幾種區(qū)域約束混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)研究＊

蔣亞星，曹新明* ，常 亞，邵建力，姚志剛，潘金和

(1.貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng)550003;2.貴州建工集團(tuán)第四建筑工程有限責(zé)任公司，

貴州 貴陽(yáng)550004;3.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550008)

隨著高層建筑的飛速發(fā)展，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)底部柱子所受荷載很大的情況，而我國(guó)GB 5001l—20lO《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］對(duì)柱軸壓比限定不能超過(guò)1.05，這就使得底層柱子會(huì)因軸壓比的限制而加大截面尺寸，造成材料浪費(fèi)，甚至也會(huì)有可能出現(xiàn)短柱現(xiàn)象。為了解決這類短柱問(wèn)題，韋愛鳳提出了芯柱等構(gòu)造形式［2］(圖1a);基于提高柱子截面的軸向抗壓強(qiáng)度和降低構(gòu)件截面尺寸的原則，臺(tái)灣的尹衍樑提出并研究了一筆箍、格網(wǎng)箍等多種配箍構(gòu)造方式［3］(圖1 b、c)，但以上結(jié)構(gòu)形式都不能很好的解決高承載力柱和短柱出現(xiàn)的問(wèn)題。

圖1 矩形截面柱配筋形式

針對(duì)柱子可能出現(xiàn)的短柱等破壞形態(tài)，貴州大學(xué)曹新明教授經(jīng)過(guò)悉心研究，提出了區(qū)域約束這一新的的概念［4］，配筋形式如圖1d 所示。改變傳統(tǒng)的配筋形式使得角部的縱筋箍筋組成鋼箍骨架并形成約束區(qū)域，對(duì)其所圍合的混凝土進(jìn)行有效區(qū)域約束。這就將傳統(tǒng)的中部核心約束區(qū)域移至區(qū)域約束的四個(gè)角部區(qū)域，且各個(gè)區(qū)域約束又結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體共同工作，很好的提升了試件的抗震性能。

文獻(xiàn)［5］表明，良好的區(qū)域約束使得試件有良好的抗震性能，在一定程度上，規(guī)范規(guī)定軸壓比可放寬，并建議取值1.2?；A(chǔ)這一研究基礎(chǔ)，本文針對(duì)1.25 軸壓比作用下的四種不同配筋形式的混凝土柱試件做擬靜力試驗(yàn)分析對(duì)比，以得出區(qū)域約束混凝土相對(duì)傳統(tǒng)井字箍的抗震性能提升幅度。并對(duì)比分析改用角鋼代替角部鋼筋的試件是否對(duì)混凝土有良好的約束，及其是否能在一定程度上避免出現(xiàn)因區(qū)域約束內(nèi)的混凝土的脫落而產(chǎn)生的掏空現(xiàn)象。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試件制作

1.1 設(shè)計(jì)軸壓比與試驗(yàn)軸壓比說(shuō)明

參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(50010 -2010)［6］可知，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值fcu，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck及混凝土立方體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc三者之間的關(guān)系為:

軸向力設(shè)計(jì)值Nd與軸向力試驗(yàn)值Nt之間的關(guān)系:

由式1 -1、1 -2、1 -3、1 -4 可得設(shè)計(jì)軸壓比與試驗(yàn)軸壓比之間的關(guān)系:

式中，δ 為混凝土材料變異系數(shù)，γc為混凝土材料分項(xiàng)系數(shù)，γG為重力荷載代表值荷載分項(xiàng)系數(shù)。參照文獻(xiàn)［6］，取γG=1.2;參照文獻(xiàn)［1］可知，當(dāng)混凝土強(qiáng)度C40 時(shí)，取γc= 1.4 ，δ = 0.12 。有:

