钢-PVA纤维混凝土预制连梁抗震性能试验研究.pdf
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1、第 卷第期 年月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J X i a nU n i v o fA r c h&T e c h(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l N o F e b 收稿日期:修回日期:基金项目:陕西省自然科学基础研究计划一般项目(面上)(J M );西部绿色建筑重点实验室自主研究课题(L S Z Z )第一作者:于婧(),女,博士,副教授,主要从事新型建筑材料及混凝土结构抗震的研究 E m a i l:y u j i n g c o mD O I:j 钢 P VA纤维混凝土预制连梁抗震性能试验研究于婧,贾会芳,张辉(西安建
2、筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 ;西部绿色建筑国家重点实验室(X AUA T),陕西 西安 )摘要:为研究钢聚乙烯醇混杂纤维混凝土(S t e e l P o l y v i n y lA l c o h o lH y b i r dF i b e rC o n c r e t e,简称S P H F C)预制连梁的抗震性能,对个普通混凝土(R C)预制连梁试件和个S P HF C预制连梁试件进行低周往复加载试验,分析预制连梁的破坏过程、破坏形态、滞回性能、刚度及耗能能力等抗震指标,研究连梁基体材料和截面宽度对其抗震性能的影响,阐明了S P H F C预制连梁的破坏机理结果表明:R C预
3、制连梁破坏时混凝土剥落现象严重,最终表现为剪切型破坏;S P H F C预制连梁破坏时几乎无混凝土剥落现象,充分发挥了纤维混凝土多裂缝开展的特点,最终发生弯剪型破坏;S P HF C预制连梁的承载力、延性、刚度和耗能能力均远高于R C预制连梁;分别增大S P H F C预制连梁基体强度或截面宽度,连梁承载力提高,延性和耗能能力略有降低本文提出的新型S P H F C预制连梁各项抗震指标均显著优于普通R C预制连梁,且制作简便,轻质高强,便于预制吊装,可在装配式结构中推广应用关键词:钢 P VA混杂纤维混凝土(S P HF C);拟静力试验;小跨高比预制连梁;抗震性能中图分类号:TU 文献标志码
4、:A文章编号:()E x p e r i m e n t a l s t u d yo ns e i s m i cp e r f o r m a n c eo fS t e e l P V Ah y b r i df i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t ec o u p l i n gb e a mY UJ i n g,J I AH u i f a n g,ZHANGH u i(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,X i a nU n i v o fA r c h&T e c h,X i a
5、 n ,C h i n a;S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG r e e nB u i l d i n g i nW e s t e r nC h i n a,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo fS t e e l P o l y v i n y lA l c o h o lH y b i r dF i b e rC o n c r e t e(S P H F C)p r e c a s
6、 t c o u p l i n gb e a m s,al o w c y c l er e c i p r o c a t i n gl o a d i n gt e s tw a sc a r r i e do u to no n eo r d i n a r yc o n c r e t e(R C)p r e c a s tc o u p l i n gb e a ms p e c i m e na n d t h r e eS P H F Cp r e c a s t c o u p l i n gb e a ms p e c i m e n s t o a n a l y z e
7、 t h e s e i s m i c i n d i c a t o r ss u c ha sf a i l u r ep r o c e s s,f a i l u r em o d e,h y s t e r e s i sp e r f o r m a n c e,s t i f f n e s s,a n de n e r g yd i s s i p a t i o nc a p a c i t yo ft h ep r e f a b r i c a t e dc o n n e c t i n gb e a m s T h e i n f l u e n c eo f t
8、h em a t r i xm a t e r i a l a n ds e c t i o nw i d t ho f t h ec o n n e c t i n gb e a mo ni t ss e i s m i cp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d,a n dt h ef a i l u r em e c h a n i s mo fS P H F Cp r e f a b r i c a t e dc o n n e c t i n gb e a m sw a sc l a r i f i e d T h er e s u l t ss
