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钢纤维高强混凝土剪力墙抗震土木工程试验及其恢复力计算方法

论文编号:lw201708231819145758 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2018年01月30日 论文作者:无忧论文网
1   绪论 

1.1   研究背景 
地震是一种突发性自然现象,目前尚无法预测,且对建筑结构有极强的破坏作用,因此造成了巨大的生命财产损失。据统计,1976 年唐山 7.8 级地震造成 230915 人死亡,168654 人重伤,地震中倒塌房屋 2850050 间,严重破坏 961121间,造成直接经济损失达 50 多亿人民币[1-2]。1995 年日本阪神地震,死亡 5000余人,19 多万房屋倒塌或受损,经济损失 1000 多亿美元[3-4]。2008 年四川省汶川县 8.0 级特大地震造成 69180 人遇难,17398 人失踪,374008 人受伤,受灾人数 4624 万,经济损失 5000 多亿人民币[5-6]。由此可以看出,在强烈地震作用下建筑物受到严重破坏,造成严重的人员伤亡和财产损失。叶燎原,李玉辉[7]通过 2014 年云南鲁甸地震震后统计数据指出,房屋倒塌是伤亡的主要原因。因此,提高建筑物的抗震能力是减小地震损失最重要的组成部分。 随着社会经济的快速发展,高层、超高层建筑越来越多,对建筑物抗震性能提出了更高的要求。剪力墙作为高层建筑中主要的抗侧力构件,其承载力高、侧向刚度大,在地震中起到主要的抗震作用。但普通钢筋混凝土剪力墙延性低,变形能力差,对抗震极为不利。因此,在保证其承载力要求的前提下提高延性及耗能能力,达到“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震要求,成为国内外研究学者共同努力的方向。 钢纤维混凝土具有优良的抗拉、抗剪、抗弯性能,能够延缓和限制混凝土裂缝开展,显著改善混凝土的脆性,提高构件的延性和耗能[8]。研究表明,将钢纤维混凝土应用于剪力墙可提高剪力墙的耗能和延性[9-11]。钢管混凝土承载力高、延性好,将其和普通钢筋混凝土剪力墙结合能够提高剪力墙的承载力、延性和耗能等[12-15]。因此,将钢纤维混凝土和钢管混凝土应用于剪力墙是提高其抗震性能的有效途径,研究方钢管混凝土边框钢纤维混凝土剪力墙抗震性能具有重要的理论意义和实用价值。 
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1.2   国内外研究现状
钢纤维混凝土是在普通混凝土中加入乱向分布的钢纤维形成的一种新型复合建筑材料。自 1910 年美国学者 H.F.Poter[16]发表关于钢纤维混凝土研究报告以来,钢纤维混凝土以其优良的抗拉、抗裂、抗剪、抗弯、抗折、耐磨、耐疲劳、耐冲击等性能受到国内外研究学者广泛关注。20 世纪 60 年代到 70 年代学术界掀起了一场研究钢纤维混凝土裂缝开展与增强机理的热潮。其中,1963 年美国 J.P.Romualdi 和 G.B.Bastan[17]等学者提出了“纤维间距”理论,认为钢纤维混凝土抗拉强度的提高是由钢纤维平均间距所决定的。美国学者 R.N.Swamy和 A.E.Naaman 将钢纤维混凝土看做混凝土基体和钢纤维组成的两相复合材料,并提出了复合材料理论[18]。 近年来,国内外学者对钢纤维混凝土材料及构件性能做了大量研究。 高丹盈,朱海堂,汤寄予[19]研究了纤维体积率和纤维类型对高强混凝土抗剪性能的影响,通过对 84 根 100mm×100mm×400mm 试件的抗剪试验发现,纤维的加入有效改善了高强混凝土的抗剪强度和变形性能;试件的初裂抗剪强度、极限抗剪强度、抗剪韧性和变形均随纤维体积率的增大而增大。赵顺波,李长永等[20]研究了粗骨料粒径、钢纤维长径比及掺量、水灰比等,对钢纤维高强混凝土基本力学性能的影响。结果表明,钢纤维混凝土的抗压强度和劈拉强度受钢纤维长径比和粗骨料最大粒径的影响较小;钢纤维长度较短时,试件的弯拉强度受粗骨料最大粒径的影响较大,且导致钢纤维过早拔出。高丹盈,黄承逵[21]通过对 18 根 100mm×100mm×400mm 试件进行三点弯曲试验,探讨了钢纤维长径比、体积率对试件正截面强度的影响,建立了钢纤维混凝土初裂抗弯强度和钢纤维混凝土抗折强度计算模型,该模型形式简单,能与普通混凝土抗裂计算模型很好地衔接。邓宗才,孙成栋[22]研究了钢纤维混凝土棱柱体在低周反复荷载作用下的力学性能。研究表明,反复荷载作用下钢纤维混凝土滞回曲线包络线和单调荷载作用下应力应变曲线基本一致;随着钢纤维掺量的增加,试件的耗能能力提高;建立了纤维混凝土滞回曲线方程及变形计算公式。
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2   试验概况 

