矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱滯回性能試驗(yàn)

馬忠吉，喬雷濤，王 偉，劉界鵬

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，150090哈爾濱，liujp@hit.edu.cn;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043西安;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱)

矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱滯回性能試驗(yàn)

馬忠吉1，喬雷濤2，王 偉3，劉界鵬1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，150090哈爾濱，liujp@hit.edu.cn;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043西安;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱)

為研究矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的滯回性能，進(jìn)行了4個(gè)矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱和2個(gè)普通鋼筋混凝土對(duì)比試件的試驗(yàn)研究.主要參數(shù)為軸壓比(0. 3，0.5)和鋼管寬厚比( 111，166);6個(gè)試件的剪跨比均為1.0.試驗(yàn)結(jié)果表明:普通鋼筋混凝土超短柱的破壞模式為剪切破壞，延性和耗能性能較差;鋼管約束鋼筋混凝土超短柱中，鋼管對(duì)混凝土產(chǎn)生有效約束作用，因此構(gòu)件未發(fā)生剪切破壞，延性、彈塑性變形能力和耗能性能顯著高于鋼筋混凝土對(duì)比試件;隨軸壓比提高，矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的承載力提高，但延性稍有降低.在本文試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，鋼管的寬厚比對(duì)矩形鋼管約束混凝土超短柱的抗震性能無(wú)顯著影響.

矩形鋼管約束鋼筋混凝土;超短柱;軸壓比;寬厚比;延性

隨著現(xiàn)代建筑向超高層、大跨度和重載方向發(fā)展，框架柱承擔(dān)的豎向荷載越來(lái)越大，柱子截面隨之增大.在高層或超高層建筑的底部容易形成鋼筋混凝土短柱(剪跨比＜2)甚至超短柱(剪跨比＜1.5)，在工業(yè)廠房中，支承大型鍋爐或煤斗等設(shè)備的柱子截面很大，容易形成短柱，工業(yè)廠房中由于復(fù)雜的工藝要求，常采用錯(cuò)層或夾層結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生框架短柱.鋼筋混凝土短柱的破壞模式多為剪切破壞或粘結(jié)破壞，延性和變形能力差［1］，難以在抗震工程中應(yīng)用.歷次大地震的震害調(diào)查都說(shuō)明短柱破壞是造成鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌的一個(gè)重要因素.為避免短柱發(fā)生脆性破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞，必須采取適當(dāng)措施［3－5］.因此，對(duì)鋼筋混凝土短柱進(jìn)行研究，提出較好的構(gòu)造形式，以改善其抗震性能顯得尤為重要.為了防止鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的短柱或邊柱發(fā)生剪切破壞并提高其延性，Tomii等［6－7］建議采用鋼管約束鋼筋混凝土柱，就是將鋼筋混凝土柱中的箍筋換成鋼管，鋼管不直接承擔(dān)縱向荷載，只對(duì)核心混凝土起約束作用.肖巖等［8］對(duì)剪跨比為2的鋼管約束鋼筋混凝土短柱的試驗(yàn)研究表明，剪跨比為2的鋼管約束鋼筋混凝土框架短柱的破壞模式為彎曲破壞，柱子的延性和變形能力優(yōu)越.周緒紅等［9］對(duì)剪跨比為3的鋼管約束鋼筋高強(qiáng)混凝土壓彎構(gòu)件的試驗(yàn)研究表明，即使在設(shè)計(jì)軸壓比超過(guò)1的高軸壓比條件下，柱子的延性和變形能力也非常優(yōu)越.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)方形和圓形截面鋼管約束鋼筋混凝土短柱和長(zhǎng)柱的研究較多［6－11］，而對(duì)于剪跨比 ＜1.5的矩形截面鋼管約束鋼筋混凝土超短柱研究較少.本文分別進(jìn)行了矩形截面鋼管約束鋼筋混凝土超短柱和普通鋼筋混凝土對(duì)比試件的滯回性能試驗(yàn)研究.結(jié)果表明，在矩形截面鋼筋混凝土超短柱外設(shè)置薄壁鋼管，可以避免超短柱的剪切破壞，有效提高柱子的延性和變形能力.

