，采用热水养护的3组100 mm×100 mm×100 mm的RPC试块抗压强度分别为117.5、105.1和107.2 MPa。实测试验所使用3组HRB400钢筋样本屈服强度分别为400.0、408.2和407.4 MPa。

1.2 加载方式及测量内容

试验采用拟静力加载方式，如图3所示，使用水平作动器对试件进行低周往复加载，将试件旋转90°放置，控制下部端座不动，通过作动器与分配刚梁移动上部端座，从而使连梁产生与实际地震作用下一致的剪力与弯矩。分配刚梁采用A3钢制作，刚梁长度为1.2 m，采用箱型加劲肋截面，刚梁尺寸如图4所示[11]。作动器采用位移控制的加载制度，每级位移循环两次，每级位移间隔2 mm，加载工况如图5所示。

图3 试件加载示意图

图4 分配刚梁尺寸图/mm

图5 作动器加载工况图

试验采用电阻应变片测量RPC连梁纵筋和箍筋的应变，应变片的粘贴位置如图6所示，于连梁两边缘纵筋及右侧第二条纵筋的两端及1/2处布置应变片，LL-1至LL-4于构件自下往上第一排与第三排箍筋的两端及1/2处布置应变片，由于跨度增加，LL-5、LL-6与构件自下往上第一排、第三排与第五排箍筋的两端及1/2处布置应变片。加载采用2000 kN的电液伺服作动器，可以直接输出作动器所承受的荷载值与发生的位移值。为了减小试验误差，同时使用位移计置于连梁的A和B端，测量连梁上下两端的相对水平侧移。

图6 应变片位置示意图

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程及形态

LL-1的加载过程经历了以下阶段:作动器由0加载到Δ=±4.06mm时，连梁开始出现第一条裂缝，此时作动器推力读数为200 kN；继续加载至Δ=±9.03 mm时，裂缝逐渐延长至连梁角落，在另一面首次出现裂缝，作动器推力读数为280 kN；继续加载至Δ=±17.57 mm时，裂缝进一步加宽加深，如图7(a)所示，作动器推力读数为550 kN，连梁开始显示明显的塑性；继续加载，试件破坏。

LL-2的加载过程经历了以下阶段:作动器由0加载到Δ=±3.89 mm时，连梁开始出现第一条裂缝，此时作动器推力读数为270 kN；继续加载至Δ=±5.84 mm时，连梁表面出现了大量次生斜裂缝，此时作动器推力读数为330 kN；继续加载至Δ=±8.76 mm时，原有裂缝贯通并加宽加深，位移归零后裂缝无法完全闭合，此时作动器推力读数为370 kN，连梁的裂缝分布如图7(b)所示；继续加载，构件即发生破坏。

LL-2至LL-6的破坏特征有较大的相似性，LL-3至LL-6的裂缝分布分别如图7(c)～(f)所示，临近破坏时，连梁表面混凝土被裂缝分割成数块大小不均的菱形小块，且随加载位移的增大混凝土逐渐剥落，呈现连梁破坏中的“弯剪破坏”特征[12-13]，彰显出其较LL-1稍好的延性。为了更加直观地比较各连梁的破坏过程，将其破坏的特征点数据进行了统计(见表2)。由此不难看出，构件各荷载特征点处的荷载随着构件跨高比的增加而出现上升的趋势，但受配箍率的影响并不明显。

图7 试件裂缝分布图

表2 各梁破坏特征点统计表

各RPC连梁在试验加载作用下，裂缝的发育状况和破坏形态与连梁的抗震性能关系密切，能够直观地反映各因素对连梁抗震性能的影响[12]。各RPC连梁均为小跨高比连梁，在裂缝发育和破坏形态上存在某种程度的一致性；但由于各连梁在跨高比及各类钢筋配筋量上存在差异，所以在试验中裂缝发育和破坏形态上同样具有一定差异。

LL-1的破坏过程与LL-2至LL-6存在明显差异，当连梁跨高比较小(l/h≤0.8)时，连梁承受较大的剪力和较小的弯矩，剪弯比较大，由弯曲产生的拉裂缝数量比较少，由于剪力的作用使连梁大部分截面处在受压状态，斜裂缝出现较晚，剪力在连梁上均匀分布，内力模型符合“斜压杆机制”[13]，裂缝沿连梁对角线方向出现，但因钢纤维的存在，出现斜裂缝后连梁内力没有突变，且未在其他位置产生新的裂缝。继续增大作动器位移，连梁对角线处的数条裂缝逐渐变宽并融合在一起。连梁进入屈服阶段后仅进行少量位移加载，试件就发生了突然破坏，试件中心的混凝土被压碎，属于连梁受剪破坏中的“斜压破坏”[12-14]。

