高延性混凝土在剪力墙置换中应用性能分析

摘 要：为了探究高延性混凝土对剪力墙抗震性能的影响，本文利用改性活性粉末混凝土局部置换加固剪力墙，并且设置两个对照组，第Ⅰ组是强度等级为C15的剪力墙试件（不加固），第Ⅱ组是强度等级为C30的剪力墙试件（不加固），第Ⅲ组是强度等级为C15的剪力墙试件（加固）。按照不同的轴压比向试件施加恒定竖直载荷和水平低周反复载荷，综合钢筋应变、混凝土结构应变、载荷大小、试件位移等因素，判断3组试件的承载力。结果显示，经过高延性混凝土局部置换加固的剪力墙，极限承载力、破坏承载力明显提升，优于两个对照组，说明该加固方式有利于提高剪力墙的抗震性能。当建筑物受到地震影响时，竖直载荷、水平载荷作用于剪力墙，使墙体出现伸缩变形，一旦超过其承载能力，将会导致结构破坏。高延性混凝土中添加了PP纤维、钢纤维以及多种活性物质，改善了普通混凝土材料的抗拉、抗压以及延展性，因此研究此类混凝土对剪力墙的加固效果具有重要的意义。

关键词：高延性混凝土；局部置换加固剪力墙；抗震性能试验

中图分类号：TU 352" " 文献标志码：A

1 高延性混凝土材料及试件概述

1.1 高延性混凝土材料

我国的许多房屋建筑年代久远，因此建造时对抗震设计的重视程度不高。为了满足新的使用需要，要对这些建筑物进行改造。由于新标准普遍高于旧标准，既有建筑结构不能满足抗震要求，因此须对既有建筑物进行加固。我国现行建筑设计规范规定，建筑使用年限一般为50～100年。但建国后，新建建筑物大多已超过50年，维修与加固工作亟待加强。随着时间流逝，部分老建筑会逐渐进入服役期，从而导致大量建筑物发生不同程度损坏乃至倒塌。因此，提高改建技术在当代建筑业中非常重要，也成为建筑业未来发展的主要方向。在高层建筑中，剪力墙是一种重要的承载构件，它的受力性能及变形能力直接影响整个工程的质量。通过试验检测可以明确高延性混凝土的性能并合理进行建筑加固。

试验过程使用的混凝土材料为改性活性粉末混凝土（Modified Reactive Powder Concrete，MRPC），制备MRPC的原材料及配比见表1。由于材料中添加了活性粉末、钢纤维、PP纤维，因此其抗拉强度、抗压强度、延性以及耐久性等重要性能指标得到了明显改善。

1.2 试件制作要求

1.2.1 剪力墙试件强度及加固措施

当钢筋混凝土剪力墙的强度较低时，可利用MRPC材料对其进行局部置换，从而达到加固剪力墙的目的。在试验前制作3组剪力墙试件，每组均为3个。第一组剪力墙试件采用强度等级为C15的混凝土，不使用MRPC材料进行局部置换加固[1]。第二组剪力墙试件采用强度等级为C30的混凝土，不采取MRPC加固措施。第三组剪力墙试件采用强度等级为C15的混凝土，利用MRPC材料进行局部置换加固。

1.2.2 剪力墙试件尺寸及配筋设计

试验过程共设计了9个剪力墙试件，其结构形式完全一致，包括墙体、地梁以及加载梁，根据高度、宽度和墙体厚度决定试件的几何尺寸，几个试件的高度均为2.7m，宽度均为1.2m，厚度均为0.14m。对采取MRPC加固措施的墙体试件来说，其加固位置位于墙体的两端，局部置换的长度为0.2m。地梁截面的几何尺寸为0.5m×0.8m，加载顶梁的截面设计为0.18m×0.3m。墙体试件的尺寸及配筋设计结果见表2。

1.2.3 检测MRPC的抗压强度

当使用MRPC材料置换加固剪力墙时，应保证其抗压强度处于同一级别，避免抗压强度不同影响抗震性能试验的结果。针对MRPC-1、MRPC-2、MRPC-3这3种试件各配置3次MRPC材料，得到9个立方体试块。按照《混凝土检验评定标准》（GB/T 50107—2010）的试验方法和混凝土强度检验评定方法，进行MRPC抗压强度试验，结果见表3。从表3可知，MRPC材料的抗压强度差异非常小，性能较为稳定。

