不同約束系數(shù)區(qū)域約束混凝土柱抗震性能對比分析＊

常 亞，曹新明* ，邵建力，蔣亞星，姚志剛，彭 景

(1.貴州大學 空間結構研究中心，貴州 貴陽550003;2.貴州建工集團第四建筑工程有限責任公司，貴州 貴陽550004;3.貴州工程應用技術學院，貴州 畢節(jié)551700)

在高層及超高層建筑中，常在建筑下部樓層框架柱中產生很大的軸向壓力，［1］一般采用較大軸壓比的柱子能有效降低構件截面，節(jié)約房屋使用空間及降低造價，然而柱子在較大的軸向壓力下，受到往復作用的水平力時常發(fā)生脆性破壞現(xiàn)象，我國《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011 -2010)［2］對不同結構類型和抗震等級柱的軸壓比作了嚴格限制，以防止脆性破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

研究表明，柱子采用區(qū)域約束截面形式可以使用較大軸壓比［3］(約1.2)，區(qū)域約束混凝土有效的約束形式能夠提高構件極限壓應力及極限壓應變，相對傳統(tǒng)約束混凝土柱而言，區(qū)域約束混凝土約束核心區(qū)從截面中部向截面四個角轉移，即使是小偏心受壓情況下，也能保證構件是延性破壞［4］。保證區(qū)域約束混凝土構件延性破壞的主要因素是其有效的約束形式能夠大幅提高構件的變形能力，其約束的強弱可通過約束系數(shù)K［5］衡量，K 值同時考慮了縱筋、橫向箍筋及混凝土對混凝土強度提高的貢獻。區(qū)域約束混凝土把約束的概念從傳統(tǒng)只考慮橫向箍筋貢獻的平面約束轉變?yōu)橥瑫r考慮縱筋、橫向箍筋的空間約束，并認為縱筋、箍筋及混凝土組成了三位一體、不可分割的約束體?；炷撂岣吆髲姸劝词?1)～(2)計算。

式中，ρs為縱筋配筋率，ρv為箍筋體積配箍率，fy為縱筋屈服強度，fyv為箍筋屈服強度，fc為混凝土抗壓強度，K 為約束系數(shù)，fcc為區(qū)域約束混凝土約束后強度。

根據(jù)區(qū)域約束混凝土本構關系［6］，可知約束系數(shù)K 的增大能顯著提高區(qū)域約束混凝土的強度，其變形能力相應增加，即約束系數(shù)K 對其抗震性能的改善有著密切關系。

本文對軸壓比為1.1 和1.25 的共4 根約束混凝土柱的各項抗震性能指標進行對比分析，其中包括具有不同約束系數(shù)K 的區(qū)域約束混凝土NRCC組試件及用于對比分析的傳統(tǒng)井字箍筋NTCC 組試件。本文主要分析區(qū)域約束混凝結構中約束系數(shù)K 對區(qū)域約束混凝土柱抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 構件信息

試件分兩組共4 個試件，兩種箍筋形式，分別為:普通井字箍(NTCC)和區(qū)域約束矩形箍(NRCC)?？v筋采用直徑分別為10 mm 和12 mm的HRB400 級鋼筋，箍筋采用直徑為6.5 mm 的HRB400 級鋼筋，箍筋間距為50 mm，采用閃光對焊。為了防止構件局部壓壞，在構件兩端設置250 mm×250 mm×25 mm 鋼板，并在構件距兩端200 mm 處加密箍筋，間距為40 mm。構件尺寸及配筋見圖1，鋼筋各項力學性能實測值見表1，試件分組及編號見表2。

圖1 構件截面尺寸及配筋(圖中尺寸以mm 計)

表1 鋼筋力學性能

表2 試件分組及編號

1.2 加載制度

首先按設計軸壓比對試件施加軸向壓力，然后采用荷載—位移混合加載方式對試件施加水平力。具體為先以20 kN 為級差遞增逐級施回水平力，直至構件屈服，構件屈服后以屈服時位移為級差逐級施加水平位移，每個級差水平位移循環(huán)三次，直至構件完全破壞，加載原理及加載制度如圖2 所示。