1 試件參數(shù)和試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)力學(xué)與試驗(yàn)中心進(jìn)行，試驗(yàn)采用仿日本建研式加載裝置，試驗(yàn)加載和測(cè)量裝置見文獻(xiàn)［1］.共進(jìn)行了6個(gè)超短柱的滯回性能試驗(yàn)研究，其中包括2個(gè)矩形截面鋼筋混凝土超短柱和4個(gè)矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱，2種形式超短柱的幾何尺寸完全相同.根據(jù)框架超短柱實(shí)際尺寸和試驗(yàn)室現(xiàn)有試驗(yàn)條件，試驗(yàn)短柱試件比例設(shè)計(jì)為1∶6.

圖1、2為試件的幾何尺寸、配筋與鋼材屈服強(qiáng)度.試驗(yàn)以框架柱為研究對(duì)象，假定柱子為兩端固端模型，先對(duì)柱子施加豎向軸力，然后在柱子頂端施加反復(fù)作用的水平荷載，以模擬水平地震作用.試驗(yàn)中將試件兩端的鋼筋混凝土梁固定，梁的截面高度為467 mm，梁寬為300 mm，梁的長(zhǎng)度為1 200 mm.試驗(yàn)中2種試件的軸壓比都定義為n0=N/fckAg，以對(duì)比相同軸力條件下構(gòu)件的力學(xué)性能，其中n0為軸壓比，N為柱子上作用的軸力，fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，Ag為毛截面面積，試件其他參數(shù)見表1.表1試件的命名方法，RRC試件以RRC－1－0.3為例，前面字母RRC表示矩形截面鋼筋混凝土柱(Rectangular crosssection Reinforced Concrete Column)，第2個(gè)數(shù)字1表示剪跨比為 1，第3個(gè)數(shù)字0.3表示軸壓比為0.3;RTRC試件以 RTRC－1－0.3－111為例，前面字母RTRC表示矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱(Rectangular Tube confined Reinforced Concrete Column)，第2個(gè)數(shù)字1表示剪跨比為 1，第3個(gè)數(shù)字0.3表示軸壓比為0. 3，第4個(gè)數(shù)字111表示試件長(zhǎng)邊的鋼管寬厚比為111.

圖1 矩形截面鋼筋混凝土超短柱試件

圖2 矩形截面鋼管約束鋼筋混凝土超短柱試件

表1中t為鋼管壁厚，D為矩形截面較長(zhǎng)邊的邊長(zhǎng)，D/t為寬厚比，λ為剪跨比，n0為軸壓比，ρs、ρv分別為縱筋配筋率、箍筋體積配箍率，fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值.

2 破壞模式

圖3為軸壓比為0.3的2種超短柱的破壞模式.RRC超短柱發(fā)生的是剪切破壞，試件產(chǎn)生了貫通的雙向交叉剪切斜裂縫;RTRC超短柱無(wú)明顯破壞現(xiàn)象，試件鋼管包裹部分混凝土表面基本完好，只是有微小的剪切斜裂縫，在柱下端鋼管焊縫處，混凝土保護(hù)層嚴(yán)重剝落，RTRC柱的破壞模式為壓彎破壞.

圖4為軸壓比為0.5的2種超短柱的破壞模式.RRC發(fā)生的是剪切破壞，混凝土整體沿斜裂縫方向產(chǎn)生剪切滑移導(dǎo)致縱筋壓屈;RTRC超短柱無(wú)明顯破壞現(xiàn)象，RTRC柱的破壞模式仍為壓彎破壞.

