配置高延性不銹鋼鋼筋混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究

趙 勇，張 琛，王曉鋒

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京100088）

混凝土結(jié)構(gòu)中的普通鋼筋銹蝕已成為土木工程的重大安全隱患，它會(huì)降低鋼筋承載力以及與混凝土之間的黏結(jié)力，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效［1］。而傳統(tǒng)的鋼筋銹蝕防治方法均是基于普通鋼筋外圍入手，不能從根本上阻滯鋼筋腐蝕進(jìn)程［2］。不銹鋼鋼筋由于在軋制時(shí)加入了鎳、鉻等合金元素，可以有效抵御有害離子的影響，避免鋼筋在酸堿鹽等復(fù)雜環(huán)境下的銹蝕，因此可在海洋建筑、跨海大橋等對(duì)耐久性要求較高的工程中推廣應(yīng)用［3］。目前，國內(nèi)外對(duì)不銹鋼鋼筋應(yīng)用的研究主要集中在鋼筋自身的物理力學(xué)性能、耐腐蝕性能以及混凝土構(gòu)件的受彎、偏壓等靜力性能等方面［4-8］，對(duì)構(gòu)件的抗震性能也有一些研究。其中，文獻(xiàn)［9-10］分別進(jìn)行了配置不銹鋼鋼筋的混凝土梁、柱的抗震性能試驗(yàn)研究，其結(jié)果表明：不銹鋼鋼筋與混凝土共同工作的性能良好，且不銹鋼鋼筋試件的位移延性和耗能能力均好于普通鋼筋試件。但值得注意的是，文獻(xiàn)［9-10］試驗(yàn)中所采用的鋼筋為法國產(chǎn)不銹鋼鋼筋，其彈性模量可達(dá)190GPa以上，且在最大力下的總伸長率約為17%。而目前國產(chǎn)的高強(qiáng)不銹鋼鋼筋則具有“高延性、低彈性模量”的特點(diǎn)，其彈性模量僅為140GPa左右，但在最大力下的總伸長率卻可達(dá)20%以上［3，7-8］。另一方面，文獻(xiàn)［11］指出，配置HRB500級(jí)縱筋柱的屈服位移和極限位移均比配置HRB335級(jí)縱筋柱的大，但位移延性系數(shù)卻偏小。由此可推測(cè)，對(duì)配置國產(chǎn)500MPa級(jí)不銹鋼鋼筋的構(gòu)件，其屈服位移將會(huì)更大，從而可能會(huì)降低其位移延性和耗能能力等抗震性能。然而，目前尚缺少相關(guān)抗震性能的試驗(yàn)研究報(bào)道。因此，為在有抗震設(shè)防要求和對(duì)耐久性有較高要求的結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用不銹鋼鋼筋，有必要對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件開展抗震性能試驗(yàn)與理論研究。本文擬對(duì)配置不銹鋼鋼筋的混凝土柱進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，以研究其抗震性能和承載能力，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂和工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了6個(gè)不銹鋼鋼筋混凝土柱試件（簡稱不銹鋼試件）和2個(gè)普通鋼筋混凝土柱試件（簡稱普通試件），考慮了軸壓比、縱筋配筋率等參數(shù)的影響。試件的主要參數(shù)見表1，其中n為試驗(yàn)軸壓比，fcu為與試件同條件養(yǎng)護(hù)試塊的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，cs為縱筋的混凝土保護(hù)層厚度。確定試驗(yàn)軸壓力時(shí)，取混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fc為0.76fcu。試件的幾何尺寸和配筋如圖1所示。試件的截面尺寸均為400mm×400mm，高為1 600mm，加載點(diǎn)到基礎(chǔ)頂面的距離為1 400mm。試件SKC-1-6的縱筋和箍筋均為500MPa級(jí)不銹鋼鋼筋，而試件DBC-1-2的縱筋和箍筋則為HRB500E鋼筋?？v筋兩端采用錨固板錨固，并通過配置附加架立筋②以控制箍筋肢距，使其滿足規(guī)范GB 50 010—2 010［12］的要求。