圖2 加載原理及加載制度

2 試驗現(xiàn)象

2.1 設計軸壓比1.1 試件

軸壓比為1.1 的NTCC-1、NRCC-1 構件在加載過程中，水平力在80 kN 之前各構件加卸載曲線幾乎重合，構件處于彈性階段，兩個試件均在80 kN到100 kN 的水平力加載階段開裂，在柱中部截面擴大處與上下柱身交界處出現(xiàn)受拉彎曲裂縫。同時各構件鋼筋出現(xiàn)不同程度的粘結滑移現(xiàn)象，以縱筋應變?yōu)?.002 作為鋼筋屈服標志，繼續(xù)逐級施加水平力，兩個構件均在水平位移約為16 mm 時縱筋屈服，進而轉入位移控制加載。

在位移控制加載階段，在往2Δ(Δ 為屈服位移，下同)加載階段，各試件裂縫寬度隨加載次數(shù)不斷增多而增寬，各試件的最大水平力均出現(xiàn)在該階段，NTCC-1 在水平位移21.6 mm 時出現(xiàn)最大水平力231.3 kN，NRCC-1 在水平位移26.2 mm 時出現(xiàn)最大水平力231.8 kN。在往3Δ 加載階段試件保護層開始大量脫落，試件中部擴大部分與柱身交界處出現(xiàn)X 形交叉裂縫，構件剛度下降嚴重，在隨后4Δ 加載階段，NTCC-1 破壞，5Δ 加載階段，NRCC-1 破壞(如圖3(1)、(2)所示)。

2.2 設計軸壓比1.25 試件

軸壓比為1.25 的NTCC-2、NRCC-2 構件在加載過程中，NTCC-2、NRCC-2 分別在120kN 到140 kN與80 kN 到100 kN 力控制加載過程中于受拉區(qū)出現(xiàn)第一條受拉裂縫，與NTCC-1 及NRCC-1 不同的是NTCC-2 與NRCC-2 中鋼筋粘結滑移現(xiàn)象不明顯。同樣以縱筋應變0.002 作為屈服標志，各構件屈服位移均在15 mm 左右，進而轉入位移控制加載階段。

位移控制加載階段中，同樣在往2Δ 加載時，各試件裂縫增多增寬，NTCC-2 到水平位移20.8 mm 時出現(xiàn)最大水平力217.9 kN，NRCC-2 在水平位移26.7 mm 時出現(xiàn)最大水平力226.1 kN。在往3Δ加載時，試件剛度下降嚴重，保護層開始大量脫落，試件中部擴大部分與柱身交界處出現(xiàn)X 形交叉裂縫。在隨后4Δ 加載階段，NTCC-2 破壞，5Δ 加載階段，NRCC-2 破壞(如圖3(3)、(4)所示)。

圖3 各構件破壞情況

3 試驗結果

3.1 滯回曲線

各試件的滯回曲線如圖4 所示，從圖中可以看出各組試件滯回曲線沒有明顯捏攏現(xiàn)象，說明抗震性能良好。對比軸壓比為1.1 與1.25 試件滯回曲線，可以看出NTCC 組試件在軸壓比1.25 時的滯回環(huán)向位移軸偏離較快，且滯回環(huán)循環(huán)次數(shù)減少，說明其耗能能力下降較快。而NRCC 組試件在軸壓比從1.1 到1.25 時，滯回曲線有趨于飽滿的趨勢。說明對于區(qū)域約束混凝土柱，由于約束系數(shù)K值的提高，即便軸壓比有所增大，區(qū)域約束混凝土柱的滯回性能亦有變好趨勢。

3.2 耗能能力

結構構件的耗能能力，可用滯回曲線所包圍的面積的大小衡量［7］，各試件滯回耗能如表3，為了對比各試件耗能能力，圖5 給出了各試件滯回耗能柱狀對比圖。

對比NTCC、NRCC 組試件可以發(fā)現(xiàn)，NTCC 組試件軸壓比從1.1 到1.25 時，構件總滯回耗能顯著降低，尤其4Δ 時滯回耗能減小幅度較大，總滯回耗能降低幅度為23.4%。NRCC 組試件隨軸壓比提高其總滯回耗能相應增大，總滯回耗能提高幅度為8.9%，可見對于區(qū)域約束混凝土柱，在提高軸壓比的同時，約束系數(shù)K 值從0.587 升高到0.703 可以有效提高構件耗能能力。

