高延性混凝土在剪力墻置換中應用性能分析

摘 要：為了探究高延性混凝土對剪力墻抗震性能的影響，本文利用改性活性粉末混凝土局部置換加固剪力墻，并且設置兩個對照組，第Ⅰ組是強度等級為C15的剪力墻試件（不加固），第Ⅱ組是強度等級為C30的剪力墻試件（不加固），第Ⅲ組是強度等級為C15的剪力墻試件（加固）。按照不同的軸壓比向試件施加恒定豎直載荷和水平低周反復載荷，綜合鋼筋應變、混凝土結構應變、載荷大小、試件位移等因素，判斷3組試件的承載力。結果顯示，經過高延性混凝土局部置換加固的剪力墻，極限承載力、破壞承載力明顯提升，優于兩個對照組，說明該加固方式有利于提高剪力墻的抗震性能。當建筑物受到地震影響時，豎直載荷、水平載荷作用于剪力墻，使墻體出現伸縮變形，一旦超過其承載能力，將會導致結構破壞。高延性混凝土中添加了PP纖維、鋼纖維以及多種活性物質，改善了普通混凝土材料的抗拉、抗壓以及延展性，因此研究此類混凝土對剪力墻的加固效果具有重要的意義。

關鍵詞：高延性混凝土；局部置換加固剪力墻；抗震性能試驗

中圖分類號：TU 352" " 文獻標志碼：A

1 高延性混凝土材料及試件概述

1.1 高延性混凝土材料

我國的許多房屋建筑年代久遠，因此建造時對抗震設計的重視程度不高。為了滿足新的使用需要，要對這些建筑物進行改造。由于新標準普遍高于舊標準，既有建筑結構不能滿足抗震要求，因此須對既有建筑物進行加固。我國現行建筑設計規范規定，建筑使用年限一般為50～100年。但建國后，新建建筑物大多已超過50年，維修與加固工作亟待加強。隨著時間流逝，部分老建筑會逐漸進入服役期，從而導致大量建筑物發生不同程度損壞乃至倒塌。因此，提高改建技術在當代建筑業中非常重要，也成為建筑業未來發展的主要方向。在高層建筑中，剪力墻是一種重要的承載構件，它的受力性能及變形能力直接影響整個工程的質量。通過試驗檢測可以明確高延性混凝土的性能并合理進行建筑加固。

試驗過程使用的混凝土材料為改性活性粉末混凝土（Modified Reactive Powder Concrete，MRPC），制備MRPC的原材料及配比見表1。由于材料中添加了活性粉末、鋼纖維、PP纖維，因此其抗拉強度、抗壓強度、延性以及耐久性等重要性能指標得到了明顯改善。

1.2 試件制作要求

1.2.1 剪力墻試件強度及加固措施

當鋼筋混凝土剪力墻的強度較低時，可利用MRPC材料對其進行局部置換，從而達到加固剪力墻的目的。在試驗前制作3組剪力墻試件，每組均為3個。第一組剪力墻試件采用強度等級為C15的混凝土，不使用MRPC材料進行局部置換加固[1]。第二組剪力墻試件采用強度等級為C30的混凝土，不采取MRPC加固措施。第三組剪力墻試件采用強度等級為C15的混凝土，利用MRPC材料進行局部置換加固。

1.2.2 剪力墻試件尺寸及配筋設計

試驗過程共設計了9個剪力墻試件，其結構形式完全一致，包括墻體、地梁以及加載梁，根據高度、寬度和墻體厚度決定試件的幾何尺寸，幾個試件的高度均為2.7m，寬度均為1.2m，厚度均為0.14m。對采取MRPC加固措施的墻體試件來說，其加固位置位于墻體的兩端，局部置換的長度為0.2m。地梁截面的幾何尺寸為0.5m×0.8m，加載頂梁的截面設計為0.18m×0.3m。墻體試件的尺寸及配筋設計結果見表2。

1.2.3 檢測MRPC的抗壓強度

當使用MRPC材料置換加固剪力墻時，應保證其抗壓強度處于同一級別，避免抗壓強度不同影響抗震性能試驗的結果。針對MRPC-1、MRPC-2、MRPC-3這3種試件各配置3次MRPC材料，得到9個立方體試塊。按照《混凝土檢驗評定標準》（GB/T 50107—2010）的試驗方法和混凝土強度檢驗評定方法，進行MRPC抗壓強度試驗，結果見表3。從表3可知，MRPC材料的抗壓強度差異非常小，性能較為穩定。

