后掺骨料混凝土短柱抗震性能试验研究

贾金青，郑婉婷，张丽华，张 强，毛鹏飞

(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

后掺骨料混凝土是指在基准混凝土(一般为泵送混凝土)中抛填部分粗骨料，而后进行二次搅拌，从而制成工作性能和力学性能良好的混凝土[1]。邹波[2]针对后掺骨料混凝土抗裂性能进行试验，结果显示后掺粗骨料的添加能够较好地抑制混凝土早期的塑性收缩，从而改善基准混凝土的抗裂性能。后掺骨料混凝土在保持泵送混凝土原有优势的同时在一定范围内解决了泵送混凝土早期开裂严重的问题，同时还具有巨大的经济与环保意义。可通过减少胶凝材料使用率，降低制造成本、降低生产过程中二氧化碳的排放量，更符合绿色建材的理念[3]。目前关于后掺骨料混凝土构件抗震性能的研究较少，因此十分有必要开展研究。

随城市化进程加快，柱承担的竖向荷载逐渐增大，由于轴压比限制，截面尺寸也随之增加，从而形成剪跨比不大于2的短柱，在实际地震作用中短柱更易破坏[4]。因此，后掺骨料混凝土混凝土短柱的抗震能力研究十分必要，本次试验以5个剪跨比λ=2.0的后掺骨料混凝土短柱为研究对象，通过不同后掺率、不同轴压比的后掺骨料混凝土短柱的低周往复荷载试验分析其破坏形式及滞回性能，为后掺骨料混凝土在建筑结构中的实际应用提供依据。

1 试验概况

1.1 试验设计及试验参数

本试验在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室进行，采用1∶4的比例进行缩尺模型试验[5]，制作试件几何尺寸及配筋如图1所示。本试验共设计5个试件，剪跨比λ为2.0，变化参数为后掺率r和轴压比n，参数见表1。试件采用强度C40混凝土，纵筋配筋率ρS为2.26%，箍筋体积配箍率ρv为2.57%。后掺骨料混凝土的脆性更加明显，峰值应变较基准混凝土要大，需要加强约束，因此配箍率和箍筋强度较基准钢筋混凝土构件高。

图1 试件基本构造(单位：cm)

表1 设计参数

1.2 加载装置及试件测点布置

试验竖向荷载由200 t液压千斤顶在柱顶施加，并设置球铰确保竖向荷载不发生偏心。水平荷载则由50 t电液伺服作动器在预设加载点施加，布置4个位移计，2个LVDT测量柱端及塑性铰区位移；布置8个应变片分别测量塑性铰区纵筋及箍筋局部应变。

1.3 加载方案

试验采用低周往复水平加载。选用位移变幅等幅混合控制水平位移增量加载，前4级加载幅值中，控制位移角(θ=Δ/H)按0.25%加载幅值增加，每级循环1次；此后以0.5%位移转角增加，每级循环3次，直至水平荷载降到峰值荷载的85%或结构竖向失去承载能力后停止加载[6]。

2 试验破坏现象

试件的主要破坏形式均为剪切破坏，破坏特征较为相似。根据试验现象，可将破坏过程分为以下3个阶段：

(1)初裂阶段。此阶段试件基本处于弹性阶段，随着荷载的增加，在试件的节点区域即柱根处首先出现弯曲的水平裂缝。卸载过程中，可观察到裂缝的闭合现象，卸载后残余变形非常小。随后掺率的提高本阶段的裂缝数量减少，后掺骨料对早期裂缝的开展有抑制作用，试件节点区域产生的开裂荷载Pcr约为峰值荷载Pmax的0.6～0.8。

(2)裂缝稳定扩展阶段。此阶段试件弯曲裂缝的发展速度一般较慢，出现多条从试件根部到支点的细微斜裂缝。此时剪应力开始重分布，纵筋和箍筋逐渐开始承受混凝土传来的剪应力，使得钢筋的应力及应变迅速增加，对抗剪形成主导作用。随水平位移的往复变化，原有竖向粘结裂缝和水平弯曲裂缝数量增加，宽度也发生明显变化，斜裂缝快速向顶点(对角线方向)延伸，逐渐形成1～2条相对明显的沿对角线方向的“X”形交叉的主要斜裂缝。

(3)破坏阶段。试件表现为“突然性”的剪切破坏形态。破坏发生时，试件的保护层混凝土小块被压溃而退出工作，崩掉外射、大块脱落，穿过石子的骨料断面较为平整，主筋与箍筋外露，纵筋压曲失稳，并表现为突然无法稳定地继续承受预加轴向力，同时伴随有巨响。