表1 超短柱試件參數(shù)

圖3 軸壓比為0．3超短柱的破壞模式

圖4 軸壓比為0．5超短柱的破壞模式

3 滯回曲線與骨架曲線對(duì)比

圖5為RRC和RTRC超短柱的滯回曲線.矩形截面鋼筋混凝土超短柱(圖5(a)～(b))的滯回性能很差，峰值荷載后試件迅速破壞，失去承載能力，且鋼筋混凝土超短柱的滯回曲線不飽滿，耗能性能差.矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱滯回曲線(圖5(c)～(f))比矩形截面鋼筋混凝土超短柱飽滿，其耗能性能優(yōu)于矩形截面鋼筋混凝土超短柱.當(dāng)試件進(jìn)入屈服狀態(tài)，加載至峰值荷載點(diǎn)后，滯回環(huán)的“捏縮”現(xiàn)象消失，滯回曲線變的更加飽滿，耗能能力突然加強(qiáng)，呈現(xiàn)出鋼材的耗能性能.

圖5 超短柱的荷載(P)－位移(Δ)滯回曲線

圖6為RRC與RTRC超短柱的荷載－層間位移角(R)骨架曲線對(duì)比.圖6中破壞點(diǎn)是指承載力下降至峰值荷載的85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，此處的位移為極限位移(Δu);當(dāng)試件的承載力未下降至85%時(shí)已經(jīng)破壞，不能繼續(xù)加載，則取最大位移為極限位移［1］.由圖6可看出，矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的抗剪承載力、變形能力和延性要高于矩形截面鋼筋混凝土超短柱.隨軸壓比的提高，矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱試件的承載力提高，極限位移角有所減小;隨著寬厚比的增加，相同軸壓比下矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的骨架曲線基本重合.即使在體積配箍率為2.68%的高配箍率條件下，剪跨比為1的鋼筋混凝土超短柱的變形能力仍然很差，柱子的極限層間位移角都不足1%，不滿足我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)鋼筋混凝土框架柱彈塑性層間位移角1/50的變形能力要求.因此剪跨比為1的鋼筋混凝土超短柱應(yīng)避免在抗震工程中應(yīng)用.而矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的極限層間變形能力遠(yuǎn)超過(guò)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求.因此在實(shí)際工程中，對(duì)于剪跨比為1的矩形截面鋼筋混凝土超短柱進(jìn)行外包鋼管約束，可以有效提高矩形截面鋼筋混凝土超短柱的承載力和延性性能，并滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土框架柱的彈塑性變形能力要求.

圖6 RRC與RTRC超短柱的荷載－層間位移角骨架曲線

表2為各試件的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表中Pu(kN)為試驗(yàn)實(shí)測(cè)極限承載力;Δy(mm)為屈服位移，由能量法求得;Δu(mm)為極限位移;Δ0.85為荷載下降至峰值荷載的0.85倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移;Ru(%)為極限層間位移角;μ為延性系數(shù)，μ=Δ0.85/Δy;ψ為能量耗散系數(shù).由表2可見，RRC超短柱的延性系數(shù)最大為2. 63，延性很差;而RTRC超短柱的延性系數(shù)都＞3. 5，能夠滿足抗震要求.RRC超短柱的極限層間位移角都不足1%，而RTRC超短柱的極限層間位移角都＞2%，能夠滿足抗震規(guī)范的要求.寬厚比對(duì)RTRC超短柱的延性和極限層間位移角影響不大.由表2可見，RRC超短柱的能量耗散系數(shù)都不超過(guò) 1，而RTRC超短柱的能量耗散系數(shù)都＞1. 5，可見RTRC超短柱的能量耗散能力遠(yuǎn)大于RRC超短柱.寬厚比對(duì)RTRC超短柱的能量耗散系數(shù)影響不大.

表2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1)矩形截面鋼筋混凝土超短柱的破壞模式為剪切破壞，即使在高配箍率條件下，剪跨比為1的矩形截面鋼筋混凝土超短柱的極限層間變形能力也遠(yuǎn)低于現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，因此在抗震工程中采用時(shí)須采取特殊的加強(qiáng)措施.

