薛志成，鄧亞權(quán)，關(guān)中植，裴 強(qiáng)

（1.廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2. 黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；3. 大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 引言

作為核電廠安全殼的主要承重和抗側(cè)力構(gòu)件，鋼筋混凝土剪力墻應(yīng)具有良好的延性、耗能性能及損傷容限以確保整個(gè)核電廠在強(qiáng)震作用下的抗震安全[1]。但已有的研究表明，強(qiáng)地震作用下普通鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)存在震后修復(fù)難度較大、費(fèi)用高等問(wèn)題[2]。為改善剪力墻的變形性能和抗震性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出一系列改進(jìn)方案，如帶豎向裂縫剪力墻、高強(qiáng)混凝土剪力墻、鋼管混凝土剪力墻等[3,4]。但剪力墻中設(shè)置豎向裂縫削弱了截面的承載能力，使得結(jié)構(gòu)初始剛度降低，抗裂性能變差。剪力墻采用高強(qiáng)混凝土使得延性性能降低，震后表現(xiàn)出脆性剪切破壞模式。鋼管混凝土剪力墻則存在承載力低、對(duì)裂縫約束效果不明顯等問(wèn)題。因此亟需一種抗裂性能、延性、韌性及耗能性能好的新型結(jié)構(gòu)材料。

纖維混凝土是在混凝土中摻入適量纖維而成高性能復(fù)合材料，與普通混凝土相比，纖維混凝土具有抗裂、抗拉、抗沖擊好等優(yōu)點(diǎn)[5]。將纖維混凝土用于剪力墻中，有助于提高墻體的初始剛度、抗彎及抗剪性能，延緩裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展速度，使結(jié)構(gòu)具有較高的抗震性能和損傷容限[6]。Chou[7,8]最先提出將纖維混凝土應(yīng)用至核電工程結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)鋼纖維和和聚酰胺纖維鋼筋混凝土核電廠安全殼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬表明，摻入適量纖維可以顯著提高其抗剪切性能。與常規(guī)安全殼結(jié)構(gòu)相比，1.0%的鋼纖維混凝土安全殼結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移可以提高約50%，1.5%的聚酰胺纖維混凝土安全殼結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移可以提高約40%。為進(jìn)一步改善核電工程中鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，在剪力墻中采用玄武巖纖維混凝土，對(duì)立玄武巖纖維-鋼筋混凝土（Basalt Fiber-Reinforced Concrete, BFRC）剪力墻進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，并采用ABAQUS有限元軟件建立BFRC剪力墻三維有限元模型，將試驗(yàn)結(jié)果與是數(shù)值模擬結(jié)果作對(duì)比，驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性，為研究核電工程中BFRC剪力墻提供技術(shù)支持。

1 試件概況

以某核電廠安全殼結(jié)構(gòu)為例，鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)外半徑為22 m，高為44 m，筒壁厚為1 m。取部分鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)1:5縮尺模型進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，試驗(yàn)在東北林業(yè)大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)館進(jìn)行，擬靜力試驗(yàn)加載如圖1所示。試件中剪力墻縮尺模型、上加載梁及底梁尺寸如圖2所示。試件中剪力墻厚度為200 mm，上加載梁和底梁均為矩形截面，其截面尺寸及配筋如圖3所示。剪力墻縮尺模型中豎向鋼筋為6@65，水平鋼筋為6@70，拉筋為直徑2 mm鍍鋅鋼絲，墻體配筋及拉筋布置如圖4所示，鋼筋應(yīng)變布置如圖5所示。試件中上加載梁和底梁采用強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土，墻體采用強(qiáng)度等級(jí)為C50的玄武巖纖維混凝土，墻體中纖維體積率為0.1%，長(zhǎng)徑比為1125。

圖1 擬靜力加載圖

圖2 試件基本尺寸

圖3 上加載梁和底梁配筋圖

圖4 墻體配筋及拉筋布置圖

圖5 鋼筋應(yīng)變片布置圖

2 材料本構(gòu)關(guān)系

鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用雙斜線簡(jiǎn)化模型。屈服特性選用Von-Mises屈服準(zhǔn)則，

加載梁和底梁中混凝土選用ABAQUS軟件中提供的塑性損傷模型，混凝土單軸受拉和受壓本構(gòu)關(guān)系均采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2015）[9]建議的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，