总体来看，后掺率增加会使试件早期裂缝数量减少，但最终破坏形态与普通混凝土近似；轴压比增加会发生更为明显的脆性破坏。

3 试验结果及分析

3.1 滞回曲线

滞回曲线是拟静力试验中水平荷载P与水平位移Δ之间的关系曲线，是抗震性能的综合体现[7]。图2为试验测得各试件的荷载-位移滞回曲线。从图2可以看出：

图2 各试件的荷载-位移滞回曲线

(1)在初裂阶段，所有试件荷载和位移之间均为线性变化，滞回环面积较小，加载卸载曲线大致重合，试件残余变形可以忽略，刚度退化不明显，处于弹性工作阶段。随位移循环的增加，裂缝开始增多，此阶段滞回环包围面积持续增加，试件开始出现残余变形，刚度逐渐退化，试件进入弹塑性工作状态。试件屈服后，荷载与位移不再保持线性变化关系，荷载的增长速度远小于位移的增长速度。

(2)从试件A～C的滞回曲线可知，滞回曲线在后掺率为10%时最为饱满，后掺率20%与天然骨料混凝土滞回曲线形状基本近似，总体呈梭形。

(3)从试件B、D、E的滞回曲线可知，随轴压比的增加，滞回曲线饱满度降低，水平荷载下降速度较快，试件在位移循环加载下刚度退化及强度衰退速率增加，延性性能及耗能能力也逐渐降低。

3.2 骨架曲线

荷载-位移滞回曲线中各级加载的第一次循环峰值点的包络曲线就是骨架曲线[8]。试件的骨架曲线如图3所示。从图3可以看出：

(1)整个试验中，骨架曲线大致历经无裂缝的弹性上升段、轻微损伤的强化段、损伤稳定发展及急剧发展的破坏阶段4个阶段。

图3 试件的骨架曲线

(2)初始时，骨架曲线近似线性，试件尚处于弹性阶段。待试件开裂，刚度逐渐降低，曲线轨迹也呈现弯曲状。之后，随加载位移增加，水平荷载升高至峰值后进入下降段，试件的积累损伤不断加大，其刚度也不断降低，直至进入负刚度阶段。

表2 主要特征荷载及延性系数

(3)不同后掺率对骨架曲线的影响，如图3a所示。在弹性上升阶段，后掺率10%和20%试件骨架曲线基本重合，均大于未添加后掺骨料的试件；在破坏阶段，后掺率10%的试件下降段较为平缓，说明随后掺率的增加，试件延性耗能呈先增后减的趋势，说明后掺率10%为最佳。

(4)不同轴压比对骨架曲线的影响，如图3b所示。随着轴压比的增加，峰值荷载逐渐加大，峰值点曲线下降更为迅速，说明随轴压比增加，试件承载力增加，延性变差，强度衰减迅速增加、幅度加大。

3.3 承载能力及位移延性

试件屈服点、峰值点和破坏点及其对应的侧向位移、延性系数等见表2。依照骨架曲线，用能量等效法求试件屈服位移Δy，再按通常规定取85%的峰值荷载对应的位移作为极限位移Δu[9-11]，延性系数可按式(1)计算，即

μΔ=Δu/Δy

(1)

随着后掺率的增加，延性系数呈先增大后减小的趋势，后掺率20%和10%试件的延性系数比普通混凝土短柱增加11.54%和10.00%，10%为最佳后掺率，说明适当提高后掺率，有助于提升试件的抗震性能。

延性系数随轴压比的增大持续降低，轴压比为0.25时，其延性系数为2.90，比轴压比为0.38时高10.69%，比轴压比为0.45时高13.73%，试件抗震性能随轴压比增加而变差，因此，实际工程中必须严格控制轴压比。

3.4 刚度退化

刚度退化是指由于试件材料的累积损伤及弹塑性性质，导致试件刚度随循环次数增加而减小[12]。试件刚度可用割线刚度Ki表示，即

(3)

式中，Fi、Xi为每级循环下的峰值荷载和最大位移。

图4 刚度退化曲线

刚度退化曲线见图4。由图4可知，试件刚度随着荷载的增加而逐渐降低，其原因是随试件斜裂缝的开展，其损伤不断积累，混凝土退出工作速率加快，从而导致刚度不断降低，在屈服前，刚度下降速度较快，屈服后下降趋于平缓。

从图4a可以看出，随后掺率升高，刚度退化曲线逐渐陡峭，说明后掺率的升高降低了试件抵抗地震作用的能力。从图4b可以看出，在轴压比为0.25时，加载前期刚度退化较快，而在加载后期刚度退化相对平缓，在轴压比较大时，刚度变化则正好相反。

4 结 论

通过对后掺骨料混凝土短柱的拟静力试验，对试件破坏现象及试验结果进行了综合分析，得出以下结论：

(1)后掺骨料混凝土短柱均在柱脚塑性铰区发生剪切破坏。滞回曲线大致呈梭形，且“捏缩”现象不明显，试件达到水平峰值荷载后，水平承载力下降较快，延性相对较差。

(2)后掺率为10%的试件在滞回曲线形态、延性等各方面均有所改善，抗震性能最佳；后掺率为20%的试件抗震性能略好于未添加后掺骨料的试件，提升后掺率可改善试件抗震性能。随轴压比的增加，试件承载力提高，但截面弯曲变形能力减小，延性变差，刚度退化加快。

(3)后掺骨料混凝土短柱抗震性能强于普通混凝短柱，但仍未满足规范要求，应继续探究相应措施来改善其抗震性能。