多維動力加載條件下鋼筋混凝土柱力學性能的研究

王德斌, 范國璽， 張　皓

(1.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連　116028； 2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島　266100； 3.沈陽建筑大學 土木工程學院，沈陽　110168)

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多維動力加載條件下鋼筋混凝土柱力學性能的研究

王德斌1, 范國璽2， 張皓3

(1.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連116028； 2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島266100； 3.沈陽建筑大學 土木工程學院，沈陽110168)

摘要：通過鋼筋混凝土柱在多維動力加載下的試驗，研究了鋼筋混凝土柱在不同加載速率下的動態(tài)力學性能。試驗結果表明：加載速率的提高會有效提高構件的承載能力；隨加載速率的提高，構件的剛度退化、強度退化和損傷進程均有不同程度的增強；雙向加載及變軸力加載受加載速率的影響更為顯著；構件發(fā)生破壞的區(qū)域更加局部化；構件的延性和變形能力有所降低，在雙向加載并伴隨有軸力變化的加載條件下表現(xiàn)尤為明顯。

關鍵詞：鋼筋混凝土柱；加載速率；雙向加載；延性；破壞模式

地震荷載作用形式是極其復雜的，其作用于某一鋼筋混凝土構件不僅要反應地震動的多維性同時也要能夠反應其顯著的動力特性，只有這樣才能充分反應鋼筋混凝土構件在真實地震荷載作用下的力學性能。

根據(jù)地震動的多維性，國內外學者主要研究了鋼筋混凝土構件在雙向加載及變軸力加載條件下的力學性能。Otani等[1-5]通過對鋼筋混凝土柱進行雙向復合加載作用下的試驗研究發(fā)現(xiàn)：① 雙向加載會加劇構件的剛度退化、強度退化進程；② 由于雙向加載的偶聯(lián)作用，使構件的延性及變性能力明顯降低；③ 加載路徑對構件的承載能力、破壞過程均會產生顯著影響。Abrams等[6-9]對鋼筋混凝土柱進行了變軸力加載作用下的試驗研究，得到的結論主要表現(xiàn)在：① 變軸力加載導致荷載-位移曲線存在明顯的不對稱現(xiàn)象；② 隨著加載周數(shù)的增加，變軸力在構件的強度退化、剛度退化和損傷進程方面影響增強；③ 構件的耗能能力也會有所下降。

考慮到地震荷載的動力特性，近些年來，學者們在鋼筋混凝土構件動態(tài)力學性能方面也做了大量的研究。Mutsuyoshi等[10]試驗研究了混凝土柱在不同加載速率下的力學性能。結果表明，構件的屈服承載力、極限承載力和初始剛度均隨加載速率的增加而增加。構件承載力受加載速率的影響主要體現(xiàn)在加載初期，隨著荷載的繼續(xù)增加，加載速率對構件承載力的影響逐漸降低；而在加載后期，位移曲線與鋼筋曲線基本保持一致，且在位移轉折點處鋼筋應變率為零。在破壞模式方面，Mutsuyoshi的試驗結果表明構件在靜力加載條件下產生彎曲破壞而在快速加載條件下則產生剪切破壞，Kulkarni等[11]通過試驗得到了相反的結論。Otani等[12]通過試驗研究了不同加載速率下構件的力學性能，試驗結果表明：在動力加載條件下，構件的承載力比靜載時提高7%～20%；其中一組構件由靜載時的彎曲破壞轉變?yōu)閯虞d時的剪切破壞；不論受彎承載力還是受剪承載力在快速加載時均有不同程度的提升，其中，受彎承載力提升較多，總的來說快速加載時構件延性下降。陳俊名等[13-16]通過試驗和數(shù)值模擬對鋼筋混凝土構件的力學性能進行了研究，其結論基本與國外學者得到的結論是一致的。李敏等[19]利用大型動三軸試驗設備對鋼筋混凝土梁進行了不同加載速率下的試驗研究，結果表明，梁的承載能力隨加載速率的提高而提高；混凝土材料的強度與構件承載能力提高的程度成反比；隨著加載速率的增加，構件的剛度退化速度加快，延性也隨之降低。