BFRC剪力墻中玄武巖纖維混凝土也采用ABAQUS軟件中的塑性損傷模型。趙高錦[10]根據(jù)過(guò)鎮(zhèn)海提出的混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程，通過(guò)調(diào)整單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段、下降段的參數(shù)，建立了玄武巖纖維混凝土單軸受壓本構(gòu)模型。玄武巖纖維混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系采用此模型，其表達(dá)式為：

BFRC剪力墻中玄武巖纖維混凝土的受拉本構(gòu)關(guān)系采用方超提出的纖維混凝土雙線性受拉本構(gòu)模型[11]，其表達(dá)式為：

式（2）中參數(shù)可由下式計(jì)算：

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

3.1 破壞過(guò)程

BFRSC剪力墻在擬靜力加載過(guò)程中，隨時(shí)用紅色油性記號(hào)筆描繪裂縫，標(biāo)明裂縫的長(zhǎng)度、寬度以及出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載級(jí)數(shù)與位移級(jí)數(shù)，BFRC剪力墻最終裂縫分布如圖6所示。數(shù)值模擬中，根據(jù)可視化結(jié)果，可以觀測(cè)出BFRC剪力墻混凝土受拉損傷和受壓損傷的全過(guò)程，BFRC剪力墻混凝土受拉損傷云圖如圖7所示，受壓損傷云圖如圖8所示。

