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钢纤维对框架抗震性能的改善

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《江苏建筑杂志》2014年第三期

1基于能量消耗原理分析

钢纤维对混凝土韧性的改善1976年,瑞典学者Hiller-borgf通过对混凝土的微裂区分析后,提出了虚拟裂缝模型[6],其基本假定为:(1)当混凝土端缝应力较低时,微裂区稳定不扩展,而当应力达到某一临界值(抗拉强度)时,微裂区扩展;(2)混凝土应力达到抗拉强度后,裂缝间仍有相互作用应力,这种相互有应力作用的裂缝称为虚拟裂缝。虚拟裂缝面上传递应力的大小随虚拟裂缝张开宽度的增大而减小。应力减小到零的点,即为真实宏观裂缝的端点;(3)虚拟裂缝区应力变化的规律由拉伸试验确定;(4)虚拟裂缝区以外的材料仍按弹性材料处理。钢纤维混凝土材料的裂缝端部存在明显的非线性效应区,称为破坏过程区。虚拟裂纹模型把钢纤维混凝土材料的微裂纹前端划分为4个区域[7,8],如图2所示。在这4部分区域中,纤维桥联区内基体已经开裂,此时横跨裂缝的纤维通过界面的粘结,阻止裂缝的扩展。基体微裂缝区内裂缝存在但并未张开,基体和纤维共同阻止裂缝扩展。很明显,纤维只在这两个区域内发挥作用。裂缝的扩展必然会加大裂缝两岸的距离,无损伤区开裂成为微裂缝区,进而张开变成纤维桥联区。在这一过程中,桥联裂缝的钢纤维不断地被拔出或拉断,消耗了大量的外载荷做功。因此可以使用断裂能作为参数,定量分析钢纤维对混凝土基体的增韧效果。破坏过程区的形成引起较大的能量耗散,这主要是由于:(1)在水泥净浆的裂纹顶端附近围绕一微裂纹区;(2)在裂缝顶端前存在集料的跨接区;(3)当有足量的纤维存在时,在裂纹的顶端处存在一纤维的跨接区,为使纤维由基材中拔出必须消耗较多的能量。

2钢纤维混凝土节点经典受力破坏过程

一般而言,钢纤维混凝土框架节点在低周反复荷载作用下将经历初裂、屈服、强度极限和破损等特征状态。在加荷过程中,钢纤维混凝土节点约在极限荷载的60%左右时,在平行对角线方向出现第一条肉眼可见裂缝(宽度约0.02mm),其长度约为节点对角线长度的1/3,此时,节点达到初裂状态;反方向加载,将在平行另一对角线方向出现初裂。随着荷载的增大和反复循环,裂缝沿对角线方向延伸和扩大,并出现其他平行裂缝和交叉裂缝。当荷载到达极限荷载的80%左右时,沿对角线方向的主裂缝宽度约0.3mm,但钢纤维混凝土节点一般尚未屈服。当荷载增加到梁柱交界处梁主筋屈服时,梁的变形明显增大,梁端荷载-位移曲线将发生转折,节点到达屈服状态;反荷载方向也一样。随着荷载增大和反复循环,钢纤维混凝土节点达到强度极限状态,节点核心区被多条大致平行对角线方向的裂缝分割,其中贯通的主裂缝宽度大0.6mm~2mm,但核心区混凝土无剥落现象,充分体现了钢纤维混凝土“坏而不散”的延性特点。

3钢纤维对框架节点抗震性能的改善

3.1钢纤维对框架节点裂缝的控制作用节点区的初裂状态可以作为节点正常使用的初裂度的根据。对于抗震结构,节点核心区的早期开裂对结构的强度、变形和耐久性都不利。节点核心区的初裂抗剪强度主要与混凝土抗拉强度有关,而与节点配箍率关系不大。由于钢纤维混凝土具有抗拉强度、延性性能高的特点,将其用于框架结构节点区域,对提高其抗裂强度是很有效的。由于钢纤维混凝土控制裂缝延伸、扩展的作用较强,钢纤维混凝土节点核心区裂缝贯通较晚。因此,对钢纤维混凝土节点,“通裂”一般只以裂缝达到0.3mm宽作为判断依据。钢纤维混凝土的通裂强度约为极限强度的80%,而钢筋混凝土节点的通裂强度仅为其极限强度的60%~70%[9]。钢纤维混凝土节点通裂强度的提高,归功于钢纤维对混凝土抗拉强度和延性的改善,钢纤维的存在,使节点斜缝附近形成“伪塑性区”,缓解了裂缝尖端的应力集中,限制了裂缝发展。

3.2钢纤维对框架节点抗剪性能的改善早在1989年,唐九如采用5个梁柱边节点来研究反复荷载作用下钢纤维进对节点强度、延性、能量吸收与耗散、破坏形态以及锚固性能的影响,并与普通钢筋混凝土节点做对比。对于一般允许节点出现裂缝的结构,节点极限抗剪强度的计算可在现行规范钢筋混凝土节点抗剪公式的基础上,增加钢纤维作用一项。钢纤维混凝土抗剪试验表明,在一定范围内,随纤维含量的增加,抗剪强度呈凸曲线上升趋势[2]。因此,在实用的范围内,钢纤维混凝土节点的极限抗剪强度可认为由混凝土基体承担的剪力、箍筋承担的剪力和钢纤维承担的剪力3项叠加而成。

3.3钢纤维对节点延性和耗能性能的改善钢纤维混凝土节点的耗能系数高于普通混凝土节点,具有较好的耗能性能。同一级位移下随循环次数的增加,耗能系数有所减少,但混凝土节点的降低率小于普通混凝土节点。钢纤维混凝土耗能的增加主要表现在大形变的后期,因为随着非弹性变形的加大,裂缝也加宽,钢纤维从混凝土基体中逐渐被拔出。在纤维被拔出的过程中表现出材料的韧性,从而吸收和耗散了能量。而普通混凝的裂缝展开闭合时,刚度降低明显,滞回曲线出现“捏缩”,耗能下降。

4钢纤维混凝土框架节点抗震设计的一些建议

上述段落从微观与宏观角度分析了钢纤维混凝土框架节点抗震性能的影响,研究表明,纤维在未被拔断或拔出的条件下才能充分发挥作用,所以保证纤维有足够的强度和其与基体足够的粘结强度是保证纤维发挥作用的基础,应该在工程设计和实践中引起足够重视。因此,对钢纤维混凝土框架节点抗震设计提出一些建议。(1)增加钢纤维的粘结长度,但纤维太长易于成团,会影响拌合物的和易性和施工质量,导致强度降低,所以钢纤维长度一般20mm到40mm,最长不超过60mm,长径比一般在40到120之间。(2)改善基体对钢纤维的粘结性能,例如掺入10%硅灰可使钢纤维的粘结强度提高20%,钢纤维混凝土抗折强度提高40%[11]。(3)改善纤维的形状,增加纤维与基体之间的摩阻和咬合力,可采用带压痕、带毛刺或端部扩大的钢纤维。(4)改善纤维的分布和取向,使纤维分布于受拉区并按受拉方向定向排列。(5)节点混凝土按先高后低的原则浇筑,在高低强度等级混凝土交界处,设置钢丝网,以便控制浇筑范围。(6)重视钢纤维混凝土的早期湿度养护,并保持一定的养护温度。

作者:罗敏艾军单位:南京航空航天大学金城学院土木工程系南京航空航天大学土木工程系

江苏建筑杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次