配置600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋T形柱抗震性能試驗(yàn)研究

戎賢　段微微　王浩

摘要：

600 MPa級(jí)鋼筋是一種新型高強(qiáng)度鋼筋，為研究該鋼筋應(yīng)用于異形柱結(jié)構(gòu)體系的可行性，對(duì)7根不同軸壓比、體積配箍率和鋼筋強(qiáng)度的混凝土T形柱試件進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，分別對(duì)其承載力、位移、滯回曲線(xiàn)、骨架曲線(xiàn)、剛度退化和耗能性能進(jìn)行研究，綜合評(píng)估其抗震性能。研究結(jié)果表明：配置600 MPa級(jí)鋼筋的混凝土T形柱具有良好的變形能力和承載能力，提高配箍率能有效提高試件的抗震性能，提高軸壓比可以提高試件的承載力，但降低其變形能力。隨著鋼筋強(qiáng)度的提高，試件的承載力顯著提高。

關(guān)鍵詞：

T形柱；600 MPa級(jí)鋼筋；抗震性能；低周反復(fù)荷載

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）02014807

Abstract：

600 MPa steel bar was a new type of highstrength reinforcing bar. Seven Tshaped column specimens varying in stirrup ratios， axial compression ratios and steel strength were tested under low cyclic loading to investigate the feasibility of using this type of reinforcement in specially shaped column. Behaviors in bearing capacity， displacement， hysteretic behavior， skeleton characteristic， rigidity degradation and energy dissipation were investigated to analysis the seismic performance of columns. The results showed that 600 MPa RC Tshaped columns had favorable deformation capacity and bearing capacity. Improving stirrup ratios could effectively improve the seismic performance. With the increase of axial compression ratios， the bearing capacity of columns was bigger， but the deformation capacity deteriorated. With the improvement of the strength of steel， bearing capacity， deformation capacity significantly increased.

Keywords：

Tshaped column； 600 MPa； Seismic behavior； Low cyclic loading

異形柱結(jié)構(gòu)體系具有減少結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約材料、增大使用面積等優(yōu)點(diǎn)[13]，廣泛應(yīng)用于中國(guó)各地，對(duì)異形柱框架及節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究[46]表明，異形柱構(gòu)件是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系抗震性能的關(guān)鍵部位，而T形柱由于其截面的不規(guī)則性使得抗震性能較為復(fù)雜，有必要進(jìn)行更深入的試驗(yàn)研究。研究者對(duì)高強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了一些抗震性能試驗(yàn)研究[710]，研究表明，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的配置高強(qiáng)鋼筋的混凝土構(gòu)件在強(qiáng)度和變形上表現(xiàn)出與傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件相似的性能；在中國(guó)，600MPa級(jí)鋼筋是一種新型鋼筋，具有強(qiáng)度高、延性好等特點(diǎn)[1114]，現(xiàn)已被納入《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》（GB 1499.2—2013）中，但是部分混凝土規(guī)范[1516]還未涉及此類(lèi)鋼筋。為改善異形柱抗震性能并推廣600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用，對(duì)配置600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的混凝土T形柱試件進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，研究其抗震性能并對(duì)比分析軸壓比、體積配箍率和鋼筋強(qiáng)度對(duì)抗震性能的影響。

1試驗(yàn)概況

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7根1/2縮尺的T形截面混凝土異形柱試件，以軸壓比、體積配箍率和鋼筋強(qiáng)度為變化參數(shù)。試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。柱肢截面尺寸為350 mm×350 mm，肢寬肢厚比均為2.9，試件的剪跨比均為3.29，試件幾何尺寸及配筋如圖1所示。測(cè)量混凝土立方體抗壓強(qiáng)度并取得實(shí)測(cè)平均值為60.1 MPa，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50512—2012）中的相關(guān)公式，計(jì)算出混凝土軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值48.1 MPa以及彈性模量36 GPa。試件縱筋和箍筋直徑分別為16、8 mm，鋼筋力學(xué)性能見(jiàn)表2。

試驗(yàn)采用擬靜力加載，加載裝置和加載程序如圖2所示。采用荷載和位移混合控制的加載制度，首先用豎向千斤頂在異形柱上端施加壓力并保持恒定，水平加載分為兩個(gè)階段：荷載控制和位移控制。在試件屈服前采用荷載控制，每級(jí)循環(huán)一次，當(dāng)鋼筋屈服后采用位移控制，以屈服位移整數(shù)倍循環(huán)3次，直到荷載下降到極限荷載的85%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