1.2.4 剪力墙混凝土材料力学性能检测

除了MRCP材料外，试验过程还涉及C15混凝土和C30混凝土，作为浇筑剪力墙的主体材料，应检测其抗压强度是否与设计强度一致。在浇筑剪力墙的过程中，同时制作标准的立方体混凝土试块，边长均为100mm，试块的混凝土材料、养护条件与剪力墙完全保持一致，每种强度等级均制做3个标准试块，分别检测其抗压强度。C15混凝土试块的检测结果分别为15.43MPa、15.59MPa、15.68MPa，均值为15.57MPa，满足强度等级要求。C30混凝土试块的强度等级分别为35.58MPa、36.76MPa、35.45MPa，均值为36.26MPa，满足C30混凝土的强度等级要求。对比C15混凝土、C30混凝土和MRCP材料的抗压强度，强度比值约为1∶2∶4。

1.2.5 剪力墙钢筋性能检测

钢筋是制作剪力墙的重要材料，在剪力墙抗震性能试验中，3 种剪力墙使用的钢筋在性能上应保持一致。性能检验的重点为剪力墙的水平分布钢筋、纵向筋以及拉结筋。检测钢筋的抗拉强度，纵向钢筋的直径为12mm，其屈服强度和极限抗拉强度分别为420MPa、585MPa。水平钢筋的直径为10mm，屈服强度和极限抗拉强度分别为411MPa、564MPa，拉结筋的直径为8mm，屈服强度和极限抗拉强度分别为420MPa、525MPa。所有钢筋的材质均为HRB400型。

2 抗震性能试验方法

2.1 测点布置

2.1.1 设置钢筋应变片

用钢筋应变片检测剪力墙中钢筋的应变情况，测点分布在剪力墙的水平钢筋、纵向钢筋以及端部纵向受力钢筋上。试件上的钢筋应变测点共9个，其中4个设置在纵向钢筋上，另外5个均设置在水平钢筋上，并且5个水平钢筋测点呈45°斜向分布[2]。

2.1.2 设置混凝土应变片

当混凝土结构受到地震作用时，有可能出现伸缩变形，因此在剪力墙的混凝土构件上设置应变片。当构件发生变形时，应变片也会发生相应变化，导致金属箔材伸长或者收缩，在该过程中，其电阻值随之改变，使电压也发生变化。通过观察电压的变化情况，即可判断混凝土构件的伸缩程度。在剪力墙的对角线上布置应变片，只须布置一条对角线。

2.1.3 设置位移传感器

当发生地震时，建筑物不仅受到竖直方向的载荷，同时还存在水平载荷，后者会导致建筑物在水平方向发生位移，为了检测剪力墙试件的水平位移，在其顶部和底部设置位移传感器，型号为YHD-300，传感器的量程为±150mm。用设置在底部的传感器监测地梁在试验过程中是否发生水平位移，传感器与电阻应变采集仪相连。

2.2 测试内容

在试验过程中，需要检测的数据包括剪力墙的水平载荷、破坏形态、水平位移量、混凝土应变以及钢筋应变。试验过程使用的设备包括位移采集系统、应变采集系统以及液压伺服加载系统，以数字化的方式采集和展示试验数据。

2.3 加载方案

2.3.1 竖向载荷加载方案

在抗震试验中，需要通过试验装置模拟地震时的水平载荷和竖直载荷，使其作用在墙体试件上[3]。利用液压稳压加载系统完成竖向载荷加载过程，沿着剪力墙试件的轴向施加恒定载荷，轴向压力的取值与轴压比密切相关，将轴向压力记为N，其计算方法如公式（1）所示。

N=n·fc·A " （1）

式中：n为轴压比；A为墙肢的全截面面积；fc为混凝土的轴向抗压强度设计值。针对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ这3组试件，分别施加不同大小的竖向载荷，第Ⅰ组载荷值为360.36kN，第Ⅱ组为600.60kN，第Ⅲ组为840.84kN。

2.3.2 水平载荷加载方案

由MTS液压伺服加载系统实现水平载荷的加载过程，地震引起的水平载荷通常低周期反复出现，水平载荷采用位移加载控制方式，载荷按照其运行方向，存在正负之分。当动作器施加推动作用时，载荷为正向，当动作器施加拉向作用时，载荷为负向。随着动作器位移增加，施加在试件上的载荷也不断增加。在初始阶段，按照0.3mm/次加载，待试件产生初始裂缝后，增加载荷幅值，按照每级1.2mm进行加载控制[4]。当试件出现较大程度变形时，进入新的加载级别，将位移增幅调整为2.4mm。随着载荷增加，试件的破坏程度不断加剧，当载荷突然下降时，说明试件的承载能力已经越过极限值，此时可停止加载。

