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《江蘇建筑雜志》2014年第三期

1基于能量消耗原理分析

鋼纖維對混凝土韌性的改善1976年，瑞典學者Hiller-borgf通過對混凝土的微裂區分析后，提出了虛擬裂縫模型[6]，其基本假定為：（1）當混凝土端縫應力較低時，微裂區穩定不擴展，而當應力達到某一臨界值(抗拉強度)時，微裂區擴展；（2）混凝土應力達到抗拉強度后，裂縫間仍有相互作用應力，這種相互有應力作用的裂縫稱為虛擬裂縫。虛擬裂縫面上傳遞應力的大小隨虛擬裂縫張開寬度的增大而減小。應力減小到零的點，即為真實宏觀裂縫的端點；（3）虛擬裂縫區應力變化的規律由拉伸試驗確定；（4）虛擬裂縫區以外的材料仍按彈性材料處理。鋼纖維混凝土材料的裂縫端部存在明顯的非線性效應區，稱為破壞過程區。虛擬裂紋模型把鋼纖維混凝土材料的微裂紋前端劃分為4個區域[7,8]，如圖2所示。在這4部分區域中，纖維橋聯區內基體已經開裂，此時橫跨裂縫的纖維通過界面的粘結，阻止裂縫的擴展。基體微裂縫區內裂縫存在但并未張開，基體和纖維共同阻止裂縫擴展。很明顯，纖維只在這兩個區域內發揮作用。裂縫的擴展必然會加大裂縫兩岸的距離，無損傷區開裂成為微裂縫區，進而張開變成纖維橋聯區。在這一過程中，橋聯裂縫的鋼纖維不斷地被拔出或拉斷，消耗了大量的外載荷做功。因此可以使用斷裂能作為參數，定量分析鋼纖維對混凝土基體的增韌效果。破壞過程區的形成引起較大的能量耗散，這主要是由于：（1）在水泥凈漿的裂紋頂端附近圍繞一微裂紋區；（2）在裂縫頂端前存在集料的跨接區；（3）當有足量的纖維存在時，在裂紋的頂端處存在一纖維的跨接區，為使纖維由基材中拔出必須消耗較多的能量。

2鋼纖維混凝土節點經典受力破壞過程

一般而言，鋼纖維混凝土框架節點在低周反復荷載作用下將經歷初裂、屈服、強度極限和破損等特征狀態。在加荷過程中，鋼纖維混凝土節點約在極限荷載的60%左右時，在平行對角線方向出現第一條肉眼可見裂縫（寬度約0.02mm），其長度約為節點對角線長度的1/3，此時，節點達到初裂狀態；反方向加載，將在平行另一對角線方向出現初裂。隨著荷載的增大和反復循環，裂縫沿對角線方向延伸和擴大，并出現其他平行裂縫和交叉裂縫。當荷載到達極限荷載的80%左右時，沿對角線方向的主裂縫寬度約0.3mm，但鋼纖維混凝土節點一般尚未屈服。當荷載增加到梁柱交界處梁主筋屈服時，梁的變形明顯增大，梁端荷載-位移曲線將發生轉折，節點到達屈服狀態；反荷載方向也一樣。隨著荷載增大和反復循環，鋼纖維混凝土節點達到強度極限狀態，節點核心區被多條大致平行對角線方向的裂縫分割，其中貫通的主裂縫寬度大0.6mm~2mm，但核心區混凝土無剝落現象，充分體現了鋼纖維混凝土“壞而不散”的延性特點。

