混凝土核心筒的水平雙向循環(huán)加載試驗研究1

許 洋 趙 均 徐金蓓 李 月 侯鵬程

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混凝土核心筒的水平雙向循環(huán)加載試驗研究

許 洋 趙 均 徐金蓓 李 月 侯鵬程

（北京工業(yè)大學城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京100124）

為了研究地震多維性對于混凝土核心筒抗震性能的影響，對大尺寸混凝土核心筒試件進行了水平雙向加載下的擬靜力試驗。重點研究在雙向加載下，核心筒的破壞形態(tài)與機理、承載能力、變形性能、剛度退化等方面的問題。結(jié)果表明，由于水平雙向加載下筒體一個方向的損傷影響到另一個方向的性能，因而對混凝土核心筒的抗震能力造成不利影響。因此，在實際工程中應合理地考慮這種影響，這對于確?；炷梁诵耐驳目拐鸢踩哂兄匾饬x。

混凝土核心筒 雙向加載 抗震性能 結(jié)構試驗 高層建筑

引言

鋼筋混凝土核心筒是高層建筑結(jié)構體系中的重要構件，在各水平方向上都具有很大的抗側(cè)移剛度，成為結(jié)構體系抗震設防的第一道防線。而地震時地面運動的多維性使結(jié)構地震反應呈多維性，一個方向的受荷損傷直接影響到另一個方向的抗震能力。因此，考察核心筒在水平雙向地震作用下的性能，對于核心筒乃至整個結(jié)構體系的抗震安全都很必要。在已有的文獻中，對于鋼筋混凝土構件在雙向加載下的性能研究，多以柱為研究對象。邱法維等（2001）采用6種加載規(guī)則，完成了7個鋼筋混凝土柱試件的雙向加載擬靜力試驗，比較了柱在不同加載路徑下的破壞特點、累積滯回耗能和損傷情況；李宏男等（2002）對鋼筋混凝土框架柱進行了不同軸壓比下，單、雙向循環(huán)加載和雙向變軸力循環(huán)加載，得到了在不同加載路徑和加載方式下力與位移關系的本構模型；Jin-Keun Kim等（2000）提出了預測鋼筋混凝土柱，在豎向力和雙向水平荷載作用下的破壞機制和抗震性能的數(shù)值方法，與擬靜力試驗結(jié)果吻合較好。而對于以鋼筋混凝土核心筒為對象的雙向加載研究，國內(nèi)僅杜修力等（2012）采用高寬比2.68的試件，進行了鋼筋混凝土核心筒在雙向水平受力條件下的抗震試驗，表明考慮雙向加載有明顯影響。為推進這方面的工作，本文在上述研究的基礎上，采用高寬比和軸壓比更大的混凝土核心筒試件施加水平雙向反復荷載，并選擇已被上述柱試驗表明為對構件性能影響較大的加載規(guī)則，研究核心筒的破壞形態(tài)、承載力、滯回特性、變形等方面的性能。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文試驗的混凝土核心筒試件共7層，筒身凈高3290mm，筒體水平截面輪廓尺寸為1050×1050mm（高寬比3.14，縮尺比例約1:7.5），筒體壁厚75mm。每層各面墻體均有洞口，且位置相同，洞口尺寸均為×=340×260mm。

墻體配置雙層鋼筋網(wǎng)，縱、橫向均采用6鋼筋，筒身角部和洞口兩側(cè)部位均按規(guī)范進行了加強，箍筋及拉結(jié)筋采用#8鉛絲，間距80mm；洞口上方的連梁上下各采用26水平縱向鋼筋，箍筋4@40，并配置8根6的交叉斜筋。為防止第7層連梁過早發(fā)生剪切破壞，第7層連梁的兩端各150mm范圍內(nèi)配置了箍筋。實測鋼筋抗拉強度6為561MPa；4為736MPa；#8鉛絲為502MPa?；炷亮⒎襟w抗壓強度實測均值為50.6MPa。

試件尺寸及配筋如圖1所示。

1.2 加載裝置及加載方案

加載系統(tǒng)由豎向和水平加載系統(tǒng)組成，其裝置如圖2所示。豎向千斤頂作用在試件頂部，千斤頂與加載梁間設雙向滾軸滑板，允許試件頂部水平雙向位移；沿試件的2個水平方向（和向）分別設水平千斤頂，支承于雙向反力墻，對核心筒頂部施加水平荷載。試驗開始后，對試件施加豎向荷載930kN（相當于設計軸壓比0.25），一次完成，并保持不變。然后由和向水平千斤頂按照預定的加載路徑分別施加水平荷載（見圖3示意），形成雙向加載的受力條件。加載采用全程頂點位移控制，2個水平方向位移互不相同，每一級加載取向位移控制值為向位移的80%。當某一級加載時的峰值荷載小于試驗最大荷載的85%時，確定為試件破壞。