表1 試件主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of specimens

圖1 試件的幾何尺寸及配筋（單位：mm）Fig.1 Dimensions and reinforcement details of specimens(unit:mm)

表2 鋼筋力學(xué)性能參數(shù)實(shí)測(cè)值Tab.2 Measured values of mechanical properties of reinforcements

圖2 鋼筋應(yīng)力-延伸率實(shí)測(cè)曲線Fig.2 Measured stress--elongation curves of reinforcements

鋼筋的實(shí)測(cè)力學(xué)性能參數(shù)見表2，部分鋼筋應(yīng)力—延伸率實(shí)測(cè)曲線見圖2，其中fy和fb分別為鋼筋的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，Es為彈性模量，δ為在最大力下的總伸長率，e為伸長率。由表2和圖2可知，試驗(yàn)所用的不銹鋼鋼筋具有無明顯屈服點(diǎn)、延性大、彈性模量小等特點(diǎn)，其中，彈性模量平均為139GPa，僅為普通鋼筋的0.67；而在最大力下的伸長率平均為20.5%，是普通鋼筋的1.65倍。

1.2 加載方案

試驗(yàn)采用懸臂式加載，如圖3所示。首先采用3MN豎向作動(dòng)器對(duì)試件柱頂施加豎向預(yù)定軸力并保持恒定，然后采用2MN水平作動(dòng)器對(duì)試件施加水平低周反復(fù)荷載。加載過程中豎向作動(dòng)器可以與水平作動(dòng)器聯(lián)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)水平跟動(dòng)。水平加載采用荷載—位移混合控制，即首先采用荷載控制加載，首次加載直接加載到±0.30Pu，c（Pu，c為極限承載力計(jì)算值），循環(huán)2次后，以±0.15Pu，c為加載步距，每級(jí)加載循環(huán)2次，直至水平力達(dá)到0.75Pu，c；之后，改用位移加載，每級(jí)位移增量為5mm，每級(jí)加載循環(huán)2次，直至試件的承載力下降至±0.85Pu（Pu為極限承載力試驗(yàn)值，也稱峰值荷載）以下后，停止加載。

圖3 試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）Fig.3 Test setup and layout of tested points(unit:mm)

1.3 測(cè)量方案

位移計(jì)和鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見圖3。其中，在加載點(diǎn)和基礎(chǔ)頂部各布置1個(gè)位移計(jì)F1和F2，以測(cè)量柱頂相對(duì)基礎(chǔ)頂面的水平位移Δ；在距離柱底130mm處左右兩側(cè)分別布置1個(gè)縱筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)L1和L2；沿柱底向上的前四道箍筋，每道箍筋中部布置1個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)C1—C4。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

加載至0.40Pu左右時(shí)，n=0.20試件的東、西側(cè)面在距柱根部200mm左右出現(xiàn)水平貫通裂縫；加載至0.55Pu左右時(shí)，n=0.45試件也出現(xiàn)水平貫通裂縫。加載至0.75Pu左右時(shí)，各試件南、北面出現(xiàn)斜裂縫，并自上而下向中和軸延伸。

加載至Pu時(shí)，不銹鋼試件的裂縫開展形態(tài)與普通試件相近，其中，南、北面在距柱根部700mm范圍內(nèi)斜裂縫數(shù)量增多并進(jìn)一步發(fā)展，東、西側(cè)面的裂縫寬度變大；n=0.45試件的各面在距柱根部150mm范圍內(nèi)角部混凝土壓碎，而n=0.20試件僅在柱根部有少量混凝土壓碎。

荷載下降至0.85Pu時(shí)，試件破壞［13］。各試件南面的破壞形態(tài)如圖4所示。不銹鋼試件和普通試件破壞形態(tài)相近，各試件根部混凝土均有一定范圍的剝落，但不同軸壓比下，破壞形態(tài)有所區(qū)別。其中，n=0.45試件破壞較突然，在距柱根部四周300mm范圍內(nèi)混凝土保護(hù)層剝落；而n=0.20試件僅在東、西側(cè)面距柱根部200mm范圍內(nèi)混凝土保護(hù)層剝落；配筋率較高試件的柱根部混凝土壓碎范圍比配筋率較低試件的更大，且斜裂縫數(shù)量更多、分布區(qū)域更大。