圖6 BFRSC剪力墻裂縫分布

圖7 BFRC剪力墻混凝土受拉損傷云圖

圖8 BFRC剪力墻混凝土受壓損傷云圖

由圖6可知，BFRC剪力墻試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)為彎曲破壞。在試驗(yàn)加載過(guò)程中，當(dāng)水平荷載小于300 kN時(shí)，試件處于彈性階段，試件表面完好無(wú)損，未出現(xiàn)裂縫，墻體只發(fā)生微小位移。當(dāng)水平荷載達(dá)到300 kN時(shí)，墻體最大位移為6.4 mm，左側(cè)墻角向上10 cm處出現(xiàn)一條斜裂縫，長(zhǎng)為3 cm，寬為0.02 cm，左側(cè)墻角向上55 cm處出現(xiàn)一條水平微裂縫，長(zhǎng)為3 cm，寬為0.03 cm；當(dāng)反向加載至300 kN時(shí)，右側(cè)墻角向上48 cm處出現(xiàn)一條水平微裂縫，長(zhǎng)為5 cm，寬為0.03 cm，右側(cè)墻角向上8 cm出現(xiàn)斜裂縫，長(zhǎng)為12 cm，寬為0.03 cm。當(dāng)水平荷載達(dá)到330 kN時(shí)，墻體最大位移為7.3 mm，水平裂縫向墻體腹部延伸，略有變寬，墻角斜裂縫數(shù)量增加并逐漸發(fā)展；當(dāng)反向加載至330 kN時(shí)，原本水平裂縫延長(zhǎng)至10 cm，右側(cè)墻角出現(xiàn)若干條斜裂縫，原本斜裂縫繼續(xù)向墻體中部延伸，此時(shí)荷載-位移曲線偏離直線，試件由彈性階段進(jìn)入塑性階段，墻體發(fā)生屈服，取7.3 mm為屈服位移Δy，加載制度改為位移控制加載，以屈服位移為倍數(shù)，每級(jí)循環(huán)3次。當(dāng)正向水平位移為1Δy（7.3 mm）時(shí)，左側(cè)墻角向上55 cm水平裂縫延300方向下延長(zhǎng)5 cm，左側(cè)墻角向上10 cm處斜裂縫延45o方向向墻體中部延伸發(fā)展，墻體底部出現(xiàn)大量新的豎向微裂縫；當(dāng)反向水平位移為1Δy時(shí)，右側(cè)墻角向上48 cm處出水平裂縫變寬，并且延45o方向向下發(fā)展，墻角出現(xiàn)新的豎向微裂縫，墻角出現(xiàn)一條水平裂縫，長(zhǎng)為10 cm，寬為0.02 cm，并有向左側(cè)延伸發(fā)展的趨勢(shì)。當(dāng)正向水平位移為2Δy（14.6mm）時(shí)，墻角出現(xiàn)2條新的斜裂縫，左側(cè)墻角向上25 cm處出現(xiàn)斜裂縫延45o向下發(fā)展，墻角豎向裂縫變寬繼續(xù)向上發(fā)展，同時(shí)在墻板中部新出兩條細(xì)長(zhǎng)斜裂縫，東側(cè)墻腳水平裂縫延伸變寬，并且墻角混凝土保護(hù)層受壓鼓脹但并未剝落；當(dāng)反向水平位移為2Δy時(shí)，右側(cè)墻角向上48 cm處水平裂縫變寬，繼續(xù)延45o斜向下發(fā)展，墻角出現(xiàn)新的豎向裂縫，長(zhǎng)為10 cm，寬0.5 mm，原本裂縫繼續(xù)分叉發(fā)展，右側(cè)墻角有明顯的膨脹，但混凝土保護(hù)層并未剝落。當(dāng)正向水平位移為3Δy（21.9 mm）時(shí)，水平荷載達(dá)到峰值380 kN，墻角斜裂縫和豎向裂縫瞬速發(fā)展，并伴有新的裂縫出現(xiàn)，水平裂縫寬度明顯增大，西側(cè)墻腳水平裂縫延伸并明顯變寬，加載過(guò)程中左側(cè)墻角發(fā)出噼啪聲，墻角混凝土開(kāi)裂，出現(xiàn)細(xì)微剝落現(xiàn)象；當(dāng)反向水平位移3Δy時(shí)，右側(cè)墻角裂縫瞬速發(fā)展，裂縫寬度明顯變寬，并伴有少量混凝土剝落。當(dāng)正向水平位移為4Δy（29.2 mm）時(shí)，水平荷載降至峰值荷載的85%（320 kN），墻體底部與底梁連接處混凝土壓碎，混凝土大量剝落，墻體表面水平裂縫變寬貫穿整個(gè)截面，并發(fā)展出大量斜裂縫；反向水平位移為4Δy時(shí)，許多原有的斜裂縫分叉變寬，墻體底部的水平剪切滑移裂縫發(fā)展貫穿整個(gè)截面，右側(cè)墻角破壞嚴(yán)重，剝落出大量混凝土。由圖7可知，在數(shù)值模擬加載初期，在墻角和墻體中部先出現(xiàn)損傷，這與試驗(yàn)觀察到墻角處出現(xiàn)斜裂縫和墻角上55 mm處出現(xiàn)水平微裂縫相一致。當(dāng)墻體水平位移增至1Δy（7.3 mm）時(shí)，裂縫不斷發(fā)展并向墻體腹部蔓延，墻體根部混凝土受拉損傷不斷增大，當(dāng)加載至最大水平位移4Δy（29.2 mm）時(shí)，墻體底部裂縫貫穿這個(gè)截面，墻體下部布滿裂縫，墻體中部損傷嚴(yán)重，裂縫從底部貫穿至墻頂。由圖8可知，在數(shù)值模擬加載初期，墻角混凝土最先出現(xiàn)受壓損傷，當(dāng)墻體水平位移增至1Δy（7.3 mm）時(shí)，試件墻角兩側(cè)混凝土受壓損傷不斷增大，當(dāng)加載至最大水平位移4Δy（29.2 mm）時(shí)，墻體下1/3全部出現(xiàn)受壓損傷，這與試驗(yàn)觀察到墻體底部與底梁連接處混凝土壓碎，混凝土大量剝落，墻角破壞嚴(yán)重，剝落出大量碎石，墻體表面水平裂縫變寬貫穿整個(gè)截面，并發(fā)展出大量斜裂縫，數(shù)值模擬結(jié)果基本與試驗(yàn)觀測(cè)相符。

3.2 應(yīng)力分布

在剪力墻的水平鋼筋和豎向鋼筋處粘貼鋼筋應(yīng)變片，可以觀測(cè)出擬靜力加載過(guò)程中墻體鋼筋的應(yīng)變變化規(guī)律，從而反映出BFRC剪力墻整體的受力狀態(tài)。BFRC剪力墻中水平鋼筋和豎向鋼筋的應(yīng)力變化如圖9所示，橫坐標(biāo)為鋼筋應(yīng)變 （），縱坐標(biāo)為每級(jí)循環(huán)加載的峰值位移。數(shù)值模擬中模型的加載制度與試驗(yàn)相一致，通過(guò)可視化結(jié)果，可觀測(cè)出墻體鋼筋籠的屈服部位及其最終的應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值模擬得到的剪力墻鋼筋籠應(yīng)力如圖10所示。