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4 個(gè)試件，分別是普通井字箍約束NTCC，普通矩形箍區(qū)域約束NRCC，角鋼矩形箍區(qū)域約束SRCC，角鋼小方箍區(qū)域約束SLCC(見表1)。長(zhǎng)度均為2500 mm，橫截面尺寸為250 mm ×250 mm(如圖2)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，縱筋分別采用直徑為10 mm 和12 mm 的HRB400 鋼筋，角部選用L30 ×3 的Q235B 角鋼，鋼材強(qiáng)度指標(biāo)見表2。

表1 試件基本參數(shù)

表2 鋼材強(qiáng)度

圖2 試件尺寸及界面配筋

1.3 加載方案

本試驗(yàn)在貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)采用1.25 軸壓比，軸壓力為1354 kN。選用加載裝置如圖所示，豎向壓力由柱下端設(shè)置的2000 kN 千斤頂施加，并用樁基靜載儀控制其輸出軸向壓力。柱中擴(kuò)大部分與由MTS 液壓伺服系統(tǒng)連接，由其提供水平荷載，理論荷載最大值為250 kN，行程±250 mm。柱兩端設(shè)置為鉸支座，使其在水平力作用下柱端彎矩保持為零。

試驗(yàn)加載第一階段以力控制，每隔20 kN 加載一個(gè)循環(huán)至試件屈服，隨后進(jìn)入第二階段以位移控制，以屈服位移整數(shù)倍加載3 個(gè)循環(huán)至試件破壞，加載制圖如圖所示。

圖3 加載方案及加載制度

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 設(shè)計(jì)軸壓比1.25 作用下傳統(tǒng)井字箍試件(NTCC)

荷載控制循環(huán)階段，在加載至140 kN 循環(huán)時(shí)，受拉區(qū)出現(xiàn)第一條彎曲斜裂縫。繼續(xù)加載，受拉區(qū)裂縫不斷開展并伴隨有新裂縫產(chǎn)生，受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)輕微壓皺現(xiàn)象。正向加載曲線與正向恢復(fù)曲線的間距變得越來(lái)越大(負(fù)方向卻沒有出現(xiàn)屈服平臺(tái)，分析知可能是縱筋與混凝土發(fā)生粘結(jié)滑移所致)，隨后進(jìn)入位移控制加載。隨后以屈服位移16 mm 的整數(shù)倍依次加載3 個(gè)循環(huán)。加載至32 mm 第1 循環(huán)時(shí)，混凝土受拉區(qū)橫向裂縫迅速開展，并出現(xiàn)最大水平力219 kN(負(fù)向)。此時(shí)認(rèn)為試件已屈服，且受拉區(qū)出現(xiàn)橫向裂縫貫通。接下來(lái)的位移控制循環(huán)中剛度退化嚴(yán)重。加載至48 mm 循環(huán)階段中，保護(hù)層開始大量脫落。繼續(xù)加載至64 mm 循環(huán)時(shí)，受拉鋼筋拉斷，試件承載力下降至極限荷載的85%，此時(shí)認(rèn)為試件已破壞(如圖4a)，停止加載。在整個(gè)加載過(guò)程中，井字箍并未出現(xiàn)明顯外鼓，側(cè)邊混凝土部分脫落，核心區(qū)混凝土未出現(xiàn)掏空現(xiàn)象。

2.2 設(shè)計(jì)軸壓比1.25 作用下普通矩形箍區(qū)域約束試件(NRCC)