2破壞特征

各試件的裂縫發(fā)展情況與破壞形式基本一致，部分試件破壞形態(tài)如圖3所示。

在試件屈服前，腹板和翼緣正面柱腳處首先出現(xiàn)微小水平裂縫，隨著荷載的增加，水平裂縫不斷延伸并向腹板側(cè)面斜向發(fā)展形成斜裂縫，鋼筋屈服后，試件出現(xiàn)殘余變形，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，腹板側(cè)面出現(xiàn)交叉裂縫，受壓區(qū)混凝土沿豎向裂縫不斷起皮脫落，試件達(dá)到最大承載力，此后變形繼續(xù)增大而荷載減小直到鋼筋屈曲、腹板柱底混凝土壓碎，試件破壞。

軸壓比較大的試件裂縫和柱底塑性鉸出現(xiàn)的較晚，斜裂縫傾角較小，混凝土壓碎更為嚴(yán)重，但試件的承載力有所提高，表明增大軸壓比可以改善骨料的咬合作用并推遲裂縫的產(chǎn)生。配箍特征值較大的試件，斜裂縫出現(xiàn)較晚，裂縫數(shù)量增多而寬度減小，能夠緩解柱底混凝土壓潰現(xiàn)象，承載力有所提高。鋼筋強(qiáng)度高的試件，裂縫數(shù)量較少，混凝土剝落長(zhǎng)度較大，但塑性鉸長(zhǎng)度較小，說(shuō)明隨著鋼筋強(qiáng)度提高，試件塑性性能降低。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1試件主要試驗(yàn)結(jié)果

極限位移角是表征試件變形能力的重要指標(biāo)，但各學(xué)者對(duì)極限位移的定義各不相同，李靜等[17]是取水平力下降到峰值85%時(shí)對(duì)應(yīng)的位移來(lái)研究柱的變形能力，顧冬生等[18]取峰值荷載所對(duì)應(yīng)的位移來(lái)計(jì)算極限位移角，對(duì)于高強(qiáng)鋼筋混凝土柱，王君杰等[19]用各加載階段的位移角來(lái)綜合評(píng)估試件的變形能力，采用此種方法評(píng)價(jià)試件的變形能力。各試件主要研究結(jié)果如表3所示。其中，正向荷載指T形柱腹板側(cè)受拉的荷載，反向荷載指T形柱翼緣側(cè)受拉的荷載，屈服荷載通過(guò)等面積法確定，破壞荷載為經(jīng)歷最大承載力后下降到極限荷載85%時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值。

從表3可知：

1）由于T形截面柱正負(fù)向性能的不同，正負(fù)向荷載和位移具有不對(duì)稱(chēng)性，負(fù)向加載時(shí)的屈服和極限荷載較正向有不同程度的提高。

2）對(duì)比軸壓比相同，配箍率不同的試件，試件CT1和CT2較CT3的破壞位移分別提高9.5%和7.4%，表明加密箍筋可以增強(qiáng)核心混凝土抵抗橫向變形的能力，緩解試件斜裂縫的出現(xiàn)，提高試件的承載力，隨著箍筋間距的增大，破壞位移角隨之減小，說(shuō)明提高配箍率可以提高試件變形能力。

3）對(duì)比配箍率相同，軸壓比不同的試件CT4、CT5和CT6，隨著軸壓比的增大，試件承載力明顯提高，而極限位移減小。

4）對(duì)比只鋼筋強(qiáng)度不同的試件，配置600 MPa級(jí)鋼筋的試件CT2較配置HRB500鋼筋的CT7的屈服位移角、極限位移角平均值較大，但隨著塑性變形的發(fā)展，兩試件的變形差異逐漸縮小，說(shuō)明配置600 MPa級(jí)鋼筋的混凝土T形柱具有良好的變形能力。

5）T形試件（除CT2和CT6試件）的負(fù)向極限荷載均相對(duì)正向極限荷載較高，分析試件CT2與CT6反常的原因可能為：CT2試件混凝土的澆筑不密實(shí)，導(dǎo)致負(fù)向極限承載力較低；CT6試件為高軸壓比試件，軸壓比達(dá)到0.34，而試件CT4、CT5和CT6的負(fù)向極限承載力與正向極限承載力的比值分別為1.29、1.12、0.94，可以看出，軸壓比的增大能提高承載力的同時(shí)，對(duì)T形截面柱正反向承載力提高的程度是不同的，在一定程度上可以緩解正負(fù)向承載力不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象，當(dāng)軸壓比較高時(shí)，對(duì)正向承載力提高程度過(guò)大，可能出現(xiàn)負(fù)向極限荷載低于正向極限荷載的情況。

