大量地震震害表明,地震作用下混凝土结构往往因为混凝土柱延性不足而难以抵抗强大的地震作用力。国内外许多学者从提高混凝土材料自身性能的角度着手,对提高和改善混凝土柱延性和耗能能力的方法进行了研究,其中在混凝土中掺入不同类别的纤维制成纤维混凝土被认为是最有效的途径之一 ^[1,2]。

　　 目前,钢纤维由于其掺入混凝土中在各方面所发挥出的优越性能,被广泛应用在纤维混凝土中 ^[3]。有研究表明,钢纤维对混凝土的抗压强度并无促进作用,甚至还有所降低;对其抗渗性、耐磨性等性能同样存在质疑的观点 ^[4,5]。聚丙烯纤维被认为是一种新型混凝土防裂纤维,其阻裂效应可以降低混凝土塑性裂缝 ^[6]。近年来有学者将不同种类的纤维进行混杂掺入,可互相取长补短,使混凝土性能在不同层次上逐级强化与增韧,从而优于单掺纤维 ^[7,8,9]。

　　 目前对纤维混凝土抗震性的研究多集中于单掺纤维,文献[10]研究了高延性纤维混凝土短柱的抗震性能,结果表明:高延性纤维混凝土短柱破坏时,剪切斜裂缝开展缓慢,受拉应变硬化和多裂缝开展性能可有效控制剪切斜裂缝的开展,刚度退化缓慢,承载力、延性和耗能均明显提高。文献[11]对钢纤维混凝土局部增强桥墩抗震性能进行了试验研究,结果表明:钢纤维体积率为1.0% 的桥墩试件较其他体积率的试件承载力更大,滞回曲线相对更加饱满,延性性能更好。文献[12]对钢纤维混凝土低剪力墙抗震性能进行了试验研究,结果表明:掺入钢纤维的钢筋混凝土低剪力墙的延性和耗能能力均明显高于普通钢筋混凝土低剪力墙。目前,国内外许多学者对混杂纤维混凝土的基本力学性能已进行了一定的研究 ^{[13,14,15,16]},但对于混杂纤维混凝土抗震性能的研究尚不完善。

　　 本文针对钢纤维混凝土柱及钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱进行抗震性能的试验研究,从滞回曲线、延性、耗能、刚度退化等指标进行对比分析,为混杂纤维混凝土在实际工程中更加广泛的应用提供理论依据。

　　 选用P.O42.5级普通硅酸盐水泥、碎石(粒径5～20mm)、河砂(中砂,细度模数2.5)。根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)、《纤维混凝土结构技术规程》(CECS 38∶2004),混凝土设计配合比为水泥∶水∶石子∶砂=468∶220∶979∶653。

　　 纵筋采用HRB335钢筋,箍筋采用HPB300钢筋,在柱两端设加密箍筋。柱配筋如图1所示。试验轴压比为0.11,剪跨比为3。试验中的钢丝切断型钢纤维及聚丙烯纤维的主要性能见表1。为了避免钢纤维和聚丙烯纤维在搅拌过程中结团,采用先干拌后湿拌的搅拌顺序。先将砂、石、水泥投入搅拌机内进行搅拌,同时缓慢加入钢纤维(或包括聚丙烯纤维),使钢纤维(或包括聚丙烯纤维)尽可能的均匀分散在拌合料中,干拌时间不少于3min;然后加入水进行湿拌,湿拌时间应比同条件普通混凝土搅拌时间延长1～2min。

　　 按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2011)设计制作了普通混凝土柱试件、钢纤维混凝土柱试件、钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱试件。试件截面尺寸为180mm×180mm、高度为1 000mm。钢纤维体积掺量分别取1.0%,1.5%,2.0%,聚丙烯纤维体积掺量为0.1%。试件分组及编号、立方体试件实测抗压抗强度见表2。

　　 在试件浇筑前,在钢筋笼上布置11个钢筋应变片,以记录试件在加载过程中钢筋的应变情况,应变片布置如图2所示;待试件标准养护结束后在混凝土表面、试件底部粘贴4个混凝土应变片(正背面各两个),以测试试件在加载过程中混凝土的应变情况,见图3;试件上布置2个位移计,以测试混凝土柱加载过程中发生的位移,见图3。

　　 本试验采用低周反复荷载法、手动千斤顶实现加载,试验装置见图4,具体加载方法如下:

　　 (1)通过竖向千斤顶对柱先施加轴向压力,轴向压力值的大小按照试验规定的轴压比计算确定,一次施加完毕,且始终不变。

　　 (2)水平加载程序采用荷载-位移双控制方法,具体步骤如下:1)先施加正向荷载至试件表面混凝土出现可见裂缝后,卸载至零;然后施加反向荷载至试件表面混凝土出现可见裂缝后,再次卸载至零;2)施加正反向荷载至试件内部钢筋发生受拉屈服,记下此时的位移Δ_y;3)在随后的正反向加载时,以Δ_y的整数倍进行位移控制加载,每周期循环三次。根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ/T 101—2015)相关规定,试件的承载力下降到最大荷载的85%时,停止加载,认为柱已破坏。