2.2 滯回曲線與耗能

各試件的荷載—位移滯回曲線如圖5所示。采用每級(jí)循環(huán)位移下第一次循環(huán)的等效黏滯阻尼系數(shù)he作為耗能指標(biāo)［13］。試件在屈服、峰值和破壞三個(gè)特征點(diǎn)下的he見表3。由圖5和表3可知：

（1）達(dá)到屈服荷載前，各試件的滯回曲線形狀細(xì)長狹窄，殘余變形較小，曲線包圍的面積小，耗能較少；當(dāng)試件屈服后，滯回曲線開始偏向位移軸，曲線包圍的面積增加，耗能增加。

（2）由于不銹鋼鋼筋彈性模量小、延性大，所以不銹鋼試件的彈塑性變形大，耗能能力良好，且試驗(yàn)過程中不銹鋼試件均未出現(xiàn)鋼筋—混凝土黏結(jié)失效、滑移等現(xiàn)象，所以不銹鋼試件的滯回曲線均呈較飽滿的梭形，未見明顯捏攏。

（3）對(duì)比試件DBC-1和SKC-1、試件DBC-2和SKC-5可知，兩種試件的滯回曲線相似，但普通試件的滯回曲線略有捏攏，且不銹鋼試件在屈服、峰值和破壞時(shí)的he分別比普通試件的大32%、31%和3%，說明不銹鋼試件的耗能能力較好。

（4）不銹鋼試件的滯回曲線和耗能能力反映的規(guī)律與普通試件相似，即軸壓比越小、縱筋配筋率越高，試件的滯回曲線就越飽滿，耗能能力越好。

圖4 試件南面的破壞形態(tài)Fig.4 Failure patterns of specimens on the south side

圖5 各試件的荷載-位移滯回曲線Fig.5 Load-displacement hysteretic loops of specimens

表3 各特征點(diǎn)的等效黏滯阻尼系數(shù)Tab.3 The equivalent viscous damping coefficients of characteristic points

2.3 骨架曲線

各試件的荷載—位移骨架曲線如圖6所示。采用Park法確定試件的屈服荷載Py和位移Δy，取骨架曲線上荷載下降至0.85Pu時(shí)的荷載為破壞荷載，相應(yīng)的位移即為極限位移Δm［13］。各試件在屈服、峰值和破壞時(shí)荷載和位移的試驗(yàn)結(jié)果見表4。由圖6和表4可知：

（1）對(duì)比試件SKC-1和DBC-1、試件SKC-5和DBC-2可知，加載至約0.55Pu之前，不銹鋼試件和普通試件骨架曲線基本重合；之后，由于不銹鋼鋼筋彈性模量小、變形大，導(dǎo)致不銹鋼試件剛度退化較快，在各特征點(diǎn)的剛度均比普通試件小。

（2）在不同軸壓比和縱筋配筋率條件下，不銹鋼試件的骨架曲線和剛度退化規(guī)律與普通試件一致，即軸壓比越小、縱筋配筋率越高，試件的剛度退化越慢，變形能力越好。

圖6 各試件的荷載-位移骨架曲線Fig.6 Load-displacement skeleton curves of specimens

表4 試件各特征點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results of specimens at characteristic points

2.4 試件剛度機(jī)理分析

根據(jù)平截面假定，各試件在屈服和破壞時(shí)的截面應(yīng)變、應(yīng)力情況［14］如圖7，其中φy、φm分別為試件屈服和破壞時(shí)的截面曲率。

式中：εc、εcm分別為試件屈服和破壞時(shí)的混凝土壓應(yīng)變；εy、εs分別為試件屈服和破壞時(shí)的縱筋拉應(yīng)變；B為試件剛度；φ為試件截面曲率。