圖9 BFRSC剪力墻鋼筋應(yīng)變曲線

圖10 BFRSC剪力墻鋼筋籠應(yīng)力云圖

由圖9可知，試驗(yàn)加載過(guò)程中，墻體2號(hào)豎向分布鋼筋處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，墻體13號(hào)水平鋼筋應(yīng)變較小。當(dāng)水平位移推至7.37 mm時(shí)，2號(hào)豎向鋼筋的最大應(yīng)變?cè)?200左右，鋼筋全部屈服，13號(hào)水平分布鋼筋應(yīng)變呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)幅度較小，最大應(yīng)變僅為385，鋼筋仍處于彈性狀態(tài)。當(dāng)水平位移推至14.74 mm時(shí)，2號(hào)豎向鋼筋失效，退出工作狀態(tài)。由圖10可知，在數(shù)值模擬加載初期，當(dāng)水平位移推至7.37 mm時(shí)，墻角兩側(cè)鋼筋首先發(fā)生屈服，隨著墻體水平位移不斷增長(zhǎng)，鋼筋應(yīng)力不斷增大，墻體下側(cè)1/3處的鋼筋籠逐漸屈服，當(dāng)加載至最大水平位移29.2 mm時(shí)，墻角鋼筋全部屈服，這與試驗(yàn)采集到的鋼筋應(yīng)變規(guī)律基本一致。

3.3 滯回曲線

滯回曲線又稱(chēng)恢復(fù)力特性曲線，既反映出試件在反復(fù)受力過(guò)程中的變形特征，又體現(xiàn)了試件進(jìn)入彈塑性階段的承載能力、延性性能、剛度退化及耗能能力。利用ABAQUS有限元分析軟件BFRC厚剪力墻試件進(jìn)行非線性分析，數(shù)值模擬與試驗(yàn)BFRC厚剪力墻滯回曲線對(duì)比如圖11所示。

圖11 數(shù)值模擬與試驗(yàn)BFRC厚剪力墻滯回曲線對(duì)比

由圖11可知，數(shù)值模擬所得厚剪力墻滯回曲線為梭形，比試驗(yàn)更加飽滿，表明所建的厚剪力墻模型耗能性能及抗震性能更好，這主要是由于在選擇混凝土和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系時(shí)，未考慮混凝土與鋼筋之間粘結(jié)滑移的影響，當(dāng)混凝土開(kāi)裂以后，主要由鋼筋承擔(dān)其受力。當(dāng)試件處于彈性階段時(shí)，數(shù)值模擬和試驗(yàn)厚剪力墻滯回曲線基本吻合，隨著墻體水平位移的增加，承載力穩(wěn)步提高。當(dāng)試件達(dá)到峰值荷載時(shí)，兩者承載力相差在10%左右，在峰值荷載后，相對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果，模型的承載力下降段更加平滑，承載力下降段不明顯。這是由于數(shù)值模擬設(shè)置材料屬性時(shí)，鋼筋與混凝土設(shè)為理想狀態(tài)，材料剛度相比于試驗(yàn)更大；同時(shí)，鋼筋本構(gòu)關(guān)系選擇的是雙折線簡(jiǎn)化模型，鋼筋屈服后強(qiáng)度退化速度緩慢。數(shù)值模擬所得BFRC厚剪力墻滯回曲線雖與試驗(yàn)存在少許差異，但曲線基本吻合，表明所建BFRC厚剪力墻模型可以較好反映試件在擬靜力加載條件下的抗震性能。

4 結(jié)論

采用有限元分析軟件ABAQUS建立BFRC剪力墻的三維有限元模型，將擬靜力加載試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果作對(duì)比，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著墻體水平位移不斷增長(zhǎng)，鋼筋應(yīng)力不斷增大，墻體下側(cè)1/3處的鋼筋籠逐漸屈服，當(dāng)加載至最大水平位移時(shí)，墻角鋼筋全部屈服，這與試驗(yàn)采集到的鋼筋應(yīng)變規(guī)律基本一致。

(2) 隨著墻體水平位移的增加，試件墻角兩側(cè)混凝土損傷不斷增大，當(dāng)加載至最大水平位移時(shí)，墻體下1/3全部出現(xiàn)受壓損傷，這與試驗(yàn)觀察到墻體底部與底梁連接處混凝土壓碎，墻體表面水平裂縫變寬貫穿整個(gè)截面，并發(fā)展出大量斜裂縫基本相符。

(3) 數(shù)值模擬所得滯回曲線雖與試驗(yàn)所得存在少許差異，但曲線基本吻合，表明所建BFRC剪力墻模型可以較好反映試件在擬靜力加載條件下的抗震性能。