重復(fù)荷載作用下箍筋約束混凝土T形柱性能

王曉偉， 李政儒

(河北工業(yè)大學(xué) a. 土木與交通學(xué)院； b. 河北省土木工程技術(shù)研究中心， 天津 300401)

T形截面柱作為異形柱的一種，柱肢與墻同厚，具有室內(nèi)不露柱楞、美觀實用、有效提高房屋空間利用率等優(yōu)點，應(yīng)用前景良好。但T形柱因截面形狀不規(guī)則，力學(xué)性能較傳統(tǒng)矩形柱有很大差異，變形能力差且易發(fā)生脆性破壞，通過配置適量箍筋可對T形柱核心混凝土進行有效約束，改善其受力性能。

1903年Consider首次提出利用螺旋箍筋約束混凝土并進行研究，之后的100多年里國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量研究，提出了許多經(jīng)典模型[1～7]，認為影響箍筋對核心混凝土約束效果的主要因素為箍筋間距、箍筋強度、配箍形式和配箍特征值，但上述研究主要集中在配置普通箍筋、螺旋箍筋和復(fù)合箍筋的矩形、圓形截面構(gòu)件。目前國內(nèi)外關(guān)于T形柱的大部分研究主要集中在承載力、節(jié)點及抗震性能等方面[8～10]。文獻[11～13]通過單調(diào)軸心受壓試驗研究了箍筋約束混凝土T形柱約束混凝土的強度、變形與配箍特征值的關(guān)系，但目前尚未見軸心受壓重復(fù)荷載作用下箍筋約束混凝土T形柱受力性能的研究。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件在實際使用期間可能會承受荷載隨機或有規(guī)律地多次重復(fù)加卸作用，因此本文通過箍筋約束混凝土T形柱軸心受壓重復(fù)荷載試驗研究T形柱的受力性能，分析試件的破壞過程及特征，研究不同配箍對試件的荷載-位移滯回曲線、骨架曲線、剛度退化及延性的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

圖1 試件設(shè)計尺寸及配筋/mm

1.2 材料性能

參考GB/T228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》[14]，測得縱筋屈服強度為380.0MPa，極限強度為544.2MPa，彈性模量為2.16×105MPa；箍筋屈服強度為460.0MPa，極限強度為656.3MPa，彈性模量為2.10×105MPa。

混凝土原材料采用42.5級普通硅酸鹽水泥、優(yōu)質(zhì)河砂、細石(粒徑5～10mm)、高效減水劑(減水率≥15%)。參照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[15]，設(shè)計配合比為水泥∶砂∶碎石∶水∶減水劑=390∶880∶950∶180∶2(kg)。每個試件均預(yù)留150mm×150mm×150mm的立方體試塊和150mm×150mm×300mm的棱柱體試塊，測得各試件的混凝土立方體抗壓強度fcu、混凝土軸心抗壓強度fc如表1所示。根據(jù)實測結(jié)果計算的各試件配箍特征值λv(λv=ρv×fyv/fc，fyv為箍筋屈服強度)如表1所示。

表1 試件實測參數(shù)

1.3 測點布置

鋼筋應(yīng)變片布置如圖2所示。澆筑試件前，在縱筋中部預(yù)埋應(yīng)變片6片，位置如圖2a所示；在中間三層箍筋上共預(yù)埋應(yīng)變片18片，其中第一、三層應(yīng)變片位置如圖2b所示，第二層應(yīng)變片位置如圖2c所示。在試件中部對稱布置2組共4個YWD-100型位移計測量其橫向變形，布置如圖3a所示；在試件中部布置2個YWD-100型位移計測量其縱向變形，測量標距為240mm，布置如圖3b所示。試件的橫向變形取兩組橫向位移計測量結(jié)果的平均值，縱向變形取兩個豎向位移計的平均值。

圖2 鋼筋應(yīng)變片布置

圖3 位移計布置/mm

1.4 加載裝置及加載制度

試驗在河北工業(yè)大學(xué)土木工程實驗中心的5000kN電液伺服壓力試驗機上進行。加載裝置示意圖如圖4所示，加載前對試件進行調(diào)平對中，保證軸心受壓。全程采用位移加載，加載過程中上壓板保持靜止，下壓板隨千斤頂?shù)纳仙龑υ嚰┘虞S向荷載。T1～T5采用等應(yīng)變增量的重復(fù)完全加卸載，每次加載至預(yù)定應(yīng)變值后全部卸載至應(yīng)力為零，再加載至包絡(luò)線，預(yù)定應(yīng)變值按等應(yīng)變增量(Δε=1×10-3)控制；T6采用單調(diào)軸心受壓加載方式。

圖4 加載裝置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗過程及破壞特征

重復(fù)荷載作用下試件骨架曲線、試件橫向應(yīng)變、縱筋應(yīng)力-應(yīng)變包絡(luò)線以及箍筋應(yīng)力-應(yīng)變包絡(luò)線示意圖如圖5所示。結(jié)合圖5分析重復(fù)荷載作用下試件破壞過程如下：

圖5 重復(fù)荷載作用下試件的骨架曲線、橫向應(yīng)變、縱筋及箍筋的應(yīng)力-應(yīng)變包絡(luò)線

(3)隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，試件橫向應(yīng)變急劇增長，達到7000×10-6～8000×10-6時，核心混凝土膨脹導(dǎo)致箍筋屈曲、外鼓。對配箍特征值較小的試件，相鄰裂縫延伸并連接，之后縫間混凝土被壓碎，形成斜向破壞面；對配箍特征值較大的試件，原有縱向裂縫擴展、延伸，之后縫間混凝土被壓碎，形成縱向壓碎破壞面。試件破壞形態(tài)如圖6及表2所示：試件T1，T2，T3發(fā)生斜向破壞，破壞面與水平面的夾角為65°～75°，試件T4，T5發(fā)生縱向壓碎破壞。