由于不銹鋼鋼筋的彈性模量較小，不銹鋼試件在屈服和破壞時(shí)的縱筋應(yīng)變均大于普通試件，所以在屈服和破壞時(shí)的截面曲率均大于普通試件，即不銹鋼試件的剛度小于普通試件。

圖7 柱截面應(yīng)變-應(yīng)力圖Fig.7 Strain-stress diagram of column section

2.5 位移延性和變形性能

各試件的位移延性系數(shù)和極限位移角的計(jì)算結(jié)果如表4，其中Δu為峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移；θm為極限位移角，取為θm=Δm/l（l為加載中心線到基礎(chǔ)頂面的距離）；μ為位移延性系數(shù)，取為μ=Δm/Δy。由表4可知：

（1）試件SKC-1、SKC-5的屈服位移分別比試件DBC-1、DBC-2的大24%和21%，但試件SKC-1、SKC-5的極限位移僅比試件DBC-1、DBC-2的分別大2%和19%，導(dǎo)致不銹鋼試件的位移延性系數(shù)較小。由于不銹鋼試件的剛度較小，導(dǎo)致在同等水平力作用下的變形較大，所以不銹鋼試件的屈服位移和極限位移均比普通試件的大，但是當(dāng)以極限位移角來衡量試件變形時(shí)，不銹鋼試件的變形能力并不比普通試件的差［11］。綜合來看，不銹鋼試件的位移延性和變形性能仍比普通試件的好。

（2）在不同軸壓比和縱筋配筋率條件下，不銹鋼試件的位移延性和變形性能反映的規(guī)律與普通試件一致，即軸壓比越小、縱筋配筋率越高，試件的位移延性和變形性能越好。

2.6 縱筋應(yīng)變滯回曲線

部分試件的縱筋應(yīng)變滯回曲線如圖8所示，其中εs為縱筋應(yīng)變。由圖8可知：

（1）各試件在峰值荷載前，縱筋均能屈服，其中，n=0.45試件的縱筋為受壓屈服，而n=0.20試件的縱筋為受拉屈服。

圖8 縱筋應(yīng)變滯回曲線Fig.8 Hysteretic loops of strains of longitudinal reinforcements

（2）對(duì)比試件DBC-1和SKC-1、試件DBC-2和SKC-5可知，由于不銹鋼鋼筋彈性模量小、延性大，所以不銹鋼試件在各特征點(diǎn)的縱筋應(yīng)變均比普通試件的大。

2.7 箍筋應(yīng)變滯回曲線

部分的箍筋應(yīng)變滯回曲線如圖9所示，其中εv為箍筋應(yīng)變。由圖9可知：

（1）由于高強(qiáng)箍筋的屈服強(qiáng)度較高，各試件的箍筋均未屈服，對(duì)核心混凝土的約束較好，核心混凝土在三向受壓狀態(tài)下并未發(fā)生破壞，具有較高的安全儲(chǔ)備［15］。

（2）對(duì)比試件DBC-1和SKC-1、試件DBC-2和SKC-5可知，由于不銹鋼鋼筋彈性模量較小，所以不銹鋼試件在各特征點(diǎn)的箍筋應(yīng)變均比普通試件的大。

圖9 箍筋應(yīng)變滯回曲線Fig.9 Hysteretic loops of strains of stirrups

3 極限承載力分析

由前分析可知，在達(dá)到極限荷載時(shí)，n=0.45試件的混凝土壓碎突然，縱筋受壓屈服，表現(xiàn)出小偏心受壓破壞特征；n=0.20試件的縱筋受拉屈服，混凝土壓碎，表現(xiàn)出大偏心受壓破壞特征。各試件的柱根部正截面受彎承載力試驗(yàn)值Mu見表5。