LL-2至LL-6的破坏具有相似的过程:由于跨高比(0.8＜l/h≤1.5)增加，导致连梁所受弯矩增大，连梁端部的受拉区所受拉应力增大，产生了垂直于连梁跨度的受拉裂缝，随着作动器位移的增加，弯曲裂缝逐渐发展，连梁的受压区高度不断减小，连梁因端部混凝土承受较大的剪应力而破坏，属于连梁破坏过程中的“弯剪破坏”，如图8所示。此类连梁在弯剪耦合作用下会产生如下3种不同的裂缝:

(1)主斜裂缝 该裂缝最早出现在腹板的对角线处。主斜裂缝由主拉应力产生，裂缝发展较快，在构件临近破坏时该裂缝会贯通连梁的整个对角线，该裂缝的宽度在所有裂缝中最明显。

(2)次斜裂缝 在连梁的主斜裂缝产生后继续加载，会在连梁两个边缘处产生与主斜裂缝不平行的次斜裂缝。次斜裂缝的宽度、长度均小于主斜裂缝。

(3)次生斜裂缝 随着位移继续增加，在连梁临近破坏的阶段，连梁的表面不断出现大大小小的次生裂缝，该类裂缝分布较为分散，长度、宽度较小且裂缝没有贯通。

图8 “弯剪破坏”连梁裂缝分布图

2.2 箍筋应力

RPC连梁中箍筋的受力状况受跨高比影响较大。LL-1为跨高比较小(l/h≤0.8)的构件，仅跨中存在一条主斜裂缝，穿过该裂缝的箍筋应变较大。LL-2至LL-6跨高比稍大(0.8＜l/h≤1.5)，裂缝数量变多且分布更均匀，穿过斜裂缝的箍筋拉应变分布更均匀。处于弯剪受拉区的箍筋应变大于受压区的箍筋应变。

各RPC连梁箍筋的应变如图9所示，观察各连梁的箍筋应变曲线，结合连梁破坏时的现象，可得到以下主要特征:

(1)各肢箍筋受力不均匀，在试验的各阶段不同构件各肢箍筋应变增长的幅度存在较大差异。箍筋的应变分布状况与箍筋所穿越混凝土的裂缝分布发育情况密切相关。由于试验时各连梁的各类裂缝发展存在较大的离散性，使与之相交的不同箍筋、同一箍筋的不同部位发生的应变也不均衡。穿越连梁主斜裂缝处的箍筋产生的应变较大，穿越连梁小而密裂缝处的箍筋应变较为均匀。在连梁破坏阶段，较大的箍筋与混凝土的外鼓变形促使该区域的箍筋破坏。

(2)同一箍筋不同位置的应变呈现不均匀的分布状态。因连梁弯剪受拉区存在较多裂缝，穿越此处的箍筋发生了较大的应变。跨中箍筋两端均处于连梁的弯剪受拉区内，如图9所示，箍筋的应变对梁中轴线呈对称分布。该箍筋的中部穿过了连梁的主斜裂缝，此处的应变较大。随着作动器位移的逐步增加，较宽裂缝处的箍筋能率先进入塑性阶段。

(3)在整个试验阶段箍筋都会出现相对较小的应变，只有极少数箍筋能够达到屈服强度。

通过对比LL-4、LL-5与LL-6的试验可以发现，所采用的配箍率范围中，当箍筋配置密集时，构件的裂缝分布与发育较箍筋配置稀疏时更均匀，但配箍量对抗剪承载力的提高没有明显影响。

2.3 滞回曲线

图9 箍筋应变图

各连梁的滞回曲线如图10所示。各滞回曲线呈现出共同特征:连梁开裂之前处于弹性阶段，位移与荷载的关系基本是线性关系。连梁出现裂缝后，滞回曲线斜率开始逐渐减小，说明试件进入了塑性变形阶段，连梁刚度逐步下降。继续加载至第一根纵筋屈服，之后随着连梁位移的加大以及加载循环的增多，混凝土裂缝继续发展，钢筋与混凝土的应变不断积累，滞回曲线表现出了新的特征:由于连梁已经进入了塑性阶段，卸载时，滞回曲线不能回到原点，表明结构存在较大残余应力，塑性变形无法恢复，滞回曲线存在明显的“捏缩效应”。