1.3 量測內(nèi)容

本試驗的量測內(nèi)容包括：①筒體頂部豎向和、向水平加載點的荷載；②筒體、向1、3、5、7層和水平加載點標高處的水平位移；③筒體墻肢的轉(zhuǎn)角和剪切變形；④連梁的梁端轉(zhuǎn)角和剪切變形；⑤墻肢和連梁的鋼筋應變；⑥底座的水平位移和轉(zhuǎn)角。所有量測數(shù)據(jù)均由IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

此外，在試驗過程中觀察并記錄各級荷載下試件裂縫的產(chǎn)生及開展情況，同時在試件上描出裂縫。

2 試件破壞過程

第一級正向加載，頂點水平位移=2，=0（單位：mm，下同）時，南側(cè)3、4層連梁梁端首先出現(xiàn)豎向裂縫；正向加載，當=2，=1.2時，東、西側(cè)2層連梁梁端出現(xiàn)豎向裂縫；負向加載，當=-1.5，=1.2時，北側(cè)3、4層連梁梁端出現(xiàn)相同豎向裂縫；負向加載，當=-1.5，=-1.2時，東側(cè)2、3層連梁梁端出現(xiàn)豎向裂縫；卸載后裂縫均閉合。

第二級正向加載，當=3，=0時，南側(cè)3、4層連梁端部豎向裂縫繼續(xù)開展且向上下延伸；正向加載，當=3，=2.5時，西側(cè)3層、南側(cè)2層，連梁梁端出現(xiàn)豎向裂縫；負向加載，當=-3，=2.5時，北側(cè)2層連梁梁端出現(xiàn)豎向裂縫，北側(cè)3、4層連梁梁端裂縫繼續(xù)開展；負向加載，當=-3，=-2.5時，東側(cè)4層連梁梁端出現(xiàn)豎向裂縫，東側(cè)3層、西側(cè)2層、北側(cè)4層連梁梁端裂縫繼續(xù)延伸；卸載后裂縫均閉合。

第三級正向加載，當=5，=0時，南側(cè)2—4層、北側(cè)4層連梁端部豎向裂縫向上下延伸的更為充分；正向加載，當=5，=4時，西側(cè)4層連梁梁端出現(xiàn)豎向裂縫，東側(cè)2—4層連梁端部豎向裂縫繼續(xù)延伸；、負向加載過程中，連梁端部已出現(xiàn)的豎向裂縫有不同程度的發(fā)展。卸載后部分裂縫不閉合。

第四級正向加載，當=8，=0時，南側(cè)1、2層連梁梁端相繼出現(xiàn)豎向裂縫；正向加載，當=8，=6.5時，東側(cè)1層墻肢出現(xiàn)水平縫，西側(cè)2—4層連梁端部豎向裂縫繼續(xù)延伸；負向加載，當=-8，=6.5時，西側(cè)1—3層墻肢出現(xiàn)水平縫，南側(cè)2、4層連梁端部豎向裂縫繼續(xù)延伸；負向加載，當=-8，=-6.5時，南側(cè)1層墻肢出現(xiàn)水平縫。

第五級正向加載，當=14，=0時，東側(cè)墻肢水平縫延伸至2層；正向加載，當=14，=11.5時，東北角墻肢水平縫從底層延伸至3層，相互貫通交錯，西側(cè)2、4層連梁中部出現(xiàn)許多細微斜向剪切裂縫；負向加載，當=-14，=11.5時，南側(cè)4層、北側(cè)2、5層連梁中部出現(xiàn)細微斜向剪切裂縫，隨后北側(cè)1—3層墻肢出現(xiàn)剪切斜裂縫；負向加載，當=-14，=-11.5時，西南角墻肢水平縫相互貫通，從底層延伸至2層，東側(cè)2—6層連梁剪切裂縫加多、加寬。

第六級正向加載，當=22，=0時，北側(cè)2—6層連梁端部豎向裂縫和連梁中部斜向裂縫數(shù)量增多，寬度明顯加大，并不斷延伸發(fā)展，東側(cè)墻肢水平縫延伸至3層；正向加載，當=22，=17時，東西側(cè)各層連梁剪切裂縫、墻肢剪切裂縫不斷發(fā)展；、負向加載過程中，5、6層連梁梁端豎向裂縫和連梁中部斜向裂縫及墻肢斜向剪切裂縫明顯增多。