3 抗震性能试验中试件的破坏过程

3.1 试件破坏形态分析

3.1.1 第Ⅰ组试件的破坏形态

将试件RC15-1、RC15-2、RC15-3的强度均设计为C15，未采取MRPC局部置换加固措施，几何尺寸和结构形式也完全一致。3个构件的轴压比存在差异，以RC15-1为例，当恒定竖向载荷为360.36kN时，其破坏形态见表4。在整个试验过程中，RC15-1剪力墙的受拉峰值载荷和受压峰值载荷分别为-233.7kN、211.7kN，对应的水平位移量分别为-39.6mm、+32.4mm。RC-2试件的受拉载荷峰值为-241.5kN，受推载荷峰值为+236.1kN，相应的位移量分别为-26.2mm、+28.2mm。RC-3试件的受拉和受推载荷峰值分别为-250.9kN、261.9kN，相应的位移量为-21.6mm、+25.6mm。

3.1.2 第Ⅱ组试件的破坏形态

第Ⅱ组试件的强度等级为C30，未采取MRPC局部置换加固措施，RC30-1的轴压比为0.15，RC30-2的轴压比为0.25，RC30-3的轴压比为0.35，其恒定竖向载荷分别为360.36kN、600kN、840.48kN。以RC30-1试件为例，水平载荷由动作器加载，按照正向和负向反复加载，-3.0mm位移对应的拉力为90.8kN，此时受拉部位初次产生裂缝[5]。反向加载推力，当位移量达到3.6mm时，施加在试件上的载荷为89.4kN，此时受压部位初次产生裂缝。当正向位移量增至26.5mm时，推力达到220.9kN，试件产生第一条竖向裂缝。继续加载，试件底部彻底破碎。

3.1.3 第Ⅲ组试件的破坏形态

第Ⅲ组试件的强度等级均为C15，采取MRPC局部置换加固措施，MRPC-1、MRPC-2、MRPC-3这3个试件的轴压比分别为0.3、0.5、0.7，竖向恒定载荷分别为360.36kN、600.0kN、840.84kN。以剪力墙试件MRPC-1为例，通过动作器向试件施加水平载荷，当位移量为-3.0mm时，试件上首次出现水平受拉载荷，此时对应的拉力值为82.9kN。当位移量为+33mm时，试件上的压力达到峰值263.8kN。当位移量为-41.0mm时，拉力达到峰值，最大拉力为-273.9kN。试件MRPC-2的试验结果显示，其峰值拉力和推力分别为-328.8kN、310.3kN，对应的最大位移量分别为-38.0mm、+40.0mm。试件MRPC-3的峰值拉力和压力分比为-369.6kN、360.7kN，相应的位移量为-46.0mm、42.0mm。数值见表5。

3.2 承载力试验结果

综合抗震试验的结果，统计3组试件在不同条件下的开裂载荷、极限载荷以及破坏载荷，结果见表6。以极限载荷为例，在组别I中，RC15-3的极限载荷最大，分别为+261.8kN、-250.8kN，而组别Ⅲ中，试件MRPC-3的极限载荷最大，分别为+360.6kN、-369.5kN，比RC15-3高出约100kN。与第Ⅱ相比，该组中RC15-30的极限载荷最大，分别为+294.4kN、-309.0kN，MRPC-3同样的相应数值仍然更大。从中可知，采取高延性混凝土置换加固措施后，第Ⅲ组试件的极限载荷和破坏载荷明显高于第Ⅰ组和第Ⅱ组，承载能力增强证明经过MRPC局部置换加固后的剪力墙具有更强的抗震性能。

4 结语

综合全文，在此次研究过程中，本文分别制作了3种剪力墙试件，试验组利用MRPC材料进行置换加固（强度等级为C15），对照组均不采取加固措施，强度等级分别为C15和C30。在试件上布置测点，包括钢筋应变测点、混凝土结构应变测点、水平位移测点等，以固定的竖直载荷作用于试件，并分级施加水平载荷，观察其破坏形态以及承载力。从结果可知，经过高延性混凝土局部置换加固的剪力墙试件，有效地提高了载荷能力，剪力墙抗拉、抗压强度也显著提升，有利于提高其抗震性能。

参考文献

[1]白翔宇，杨鹏辉.不同配筋形式高性能混凝土剪力墙抗震性能对比研究[J].混凝土，2021（8）：20-23，29.

[2]祁会军.农房抗震加固用高延性混凝土研究[J].核农学报，2022，36（9）：1906.

[3]冯驰，朋茜，黄海，等.高延性混凝土在结构加固应用中的研究进展[J].混凝土世界，2022（2）：93-95.

[4]陈平，李翱，王庭桐.建筑工程技术中高延性混凝土的应用[J].建筑技术开发，2021，48（24）：139-140.

[5]邓明科，张伟，李宁.高延性混凝土加固砌块砌体墙抗震性能研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2020，47（9）：85-93.