2)在矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱外設(shè)置薄壁鋼管，可有效避免構(gòu)件的剪切破壞模式，提高超短柱的延性、彈塑性層間變形能力和耗能性能，使得超短柱的抗震性能滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)要求.

3)相同寬厚比條件下，隨軸壓比的增加，矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的峰值承載力明顯提高;但軸壓比對(duì)延性和彈塑性層間變形能力的影響不顯著.

4)在本文試驗(yàn)研究參數(shù)范圍內(nèi)，不同寬厚比的矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的滯回曲線基本重合，即寬厚比對(duì)抗震性能的影響不顯著.

［1］ 周緒紅，劉界鵬.鋼管約束混凝土柱的性能與設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［2］ 周緒紅，張小冬，劉界鵬.鋼管約束鋼筋混凝土柱與型鋼混凝土柱的滯回性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2009，30(s1):121－128.

［3］ 張國(guó)軍，呂西林.高軸壓比高強(qiáng)混凝土短柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑， 2005，35(3):20－23.

［4］ 姜維山，白國(guó)良.配復(fù)合箍、螺旋箍、X形筋鋼筋砼短柱的抗震性能及抗震設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 1994，15(1):2－16.

［5］ GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［6］ TOMII M，SAKINO K，XIAO Y，et al．Earthquake resisting hysteretic behavior of reinforced concrete short columns confined by steel tube［C］//Proceedings of the International Speciality Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures.Harbin:Harbin Construction institute，1985:119－125.

［7］ XIAO Y，TOMII M，SAKION K.Experimental study on design method to prevent shear failure of reinforced concrete short circular columns by confining in steel tube ［J］.Transactions of Japan Concrete Institute， 1986，8:535－542.

［8］ 肖巖，郭玉榮，何文輝，等.局部加勁鋼套管加固鋼筋混凝土柱的研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2003，24(6):79－86.

［9］ 周緒紅，張素梅，劉界鵬.鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件滯回性能試驗(yàn)研究與分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2008，29(5):19－28.

［10］ 周緒紅，劉界鵬，張素梅.方鋼管約束鋼筋高強(qiáng)混凝土超短柱抗震性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)， 2010，43(8):1 －10.

［11］ 周緒紅，劉界鵬，張素梅.圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱抗震性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2010，31(7):56 －63.

Experiment on the rectangular tubed RC ultra short columns under axial compression and lateral cyclic load

MA Zhong－ji1，QIAO Lei－tao2，WANG Wei3，LIU Jie－peng1

(1.Architectural Design and Research Institute，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，liujp@hit.edu.cn;2.China Railway First Survey ＆ Design institute LTD，710043 Xi’an，China;3.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China)

To study the seismic behavior of RCRC ultra short columns，the tests subjected to combined constant axial compression and cyclic lateral shear force of rectangular tubed RC(RTRC)columns including 4 RCRC and 2 common RC columns for comparison were carried out.The main parameters were axial load ratio(0.3 and 0.5)and width to thickness ratio(111 and 166)，and the shear span to depth ratio of all the tested columns was 1.0.The results indicated that the failure mode of common RC short columns was shear failure，therefore the RC columns showed little ductility and energy dissipating capacity.Under lateral shear force，RCRC short columns showed no shear failure due to the effective confinement from the outer tube to the core concrete.The RTRC columns showed higher ductility，elastic－plastic deformation capacity and energy dissipating capacity than the common RC columns.The lateral load strength of RCRC short columns increased with the increment in axial load ratio，while the ductility decreased a little，and the width to thickness ratio affected little on the seismic behavior of RTRC ultra short columns.

rectangular tubed RC;ultra short column;axial load ratio;width to thickness ratio;ductility

TU398

A

0367－6234(2011)08－0021－05

2010－12－25.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50708027).

馬忠吉(1960—)，男，高級(jí)工程師.

(編輯 趙麗瑩)