上述試驗研究的均是簡單動力荷載作用下鋼筋混凝土梁、柱的力學性能或者是多維靜力加載條件下構件的力學性能，并沒有綜合考慮實際地震過程中地震動的多維性和動力特性，因此有必要綜合考慮地震動的多維性及其動力特性，研究鋼筋混凝土構件在多維動力加載條件下的力學性能。

1構件動力加載試驗

1.1構件設計

試驗過程中，共設計了4組鋼筋混凝土柱式構件，每組均包含兩根材料、幾何尺寸完全相同的鋼筋混凝土柱，其編號分別取為S1，D1，S2，D2，S3，D3，S4，D4(S代表靜力加載，D代表動力加載)。各組構件的橫截面尺寸均為200 mm×200 mm，保護層厚度為15 mm。縱筋強度等級HRB335，強度為343.4 MPa；箍筋強度等級HPB235，強度為414.3 MPa。構件的詳細幾何尺寸見圖1，各參數(shù)取值見表1，混凝土配合比見表2。

圖1　構件幾何尺寸及配筋示意圖(mm)Fig.1 Dimensions and reinforcement of the RC column(mm)

構件編號混凝土強度/MPa縱筋強度/MPa軸壓比配筋率/%箍筋間距/mm剪跨比S1/D1S2/D2S3/D3S4/D426.2426.2426.2426.24343.4343.4343.4343.40.0950.0950.0950.0952.262.262.262.26505050504.34.32.82.8

表2　混凝土配合比

1.2試驗裝置介紹

本次試驗在大連理工大學結構大廳完成。加載裝置主要由兩個水平作動器FCS和一個軸力加載裝置MTS組成，見圖2(a)。為保證兩個水平加載方向在加載過程中互不干擾，在水平作動器支架上放置自由滑動的滾軸以保證水平作動器能夠左右自由滑動，見圖2(b)。同時，為了能夠讓軸力進行穩(wěn)定的傳遞，自行設計了軸力加載裝置，其主要有三部分構成：① 上部是直徑為600 mm的高強剛性圓盤，固定于軸向作動器底端；② 中間設計成直徑為400 mm的普通圓盤，其內部鉆有一定數(shù)量圓孔并放置高強剛性滾珠，使其能夠自由滑動；③ 下部是直徑400 mm的高強剛性圓盤，與構件頂端通過球鉸連接, 見圖2(c)。此裝置可有效傳遞垂向MTS施加于構件頂端的軸力，并保證下部剛性圓盤在上部剛性圓盤范圍內進行自由滑動。應變片除粘貼于構件塑性鉸區(qū)域的縱筋和箍筋外，在構件中部及上部的縱筋也進行了應變片粘貼，通過NI-DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對鋼筋應變、構件頂點位移進行同步采集。

圖2　試驗裝置圖Fig.2 Loading setup

1.3加載方案介紹

試驗過程中，采用位移控制的加載模式。構件S1/D1采用單向往復加載，其余構件均采用雙向往復加載。以5 mm作為位移加載初始值，位移加載增量也取為5 mm，各幅值均往復加載3周，直至構件發(fā)生破壞。試驗過程中共采用兩種加載速率，其中靜力加載(S1、S2、S3、S4)取為0.2 mm/s,動力加載(D1、D2、D3、D4)取為50 mm/s，加載過程中保持加載速率恒定。變軸力加載過程中，軸力變化與水平位移幅值的變化保持一致，即：同時達到最大值、最小值。各組構件的詳細加載方案見表3。

表3　加載路徑

2試驗結果分析

通常對鋼筋混凝土構件力學性能的分析，主要從承載力、剛度退化、強度退化、損傷、耗能、變形能力以及破壞形式等方面進行研究。

2.1骨架曲線及主要試驗結果

通過整理試驗結果可以得到各組構件的荷載-位移骨架曲線，見圖3，其能夠很好的反映構件在整個試驗過程中的破壞過程。同時，本文對試驗數(shù)據(jù)進行分析給出了能夠反映構件力學性能的主要數(shù)據(jù)，見表4。