圖6 試件破壞形態(tài)

結(jié)合圖5分析重復(fù)荷載作用下縱筋與箍筋的應(yīng)變發(fā)展過程如下：

表2 試驗結(jié)果

注：表中，Δc為峰值荷載即試件最大承載力對應(yīng)的變形；Δ50為試件承載力下降至最大承載力的50%時對應(yīng)的變形；μ50為延性系數(shù)，μ50=Δ50/Δc

2.2 荷載-位移滯回曲線及骨架曲線

各試件荷載-位移滯回曲線及骨架曲線試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7a～7e各試件滯回曲線可知：軸心受壓重復(fù)荷載作用下，各試件在達到峰值荷載前的各個循環(huán)均存在較大的可恢復(fù)變形，殘余變形較??；隨著配箍特征值的增大，達到峰值荷載所需循環(huán)次數(shù)增加；峰值以后各循環(huán)的殘余變形增大且殘余變形增長速度隨配箍特征值的增大而減緩。

分析圖7a～7e各試件的骨架曲線可知骨架曲線大致分為四個階段：(1)加載初期，試件荷載快速增長，變形增長相對緩慢。(2)繼續(xù)加載至約峰值荷載的70%，荷載增速減緩。配箍特征值較小的試件(T1、T2)，骨架曲線達到峰值前，斜率沒有明顯減??；配箍特征值較大的試件(T3～T5)，骨架曲線的斜率逐漸減小，曲線彎曲，隨后到達峰值，到達峰值前試件變形增長較快，荷載增速減緩。(3)峰值過后進入下降段，下降段初期荷載下降較快，變形緩慢增加。當荷載下降至峰值荷載的80%左右時，荷載下降減緩，變形增長加快，骨架曲線出現(xiàn)反彎點。(4)之后骨架曲線逐漸趨于平緩，保護層大面積剝落，縱筋壓曲，荷載緩慢下降。

由圖7f，7g對比分析可知：(1)當混凝土軸心抗壓強度相同時，隨著配箍特征值的增大，試件的峰值荷載、峰值變形增大，骨架曲線下降段越來越平緩。(2)試件T4，T6的箍筋間距相同，配箍特征值相近，加載方式不同。試件T4的骨架曲線與試件T6的荷載-位移曲線的變化趨勢基本一致，峰值荷載相近，曲線下降段均較為平緩，不同加載方式下試件的受力性能接近。

圖7 滯回曲線及骨架曲線

2.3 試件的剛度退化

從達到峰值荷載的循環(huán)開始計算，試件剛度K=Pi/Δi，其中Pi為第i次循環(huán)的峰值荷載；Δi為第i次循環(huán)的峰值位移[16]。試件的剛度退化曲線如圖8所示。由圖8可以看出各試件剛度退化趨勢基本一致：荷載下降初期，各試件的剛度退化曲線基本呈直線；繼續(xù)加載至試件骨架曲線的反彎點時，試件的剛度退化曲線彎曲，剛度下降速度減緩；繼續(xù)加載，試件保護層大面積剝落、喪失承載力，縱筋壓曲，荷載下降緩慢，剛度退化曲線趨于平緩。至試件的骨架曲線反彎點時，試件T4，T5的剛度退化較T1～T3減緩了約20%，結(jié)合表1分析可知，適當增大試件的配箍特征值可以有效地延緩試件的剛度退化。

圖8 剛度退化曲線

2.4 試件的延性

本文采用延性系數(shù)來表征試件后期即峰值荷載后的變形能力，并研究配箍特征值對其的影響，定義延性系數(shù)為μ50=Δ50/Δc。各試件的延性系數(shù)試驗結(jié)果如表2所示，軸心受壓重復(fù)荷載作用下試件的延性系數(shù)與配箍特征值的關(guān)系如圖9所示。由試驗結(jié)果可知，配箍特征值越大，試件骨架曲線下降段越平緩，延性系數(shù)越大。

通過對試驗數(shù)據(jù)回歸分析，得到延性系數(shù)與配箍特征值的關(guān)系為：

(1)

式(1)的系數(shù)Adj.R2=0.9731，均方根誤差Re=0.0113。由圖9可以看出，式(1)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，可以用于重復(fù)荷載作用下箍筋約束混凝土T形柱延性系數(shù)的計算。

圖9 試件延性系數(shù)與配箍特征值的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文對軸心受壓重復(fù)荷載作用下箍筋約束混凝土T形柱進行了試驗研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)軸心受壓重復(fù)荷載作用下箍筋約束混凝土T形柱的破壞過程與單調(diào)軸心受壓荷載作用下相似，配箍特征值較小的試件(λv=0.0872～0.2111)易發(fā)生斜向破壞，破壞面與水平面的夾角為65°～75°；配箍特征值較大的試件(λv=0.2304～0.2618)易發(fā)生縱向壓碎破壞。

(2)各試件滯回曲線達到峰值荷載所需循環(huán)次數(shù)隨著配箍特征值的增大而增加，峰值后各循環(huán)的殘余變形增大且增長速度隨配箍特征值的增大而減緩。當混凝土軸心抗壓強度相同時，試件峰值荷載、峰值變形隨著配箍特征值的增大而增大，兩種不同加載方式下試件的受力性能接近。

(3)配箍特征值越大，骨架曲線下降段越平緩，隨著配箍特征值的增大，試件的剛度退化得到有效延緩，試件的延性越好。本文建立了延性系數(shù)計算公式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，可用于軸心受壓重復(fù)荷載作用下箍筋約束混凝土T形柱延性系數(shù)的計算。

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