钢筋钢纤维高强混凝土柱横向承载静力试验研究

  刘申永，  刘中宪，  徐慎春，  金何伟

 （1天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津300384；2天津大学建筑工程学院，天津300072）

[摘要]  通过6根钢筋钢纤维高强混凝土柱的横向承载静力试验，研究了其承载力、刚度、延性及破坏形态，探讨了钢纤维种类、轴力对其抗弯剪性能、横向荷载一跨中挠度曲线及延性的影响。试验结果表明，钢纤维的掺入显著提高了钢筋混凝土柱的横向承载力及延性，且超细钢纤维(MF)的提高效果优于螺旋形钢纤维(TF)。另外，所采用的轴力对钢筋钢纤维高强混凝土柱的横向承载力、刚度及其延性也具有较大的增强作用。

0  引言

 钢筋钢纤维高强混凝土具有高强度、高韧性、高和易性的优异特性，因此被广泛应用于现代建筑结构中，以满足其日益提高的性能需求。当地震、爆炸等荷载作用于建筑时，建筑结构往往承受弯矩和剪力的共同作用，进而产生弯剪型破坏。因此研究钢筋钢纤维高强混凝土构件的抗弯剪破坏性能就显得尤为重要。

 国内外众多学者对钢筋钢纤维高强混凝土构件的抗弯剪性能进行了研究。例如，林涛等运用三分点抗弯试验，对钢筋钢纤维高强混凝土构件的抗弯性能进行了研究，研究表明，钢筋钢纤维高强混凝土构件的开裂荷载、极限荷载和受压区边缘最大应变都随钢纤维的含量的增大而提高；刘兰等通过6根钢筋钢纤维高强混凝土构件的抗弯性能试验，研究了普通钢筋高强混凝土构件掺入钢纤维后的破坏形态和受力性能。Ashour S A等对钢筋钢纤维高强混凝土构件的抗弯、抗剪性能进行了研究，结果表明，钢纤维显著提高了混凝土构件的韧性，抑制了裂缝的发生和开展，改善了构件的破坏形式。Nagashima T等进行了高强混凝土柱在轴压力下的力学性能试验，研究结果表明，高强混凝土的强度和延性不受纵筋的屈服强度和纵筋数量的影响。Qian Chunxiang等通过抗弯试验比较了普通高强混凝土构件与钢纤维超高强混凝土构件的抗弯性能，试验结果表明，与普通高强混凝土构件相比，钢纤维超高强混凝土构件的初始抗弯强度及峰值荷载后延性有显著提高。

 综上所述，现有研究多采用三分点加载试验以研究钢筋钢纤维高强混凝土构件在纯弯状态下的力学性能，而对处于弯剪切共同作用下钢筋钢纤维高强混凝土柱的力学性能研究较少。本文通过6根钢筋钢纤维高强混凝土柱的横向承载静力试验，以横向力近似模拟爆炸荷载，作用于柱子中部，简化研究爆炸荷载对混凝土柱的影响，研究了钢纤维种类及轴力对钢筋钢纤维高强混凝土柱抗弯剪性能的影响（注意这里的弯剪复合作用是近似模拟爆炸荷载作用特点，同地震作用下的柱端部弯剪复合破坏在破坏形式上有很大差别），以期能够为钢筋钢纤维高强混凝土柱的推广应用提供一定的理论基础和技术支撑，同时可为类似参数设计构件的野外爆炸试验提供数据参照。另外需指出的是，本文研究所采用的钢纤维混凝土材料抗压强度达到150MPa以上，以往关于这种强度水平的研究相对较少。

1  试验设计

1.1试验材料

 为准确获得钢纤维超高强混凝土力学性能参数，对其进行了标准试件抗压试验和抗折试验，试验结果如表1所示。

 纵筋采用PSB1080钢筋，为准确获得钢筋的材料力学性能参数，对其进行了拉拔试验，试验结果如表2所示。

1.2试件制作与养护

 本试验制作了6根钢筋钢纤维高强混凝土柱，试件构造如图1所示，纵筋直径为lOmm，箍筋直径为8mm，保护层厚度为35mm。试件参数见表3。

 采用钢制模具浇筑，同时浇筑同条件标准试块，自然养护24h后拆模，进行48h热水浴养护，取出后进行自然养护，直至试验开始。

1.3试验方法

 本试验在天津城建大学结构实验室进行，试件工况如表3所示。采用1 000t自平衡加载系统进行加载，在跨中处设置1个位移计并沿截面高度等间距布置5个纵向应变片，同时，在左右1/4跨部位分别设置一个位移计并沿截面高度等间距布置3个纵向应变片，具体试验装置如图2所示。

