淺談鋼筋混凝土柱的雙向擬靜力實(shí)驗(yàn)研究

任亮

摘要：通過(guò)雙向擬靜力實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然滯回耗能總和同加載路徑的位置長(zhǎng)度有關(guān)，但雙向加載情況下明顯大于單向，而且不同加載路徑對(duì)試件的影響更大。

關(guān)鍵詞：混凝土；實(shí)驗(yàn)；研究

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)水平的提高，人們對(duì)道路的質(zhì)量也提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)外幾次毀滅性的地震，使得大量橋梁毀壞，現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)斷裂，造成了重大的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)這幾場(chǎng)毀滅性的地震還可看出，現(xiàn)代的鋼筋混凝土墩柱在抗震系數(shù)上還有所欠缺，我們應(yīng)對(duì)其進(jìn)行研究改進(jìn)。

一、鋼筋混凝土柱介紹

地震對(duì)橋梁的破壞作用是多維的，我們通過(guò)對(duì)地震災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，在水平方方向上，雙向地震要比單向地震對(duì)鋼筋混凝土柱的破壞要嚴(yán)重。其原因鋼筋混凝土柱中一個(gè)方向的破壞肯定會(huì)牽連到其他方向的抗震效果，兩個(gè)方向之間會(huì)發(fā)生摩擦耦合，以至于大大減弱了鋼筋混凝土柱的抗震能力。另外一個(gè)原因是由于結(jié)構(gòu)在物理方面和幾何方面都具有非對(duì)稱性，使得結(jié)構(gòu)在震后的反應(yīng)也具有多維性，從而加劇了橋梁的變形、失穩(wěn)甚至坍塌。引發(fā)地震中橋梁災(zāi)害的明顯特征主要有因?yàn)樵呀钆渲们啡睂?dǎo)致橋梁遭遇彎剪破壞、舊的設(shè)計(jì)規(guī)范有缺陷、斷層導(dǎo)致地面錯(cuò)動(dòng)以及橋墩底座中的縱筋拔出而造成殘余傾角等。其中殘余傾角的破壞雖然不是致命性的，沒(méi)有造成橋梁的嚴(yán)重破壞，但是當(dāng)其大于1度時(shí)，會(huì)造成視覺(jué)上的不安全，因而我會(huì)將其拆除。

地震造成鋼筋混凝土墩柱的破壞形態(tài)主要有以下幾種：①?gòu)澕羝茐摹Ｔ斐纱嗽蛑饕且驗(yàn)榕f設(shè)計(jì)規(guī)范中過(guò)高估計(jì)了混凝土的允許剪應(yīng)力，造成縱筋切斷、錨固長(zhǎng)度不足等情況。②彎曲破壞。當(dāng)橋墩的截面積較小且剪跨較大時(shí)，會(huì)因?yàn)閺澢鷱?qiáng)度不足造成墩柱破壞。彎曲破壞的主要形式分為輕度、中度和重度破壞。輕度或中度破壞時(shí)，表現(xiàn)為墩柱混凝土的保護(hù)層脫離、墩柱上部彎曲裂縫以及縱筋屈服等。重度破壞情況下，縱筋嚴(yán)重彎曲或斷裂、匝筋拉斷等。③剪切破壞。當(dāng)橋墩的截面積較大且剪跨較小而配置的匝數(shù)有不足的情況，容易引發(fā)剪切破壞。如果橋墩的橫截面為矩形時(shí)，當(dāng)匝筋的彎鉤度數(shù)為90度、錨固長(zhǎng)度不夠或者軸壓過(guò)高也會(huì)引發(fā)剪切破壞。

二、雙向擬靜力實(shí)驗(yàn)

研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的多維性抗震意義非凡，然而這個(gè)問(wèn)題研究起來(lái)異常復(fù)雜，目前還沒(méi)有教好的恢復(fù)力模型和非線性動(dòng)力分析裝置，因而我們需要采取實(shí)驗(yàn)方式對(duì)其進(jìn)行研究。S.N.Bousias層采用多種雙向加載規(guī)則對(duì)其進(jìn)行研究，而每個(gè)方向上均是單一控制模型。Chang S Y通過(guò)設(shè)計(jì)研究橋墩模型，分析發(fā)現(xiàn)一個(gè)方向的損傷定會(huì)影響另一方向的抗震能力。 通過(guò)位移加載模型研究鋼筋混凝土墩柱在雙向受力以及扭轉(zhuǎn)耦合情況下的抗震性能，結(jié)果表明在多維地震力作用下，鋼筋混凝土的恢復(fù)能力、損傷特性都和一維地震作用有差距。當(dāng)前，擬靜力實(shí)驗(yàn)是研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能最普遍的方法，此方法可提供各類信息。

