低溫狀態(tài)下不同軸壓比混凝土短柱的抗震性能試驗研究

郭靳時 王 珂

(吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118)

0 引言

通常把剪跨比λ≤2的柱子定義為短柱,短柱是多層和高層建筑發(fā)展的產(chǎn)物,易發(fā)生脆性剪切破壞,所以關(guān)于混凝土短柱抗震設(shè)計在規(guī)范中都有相關(guān)規(guī)定.低溫狀態(tài)下混凝土的研究,國內(nèi)外學(xué)者也都做過大量研究,但大都集中在混凝土的凍害性能和鋼筋混凝土粘結(jié)強度[1-3].據(jù)此本文對不同軸壓比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)短柱在低溫環(huán)境中受外荷載作用的性能展開研究.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010-2010)》、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011-2010)》[4-5]設(shè)計了2個截面尺寸、配筋完全相同的鋼筋混凝土短柱.柱子截面尺寸:300mm×300mm×950mm；支座截面尺寸:500mm×500mm×1 600mm,柱子采用對稱配筋,共設(shè)置8根縱向受力鋼筋,支座除了縱筋外另配有兩根腰,試件具體參數(shù)和試件配筋圖分別見表1和圖1.

表1 試件具體參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

Note：The low temperature is about 30℃.

圖1 試件配筋圖Fig.1 Specimen of reinforcement schemes

表1中軸壓比為設(shè)計軸壓比,軸壓比μ=N/(fc·A).其中,N為設(shè)計軸力；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；A為截面面積,試驗時采用試驗軸壓比μ′,μ′=μ/1.68[6].

1.2 材料性能

試驗選用的混凝土強度等級為C35，保護層厚度為30mm.混凝土拌合物是由水泥、沙、石、水按照配合比1∶1.14∶2.54∶0.42制成，用150mm×150mm×150mm立方體試塊測得低溫下立方體抗壓強度為40.72MPa,軸心抗壓強度為30.94MPa.

本次試驗短柱的縱向鋼筋采用直徑為16mm的HPB400級鋼筋,箍筋直徑為10mm的HPB300級鋼筋,支座的縱向鋼筋和腰筋均為直徑22mm的HRB400級鋼筋,支座箍筋采用直徑為12mmHPB300級鋼筋.鋼筋的物理學(xué)性能見表2.

表2 鋼筋力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of reinforcement

1.3 加載裝置及測量

為研究抗震性能本試驗采用擬靜力試驗,軸向壓力和水平荷載共同作用.預(yù)加載后,軸向壓力加載到軸壓比,并保持豎向軸力不變,然后按照角位移控制加載,分別在 1 /900,1 /800,1 /700,1 /600,1 /500,1 /400的時候循環(huán)一次.

角位移在1 /350,1 /300,1 /250,1 /200,1 /150,1 /125,1 /100 ,1 /75時，每級反復(fù)荷載循環(huán)兩次,此后改為等位移加載,直至試件荷載下降到峰值荷載的85%以下或喪失承載力.試件通過地錨固定于地面,人工繪制裂縫發(fā)展并由裂縫測寬儀量測縫寬.圖2為-31℃下實驗加載裝置.

圖2 加載裝置Fig.2 Test setup

2 試驗破壞

Z1,Z2最終破壞形式見圖3.為方便描述說明,柱子1,2,3,4面方位見圖1.試驗通過裂縫的出現(xiàn)、明顯加寬、裂縫增長和貫通為觀察點,試驗均以推為正,拉為負(fù).

(1) 豎向荷載加載至630kN,沒有試驗現(xiàn)象. Z1在位移角為1/300,水平推力為21.47kN時出現(xiàn)了第一條裂縫,當(dāng)位移角為1/150,水平推力44kN時出現(xiàn)了貫通裂縫并且出現(xiàn)十字交叉狀,隨著位移增大到20mm,混凝土出現(xiàn)剝落,當(dāng)位移達(dá)到24mm時,水平荷載下降到了最大荷載的72.18%,認(rèn)為試件破壞.