图10 各连梁滞回曲线图

由各连梁的滞回曲线对比可知，LL-1至LL-6的滞回曲线呈增大的趋势，说明跨高比和配箍率对连梁的抗震性能均存在一定影响。试验范围内，连梁的跨高比越大，连梁的延性越好，抗震性能越高；连梁的配箍率越高，连梁的延性越好，抗震性能也会越高。

综合试验中各连梁的滞回曲线特点，总结出连梁进入塑性阶段后的典型滞回曲线:连梁在整个加卸载的过程中可分为若干个不同的受力阶段，选取一个加卸载循环进行研究，如图11所示，加载曲线为a-b-c-d，卸载曲线为d-e。连梁处于加载段a-b时，因上次卸载时连梁仍有裂缝未完全闭合，反力为0时位移没有回到原点，此段加载过程中裂缝不断闭合，位移恢复明显而荷载增加有限，造成了滞回曲线斜率较小，连梁刚度较小。当滞回曲线到达b-c段时，裂缝基本完全闭合，试件从平衡位置开始加载，荷载增加的幅度变大，曲线斜率明显增大，连梁的刚度增大。当曲线进入c-d段时，由于在加载循环中存在连梁刚度退化，滞回曲线的荷载没有达到上个循环的峰值，曲线的斜率开始下降，构件再次进入塑性阶段。进入卸载阶段d-e后，滞回曲线与bc段平行，斜率很大，下降速度明显加快，连梁的可恢复变形极小。当曲线接近e点时，滞回曲线斜率变小，连梁的刚度出现了大幅度下降。荷载卸载到0以后，试件仍存在着较大的残余变形，在整个循环加载过程中，残余变形也将会不断积累。

图11 连梁典型滞回曲线图

2.4 刚度退化

试验研究的RPC连梁跨高比均保持在0.8～1.5范围内，此范围构件的刚度退化较快。各构件刚度退化情况可以采用割线刚度退化系数[15-16]加以衡量，由式(1)～(2)表示为

式中ni为第i倍延性倍数下连梁的刚度退化系数；Kgi为第i倍屈服位移循环荷载峰值的割线刚度，kN/mm；Ky为试件屈服时的刚度，kN/mm；±Pi为第i倍屈服位移循环正、反向荷载峰值，kN；±Δi为第i倍屈服位移循环正、反向峰点侧移值，mm。

部分延性倍数下各连梁的塑性初阶段刚度退化情况如图12所示。

图12 各连梁刚度退化曲线图

通过对比发现，跨高比对连梁刚度退化的影响较大，跨高比越小的连梁，钢筋与混凝土受力更加充分，可在较短时间内进入塑性阶段，构件变形模量小，加速构件变形。原因主要包括:

(1)小跨高比连梁在地震作用下主要承担剪切变形，而所发生的弯曲变形有限，其剪切刚度随着混凝土开裂而下降较快，弯曲刚度变化幅度不大，跨高比越小，这种现象越明显。

(2)由于跨高比越小的连梁所受剪弯比比较大，试验过程中主要受剪切变形控制，连梁的斜裂缝较为发育，因此小跨高比连梁刚度退化相对较快。

3 结论

对6根RPC连梁开展了低周往复加载试验，通过分析跨高比和配箍特征值对RPC连梁抗震性能的影响，主要得出以下研究结论:

(1)当RPC连梁的跨高比较小(l/h≤0.8)时，连梁通常发生剪压破坏，破坏突然迅速，属于典型的脆性破坏；跨高比稍大一点(0.8＜l/h≤1.5)时，连梁的开裂、屈服荷载随着跨高比的增加而存在上升的趋势，但受配箍率的影响并不明显，且在破坏过程中连梁呈现出弯剪破坏的特征，破坏时延性较LL-1稍好，但仍属于脆性破坏。

(2)在一定范围内，RPC连梁的配箍率对混凝土的裂缝发展有一定影响，配箍率的增加有助于提升构件的抗震性能，但对抗剪承载力的提高影响不大。

(3)RPC连梁的滞回曲线在进入塑性后卸载，变形无法完全恢复，存在残余应力，曲线捏缩效应较为明显。RPC连梁存在刚度退化现象，刚度退化主要受跨高比影响，随着RPC连梁跨高比的增大，其刚度退化变慢。