荷載控制循環(huán)階段，在加載至100 kN 循環(huán)時(shí)，受拉區(qū)出現(xiàn)第一條彎曲斜裂縫。繼續(xù)加載，受拉區(qū)裂縫不斷開展并伴隨有新裂縫產(chǎn)生，受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)輕微壓皺現(xiàn)象。正向加載曲線與正向恢復(fù)曲線的間距變得越來(lái)越大(負(fù)方向并沒出現(xiàn)真正的屈服平臺(tái)，分析知可能是縱筋與混凝土發(fā)生粘結(jié)滑移所致)。隨后進(jìn)入位移控制，以屈服位移15 mm的整數(shù)倍依次加載3 個(gè)循環(huán)，在進(jìn)入30 mm 第1循環(huán)時(shí)，混凝土受拉區(qū)橫向裂縫迅速開展，并出現(xiàn)最大水平力226 kN(正向)。此時(shí)認(rèn)為試件已屈服，并且伴隨著出現(xiàn)受拉區(qū)橫向裂縫貫通，接下來(lái)的位移控制循環(huán)中剛度退化嚴(yán)重。繼續(xù)加載至45 mm階段循環(huán)中，保護(hù)層大量脫落。繼續(xù)加載至60 mm 和75 mm 時(shí)，受拉鋼筋拉斷，試件承載力下降至極限荷載的85%，此時(shí)認(rèn)為試件已破壞(如圖4b)，停止加載。在整個(gè)加載過(guò)程中，矩形箍并未出現(xiàn)明顯外鼓，但角部區(qū)域約束內(nèi)混凝土部分脫落，出現(xiàn)掏空現(xiàn)象。

2.3 設(shè)計(jì)軸壓比1.25 作用下角鋼矩形箍區(qū)域約束試件(SRCC)

荷載控制循環(huán)階段，在加載至100 kN 循環(huán)時(shí)，此時(shí)受拉區(qū)出現(xiàn)第一條彎曲斜裂縫。在隨后的加載中，受拉區(qū)裂縫不斷開展并伴隨有新裂縫產(chǎn)生，壓區(qū)混凝土出現(xiàn)輕微壓皺現(xiàn)象。正向加載曲線與正向恢復(fù)曲線的間距變得越來(lái)越大(負(fù)方向卻沒有出現(xiàn)屈服平臺(tái)，分析知可能是縱筋與混凝土發(fā)生粘結(jié)滑移所致)，隨后進(jìn)入位移控制加載。以屈服位移15 mm 的整數(shù)倍依次加載3 個(gè)循環(huán)。在進(jìn)入30 mm 第1 循環(huán)時(shí)，混凝土受拉區(qū)橫向裂縫迅速開展，并出現(xiàn)最大水平力220 kN(負(fù)向)。此時(shí)認(rèn)為試件已屈服，并且伴隨著出現(xiàn)受拉區(qū)橫向裂縫貫通。接下來(lái)的位移控制循環(huán)循環(huán)中剛度退化嚴(yán)重。加載至48 mm 循環(huán)階段中，保護(hù)層開始大量脫落。繼續(xù)加載至60 mm 和75 mm 時(shí)，受拉鋼筋拉斷，試件承載力下降至極限荷載的85%，此時(shí)認(rèn)為試件已破壞(如圖4c)，加載停止。在整個(gè)加載過(guò)程中，矩形箍并未出現(xiàn)明顯外鼓，角部區(qū)域約束內(nèi)的混凝土因角鋼的約束為出現(xiàn)掏空現(xiàn)象。

2 .4 設(shè)計(jì)軸壓比1.25 作用下角鋼小方箍區(qū)域約束試件(SLCC)

荷載控制循環(huán)階段，在加載至100 kN 階段加載中，滯回曲線出現(xiàn)明顯的平臺(tái)，此時(shí)受拉區(qū)出現(xiàn)第一條彎曲裂縫。在隨后的加載中，受拉區(qū)裂縫不斷開展并伴隨有新裂縫產(chǎn)生，壓區(qū)混凝土出現(xiàn)輕微壓皺現(xiàn)象。正向加載曲線與正向恢復(fù)曲線的間距變得越來(lái)越大(負(fù)方向卻沒有出現(xiàn)屈服平臺(tái)，分析知可能是縱筋與混凝土發(fā)生粘結(jié)滑移所致)。隨后進(jìn)入位移控制加載，以15 mm 的整數(shù)倍依次加載3個(gè)循環(huán)。在進(jìn)入30 mm 第1 循環(huán)時(shí)，混凝土受拉區(qū)橫向裂縫迅速開展，并出現(xiàn)最大水平力222 kN(正向)，此時(shí)認(rèn)為試件已屈服，并且伴隨著出現(xiàn)受拉區(qū)橫向裂縫貫通。接下來(lái)的位移控制循環(huán)循環(huán)中剛度退化嚴(yán)重。加載至48 mm 循環(huán)階段中，保護(hù)層開始大量脫落。繼續(xù)加載至60 mm 和75 mm時(shí)，受拉鋼筋拉斷，試件承載力下降至極限荷載的85%，此時(shí)認(rèn)為試件已破壞(如圖4d)，加載停止。在整個(gè)加載過(guò)程中，小方箍并未出現(xiàn)明顯外鼓，角部區(qū)域約束內(nèi)的混凝土因角鋼的約束為出現(xiàn)掏空現(xiàn)象。