3.1 按規(guī)范算得的計(jì)算值

按規(guī)范GB 50010—2010［12］偏心受壓構(gòu)件計(jì)算柱根部正截面受彎承載力，并考慮柱頂側(cè)移二階效應(yīng)對(duì)柱根部產(chǎn)生的彎矩附加值，相加所得的柱根部正截面受彎承載力Mu，c1見表5。計(jì)算時(shí)，鋼筋屈服強(qiáng)度fy按表2取，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fc取為0.76fcu，fcu按表1取。由表5可知：不銹鋼試件柱根部正截面受彎承載力的計(jì)算值和試驗(yàn)值之比與普通試件的相近。其中，不銹鋼試件柱根部正截面受彎承載力的計(jì)算值和試驗(yàn)值之比為0.72～0.86，平均值為0.79，普通試件柱根部正截面受彎承載力的計(jì)算值和試驗(yàn)值之比為0.78～0.83，平均值為0.80，均具有較高的安全儲(chǔ)備。

表5 柱根部正截面受彎承載力試驗(yàn)值和計(jì)算值Tab.5 Test and calculated values of flexural bearing capacity at the end of the columns

3.2 考慮箍筋約束對(duì)計(jì)算值的修正

在Sheikh的拱作用理論基礎(chǔ)上，Mander和Park等提出了考慮箍筋約束影響的箍筋內(nèi)側(cè)核心混凝土抗壓強(qiáng)度修正值：

考慮箍筋約束后重新計(jì)算柱根部正截面受彎承載力Mu，c2，結(jié)果如表5所示。由表5可知：考慮箍筋約束對(duì)普通試件和不銹鋼試件承載力的提高程度相近。其中，對(duì)n=0.20試件的承載力僅提高0.5%，對(duì)n=0.45試件的承載力僅提高7.4%。

3.3 箍筋約束核心混凝土機(jī)理分析

如圖10所示，當(dāng)試件受到軸力和彎矩作用時(shí)，核心混凝土產(chǎn)生橫向變形，擠壓外圍箍筋，此時(shí)箍筋會(huì)有變形的趨勢(shì)。此外，箍筋的約束應(yīng)力沿周長分布不均，在各肢交點(diǎn)處達(dá)到最大，這是由于該處的側(cè)向約束主要由兩個(gè)方向箍筋的軸向剛度決定，直至箍筋受拉屈服之前其剛度很高；而隨著遠(yuǎn)離箍筋各肢交點(diǎn)處，箍筋的抗彎剛度開始起主導(dǎo)作用，側(cè)向約束作用很快減小［17］。同理，在縱向，箍筋的側(cè)向約束力只能在圖11所示的有效約束核心混凝土區(qū)域發(fā)揮作用。

本文采用的箍筋間距為100mm和150mm，有效約束區(qū)域較小，且應(yīng)變較小、均未屈服，所以橫向約束應(yīng)力也較小，對(duì)核心混凝土的約束作用有限，因此箍筋約束對(duì)試件承載力的提高并不明顯。

圖10 箍筋側(cè)向約束應(yīng)力分布Fig.10 Lateral confining stress distribution of stirrup

圖11 有效約束混凝土區(qū)域（陰影部分）Fig.11 Effective confined concrete area(dash area)

4 結(jié)論

（1）不銹鋼試件的滯回性能與普通試件相近，但在屈服、峰值和破壞時(shí)的he分別比普通試件的大32%、31%和3%，耗能能力更好。

（2）減小軸壓比、增加縱筋配筋率對(duì)不銹鋼試件的抗震性能有所提高。

（3）由于不銹鋼試件的剛度較小，其屈服位移和極限位移分別比普通試件的大21%～24%和2%～19%，以致位移延性系數(shù)比普通試件的略低，但以極限位移角來衡量試件變形時(shí)，不銹鋼試件的位移延性和變形能力仍比普通試件的好。

（4）不銹鋼試件的受彎承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值之比與普通試件的相近，平均為0.79，具有一定的安全儲(chǔ)備。

（5）當(dāng)箍筋間距大于100mm時(shí)，對(duì)核心混凝土的約束作用有限，所以箍筋約束對(duì)試件承載力的提高也不明顯。