3鋼纖維對框架節點抗震性能的改善

3.1鋼纖維對框架節點裂縫的控制作用節點區的初裂狀態可以作為節點正常使用的初裂度的根據。對于抗震結構，節點核心區的早期開裂對結構的強度、變形和耐久性都不利。節點核心區的初裂抗剪強度主要與混凝土抗拉強度有關，而與節點配箍率關系不大。由于鋼纖維混凝土具有抗拉強度、延性性能高的特點，將其用于框架結構節點區域，對提高其抗裂強度是很有效的。由于鋼纖維混凝土控制裂縫延伸、擴展的作用較強，鋼纖維混凝土節點核心區裂縫貫通較晚。因此，對鋼纖維混凝土節點，“通裂”一般只以裂縫達到0.3mm寬作為判斷依據。鋼纖維混凝土的通裂強度約為極限強度的80%，而鋼筋混凝土節點的通裂強度僅為其極限強度的60%～70%[9]。鋼纖維混凝土節點通裂強度的提高，歸功于鋼纖維對混凝土抗拉強度和延性的改善，鋼纖維的存在，使節點斜縫附近形成“偽塑性區”，緩解了裂縫尖端的應力集中，限制了裂縫發展。

3.2鋼纖維對框架節點抗剪性能的改善早在1989年，唐九如采用5個梁柱邊節點來研究反復荷載作用下鋼纖維進對節點強度、延性、能量吸收與耗散、破壞形態以及錨固性能的影響，并與普通鋼筋混凝土節點做對比。對于一般允許節點出現裂縫的結構，節點極限抗剪強度的計算可在現行規范鋼筋混凝土節點抗剪公式的基礎上，增加鋼纖維作用一項。鋼纖維混凝土抗剪試驗表明，在一定范圍內，隨纖維含量的增加，抗剪強度呈凸曲線上升趨勢[2]。因此，在實用的范圍內，鋼纖維混凝土節點的極限抗剪強度可認為由混凝土基體承擔的剪力、箍筋承擔的剪力和鋼纖維承擔的剪力3項疊加而成。

3.3鋼纖維對節點延性和耗能性能的改善鋼纖維混凝土節點的耗能系數高于普通混凝土節點，具有較好的耗能性能。同一級位移下隨循環次數的增加，耗能系數有所減少，但混凝土節點的降低率小于普通混凝土節點。鋼纖維混凝土耗能的增加主要表現在大形變的后期，因為隨著非彈性變形的加大，裂縫也加寬，鋼纖維從混凝土基體中逐漸被拔出。在纖維被拔出的過程中表現出材料的韌性，從而吸收和耗散了能量。而普通混凝的裂縫展開閉合時，剛度降低明顯，滯回曲線出現“捏縮”，耗能下降。

4鋼纖維混凝土框架節點抗震設計的一些建議

上述段落從微觀與宏觀角度分析了鋼纖維混凝土框架節點抗震性能的影響，研究表明，纖維在未被拔斷或拔出的條件下才能充分發揮作用，所以保證纖維有足夠的強度和其與基體足夠的粘結強度是保證纖維發揮作用的基礎，應該在工程設計和實踐中引起足夠重視。因此，對鋼纖維混凝土框架節點抗震設計提出一些建議。（1）增加鋼纖維的粘結長度，但纖維太長易于成團，會影響拌合物的和易性和施工質量，導致強度降低，所以鋼纖維長度一般20mm到40mm，最長不超過60mm，長徑比一般在40到120之間。（2）改善基體對鋼纖維的粘結性能，例如摻入10%硅灰可使鋼纖維的粘結強度提高20%,鋼纖維混凝土抗折強度提高40%[11]。（3）改善纖維的形狀，增加纖維與基體之間的摩阻和咬合力，可采用帶壓痕、帶毛刺或端部擴大的鋼纖維。（4）改善纖維的分布和取向，使纖維分布于受拉區并按受拉方向定向排列。（5）節點混凝土按先高后低的原則澆筑，在高低強度等級混凝土交界處，設置鋼絲網，以便控制澆筑范圍。（6）重視鋼纖維混凝土的早期濕度養護，并保持一定的養護溫度。

作者：羅敏艾軍單位：南京航空航天大學金城學院土木工程系南京航空航天大學土木工程系