1.2.4 剪力墻混凝土材料力學性能檢測

除了MRCP材料外，試驗過程還涉及C15混凝土和C30混凝土，作為澆筑剪力墻的主體材料，應檢測其抗壓強度是否與設計強度一致。在澆筑剪力墻的過程中，同時制作標準的立方體混凝土試塊，邊長均為100mm，試塊的混凝土材料、養護條件與剪力墻完全保持一致，每種強度等級均制做3個標準試塊，分別檢測其抗壓強度。C15混凝土試塊的檢測結果分別為15.43MPa、15.59MPa、15.68MPa，均值為15.57MPa，滿足強度等級要求。C30混凝土試塊的強度等級分別為35.58MPa、36.76MPa、35.45MPa，均值為36.26MPa，滿足C30混凝土的強度等級要求。對比C15混凝土、C30混凝土和MRCP材料的抗壓強度，強度比值約為1∶2∶4。

1.2.5 剪力墻鋼筋性能檢測

鋼筋是制作剪力墻的重要材料，在剪力墻抗震性能試驗中，3 種剪力墻使用的鋼筋在性能上應保持一致。性能檢驗的重點為剪力墻的水平分布鋼筋、縱向筋以及拉結筋。檢測鋼筋的抗拉強度，縱向鋼筋的直徑為12mm，其屈服強度和極限抗拉強度分別為420MPa、585MPa。水平鋼筋的直徑為10mm，屈服強度和極限抗拉強度分別為411MPa、564MPa，拉結筋的直徑為8mm，屈服強度和極限抗拉強度分別為420MPa、525MPa。所有鋼筋的材質均為HRB400型。

2 抗震性能試驗方法

2.1 測點布置

2.1.1 設置鋼筋應變片

用鋼筋應變片檢測剪力墻中鋼筋的應變情況，測點分布在剪力墻的水平鋼筋、縱向鋼筋以及端部縱向受力鋼筋上。試件上的鋼筋應變測點共9個，其中4個設置在縱向鋼筋上，另外5個均設置在水平鋼筋上，并且5個水平鋼筋測點呈45°斜向分布[2]。

2.1.2 設置混凝土應變片

當混凝土結構受到地震作用時，有可能出現伸縮變形，因此在剪力墻的混凝土構件上設置應變片。當構件發生變形時，應變片也會發生相應變化，導致金屬箔材伸長或者收縮，在該過程中，其電阻值隨之改變，使電壓也發生變化。通過觀察電壓的變化情況，即可判斷混凝土構件的伸縮程度。在剪力墻的對角線上布置應變片，只須布置一條對角線。

2.1.3 設置位移傳感器

當發生地震時，建筑物不僅受到豎直方向的載荷，同時還存在水平載荷，后者會導致建筑物在水平方向發生位移，為了檢測剪力墻試件的水平位移，在其頂部和底部設置位移傳感器，型號為YHD-300，傳感器的量程為±150mm。用設置在底部的傳感器監測地梁在試驗過程中是否發生水平位移，傳感器與電阻應變采集儀相連。

2.2 測試內容

在試驗過程中，需要檢測的數據包括剪力墻的水平載荷、破壞形態、水平位移量、混凝土應變以及鋼筋應變。試驗過程使用的設備包括位移采集系統、應變采集系統以及液壓伺服加載系統，以數字化的方式采集和展示試驗數據。

2.3 加載方案

2.3.1 豎向載荷加載方案

在抗震試驗中，需要通過試驗裝置模擬地震時的水平載荷和豎直載荷，使其作用在墻體試件上[3]。利用液壓穩壓加載系統完成豎向載荷加載過程，沿著剪力墻試件的軸向施加恒定載荷，軸向壓力的取值與軸壓比密切相關，將軸向壓力記為N，其計算方法如公式（1）所示。

N=n·fc·A " （1）

式中：n為軸壓比；A為墻肢的全截面面積；fc為混凝土的軸向抗壓強度設計值。針對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3組試件，分別施加不同大小的豎向載荷，第Ⅰ組載荷值為360.36kN，第Ⅱ組為600.60kN，第Ⅲ組為840.84kN。

2.3.2 水平載荷加載方案

由MTS液壓伺服加載系統實現水平載荷的加載過程，地震引起的水平載荷通常低周期反復出現，水平載荷采用位移加載控制方式，載荷按照其運行方向，存在正負之分。當動作器施加推動作用時，載荷為正向，當動作器施加拉向作用時，載荷為負向。隨著動作器位移增加，施加在試件上的載荷也不斷增加。在初始階段，按照0.3mm/次加載，待試件產生初始裂縫后，增加載荷幅值，按照每級1.2mm進行加載控制[4]。當試件出現較大程度變形時，進入新的加載級別，將位移增幅調整為2.4mm。隨著載荷增加，試件的破壞程度不斷加劇，當載荷突然下降時，說明試件的承載能力已經越過極限值，此時可停止加載。