1、擬靜力實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前適用于擬靜力的控制方案有力控制、位移控制或者二者混合控制，而加載規(guī)則也很多，對(duì)于控制模型的選擇也較難，特別是控制模型的條件轉(zhuǎn)換。多維擬靜力實(shí)驗(yàn)在力的控制階段、位移控制階段又不同于一維的擬靜力實(shí)驗(yàn)。目前，我們?yōu)榱吮ＷC擬靜力實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟赬Y平面上能夠加載軌跡，我們可通過(guò)位移控制模型對(duì)其進(jìn)行加載，而且位移量測(cè)采用獨(dú)立外置傳感器。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們通過(guò)基于MTS公司生產(chǎn)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出了多維擬靜力實(shí)驗(yàn)控制軟件TUMT。它采用了六種加載規(guī)則，具有良好的人機(jī)界面，通過(guò)表格或圖形輸入?yún)?shù)、配置設(shè)備、并實(shí)行監(jiān)測(cè)控制，最重要的一點(diǎn)是它可模擬實(shí)驗(yàn)。在位移控制模型下主要有內(nèi)位移控制、外位移控制以及命令值控制。TUMT還可實(shí)時(shí)顯示XY軌跡、力傳感器的測(cè)量值以及試件的形態(tài)等。

本實(shí)驗(yàn)所采用的鋼筋混凝土柱的主筋為直徑為12的螺紋鋼筋，匝筋為直徑為6的鋼筋。試件的配比為砂：石：水泥：水為7：10：3：2。試件的XY方向采用的是規(guī)格相同的加載作動(dòng)器。7種加載規(guī)則列表如下表所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中X方向加載為第一次為5毫米，繞3圈，然后再是5毫米，繞3圈，依次往下。XY方向的幅值比為5比4。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的是外位移控制。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果。①通過(guò)觀察試件的滯回曲線我們發(fā)現(xiàn)，RC-1下降最嚴(yán)重，下降最輕的為RC-2，在XY兩個(gè)方向上的下降趨勢(shì)相同。②單純的觀察XY方向的累積滯回耗能來(lái)看，RC-6和RC-3比RC-0大，其他的都小于RC-0。但理論上任何雙向加載試件的耗能都應(yīng)大于單向加載的耗能。用于解釋此現(xiàn)象的理由是，在幅值相同情況下，滯回耗能的總和同加載路徑位置、長(zhǎng)度都有關(guān)系。③通過(guò)滯回曲線很難確定屈服力，我們需要通過(guò)計(jì)算80%的最大承載力來(lái)計(jì)算屈服力。公式如下；

其中，xdyd 分別為80%極限承載力下的xy方向的位移，xm則為最大位移值，E為滯回耗能總和，Q為屈服力、β為系數(shù)。通過(guò)以上公式的技術(shù)發(fā)現(xiàn)，損傷最輕的是RC-0單向加載試件，然后是RC-3、RC-1、RC-5，損傷最重的是雙向加載器件RC-2。通過(guò)對(duì)比雙向作用力和單向作用力，我們發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土柱的承載能力有所差異。在雙向力的作用下，鋼筋混凝土柱的滯回耗能能力、塑性以及恢復(fù)力都有所影響。通過(guò)雙向擬靜力實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然滯回耗能總和同加載路徑的位置長(zhǎng)度有關(guān)，但雙向加載情況下明顯大于單向，而且不同加載路徑對(duì)試件的影響更大。

總結(jié)：雖然我們通過(guò)多維擬靜力實(shí)驗(yàn)可得知以上信息，但是還有很多問(wèn)題需要解決，對(duì)于加載規(guī)則的確定、加載路徑的選擇還沒(méi)有一個(gè)明確規(guī)定，對(duì)于多維擬靜力實(shí)驗(yàn)得到的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步完善和分析。