9、 h o wt h a t t h ec o n c r e t ep e e l i n gp h e n o m e n o ni ss e v e r ew h e nt h eR Cp r e f a b r i c a t e dc o n n e c t i n gb e a mi sd a m a g e d,a n du l t i m a t e l ym a n i f e s t sa ss h e a rt y p ef a i l u r e T h e r ei sa l m o s tn oc o n c r e t es p a l l i n gw h e n
10、t h ep r e f a b r i c a t e dc o u p l i n g b e a m o fS P H F Ci s d e s t r o y e d,w h i c hf u l l y s h o w st h ec h a r a c t e r i s t i c s o f m u l t i c r a c kd e v e l o p m e n to f f i b e rc o n c r e t e,a n df i n a l l yb e n d i n g s h e a rf a i l u r eo c c u r s T h eb e a
11、 r i n gc a p a c i t y,d u c t i l i t y,s t i f f n e s sa n de n e r g yd i s s i p a t i o nc a p a c i t yo fS P H F Cc o u p l i n gb e a m sa r em u c hh i g h e rt h a nt h o s eo fR Cc o u p l i n gb e a mB yi n c r e a s i n gt h em a t e r i a l s t r e n g t ho rc r o s s s e c t i o nw
12、i d t h,t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fc o u p l i n gb e a mi s i m p r o v e d,w h i l et h ed u c t i l i t ya n de n e r g yd i s s i p a t i o nc a p a c i t ya r es l i g h t l yr e d u c e d T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo fS P H F Cc o u p l i
13、 n gb e a mi ss i g n i f i c a n t l yb e t t e r t h a nt h a t o f o r d i n a r yR Cc o u p l i n gb e a m,a n d t h en e wS P H F Cp r e c a s tc o u p l i n gb e a mi s s i m p l e t om a n u f a c t u r e,l i g h t i nw e i g h t a n dh i g h i ns t r e n g t h,w h i c h i s c o n v e n i e n
14、 t f o r p r e f a b r i c a t i o na n dh o i s t i n g,a n dc a nb ep o p u l a r i z e da n da p p l i e d i na s s e m b l e ds t r u c t u r e s K e yw o r d s:s t e e l P VAh y b r i df i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e;q u a s i s t a t i c t e s t;c o u p l i n gb e a m;s e i s m i
15、cp e r f o r m a n c e目前我国建筑行业处于转型期,住宅产业化快速发展,这促使装配式建筑正逐渐成为主导的建筑形式 当前我国的城市住宅主要采用高层混凝土剪力墙结构,而目前关于装配式剪力墙结构的整体性能和抗震性能的研究尚不够充分,已明显阻碍了产业化发展进程预制连梁作为装配式剪力墙结构中主要的耗能构件,其抗震指标将显著影响结构整体的抗震性能因此,研究制作西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷轻质高强的预制连梁具有十分重要的意义混杂纤维混凝土是一种可多尺度增强、综合性能更优的高性能复合材料 其卓越的变形能力和较高的损伤容限使其具备成为理想预制连梁基体材料的条件国内外学者将混杂纤维
16、混凝土应用于柱 、梁节点 等然而,当前对纤维混凝土连梁的研究多集中于单一纤维混凝土连梁,混杂纤维混凝土预制连梁的相关研究成果较少夏冬桃等 发现适量的钢聚丙烯纤维对深梁抗弯性能的增强效果比单一纤维更明显刘胜兵等 提出钢聚丙烯纤维可提高深梁初始极限抗剪强度,提高幅值分别为 和 陈俊伟等 研究发现,与单一纤维混凝土梁相比,混杂纤维混凝土梁的抗冲击性能更好本课题组前期研究 发现P V A纤维和钢纤维可在不同尺度抑制裂缝发展,最终表现为混合正相关效应,可明显提高混凝土力学性能本文主要对个S P H F C预制连梁和个R C预制连梁试件进行低周往复加载试验研究,深入分析该新型预制连梁的抗震性能以期为装配式
17、结构的相关研究和工程应用提供参考 试验概况 试验设计共设计制作了个小跨高比预制连梁试件,与原型构件的比例为其中个R C预制连梁C B ,个S P H F C预制连梁C B C B ,各试件设计参数见表采用两种配合比的S P H F C,分别记为S P H F C 和S P H F C,主要是强度指标不同,具体数值见表所示各试件配筋形式一致,其中腰筋和纵筋均为HR B ,箍筋为H P B ,采用对称配筋,试件尺寸和配筋详图如图所示,纵筋上应变片分布情况如图所示表试件主要参数T a b M a i np a r a m e t e r so f s p e c i m e n s编号梁宽/mm连梁