 试验开始前，进行精确的几何对中及物理对中，并通过预加载减小加载误差。试验开始时，通过竖向作动器在试件跨中直接进行横向加载，采用力一位移混合控制加载方式，加载时首先采用加载速率为5 kN/min的力控制加载，加载至50kN后，改为位移控制加载，加载速率为0.2mm/min，荷载到达峰值后改为0.1 mm/min，直至试件完全破坏。

2  试验结果及其分析

2.1试验结果及破坏形态分析

 横向承载力、极限弯矩及跨中挠度试验结果汇总于表4。由试验获得的试件破坏形式如图3所示。

 由图3可以看出，无轴力时，试件（SJ-1，SJ3，SJ-5）破坏形式为试件跨中拉伸贯通型主裂缝破坏，掺加了钢纤维的试件（SJ-1，SJ-3）在贯通主裂缝周围均匀分布着多条非贯通小裂缝。有轴力时，试件（SJ-2，SJ-4）为斜剪贯通主裂缝，主裂缝从试件底延伸至加载点处。上述试件破坏现象与理论分析相吻合。

2.2抗弯剪性能分析

2.2.1钢纤维类型对钢筋钢纤维高强混凝土柱抗弯剪性能的影响

 钢纤维种类对钢筋钢纤维高强混凝土柱抗弯剪性能的影响见图4，由图4可以看出，钢纤维的掺入大幅改善了钢纤维高强混凝土柱的抗弯剪性能。例如，由图4(c)，(d)可以看出，当N=1 000kN时，与没有掺加钢纤维( NoF)试件相比，掺入TF及MF对试件横向承载力的提高幅度分别为67.9%和95. 6%，对极限弯矩的提高幅度分别为68.0%和95.5%。

 此外，无论有无轴力的影响，MF对钢筋钢纤维高强混凝土柱抗弯剪性能的增强作用明显优于TF:当无轴力影响时，MF对横向承载力和极限弯矩的增强作用比TF分别高出了9.3%和9.5%；当N=1000kN时，MF对横向承载力和极限弯矩的增强作用比TF分别高出了16. 5%和16.3%。

 出现上述现象的主要原因是：钢纤维与混凝土之间的黏结力使钢纤维与混凝土共同承受荷载。随着荷载的不断增大，钢筋钢纤维高强混凝土柱内部微缺陷不断发展，最终形成宏观裂缝，可认为此时承载力达到最大值。在承载力达到最大值的过程中，钢纤维被不断拔出或拔断，因此消耗了很多能量，从而提高了试件承载力。另外，钢纤维的存在对混凝土介质中微裂纹的扩展具有一定的约束作用，从而提高了材料的极限强度和延性。而超细钢纤维增强效果更优的主要原因在于这种钢纤维长度较短，在掺加率相同的情况下，其数量更多，对于混凝土内部微裂缝的约束作用更强。

2.2.2轴力对钢筋钢纤维高强混凝土柱抗弯剪性能的影响。

 轴力对钢筋钢纤维高强混凝土柱抗弯剪性能的影响见图5，由图5可以看出，轴力提高了钢筋钢纤维高强混凝土柱的抗弯剪承载力：对于TF而言，有轴力试件(N=1 000kN)比无轴力试件(N =OkN)的横向承载力提高了86.9%，极限弯矩提高了87.1%；对于MF而言，有轴力试件(N=1 000kN)比无轴力试件(N= OkN)横向承载力提高了99%，极限弯矩提高了98.9%。

 产生上述现象的原因为：在加载初始阶段，由于轴力的存在使得试件全截面受压，没有产生受拉区；随着横向荷载的增大，在截面底部由横向力及轴向力P-△效应引起的截面拉应力逐渐大于由轴力引起的截面压应力，截面随即产生受拉区，此过程中需要较大的横向力，因此有轴力试件的横向承载力得到了大幅提高。