2.1   试件设计 
本次试验共设计了 6 个剪跨比为 1.0 的剪力墙试件。所有剪力墙试件均采用方钢管混凝土边框,其中 5 个剪力墙试件的中间墙板采用钢纤维混凝土和 1个采用普通混凝土。试件编号为:SW-00-60、SW-05-60、SW-10-60、SW-15-60、SW-10-40、SW-10-80。编号中“SW”指剪力墙试件,其后第一个数字表示中间墙体钢纤维体积掺量,第二个数字表示试件混凝土设计强度。例如,SW-10-60,代表混凝土强度为 C60,中间墙体钢纤维体积掺量为 1.0%的剪力墙试件。剪力墙试件的试验参数设计见表 2.1。6 个剪力墙试件外形尺寸、配筋形式一致,如图 2.1 所示,试件的缩尺比为1/4。中间墙体两侧各有一边长为 120mm 的方形钢管混凝土边框柱,钢管厚度为 3mm,中间墙体宽 610mm,厚度 120mm,墙高 600mm。为了保证钢管混凝土边框柱和中间墙体的可靠连接,采用U型抗剪连接键连接钢管柱和中间墙体,U 型抗剪连接键闭口端按预先设计的间距与钢管焊接,开口端与墙板水平分布钢筋焊接。为满足试件固定与加载的要求,墙体底部设计了尺寸为 1550mm*450mm * 500mm 的底梁,顶部设计了 950mm *250mm *300mm 的顶梁。两侧钢管深入底梁底部和顶梁顶部。 
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2.2   材料选择及混凝土配合比  
钢纤维混凝土制备严格按照配合比进行,采用强制搅拌机拌和,将称量好的配料按粗骨料、细骨料、水泥的顺序倒入强制搅拌机中进行干拌,然后将称 量好的钢纤维均匀撒入搅拌机中,最后将兑入减水剂的水均匀倒入,拌和后均匀注入模板中,钢纤维混凝土搅拌进料流程见图 2.2。剪力墙试件采用水平卧式整体浇筑制作,采用插入式振捣棒振捣均匀。为了浇注方便,钢管内混凝土较墙体提前一周浇注,管内混凝土均为普通混凝土,中间墙体为钢纤维混凝土,浇筑的同时管内混凝土和中间墙体分别预留 12 个(6 个 150mm×150mm×150mm立方体,6 个 150mm×150mm×300mm 棱柱体)混凝土伴随试块,且与试件同条件下养护 28 天。采用人工洒水养护,试件上内层覆盖毛毡外层覆盖塑料布以达到保温保湿的作用。 
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3   试验结果分析 ............. 14 
3.1   试验现象和破坏形态 .......... 14 
3.2   承载力分析 ...... 26 
3.3   滞回曲线分析 ............ 27 
3.4   骨架曲线分析 ............ 28 
3.5   耗能能力分析 ............ 29
3.6   强度衰减 .......... 30 
3.7   刚度衰减 .......... 31 
3.8   延性 ........ 32 
3.9   本章小结 .......... 34 
4   钢纤维混凝土剪力墙恢复力模型 ........... 35 
4.1   引言 ........ 35 
4.2   现有恢复力模型及其特点 ............ 35
4.3   骨架曲线 .......... 39 
4.4   刚度退化规律 ............ 46 
4.5   滞回规则 .......... 47 
4.6   恢复力模型与试验结果的对比 .... 48 
4.7   本章小结 .......... 48 
5   结论与展望 ....... 50 
5.1   结论 ........ 50 
5.2   展望 ........ 51 

4   钢纤维混凝土剪力墙恢复力模型 

4.1   引言 

钢筋混凝土结构在地震作用下产生一系列的非线性性能反应,混凝土裂缝、钢筋屈服以及结构的内力和变形都随荷载的往复而变化。为进行构件在地震过程中的受力性能全过程动力分析,必须有反复荷载作用下准确的材料或界面性能的本构关系,即恢复力模型[47]。恢复力模型是根据大量试验数据,经抽象和简化而得的数学模型,是构件抵抗变形能力的数学描述。理想的恢复力模型能很好的反映恢复力特性的主要方面,即刚度退化和强度衰减等。 恢复力模型通常由骨架曲线和滞回规则确立。骨架曲线确定了恢复力模型的特征点,如开裂点、屈服点、峰值点等;滞回规则规定了正负向加载卸载过程行走路线及刚度、强度的变化等。 目前,国内外学者对钢纤维混凝土剪力墙的恢复力模型研究并不多见,尤其是带钢管混凝土边框的钢纤维混凝土剪力墙的恢复力模型研究尚无相关文献。本章在 6 个剪力墙试件拟静力试验基础之上,建立适合于方钢管混凝土边框钢纤维高强混凝土剪力墙滞回