圖3　骨架曲線Fig.3. Skeleton curves

從骨架曲線的對比情況可以看出，動力加載條件下構件的承載能力均有不同程度提高，其增長最大值可達15.4%(S2/D2-Y方向)，在整個骨架曲線的變化過程中，承載力的增長幅度在加載初期表現(xiàn)更為顯著。荷載值達到峰值點后，加載速率對構件承載力的影響程度減弱，這主要體現(xiàn)在加載后期，靜載時的承載力值往往高于動載條件下的承載力值，并且動載時的骨架曲線提前達到構件的破壞點(即極限承載力下降20%所對應的位置)。通過觀察骨架曲線由峰值點到破壞點之間的軟化臺階發(fā)現(xiàn)，動載時的軟化臺階縮短，兩點間的斜率急劇下降，由此可知，構件的變形能力也將隨之下降，構件有向脆性破壞發(fā)展的趨勢，這與Bertero等[17]得到的試驗結論是一致的。另外，通過對比該現(xiàn)象受加載速率的影響狀況發(fā)現(xiàn)：雙向加載受加載速率的影響要高于單向加載(S1/D1-S2/D2)；變軸力加載相較于定軸力加載受加載速率影響更為明顯(S3/D3-S4/D4)；綜合考慮構件的變形和承載力變化狀況可知，低剪跨比構件受加載速率影響要低于高剪跨比試件(S2/D2-S3/D3)。

表4　試驗結果

表4給出了有關構件力學性能的主要結果，從中可以看出，不論單向加載還是雙向加載構件的屈服承載力和極限承載力均不同程度提高，且屈服承載力提高幅度更大，在變軸力加載(S 4/D4-X方向)條件下，屈服承載力增加值高達29.9%，而極限承載力的增加值均局限于16%以內，該結論可以通過鋼筋屈服強度的應變率敏感性高于極限強度的應變率敏感性[18-19]來解釋。除構件S3/D3在Y方向的延性有所提高外，其余各構件的延性均隨著加載速率的增加而降低，這與骨架曲線所給出的現(xiàn)象是一致的。同時，構件的初始剛度也隨著加載速率的增加顯著提高，其中，第四組構件的初始剛度變化最大，在Y方向增長幅度達19.3%。構件的延性也隨加載速率發(fā)生明顯變化，構件(S2/D2)延性在兩個水平加載方向分別降低12.3%和15.38%，而單向加載條件下的構件(S1/D1)其延性僅降低3.54%。可見，雙向加載會增強構件的率敏感性，且其塑性變形能力也會隨之下降。

2.2滯回曲線及軸力變化曲線

通過對不同加載速率下的各組構件滯回曲線(圖4)進行對比，可以看到，動力加載相較于靜力加載，構件滯回曲線的形狀基本沒有變化，捏縮現(xiàn)象略有增強。綜合分析各組構件的骨架曲線及滯回曲線可知，構件的強度退化、剛度退化過程均隨著加載速率的增加有增強的趨勢，相應的，其破壞進程也會顯著加速，其中，變軸力加載工況體現(xiàn)最為明顯，受加載速率影響也就最為顯著。

另外，通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，構件在每級加載的第一周承載力受加載速率影響最為顯著，而加載的第二、三周有所下降。相似的結論，也可以在X與Y方向的加載過程中發(fā)現(xiàn)，即先加載的X方向承載力增長情況受加載速率的影響更為顯著。究其原因可以理解為隨著鋼筋的逐漸軟化，其受加載速率的影響逐漸降低，同時，混凝土在加載過程中不斷開裂，其受加載速率的影響也在逐漸降低。

對于變軸力加載工況，可以看出，變軸力加載工況其滯回曲線存在一定程度的非對稱性，這在Y方向表現(xiàn)尤為明顯，整個曲線的變化過程受加載速率影響也更加顯著。本文也給出了試驗測得的軸力隨時間變化曲線(圖5),通過分析可知，在加載初期軸力變化還是較為穩(wěn)定的，直至加載后期，動力加載條件下的構件逐漸失穩(wěn)，此時已很難有效的對軸力進行控制并施加于構件頂端，這也直接說明對于變軸力加載構件來說，加載速率的提升會導致構件提前發(fā)生破壞。

2.3累計耗能

構件各級位移幅值下對應的滯回環(huán)面積總和稱為累計耗能。本文對應單向加載和雙向加載累計耗能的計算方法分別如下式，即單向加載累計耗能采用最常見的表達式，雙向加載的累計耗能則為兩個加載方向的耗能之和[4]。

Ex=∫Fxdx

(1)

Ey=∫Fydx

(2)

