现浇钢-PVA纤维混凝土梁柱节点抗震性能试验.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2 0 9 0 6基金项目:安徽高等学校省级自然科学重点研究项目(K J 2 0 1 9 A 0 8 8 3);建筑结构安徽省普通高校重点实验室科研项目(K L B S Z D 2 0 2 1 0 4);安徽省大学生创新训练计划项目(AH 2 0 2 1 1 2 2 1 6 1 1 2,AH 2 0 2 1 1 2 2 1 6 1 1 5);国家级大学生创新训练计划项目(2 0 2 2 1 2 2 1 6 0 0 8,2 0 2 2 1 2 2 1 6 0 0 5)。作者简介:钟 晨(1 9 8 5),女,安徽合肥人,副教授。第3 5卷第4期2 0 2 3年 8月沈阳大学
2、学报(自然科学版)J o u r n a l o fS h e n y a n gU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e)V o l.3 5,N o.4A u g.2023文章编号:2 0 9 5-5 4 5 6(2 0 2 3)0 4-0 3 3 3-0 7现浇钢-P V A纤维混凝土梁柱节点抗震性能试验钟 晨1 a,1 b,胡元超1 a,1 b,朱旭峰2(1.安徽新华学院a.城市建设学院,b.建筑结构安徽省普通高校重点实验室,安徽 合肥 2 3 0 0 8 8;2.中国能源集团 安徽电力建设第一工程有限公司,安徽 合肥 2 3 0 0
3、8 8)摘 要:通过对不同纤维含量下的钢-P VA纤维混凝土现浇梁柱节点低周反复载荷试验,得到混杂纤维混凝土试块立方体抗压强度、结构骨架曲线以及延性系数等指标。基于唯象学理论并由试验结果可知:混杂纤维可以有效提高混凝土的承载极限和峰值后应变能;对比单一钢纤维混凝土试件,钢-P VA纤维混凝土试件的骨架曲线在峰值载荷后下降趋于平缓,且P VA纤维对改善节点塑性变形和抗损伤能力效果明显;混杂纤维体积分数在2%左右,钢与P VA配合比为23时纤维混凝土试件可获得更优的抗震性能。关 键 词:钢-P VA纤维混凝土;梁柱节点;低周反复载荷;骨架曲线;抗震性能中图分类号:TU 3 7 5.4 文献标志码:
4、AS e i s m i cP e r f o r m a n c e T e s to f C a s t-i n-P l a c eS t e e l-P V A F i b e rR e i n f o r c e dC o n c r e t eB e a m-C o l u m nJ o i n t sZHONGC h e n1 a,1 b,HUY u a n c h a o1 a,1 b,ZHUX u f e n g2(1.a.C o l l e g eo fU r b a nC o n s t r u c t i o n;b.K e yL a b o r a t o r yo f
5、B u i l d i n gS t r u c t u r eo fA n h u iH i g h e rE d u c a t i o nI n s t i t u t e,A n h u iX i n h u aU n i v e r s i t y,H e f e i 2 3 0 0 8 8,C h i n a;2.A n h u iN o.1E l e c t r i cP o w e rC o n s t r u c t i o nC o.,L t d.,C h i n aE n e r g yE n g i n e e r i n gG r o u p,H e f e i 2
6、3 0 0 8 8,C h i n a)A b s t r a c t:T h r o u g ht h el o wc y c l i cl o a dt e s to fs t e e l-P VAf i b e rc o n c r e t ec a s t-i n-p l a c eb e a ma n dc o l u m n j o i n t su n d e rd i f f e r e n t f i b e r c o n t e n t,t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f t h eh y b r i d f i b