　　 试验中钢纤维和钢-聚丙烯混杂纤维的掺入对混凝土柱的破坏现象有着明显的影响。试件在加载中裂缝的开裂形态、延伸方式、试件表面的剥落情况以及破坏形态、破坏类型等试验现象见表3。分析表3中各混凝土柱的破坏形态可知:纤维的种类和掺量是影响混凝土柱破坏过程的主要因素,钢纤维、钢-聚丙烯混杂纤维的掺入能使混凝土柱的破坏形态从剪切破坏(延性较小)分别向弯曲破坏(延性居中)、弯剪破坏(延性较大)逐渐过渡;且掺有同种纤维的情况下,随着纤维掺量的增加,上述混凝土柱的对应破坏形态愈加明显,三种混凝土柱的破坏形态如图5所示。

　　 图6为柱侧向荷载P和柱顶位移Δ的滞回曲线,通过对比分析各混凝土柱的P-Δ滞回曲线,得到以下规律:

　　 (1)普通混凝土柱PC与其他柱相比,其滞回曲线相对狭窄且较为扁平,存在严重的捏拢效应,且循环次数少,最大荷载后的位移和承载力下降很快,说明普通混凝土试件的延性、耗能能力均较差。

　　 (2)钢纤维混凝土柱SF1.0,SF1.5,SF2.0的滞回曲线较为饱满,滞回环面积大,尽管各试件在屈服后都有不同程度的“捏拢”现象,但在达到峰值荷载后回落较PC试件平缓了许多,表现出良好的耗能能力,说明钢纤维的掺入能大幅度提高混凝土柱的抗震承载力、耗能性能及延性。

　　 (3)钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱SPF1.0,SPF1.5,SPF2.0滞回曲线比单掺对应体积掺量的钢纤维试件的滞回曲线更加丰满,捏拢现象减缓,峰值侧向水平荷载后,位移的变化有明显的滞后现象,说明混杂纤维的掺入使混凝土柱表现出更优的耗能能力和延性。

　　 骨架曲线是指构件在反复荷载试验的滞回曲线图上,将同方向各次加载的峰值点依次相连得到的曲线。骨架曲线能够反映构件受力和变形不同阶段的强度、刚度、耗能能力等特性,试件的骨架曲线如图7所示。从图7看出,各试件在低周反复荷载作用下骨架曲线的形状基本相同,均经历了上升段、强化段、下降段这三个阶段。在加载初期,荷载-位移呈现线性变化,初始刚度较大、承载力较高,试件处于弹性工作阶段;随着荷载的不断增大,位移也随之增大,柱底部逐渐开裂,纵筋不断屈服,试件进入非线性工作阶段;当荷载达到峰值荷载后,试件承载力逐渐下降,刚度逐渐降低。

　　 从图7(a),(b)中可以看出,普通混凝土柱的骨架曲线短且下降段小,表现为刚度退化快、延性差、耗能能力差;而钢纤维的掺入使得柱在发生较大变形的情况下仍能维持较高的承载力,耗能能力和延性也得到了极大的改善;钢纤维对混杂纤维混凝土柱的承载力、延性、耗能能力的提高、改善并不是随着钢纤维掺量的增加而增大,而是存在最优掺量,就本试验而言,1.5%的钢纤维掺量在本试验中表现最优。

　　 从图7(c)～(e)可以看出钢-聚丙烯混杂纤维的掺入比单掺钢纤维使得骨架曲线有了更为明显的延性平台,平台较为平缓,表明柱的延性更好,峰值荷载后,曲线下降更为缓慢,表明刚度退化趋缓,塑性变形能力和耗能能力相应增加。

　　 延性是指构件在荷载作用和其他间接作用下,进入非线性状态后在承载能力没有显著降低情况下的变形能力,是反映结构构件非弹性变形能力的重要度量指标之一。本文采用延性系数μ来度量柱的延性,μ表征为结构或构件的极限位移与屈服位移的比值:

　　 $\mu =\frac{\Delta {}_{\text{u}}}{\Delta {}_{\text{y}}}(1)$

　　 式中:Δ_u为极限位移;Δ_y为屈服位移。

　　 Δ_u取荷载下降至85%峰值荷载时对应的位移作为极限位移;Δ_y采用拐点法来确定 ^[17]。通过此种计算方法得到的位移延性系数见表4。

　　 一般认为钢筋混凝土抗震结构要求的延性系数应为μ=3～4 ^[18]。从表4可以看出,除普通混凝土柱PC试件的延性系数较小、不满足抗震结构要求外,其他掺入纤维的试件从延性系数来看均满足抗震结构要求。从延性对比分析可见,混凝土柱中掺入钢纤维或钢-聚丙烯混杂纤维后柱的延性系数增大,抗震性能显著提高。