E=Ex+Ey

(3)

式中，F(xiàn)為試驗測得的荷載值；x,y分別為加載過程中兩個水平加載方向的位移值；Ex、Ey、E分別為X,Y加載方向的累計耗能和兩個方向總的耗能。

圖4　滯回曲線Fig.4 Hysteresis curves

圖5　軸力變化曲線Fig.5 Axial force curves

根據(jù)上述計算方法得到各組構件的累計耗能隨加載周數(shù)的變化曲線見圖6?？梢钥吹剑S著加載速率的提高，構件的累計耗能均有所提高，相較于雙向加載，單向加載提升的比例更高。但是從數(shù)值上看累計耗能的增加程度非常有限，甚至可以忽略不計，這與Kulkarni等[11]得到的結論是一致的。

2.4破壞模式分析

作者通過對不同加載速率下各構件的破壞過程、破壞模式和鋼筋應變數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)：① 動力加載條件下混凝土脫落、壓碎的區(qū)域更加局部化，也就是說構件的破壞區(qū)域更加有限；② 動力加載條件下，底部塑性鉸區(qū)域縱筋應變幅度最大，并隨著縱筋距構件底部距離的增加應變幅度逐漸減小，同時，除構件底部縱筋應變幅度大于靜力加載外，中、上部鋼筋的應變幅度均小于靜力加載。這也間接說明，動力加載條件下構件的變形區(qū)域縮小，變形能力也自然隨之降低(見圖7)。

圖6　累計耗能Fig.6 Energy absorption

圖7　破壞模式試驗結果Fig.7 Failure mode in test

綜上所述：靜力加載條件下構件內部混凝土與鋼筋間的黏結滑移在時間及空間上傳遞的更加充分，這樣可以充分保證黏結滑移和力的傳遞能夠在構件內部更為薄弱的基質內展開。而隨著加載速率的提高，由于在空間和時間上均受到一定程度的限制，使力的傳遞和粘結滑移發(fā)生在更短的路徑范圍內，這樣才能減少能量的更多消耗，相應地，通過構件內部基質強度較高及黏結強度較高區(qū)域的概率隨之增加，這在宏觀上即表現(xiàn)為承載力的提高及破壞區(qū)域的縮小。

3結論

基于對上述試驗結果的介紹和研究分析，從鋼筋混凝土柱受荷的多維性及動力特性出發(fā)，可以得出如下結論：

(1) 鋼筋混凝土構件隨加載速率的增加其加載各階段的承載力均有不同程度的提高，且加載初期受加載速率的 影響最為顯著；

(2) 隨著加載速率的增加，構件的強度退化、剛度退化加劇，變形能力下降，耗能能力略有提高；

(3) 雙向加載對加載速率的敏感性相較于單向加載有所增強，變軸力加載則表現(xiàn)更為顯著；

(4) 動力加載條件下，混凝土脫落、壓碎的區(qū)域更加有限，鋼筋變形更為集中與塑性鉸區(qū)域內，也就是動力加載構件破壞區(qū)域更加局部化。

參 考 文 獻

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Dynamic behaviors of reinforced concrete columns under multi-dimensional dynamic loadings

WANGDe-bin1,FANGuo-xi2,ZHANGHao3

(1. School of Civil and Safety Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China;2. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;3. Civil Engineering College, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Abstract:The dynamic behaviors of reinforced concrete (RC) columns under multi-dimensional dynamic loadings were investigated here. The test results showed that the load-bearing capacity of RC columns can be enhanced with increase in loading rate; their stiffness degradation, strength degradation and damage significantly increase with increase in loading rate; the effects of loading rate under bi-directional loading and varying axial loading on RC columns are more obvious; with increase in loading rate, the damage region distribution is more localized; the ductility and deformation capacity of RC columns decrease obviously with increase in loading rate, especially, under bi-directional loading with varying axial load.

Key words:RC column; loading rate; bi-directional loading; ductility; failure mode

中圖分類號:TU375；TU528.571

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.006

通信作者范國璽 男，博士，講師，1987年生

收稿日期：2015-05-22修改稿收到日期：2015-07-19

基金項目：國家自然科學青年基金(51408093;51308356)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2015098)；沈陽市科技計劃項目(F13-158-9-00)

第一作者 王德斌 男，博士，講師，1984年生