第七級、雙向加荷中，新裂縫出現(xiàn)不多，主要為裂縫寬度和長度增大。當=-30，=-24時，南、北側(cè)3、4層連梁端部豎向裂縫達1mm，斜裂縫在連梁中部相交，并向連梁四角發(fā)展。墻肢處斜裂縫相互貫通交織，向轉(zhuǎn)角處發(fā)展，西側(cè)1層墻肢斜向剪切裂縫達0.4mm。

第八級、雙向加荷中，當=-38，=30時，南、北側(cè)3、4層連梁端部豎向裂縫達1.2mm；當=-38，=-30時，底部水平縫沿墻肢寬度完全貫通，并向墻肢轉(zhuǎn)角處延伸發(fā)展，在轉(zhuǎn)角處相交，西南角底部縫寬達3mm。筒體東南、西北角根部產(chǎn)生豎向裂縫，混凝土壓裂。

第九級正向加載，當=46，=0時，東側(cè)墻肢底部兩層水平縫不斷加寬；正向加載，當=46，=37時，東北1層墻肢斜向剪切裂縫明顯加寬，縫寬達4mm；負向加載，當=-46，=37時，南側(cè)3層連梁端部豎向裂縫達2mm，連梁端部混凝土有剝落現(xiàn)象；負向加載，當=-46，=-37時，西南角底部縫寬達3.5mm；筒體四角根部裂縫相交處混凝土均出現(xiàn)不同程度的剝落現(xiàn)象，筒體東北角根部混凝土明顯壓碎。

第十級、雙向加荷中，已無新增裂縫，原裂縫寬度不斷加大，裂縫處混凝土不斷大塊脫落。墻肢上斜裂縫和水平縫相互交織，當=54，=43.5時，東北角底層最大水平裂縫寬度達6.5mm。底層墻肢均出現(xiàn)不同程度的起皮現(xiàn)象，4個墻肢根部轉(zhuǎn)角處混凝土均被局部壓碎，壓碎區(qū)域不斷增大，墻體內(nèi)部混凝土被壓碎的聲音不斷增多，混凝土開始成塊脫落。

第十一級、雙向加荷中，負向加載，當=-62，=50時，筒體東南角底部混凝土被壓潰。

筒體試件最終破壞的照片見圖4。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 滯回特性

圖5為試件總水平荷載—頂點位移滯回曲線。在試件開裂前，滯回曲線近似直線，加載曲線和卸載曲線基本重合，一個方向的加載對另一個方向的影響較小，試件處于彈性階段。在試件開裂初期，連梁端部和墻肢根部出現(xiàn)少量彎曲裂縫，滯回曲線斜率下降，表現(xiàn)出剛度退化現(xiàn)象。隨著循環(huán)級數(shù)的增加，筒體剛度明顯降低，曲線逐漸變緩，荷載增大不多，而變形明顯增大。一個方向的加載影響了另一個方向的承載力及變形。在整個加載過程中，滯回環(huán)比較對稱飽滿，隨著彎曲裂縫和剪切裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，滯回環(huán)面積逐步增大，穩(wěn)定發(fā)展。在加載后期，墻肢上彎曲和剪切裂縫相互交織發(fā)展，水平雙向加載2個方向耦合作用的影響愈加突出，削弱了構件的抗震能力。加上連梁塑性鉸轉(zhuǎn)動和墻肢根部轉(zhuǎn)角處混凝土破壞，裂縫寬度持續(xù)增加，試件剛度退化較快。在雙向水平荷載作用下，鋼筋混凝土核心筒試件在2個方向有穩(wěn)定的耗能能力，但受到雙向耦合作用的影響，承載力和變形性能較差。

（a）????????????????（b）

（c）????????????????（d）

（a）筒體東側(cè)破壞形態(tài)；（b）筒體南側(cè)破壞形態(tài)；（c）筒體北側(cè)破壞形態(tài)；（d）筒體西南側(cè)破壞形態(tài)

圖4 試件破壞形態(tài)