(2) 豎向荷載加載至211kN,沒有試驗現(xiàn)象. Z2在位移角為1/200,水平推力為24.5kN時出現(xiàn)第一條裂縫并伴隨有斜裂縫貫通,當(dāng)水平位移加載到23.95mm時,混凝土出現(xiàn)剝落,位移加載到35mm,最大水平推力下降到了最大荷載的79.4%,認(rèn)為試件破壞.

Z1 Z2圖3 試件的最終破壞形態(tài)Fig.3 Failure patterns of specimens

2個試件的裂縫均首先出現(xiàn)在2,3面,即在低周反復(fù)荷載作用下直接受壓受拉面,1,4面的裂縫一般都由2,3面發(fā)展而來,隨著位移的增大,原有裂縫延伸,新裂縫出現(xiàn),最終形成交叉斜裂縫.由發(fā)展過程可知,軸壓比較低的試件Z2出現(xiàn)裂縫要晚于Z1,從短柱最終的破壞形態(tài)上可以看出,低溫狀態(tài)下的短柱均發(fā)生十字形交叉的剪切破壞,軸壓比越大,其剪切破壞形態(tài)更加的明顯.

3 試驗分析

3.1 滯回曲線

低周反復(fù)試驗中,加卸載一周所得的荷載-位移曲線(P-Δ曲線)稱為滯回曲線.一般情況下,滯回曲線可歸納為四種情況:梭形、弓形、反S形和Z形.試件的滯回曲線見圖4.由滯回曲線可以得知:

(1) 試驗在加載初期基本可以認(rèn)為是彈性階段,力和位移大致呈線性關(guān)系,并且卸載時殘余變形較小,剛度退化不明顯,隨著位移和加載次數(shù)的增加,混凝土開裂,鋼筋屈服,構(gòu)件剛度降低,表明試件剛度在不斷退化.

(2) 滯回曲線都出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象,主要是因為剪切變形斜裂縫張合造成的,此過程會發(fā)生較大的滑移,相對而言,軸壓比較大的試件Z1捏縮現(xiàn)象較Z2更明顯,峰值荷載過后,滯回曲線比較穩(wěn)定,剛度退化較為緩慢.

(a)Z1 (b)Z2圖4 試件的滯回曲線圖Fig.4 Hysteretic loops of specimens

3.2 骨架曲線

骨架曲線是指將各次滯回曲線的峰值點連接后形成的包絡(luò)線.骨架曲線能夠分析構(gòu)件的變形能力和承載能力,試件的骨架圖見圖5.

(1) 在各試件的加載初期,骨架曲線都是呈直線,骨架曲線的初始剛度大,承載力高,但是骨架曲線的下降段大都比較陡峭,這是因為混凝土短柱通常發(fā)生脆性剪切破壞,試件承載力迅速下降導(dǎo)致的.

(2) 隨著軸壓比的增加,骨架曲線對應(yīng)的最大荷載是增大的,其他條件相同,軸壓比為0.3的骨架曲線下降段比軸壓比為0.1的骨架曲線下降段陡峭,這說明軸壓比越大,骨架曲線下降段越陡,試件強度衰減越快,且幅度越大,延性越差.

圖5 骨架曲線Fig.5 Skeleton curves of specimens

圖6 剛度退化曲線Fig.6 Stiffness degradation of specimens

3.3 剛度退化

試件在低周往復(fù)荷載的作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生塑性損傷,隨著塑性損傷的不斷積累,試件的抗變形能力逐漸減弱,即試件產(chǎn)生剛度退化,為描述這種現(xiàn)象,本試驗采用等效剛度K表示,見公式(1).剛度退化曲線見圖6.