3 抗震性能試驗中試件的破壞過程

3.1 試件破壞形態分析

3.1.1 第Ⅰ組試件的破壞形態

將試件RC15-1、RC15-2、RC15-3的強度均設計為C15，未采取MRPC局部置換加固措施，幾何尺寸和結構形式也完全一致。3個構件的軸壓比存在差異，以RC15-1為例，當恒定豎向載荷為360.36kN時，其破壞形態見表4。在整個試驗過程中，RC15-1剪力墻的受拉峰值載荷和受壓峰值載荷分別為-233.7kN、211.7kN，對應的水平位移量分別為-39.6mm、+32.4mm。RC-2試件的受拉載荷峰值為-241.5kN，受推載荷峰值為+236.1kN，相應的位移量分別為-26.2mm、+28.2mm。RC-3試件的受拉和受推載荷峰值分別為-250.9kN、261.9kN，相應的位移量為-21.6mm、+25.6mm。

3.1.2 第Ⅱ組試件的破壞形態

第Ⅱ組試件的強度等級為C30，未采取MRPC局部置換加固措施，RC30-1的軸壓比為0.15，RC30-2的軸壓比為0.25，RC30-3的軸壓比為0.35，其恒定豎向載荷分別為360.36kN、600kN、840.48kN。以RC30-1試件為例，水平載荷由動作器加載，按照正向和負向反復加載，-3.0mm位移對應的拉力為90.8kN，此時受拉部位初次產生裂縫[5]。反向加載推力，當位移量達到3.6mm時，施加在試件上的載荷為89.4kN，此時受壓部位初次產生裂縫。當正向位移量增至26.5mm時，推力達到220.9kN，試件產生第一條豎向裂縫。繼續加載，試件底部徹底破碎。

3.1.3 第Ⅲ組試件的破壞形態

第Ⅲ組試件的強度等級均為C15，采取MRPC局部置換加固措施，MRPC-1、MRPC-2、MRPC-3這3個試件的軸壓比分別為0.3、0.5、0.7，豎向恒定載荷分別為360.36kN、600.0kN、840.84kN。以剪力墻試件MRPC-1為例，通過動作器向試件施加水平載荷，當位移量為-3.0mm時，試件上首次出現水平受拉載荷，此時對應的拉力值為82.9kN。當位移量為+33mm時，試件上的壓力達到峰值263.8kN。當位移量為-41.0mm時，拉力達到峰值，最大拉力為-273.9kN。試件MRPC-2的試驗結果顯示，其峰值拉力和推力分別為-328.8kN、310.3kN，對應的最大位移量分別為-38.0mm、+40.0mm。試件MRPC-3的峰值拉力和壓力分比為-369.6kN、360.7kN，相應的位移量為-46.0mm、42.0mm。數值見表5。

3.2 承載力試驗結果

綜合抗震試驗的結果，統計3組試件在不同條件下的開裂載荷、極限載荷以及破壞載荷，結果見表6。以極限載荷為例，在組別I中，RC15-3的極限載荷最大，分別為+261.8kN、-250.8kN，而組別Ⅲ中，試件MRPC-3的極限載荷最大，分別為+360.6kN、-369.5kN，比RC15-3高出約100kN。與第Ⅱ相比，該組中RC15-30的極限載荷最大，分別為+294.4kN、-309.0kN，MRPC-3同樣的相應數值仍然更大。從中可知，采取高延性混凝土置換加固措施后，第Ⅲ組試件的極限載荷和破壞載荷明顯高于第Ⅰ組和第Ⅱ組，承載能力增強證明經過MRPC局部置換加固后的剪力墻具有更強的抗震性能。

4 結語

綜合全文，在此次研究過程中，本文分別制作了3種剪力墻試件，試驗組利用MRPC材料進行置換加固（強度等級為C15），對照組均不采取加固措施，強度等級分別為C15和C30。在試件上布置測點，包括鋼筋應變測點、混凝土結構應變測點、水平位移測點等，以固定的豎直載荷作用于試件，并分級施加水平載荷，觀察其破壞形態以及承載力。從結果可知，經過高延性混凝土局部置換加固的剪力墻試件，有效地提高了載荷能力，剪力墻抗拉、抗壓強度也顯著提升，有利于提高其抗震性能。

參考文獻

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[3]馮馳，朋茜，黃海，等.高延性混凝土在結構加固應用中的研究進展[J].混凝土世界，2022（2）：93-95.

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[5]鄧明科，張偉，李寧.高延性混凝土加固砌塊砌體墻抗震性能研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2020，47（9）：85-93.