7、e rc o n c r e t ec u b e,t h es t r u c t u r a l s k e l e t o nc u r v ea n dt h ed u c t i l i t yc o e f f i c i e n to f t h e t e s t s p e c i m e nw e r eo b t a i n e d.B a s e do nt h ep h e n o m e n o l o g i c a l t h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s,i t c o u l d
8、b ec o n c l u d e dt h a tt h eh y b r i df i b e rc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h eb e a r i n gl i m i ta n dp o s t-p e a ks t r a i ne n e r g yo f c o n c r e t e;c o m p a r e dw i t ht h e s i n g l e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e s p e c i m e n,t h es k
9、e l e t o nc u r v eo ft h es t e e l-P VAf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t es p e c i m e nd e c r e a s e sg r a d u a l l ya f t e rt h ep e a kl o a d,a n dt h eP VAf i b e rh a sa no b v i o u se f f e c to ni m p r o v i n gt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o na n da n t i-d a m a g
10、ea b i l i t yo ft h ej o i n t s,a n di ti sa l s os u g g e s t e dt h a tw h e nt h ev o l u m e f r a c t i o no fh y b r i df i b e r i sa b o u t 2%a n dt h er a t i oo f s t e e l t oP VAi s23,t h ef i b e rc o n c r e t es p e c i m e n sc a no b t a i nb e t t e rs e i s m i cp e r f o r m
11、a n c e.K e yw o r d s:s t e e l-P VAf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e;b e a m-c o l u m nj o i n t s;l o w-c y c l er e v e r s e dl o a d i n g;s k e l e t o nc u r v e;s e i s m i cp e r f o r m a n c e传统的框架节点塑性能力的提高通常是通过加密抗剪箍筋实现的,但容易造成核心区钢筋拥挤或者因为浇筑质量不良而导致框架节点强度下降。目前比较前沿的方法是在节点部位采用纤维混凝土
12、,在提高混凝土与钢筋之间黏结强度的同时,又可以利用纤维取代核心区的部分箍筋,改善核心区钢筋拥挤状况并降低材料成本。而掺入单一纤维不能达到既增强又增韧的目的。国内外学者近年来开展了各种类纤维增强混凝土构件与节点的抗震性能研究。郑七振等1研究钢纤维混凝土框架边节点在低周反复载荷作用下核心区的破坏过程、抗裂强度、抗剪强度及剪切延性等问题。徐钟彬2通过将钢纤维掺入梁端塑性铰不同位置,分析钢纤维对梁柱节点塑性铰的耗能能力以及结构延性的影响。王铁成等3对聚丙烯纤维增强异形柱边、中节点进行试验研究,表明纤维的掺入可以明显改善普通混凝土异形柱核心区的破坏形态,并提高承载力。高丹盈等4完成9个钢纤维高强混凝土框