18、材料连梁强度/MP a抗压抗拉C B R C C B S P H F C C B S P H F C C B S P H F C S P H F C预制连梁与两侧墙体的连接较为重要,为尽量模拟实际工程,先确定预制连梁埋入墙体长度,两端埋入长度为 mm,然后制作S P H F C预制连梁,待强度达到要求后将其吊装就位,随后绑扎两端墙体钢筋,支模并用C 的商品混凝土浇筑两端墙肢,待强度达标后拆模,则S P H F C预制连梁试件制作完成;R C预制连梁由C 商品混凝土一次性浇筑图试件尺寸和配筋F i g S p e c i m e ns i z ea n dr e i n f o r c e m
19、e n t图纵筋应变片(mm)F i g L o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n t s t r a i ng a u g e/mm 材料性能S P H F C由水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、端钩型钢纤维、国产P VA纤维、聚羧酸高效减水剂和水按一定比例配制而成,配合比见表浇筑试件时,每批连梁试件预留个 mm标准立方体试 块 和个 标 准 抗 拉 试 块,抗 拉 试 块 厚 度 为 mm,截面尺寸如图所示当试块达到 天标准养护龄期后,混凝土强度会继续变化,所以为了测得加载时试件的材料性能,将试块与连梁同条件养护,在试件加载当天测量各试块的强
20、度平均值,见表钢筋力学性能指标见表表S P H F C配合比T a b M i x t u r e r a t i oo fS P H F C基体材料水胶比砂胶比钢纤维/P VA纤维/S P HF C S P HF C 表钢筋力学性能T a b M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s钢筋牌号钢筋直径d/mm屈服强度fy/MP a极限强度fu/MP aHP B HP B HR B HR B HR B 第期于婧,等:钢 P VA纤维混凝土预制连梁抗震性能试验研究图抗拉试块尺寸(mm)F i g T e n s i l e
21、 t e s tb l o c ks i z e/mm 加载装置和加载制度()加载装置采用建研式加载装置,加载时连梁竖立安装为防止试件端部发生转动,上部设置平行四边形连杆机构;下端块用压梁及螺杆固定在刚性基座梁上;为模拟连梁实际受力情况,将 k N液压伺服作动器作用于连梁跨中;同时,在L形加载梁两侧安装侧向支撑以保证作动器加载点与连梁在同一平面内,加载装置如图所示;图加载装置F i g L o a d i n gd e v i c e()加载制度为更精准地进行加载控制以及后期试验数据的对比,采用全位移控制加载,按照/ln/、/、/、/、/、/、/、/、/、/、/、/逐级加载,其中为加载位移,l
22、n为连梁净跨试件屈服前,每级加载往复循环次;当试件荷载位移曲线出现明显的斜率变化或连梁纵筋达到屈服应变时则认为试件进入屈服状态,此后,每级加载往复循环次,当连梁承载力下降到峰值荷载的 时停止加载,加载制度如图所示图加载制度F i g L o a d i n gr e g i m e 试验现象和破坏形态 试件破坏模式为便于描述,规定加载时推为正,拉为负其中布置连梁位移计一侧为北(N)面,对面为南(S)面,连梁南(S)面左侧为西侧,南(S)面右侧为东侧各试件的破坏形态和裂缝分布情况如图所示图连梁破坏形态F i g F a i l u r em o d e so f c o u p l i n gb
23、 e a m试件C B 为普通现浇R C连梁加载至 m m时,连梁N面左下端脚部出现长约 c m的水平细微裂缝;此后,随着加载,在连梁N面左侧、S面右侧不断出现水平裂缝,裂缝由下端向上端、东侧向西侧延伸发展;加载至 mm时连梁N、S两面均出现出现常约 c m斜裂缝,mm时,N、S两面均出现长约 c m的对角主斜裂缝;加载至mm时,对角斜裂缝延伸扩展,纵筋屈服,此后每级加载往复循环次;加载至 mm时,连梁承载力达到峰值 k N,主交叉斜裂缝处由混凝土迸出,主斜裂缝扩展至 mm;加载至 mm时,混凝土出现大量剥落,可以看到内部碎石和钢筋,透过连梁裂缝可以看到对面,此外S面左侧出现竖向裂缝,连梁破坏
24、严重已经达到峰值荷载的,连梁发生明显的剪切型破坏,连梁破坏形态如图(a)所示试件C B 为S P H F C预制连梁,连梁材料为S P H F C 加载至 mm时,连梁S面右侧靠近底部出现长约 c m的细微裂缝;此后,在连梁根部陆续出现若干条独立的细微水平裂缝;当加载至mm时,连梁S面左上角和右下角首次出现斜裂缝,长度约为 c m,原有右侧水平裂缝继续延伸扩展至连梁中部;加载至 mm时,S面出现多条较长的斜裂缝,且正向加载斜裂缝与负向加载斜裂缝相交;加载至 mm时纵筋屈服,斜向裂缝延展发展与连梁原有斜裂缝连结,出现多条交叉斜裂缝,此外在加载过程中开始听到“滋滋”声,钢纤维在裂缝处发挥桥联作用;
25、加载至 mm时,连 梁 达 到 正 向 加 载 达 到 峰 值 荷 载西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷 k N,S面右下角出现宽度为mm的水平裂缝,长度约为 c m;继续加载到 mm,连梁N、S两面底部出现的水平裂缝均贯通,连梁斜裂缝不再继续发展;加载至 mm,连梁底部水平裂缝宽度可以达到mm,随着位移继续增加,底部水平裂缝宽度继续扩展,斜裂缝不再产生直至连梁承载力降低到峰值荷载的,试验停止从裂缝发展特点来看,试件发生弯剪型破坏,破坏形态如图(b)所示试件C B 为S P H F C预制连梁,连梁材料为S P H F C 加载至mm时在连梁N面左下角部出现长度约为 c m长水平裂缝,此
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