Fig.4 Failure pattern of specimen

3.2 承載力、位移實測結(jié)果及分析

試件開裂荷載F、屈服荷載F、最大荷載F、終止荷載F與相應位移統(tǒng)計見表1。向開裂荷載大于向，說明主方向向的加載削弱了向的承載力。當試件開裂時，向位移為2mm，向位移為1.2mm，開裂前變形很小；隨后，側(cè)移增長加快，屈服時向位移為14.6mm，向位移為11.8mm，2個方向變形較為接近，向較大些；屈服后，在筒體側(cè)移迅速增大的同時，承載力仍有較大幅度的上升，向最大承載力大于向，而此時、向位移分別為49.6mm、29.01mm。

表1 承載力、位移實測值

表2 實測剛度值及衰減系數(shù)

3.3 骨架曲線

圖6為試件總水平荷載—頂點位移骨架曲線。由于雙向加載時2個方向相互耦合的作用，裂縫開裂相互交織，互相影響。2個加載方向骨架曲線形狀相似。對比2個方向的骨架曲線，沿向的最大承載力略大于向，而達到最大承載力及試驗終止時，沿向的位移值則分別約為向相應位移值的1.7和1.5倍。

3.4 剛度退化分析

本文采用滯回環(huán)峰值點割線剛度來研究試件的剛度變化規(guī)律。圖7給出了試件的剛度退化系數(shù)K/（K為第級循環(huán)的割線剛度；為彈性階段的初始剛度）與頂點位移的關系曲線。表2則給出了試件各階段的剛度值，其中，=K/，=K/K，=K/。由圖表可知，由于雙向加載的耦合影響，一個方向的損傷直接影響到另一個方向的抗震能力，初期剛度退化較快，筒體屈服后剛度退化逐漸減慢，達到最大荷載后則趨于平緩。

（a）????????????????（b）

4 結(jié)論

（1）本文對高寬比為3.14、設計軸壓比為0.25的混凝土核心筒試件進行了試驗，在水平雙向加載下，筒體2個方向的墻肢裂縫相互交織，連梁的彎曲塑性鉸分別轉(zhuǎn)動，底部墻肢受拉鋼筋屈服后，混凝土壓潰（轉(zhuǎn)角處最為嚴重），最終發(fā)生整體彎曲破壞。

（2）2個加載方向上的滯回曲線和骨架曲線形狀相似，其中沿加載位移控制值較大的向的最大承載力略大于向，而向的位移則比向大很多。

（3）水平雙向加載導致筒體2個方向的損傷并相互影響，致使破壞加快，不利于筒體的抗震性能。

在實際工程中，合理地考慮上述這些影響，對于確保混凝土核心筒的抗震安全具有重要意義。

杜修力，賈鵬，趙均，2012．水平雙向加載條件下鋼筋混凝土核心筒抗震性能試驗研究. 建筑結(jié)構學報，33（10）：47—52．

李宏男，王強，李兵，2002．鋼筋混凝土框架柱多維恢復力特性的試驗研究．東南大學學報，32（5）：728—732.

邱法維，李文峰，潘鵬，錢稼茹，2001．鋼筋混凝土柱的雙向擬靜力實驗研究．建筑結(jié)構學報，22（5）：26—31.

Jin-Keun Kim, Sang-Soon Lee, 2000. The behavior of reinforced concrete columns subjected to axial force and biaxial bending. Engineering Structure, 23: 1518—1528.

Experimental Study on the Behavior of Concrete Core Wall under Biaxially Cyclic Loadings

Xu Yang, Zhao Jun, Xu Jinbei, Li Yue and Hou Pengcheng

（Key Lab of Urban Security and Disaster Engineering, MOE, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）

In order to investigate the behavior of concrete core walls under multi-dimensional seismic motions, a large scaled specimen of concrete core wall, subjected to horizontally biaxial loadings, is tested quasi-statically, to study its failure pattern and mechanism, as well as the load-carrying capacity, deformation ability, stiffness degradation, etc. The test results show that, because of the obvious effect of the damage of the core wall resulted from horizontal loadings in one direction on its performance when loaded in another direction, biaxial loading condition adversely affects the seismic behavior of the concrete core wall. Therefore, consideration of such influence in engineering practice is important for seismic safety of concrete core walls.

Concrete core walls；Biaxial loading；Seismic behavior；Structural test；High-rise buildings

北京市自然科學基金項目和北京市教育委員會科技計劃重點項目（KZ201010005007）

2013-01-04

許洋，女，生于1988年。碩士，助理工程師。研究方向：混凝土結(jié)構及結(jié)構抗震。E-mail：xuy0407@163.com

趙均，男，生于1954年。碩士，教授。研究方向：混凝土結(jié)構、砌體結(jié)構和結(jié)構抗震、結(jié)構抗震與減震。E-mail：jzhao0415@163.com