(1)

(1) 由圖可以看出剛度退化曲線都是隨著位移的增大而減小,曲線大致分為三個階段,開始時下降階段較為明顯,說明短柱在開裂后剛度退化較快,而之后的曲線相對來說趨于平緩,說明試件的剛度退化較慢而進入彈塑形發(fā)展階段,最后曲線又有一個相對較快的下降段,說明試件在達(dá)到最大承載力后剛度有所下降.

(2) 軸壓比越大,試件的初始剛度越大,并且在試驗初期,軸壓比大的試件剛度退化較慢,隨著試驗的繼續(xù)進行,軸壓比小的反而越平緩,退化速率越慢.

3.4 承載力及延性

表3所示為試驗所得各個試件的位移、荷載和延性系數(shù).延性系數(shù)一般用μ=Δu/Δy來表示.其中,Δu為極限變形,是結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時試件的位移值;Δy是結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服荷載時所對應(yīng)的位移值[6].由幾何作圖法得表3,其中開裂荷載和極限承載力取兩個方向最大荷載的平均值(Cracking load and Ultimate bearing capacity).

表3 試件承載力及延性系數(shù)Table 3 The bearing capacity and ductility coefficient of specimen

(1) 混凝土短柱的延性比都比較低,說明短柱延性差,容易發(fā)生剪切破壞.

(2) 軸壓比越大,混凝土短柱的延性比越小,試件的延性有隨軸壓比增大而降低的趨勢,隨著軸壓比的增大,構(gòu)件的延性系數(shù)降低且降低幅度較大,表現(xiàn)為抗震性能越差.

(3) 軸壓比為0.3的混凝土短柱較之軸壓比為0.1的混凝土短柱,其開裂荷載相對增加了12.37%,極限荷載約下降30.9%.當(dāng)然軸壓比也不是越大越好,實際工程中一定要選擇合理的軸壓比.

3.5 耗能能力

當(dāng)結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段時,其抗震性能主要取決于構(gòu)件的耗能能力.結(jié)構(gòu)吸收能量的能力強弱,可以用滯回曲線所包圍的滯回環(huán)面積及其形狀來衡量.

本文用數(shù)據(jù)處理軟件Origin8.0計算試件滯回環(huán)[7]的累計耗能.當(dāng)位移達(dá)到28mm時,試件Z1的累計耗能為19 743.728 5kN·mm;試件Z2的累計耗能為14 560.266 7kN·mm.試件Z1的耗能能力比Z2提高了約26%,綜合情況來說,軸壓比越低,結(jié)構(gòu)的耗能能力越差.

4 結(jié)論

通過對兩個低溫狀態(tài)下鋼筋混凝土短柱擬靜力試驗,對試驗現(xiàn)象和結(jié)果綜合分析,得出以下結(jié)論:

(1) 鋼筋混凝土短柱的破壞形態(tài)為脆性剪切破壞,成十字交叉狀,軸壓比越大,破壞形態(tài)越明顯.

(2) 低溫環(huán)境對試件的抗震性能有顯著的影響,低溫環(huán)境下,試件更容易發(fā)生剪切破壞,混凝土容易出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,極限承載力明顯下降,耗能能力也比較差.

(3) 隨著軸壓比的增加,混凝土短柱的極限承載力和剛度增加,裂縫發(fā)展有所減緩,延性能力及開裂荷載是有下降趨勢,所以工程中要控制合理的軸壓比.

[1] 王玨.施工期受凍混凝土與鋼筋的力學(xué)性能研究[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

[2] 劉麗霞.早期受凍對鋼筋混凝土構(gòu)件性能影響的試驗研究[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

[3] 高松,程力,王天佑.寒冷地區(qū)負(fù)溫混凝土早期強度發(fā)展的試驗研究[J].新型建筑材料,2007(9):85-87.

[4] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010-2010)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

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

[6] 錢小龍.鋼筋混凝土短柱低溫狀態(tài)下抗震性能的試驗研究[D].長春:吉林建筑大學(xué),2016.

[7] 劉良林,王全鳳,沈章春.基于損傷的累積滯回耗能與延性系數(shù)[J].地震,2008,28(4):13-49.