13、架边节点的低周反复加载试验,总结了纤维含量、纤维掺入节点范围和柱轴压比等因素对其抗震性能的影响。王磊5进行5个钢纤维高强混凝土框架节点的拟静力实验,分析了轴压比、核心区配箍量、钢纤维含量对其抗剪性的影响。徐娜6、赵海龙7分别开展钢 聚丙烯柱和节点试验,分析纤维种类及掺入范围对构件和结构抗震性能的影响规律。韦翠梅8采用拟静力试验系统研究钢-聚丙烯纤维混凝土梁柱节点的抗震性能,并提出了核心区极限抗剪承载力和初裂载荷的计算公式和节点恢复力模型。S h a n n a g等9对6个1/3缩尺的梁柱节点试件进行了拟静力循环往复加载试验,通过对比两种钢纤维的体积掺量来研究在节点处添加高性能钢纤维混凝土对其
14、抗震性能所产生的影响。试验证明纤维混凝土梁柱节点的承载能力提高,且位移延性和能量耗散能力改善。B a y a s i等1 0对6个1/2缩尺的T型钢筋混凝土节点模型施加循环往复的水平作用力,在钢纤维总掺量恒定为2%的条件下,将一种长度3 0mm、直径0.5mm、长径比为6 0的带钩钢纤维掺入混凝土基体中替代普通混凝土,同时改变箍筋间距研究节点区的抗震性能;F i s c h e r等1 1针对没有配置箍筋的1 0个钢纤维混凝土倒T形受弯构件在往复载荷作用进行试验;P a r r a等1 2研究了9个混凝土柱钢梁边节点的循环往复加载过程,通过U型箍筋、外包钢板、使用钢纤维等不同的节点加强形式分析
15、其承载性能与破坏形态。上述研究表明纤维混凝土在节点区可以有效减少箍筋用量,甚至代替箍筋来避免钢筋的拥挤,同时可大大改善试件破坏时的混凝土剥落现象。但研究主要针对单一钢纤维、钢 聚丙烯混杂混凝土梁柱节点的拟静力试验分析,而研究钢-P VA混杂纤维混凝土框架节点抗震性能的却很少。本文以钢-P VA混杂纤维混凝土框架节点为研究对象,基于低周反复载荷下框架中节点足尺试验,通过分析纤维特征参数对节点试件的承载力、延性性能、刚度退化进行抗震性能评价。1 试验过程1.1 试验材料与参数本试验中梁柱节点试件总计6个,试件采用的混凝土强度等级为C 5 0,在江苏科技大学试验室一次性浇注成型,其中有现浇普通混凝土
16、试件R C-1、单一纤维混凝土试件S F R C-2、E C C-3和混杂纤维增强混凝土试件S E C C-4、S E C C-5、S E C C-6,试验各试件编号及研究参数见表1。表1 试件设计参数T a b l e1 S p e c i m e np a r a m e t e r s试件编号纤维体积分数/%P VA钢纤维轴压比核心区箍筋间距/mmR C-1000.26 0S F R C-220.26 0E C C-320.26 0S E C C-41.40.60.26 0S E C C-51.20.80.26 0S E C C-6110.26 0 为了准确测量纤维混凝土试件与普通混凝土
17、试件的强度,在试件浇筑的过程中,相同养护条件下,每组留取3块标准立方体试块和棱柱体试块分别用来测纤维混凝土的抗压强度和弹性模量。加载设备为济南三越电液伺服万能试验机,加载速率为0.1mms-1位移控制,混凝土实测性能参数见表2。试件中梁柱受力纵筋及箍筋均采用新三级钢筋HR B 4 0 0,水泥选用普通硅酸盐水泥P.O.4 2.5。试验选用的P VA与钢纤维作为增强体,聚乙烯醇(P VA)纤维由上海锴源化工科技有限公司生产,端钩型钢纤维由河北省衡水骏晔路桥养护工程有限公司提供。433沈阳大学学报(自然科学版)第3 5卷表2 试验所用混凝土性能参数T a b l e2 C o n c r e t
18、ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r su s e d i n t h et e s t试件编号立方体试块抗压强度MP a弹性模量G P aR C-15 4.1 63 5.2S F R C-27 2.9 43 8.7E C C-37 4.5 84 0.1试件编号立方体试块抗压强度MP a弹性模量G P aS E C C-47 1.4 33 7.5S E C C-57 2.7 63 8.2S E C C-67 3.2 03 9.81.2 试验试件按照四级抗震设计柱子的轴压比为0.3,6个节点试件的梁截面尺寸为2 0 0mm4 0 0mm,柱截面尺寸为3