2.3横向荷载一跨中挠度曲线及位移延性系数分析

 试验获得横向荷载一跨中挠度曲线如图6所示。由图6可以看出，钢筋钢纤维高强混凝土柱在横向荷载作用下的荷载一跨中挠度曲线大致可以分为如下三个阶段：

 (1)弹性阶段。在70%极限荷载之前，试件挠度的增长与横向荷载的增长成线性比例，钢筋和钢纤维混凝土处于弹性受力阶段，受拉区混凝土尚未开裂。

 (2)弹塑性阶段。在70%~90%极限荷载阶段，试件明显屈服，进入弹塑性阶段，试件中部受拉区出现裂缝。随着横向荷载的增加，试件裂缝不断发展，截面中性轴逐渐向受压区偏移。

 (3)塑流阶段。随着荷载的进一步增长，截面中性轴继续向受压区偏移，裂缝发展更加迅速，受拉区钢纤维被拔断或拔出，钢筋也进入塑性阶段。

2.3.1钢纤维种类对钢筋钢纤维高强混凝土柱横向荷载，跨中挠度曲线的影响

 钢纤维种类对钢筋钢纤维高强混凝土柱横向荷载一跨中挠度曲线的影响见图7，由图7可以看出，钢纤维对于试件刚度的增强作用并不显著，但对试件的横向承载力的提高作用十分显著，其中，MF的提高作用又优于TF。例如，在N=1 000kN时，与无钢纤维( NoF)试件相比，MF和TF对横向承载力的提高幅度分别为95. 6%及67.9%。

 此外，曲线下降段也与钢纤维种类密切相关，具体表现为：与无钢纤维( NoF)试件相比，有钢纤维试件曲线下降度更为平缓，同时，掺有MF的试件比掺有TF的试件曲线下降段更平缓，体现出了更好的延性。

2.3.2轴力对钢筋钢纤维高强混凝土柱横向荷载一跨中挠度曲线的影响

 由图8可以看出，有轴力的试件横向承载力比无轴力时大：掺有TF的试件有轴力时横向承载力比无轴力时高约86. 9%；掺有MF的试件有轴力时横向承载力比无轴力时高约99%。

 有轴力时(N=1 000kN)试件横向荷载一跨中挠度曲线斜率比无轴力时(N=OkN)大，可以说明轴压提高了试件的抗横向力刚度。

 产生上述现象的主要原因可能是：在弹性阶段，由于加载端的存在，轴压约束了横向挠度的发展，故而使得试件横向荷载．跨中挠度曲线表现出在较小的挠度范围内迅速达到最大值。

2.3.3钢纤维种类及轴力对钢筋钢纤维高强混凝土柱抗弯剪延性的影响

 位移延性系数Fd为试件极限位移与弹性极限位移的比值。本文定义Fd为残余承载力为60%横向承载力时所对应的位移△r0.6与弹性极限位移△r0.6之比：

 位移延性系数随钢纤维种类及轴力变化见图9，由图9可以看出，钢纤维的掺人大幅提高了钢筋钢纤维高强混凝土柱的抗弯剪延性，例如，在N=1000kN时，掺有TF和MF的试件延性系数分别比无钢纤维试件提高了约76. 4%和116%。同时，轴力也提高了试件的延性，例如掺加了MF的试件，当N=1 000kN时，其位移延性系数比无轴力时提高了约37.3%。

3  结论

 (1)钢纤维能够显著提高钢筋钢纤维高强混凝土柱横向承载力，且超细钢纤维( MF)的提高效果优于螺旋形钢纤维( TF)。例如，当N=1 000kN时，与没有掺加钢纤维( NoF)的试件相比，TF及MF对横向承载力的提高幅度分别为67.9%和95.6%。

 (2)无论掺加钢纤维与否，在无轴力时，试件破坏形式均为跨中拉伸型贯通主裂缝破坏。但掺加了钢纤维的试件在贯通主裂缝周围均匀分布着多条非贯通小裂缝，表明其耗能效果和延性更好。有轴力时，试件为斜剪贯通主裂缝。

 (3)与普通钢筋混凝土柱横向荷载一跨中挠度曲线相似，钢筋钢纤维高强混凝土柱横向荷载一跨中挠度曲线也分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段以及塑流阶段。但相较而言，钢筋钢纤维高强混凝土柱承载力和刚度更大，延性更好。

 (4)本文所采用的轴压加载方式，在一定范围内会约束柱体横向挠度的发展，进而提高试件的横向承载力、刚度及其延性。