　　 钢纤维体积掺量对延性系数的影响曲线见图8,从图8中看出,无论是钢纤维混凝土柱还是钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱,随着钢纤维体积掺量的增加,试件柱的延性系数呈现先上升后下降的趋势。在上升阶段,随着钢纤维掺量的增加,柱的延性逐渐增大,这是由于纤维的桥接作用重新调整了混凝土内部应力分布的状态,阻碍了裂缝的扩展,纤维体积掺量越大,纤维与混凝土的粘结拉结作用就越强,柱的延性和抗震性能也就越好;在下降阶段,随着钢纤维掺量的增加,柱的延性有所下降,这表明无论是钢纤维混凝土柱,还是钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱,纤维的掺入对混凝土柱延性的改善作用是有限的,纤维掺量并不能一直增加,只有在合理的范围内才能有效提高延性。在本文所考虑的几种掺量下,钢纤维掺量为1.5%的两种纤维混凝土柱体现出最优的延性。

　　 结构构件的耗能能力是在反复荷载作用下,结构构件产生不可恢复的变形而吸收能量的能力。它同位移、延性一样是衡量结构抗震性能的又一个重要指标,是从能量的角度对荷载-位移滞回曲线进行评价。本文采用滞回环的等效黏滞阻尼系数的大小来判别结构在地震中的耗能能力,滞回环的等效黏滞阻尼系数h_e定义为 ^[19]:

　　 $h{}_{\text{e}}=\frac{1}{2\text{π}}\cdot \frac{S{}_{\begin{array}{l}⌒\\ \text{A}\text{B}\text{C}\end{array}}+S{}_{\begin{array}{l}⌒\\ \text{C}\text{D}\text{A}\end{array}}}{S{}_{\text{Δ}\text{Ο}\text{B}\text{E}}+S{}_{\text{Δ}\text{Ο}\text{D}\text{F}}}(2)$

　　 式中之和为曲线ABCD包围的面积,即一个滞回环的面积(图9),表示试件在一次循环中的耗能量;ΔOBE的面积S_ΔOBE表示假想的弹性结构达到相同位移OE时所吸收的能量;ΔODF的面积S_ΔODF也表示弹性结构反向达到位移OF时所吸收的能量。

　　 与S_ΔOBE之比表示耗散的能量与等效弹性体产生相同位移时所需的能量之比,h_e值越大,耗能能力越好。

　　 表5列出各试件对应第一循环滞回耗能量E以及等效黏滞阻尼系数h_e。由表5可见:随着钢纤维掺量的增加,等效黏滞阻尼系数呈现先增大后降低的趋势,总体耗能能力增强。同时混杂纤维混凝土柱的耗能能力均高于钢纤维混凝土柱,但二者均在钢纤维体积掺量为1.5%时的耗能能力最好。产生上述现象的原因在于,普通混凝土柱斜裂缝面上以及剪压区的混凝土在反复荷载作用下的崩裂、破碎和剥落,使普通混凝土柱吸收的能量大大下降。而对于纤维混凝土柱,一方面钢纤维能够防止混凝土的崩裂剥落,同时在裂缝张开过程中,纤维拔出直接消耗大量的能量;另一方面聚丙烯纤维在受力过程中协助钢纤维抑制裂缝的发展延伸,使裂缝呈现出更加细密的现象,使裂缝的发展愈发充分,为试件的耗能能力作出了重要贡献。

　　 在循环反复荷载作用下,当保持相同的峰值荷载时,峰值点位移随循环次数的增加而增大,这种现象称为刚度退化。文中将采用文献[20]提供的方法研究混凝土柱在低周反复荷载作用下刚度退化。折算刚度K为:

　　 ${\rm K}={\rm P}/\Delta (3)$

　　 式中:P为水平荷载;Δ为柱顶端位移。

　　 试件特征点的刚度见表6,可以发现,普通混凝土试件的初始刚度较高,随着位移的增加,刚度退化明显,而加入钢纤维及钢-聚丙烯混杂纤维的试件刚度衰减速度缓慢而均匀,没有明显的刚度突变;从钢纤维体积率来分析,随着钢纤维体积掺量的增加,试件的刚度呈现先增加后降低的趋势,其中钢纤维掺量为1.5%的试件刚度最好;相对于钢纤维混凝土试件,钢-聚丙烯混杂纤维混凝土试件由于得到聚丙烯纤维的增强作用,其变形能力也略有提高,后期刚度下降速度较单掺钢纤维更加缓慢。

　　 (1)单掺钢纤维及混掺钢-聚丙烯纤维能有效提高混凝土柱的屈服荷载和极限荷载,混掺钢-聚丙烯纤维的混凝土柱整体优于单掺钢纤维的混凝土柱。

　　 (2)钢纤维及钢-聚丙烯混杂纤维混凝土柱的滞回曲线比普通混凝土柱更饱满,极限变形更大,钢纤维及钢-聚丙烯混杂纤维的掺入大大提高了柱的抗震性能。

　　 (3)从骨架曲线来看,普通混凝土柱的骨架曲线短且下降段小,刚度退化快、延性差、耗能能力差;而钢纤维的掺入使得柱在发生较大变形的情况下仍能维持较高的承载力、耗能能力和延性;钢-聚丙烯混杂纤维的掺入比单掺钢纤维具有更优的延性和耗能能力。

　　 (4)从纤维的掺量来看,无论单掺钢纤维还是混掺钢-聚丙烯纤维,钢纤维体积掺量为1.5%的试件在同类试件中具有最优的抗震性能。