19、5 0mm3 5 0mm。梁对称配筋,受拉筋和受压筋均为3 1 6,柱对称配筋,单侧受力筋均为2 0,梁和柱截面分别为矩形箍柱、矩形加菱形复合箍,非加密区配箍筋61 8 0,加密区配箍筋69 0,节点核心区66 0。试件纵筋的混凝土保护层厚度为2 5mm。在柱端和梁端均预埋1 0mm厚的钢板以防止局压破坏。普通钢筋混凝土试件在节点核心区1倍梁高的范围内的梁端和柱段实施策略性的掺入纤维。1.3 试验设备与加载为比较接近钢筋混凝土梁柱节点的真实受力情况,试验时梁两端反弯点和节点上柱反弯点设计为水平可移动铰支座,柱下端反弯点为固定铰支座。采用拟静力试验方法评估试件的抗震性能,试件加载装置如图1、图2
20、所示。同时采用4个位移测量装置(位移计)测量柱上、下端水平位移和梁两端垂直位移。图1 试件加载装置尺寸(单位:m m)F i g.1 S p e c i m e n l o a d i n gd e v i c es i z e(u n i t:m m)533第4期 钟 晨等:现浇钢-P VA纤维混凝土梁柱节点抗震性能试验图2 加载现场实景F i g.2 R e a l s c e n eo f l o a d i n gs i t e首先在柱顶施加竖向载荷至试件拟定的轴向压力8 4 9k N,分两段逐次缓慢加载并使其保持恒定,然后由1 0 0t的电液伺服作动器在柱顶施加水平载荷。水平加载方式
21、为双向反复加载,采用载荷 位移联合控制的加载制度,试件屈服前以每次1 5k N分35级加载,每个循环重复1次,直到试件屈服(以节点梁端任意1根受力纵筋达到屈服应变时对应的载荷值定义为该试件的屈服载荷值);试件屈服时记录屈服位移y(柱子顶部外置传感器测得水平位移),再按照它的倍数,即1 y、2 y、3 y、4 y,逐级加载,每级循环1次。每次加载后暂停,观察钢筋应变、标记裂缝开展等。当载荷下降至最大载荷Pm a x的8 5%时停止试验,记录破坏时柱顶极限位移u。这种柱端加载方式可以避免框架内节点两侧梁内钢筋屈服不同步的现象。2 试验结果及分析2.1 立方体试块轴心受压强度分析对1 5 0mm1
22、5 0mm1 5 0mm立方体混凝土试块进行轴心抗压试验,其破坏后的试件如图3所示,不同体积分数的纤维混凝土立方体试块的应力 应变曲线见图4。(a)R C立方体试块(b)S F R C立方体试块(c)E C C立方体试块(d)S E C C立方体试块图3 立方体试块的抗压强度试验F i g.3 C o m p r e s s i v es t r e n g t h t e s t o f c u b eb l o c k s图4 立方体试块的应力 应变曲线F i g.4 S t r e s s-s t r a i nc u r v eo f c u b et e s t b l o c k
23、由6个立方体试块的应力 应变曲线可知:与普通混凝土相比,纤维混凝土材料均表现出了良 好的应变硬 化特性,除 了S E C C-4外,E C C-3、S E C C-5、S E C C-6应变强化性能均要优于钢纤维混凝土S F R C-2。整理出的各试块峰值应力-应变、应变能密度及韧性相关系数见表3,由表3数据分析可知:1)与普通混凝土试块相比,纤维混凝土材料的峰值应力和应变均有1.21.4倍的提高;E C C-3的峰值应变是普通混凝土的1.3倍,其 余 混 杂 纤 维 混 凝 土 试 块E C C-3、S E C C-4、S E C C-5、S E C C-6的峰值应变相对于S F R C-2
24、有增有减,且幅度不大。2)试验获得的各试块峰值前的应变能密度较普通混凝土试块也有所提高,E C C-3的峰值前应变能密度是普通混凝土的1.7倍,其余各混杂纤维混凝土试块S E C C-4、S E C C-5、S E C C-6普遍增长1.4 81.7 0倍。而峰值后的应变能密度由于纤维混凝土的应变强化性能与纤维的桥接作用涨幅更大,钢-P VA混杂纤维混凝土试块达到普通混凝土的8倍左右。由此可见,纤维增强混凝土可以有效的增强其633沈阳大学学报(自然科学版)第3 5卷应变能密度。表3 立方体试块轴心抗压试验应变能密度T a b l e3 A x i a l c o m p r e s s i o
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- 现浇钢 PVA 纤维 混凝土 梁柱 节点 抗震 性能 试验
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