圖4 試件破壞情況

3 滯回曲線以及耗能能力

3.1 滯回曲線

由試件位移控制階段滯回曲線(圖a - d)可知，所有試件的滯回曲線比較飽滿且均為出現(xiàn)明顯的聚攏現(xiàn)象，其中數(shù)普通矩形箍區(qū)域約束(NRCC)和角鋼矩形箍區(qū)域約束(SRCC)的滯回最為飽滿，且區(qū)域約束試件(NRCC、SRCC、SLCC)較傳統(tǒng)井字箍約束試件(NTCC)有更好的延性。

3.2 耗能能力

由位移控制階段的荷載位移曲線求得滯回面積，得出各階段滯回耗能和總滯回耗能見表3。對(duì)比分析可知區(qū)域約束試件(NRCC、SRCC、SLCC)的滯回耗能遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)井字箍約束配筋(NTCC)，且NTCC -1 的滯回耗能集中在前三個(gè)屈服位移循環(huán)，隨后剛度退化很明顯，耗能能力明顯下降，而區(qū)域約束試件由于其良好的約束使得試件有更多的滯回循環(huán)和耗能。

對(duì)比普通矩形箍區(qū)域約束(NRCC)和角鋼小方箍區(qū)域約束試件(SLCC)滯回耗能可知，雖然角鋼小方箍區(qū)域約束較傳統(tǒng)井字箍耗能能力有很好的提高，但由于邊部四個(gè)區(qū)域約束的小方柱的整體性沒普通矩形箍區(qū)域約束(NRCC)的好，使得其耗能能力沒有矩形箍筋區(qū)域約束試件的高。矩形箍筋區(qū)域約束試件(NRCC、SRCC)的各個(gè)約束區(qū)域又通過(guò)混凝土及約束箍筋相互聯(lián)系，形成區(qū)域約束與整體約束相結(jié)合，充分發(fā)揮約束鋼筋的作用，有效改善了約束混凝土的工作性能。

4 結(jié)論

(1)在高軸壓比1.25 作用下，區(qū)域約束混凝土柱較傳統(tǒng)井字箍約束混凝土柱有更好的抗震性能，其中角鋼代替角部鋼筋的矩形區(qū)域約束混凝土柱(SRCC)的抗震性能最好。

(2)高軸壓比下的較高軸壓力使得截面剛度和剪壓區(qū)面積增大，能有效提高柱的受剪承載力。其中，區(qū)域約束混凝土柱的水平承載力略大于傳統(tǒng)約束柱。

(3)矩形箍筋區(qū)域約束試件由于矩形約束箍筋很好的將幾個(gè)區(qū)域約束有機(jī)的結(jié)合成一個(gè)整體協(xié)同工作，使其較小方箍區(qū)域約束試件有更好的整體性能和抗震性能。

圖5 滯回曲線

表3 滯回總耗能

(4)用角鋼替代角部縱筋使其對(duì)角部區(qū)域約束內(nèi)混凝土有良好的包裹，且均未出現(xiàn)掏空現(xiàn)象，這為以后型鋼區(qū)域約束混凝土柱的抗震性能研究打下良好的基礎(chǔ)。

［1］(GB50011 -2010)建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范［S］北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

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