對比軸壓比1.1、1.25 組試件可以發(fā)現(xiàn)，NRCC 組試件的耗能能力均優(yōu)于NTCC 組試件，且在軸壓比升高至1.25 時，NTCC-2 的滯回耗能降到77.563 kJ，而NRCC-2 的耗能能力不降反升高至119.903 kJ。

3.3 剛度退化

圖4 試件滯回曲線

表3 試件滯回耗能

圖5 試件滯回耗能柱狀圖

結構構件在往復荷載作用下，構件的剛度會隨往復次數(shù)的增多而逐漸減小，一般用環(huán)線剛度［8］表征結構構件剛度退化情況，環(huán)線剛度Ki=，為每個循環(huán)正、負向水平力絕對值平均值除以水平位移絕對值平均值。利用構件環(huán)線剛度Ki除以構件初始剛度K1即可得到構件相對剛度，可以利用相對剛度表征構件剛度退化情況。Ki取2Δ 及其后各級位移第一循環(huán)的環(huán)線剛度，K1取1Δ 第一循環(huán)的環(huán)線剛度，得到構件前4Δ相對剛度變化情況(如圖6)。

圖6 試件相對剛度變化情況

由NTCC、NRCC 組的相對剛度曲線變化情況可以看出，隨軸壓比的增大，NTCC 的剛度退化較快，圖上表現(xiàn)為NTCC-2 圖形位于NTCC-1 圖形下側。NRCC-2 圖形始終位于NRCC-1 圖形上側，說明隨軸壓比提高，NRCC-2 剛度退化反而較慢，可見對區(qū)域約束混凝土柱，約束系數(shù)K 的提高對構件剛度退化有明顯改善。

對比設計軸壓比1.1 與1.25 的兩組試件，可以發(fā)現(xiàn)，NRCC 組試件的相對剛度曲線均處在NTCC 之上，尤以軸壓比1.25 時更為明顯，說明區(qū)域約束混凝土柱約束形式的改變能有效改善其剛度退化情況。

4 結論

1)同一軸壓比下，區(qū)域約束混凝土柱的滯回曲線、耗能情況及剛度退化均優(yōu)于傳統(tǒng)井字箍筋柱，說明約束形式的改變能有效提高構件抗震性能。

2)本試驗中，在兩個區(qū)域約束混凝土柱(NRCC-1 及NRCC-2)的軸壓比增大的同時增大約束系數(shù)K，構件的滯回曲線、耗能能力、剛度退化情況明顯改善，可以推論同一軸壓比下，約束系數(shù)的增大可以有效改善構件抗震性能。

3)從試驗結果可知，一定軸壓比下，在區(qū)域約束混凝土結構中引入約束系數(shù)K 作為衡量結構抗震性能的一個參考指標有一定合理性。

4)本次試驗試件數(shù)量較少，未能定量給出構件約束系數(shù)與各項抗震指標之間的關系，還需進一步深入研究。

［1］劉程鵬，王曉斌，姚常偉. 貴陽市白云區(qū)德成官邸項目超限高層主體結構設計［J］. 貴州師范大學學報:自然科學版，2014，32(4):110 -114.

［2］GB50011 -2010《建筑抗震設計規(guī)范》［S］北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］曹新明，莫志剛，任廷堅，等.超高軸壓比區(qū)域約束混凝土柱抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2012，33(10):102 -109.

［4］曹新明，趙林.區(qū)域約束混凝土短柱正截面承載力分析［J］.貴州工業(yè)大學學報:自然科學版，2008，37(4):51 -54.

［5］潘金和，復合槽鋼區(qū)域約束混凝土柱在往復荷載作用下的性能研究［D］.貴陽:貴州大學碩士研究生論文，2014:16 -17.

［6］曹新明，肖長安，肖建春，楊力列.區(qū)域約束混凝土淺析［J］.工程抗震與加固改造，2008，30(5):112 -115.

［7］趙國藩.高等鋼筋混凝土結構學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2015:403.

［8］龐新賓，區(qū)域約束混凝土柱往復荷載作用下軸壓比限值研究［D］.貴陽:貴州大學碩士研究生論文，2011:45 -46.