3.2T形截面偏心受壓構(gòu)件正截面承載力驗(yàn)算

T形截面偏心受壓柱的破壞特征及基本假定與矩形截面柱相同，可按照規(guī)范[15]矩形截面偏心受壓試件正截面承載力的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，由于T形截面柱截面形狀不規(guī)則，計(jì)算中只考慮腹板端部縱向受力鋼筋的作用。以T形截面翼緣受壓為正方向，腹板受壓為負(fù)方向進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的彎矩值與試驗(yàn)彎矩值如表4所示。

計(jì)算中試件正方向均是大偏壓破壞，負(fù)方向均是小偏壓破壞，此時(shí)僅考慮翼緣端部和腹板端部受力鋼筋的作用進(jìn)行計(jì)算。在正方向計(jì)算過(guò)程中，各試件受壓區(qū)均在翼緣范圍內(nèi)，按照翼緣寬度所形成的矩形進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，沒(méi)有考慮腹板寬度相對(duì)矩形寬度的削弱作用，除CT2試件外，其他試件的計(jì)算值均偏小，但由表可知，各試件計(jì)算值與試驗(yàn)值的差距不大；在負(fù)方向小偏壓計(jì)算時(shí)，CT2和CT7由于試件混凝土不密實(shí)導(dǎo)致計(jì)算值比試驗(yàn)值略小，各試件的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，差值均在15%以?xún)?nèi)。綜合而看，對(duì)于配置600 MPa級(jí)鋼筋的T形截面柱，其受彎承載力計(jì)算方法仍可以按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行，適用于既有T形截面柱。

3.3滯回曲線(xiàn)

各試件水平荷載柱頂位移滯回曲線(xiàn)如圖4所示。分析滯回曲線(xiàn)能夠反映出T形截面柱的以下特點(diǎn)：

1）加載初期，試件處于彈性階段，滯回曲線(xiàn)基本成直線(xiàn)，試件出現(xiàn)裂縫后，由于裂縫在翼緣和腹板分布的不同造成試件正負(fù)向剛度的差異，滯回曲線(xiàn)出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，試件屈服后，加載剛度與卸載剛度逐漸降低，隨著位移幅值的增大及循環(huán)次數(shù)的增多，退化現(xiàn)象愈加劇烈。同一滯回環(huán)中負(fù)向水平荷載的衰減早于正向，且衰減速率較大。綜上所見(jiàn)，配置600 MPa級(jí)鋼筋的混凝土T形柱具有良好的承載力，剛度和強(qiáng)度退化比較平緩。

2）配箍間距小的試件，滯回曲線(xiàn)相對(duì)較為飽滿(mǎn)，裂縫寬度較小且曲線(xiàn)下降段較平緩，試件變形較大，因此加密箍筋可以增加滯回曲線(xiàn)的飽滿(mǎn)程度。

3）軸壓比較小的試件，滯回曲線(xiàn)較為飽滿(mǎn)，極限變形能力增大，極限荷載后，試件的強(qiáng)度和剛度退化較慢。

3.4骨架曲線(xiàn)

在滯回曲線(xiàn)中，將每級(jí)循環(huán)的峰點(diǎn)連接起來(lái)形成的包絡(luò)線(xiàn)為骨架曲線(xiàn)，各試件的骨架曲線(xiàn)如圖5所示，由此可以發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）加載初期，試件處于彈性階段，各試件側(cè)向剛度較為穩(wěn)定，骨架曲線(xiàn)近似重合，隨著加載的不斷進(jìn)行，試件變形增大速率大于荷載增大速率，骨架曲線(xiàn)斜率減小，不同試件的荷載變形曲線(xiàn)逐漸分離，直到荷載峰值，隨后表現(xiàn)出明顯的剛度和強(qiáng)度退化特征。此外，各試件正負(fù)向骨架曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱(chēng)性，在破壞階段，負(fù)向加載時(shí)荷載下降較為迅速，曲線(xiàn)下降曲率較為一致。

2）對(duì)比只配箍率不同的試件，CT1的變形較CT2、CT3較大，負(fù)向加載時(shí)曲線(xiàn)下降較為平緩，表明試件強(qiáng)度降低較小。

3）對(duì)比只軸壓比不同的試件可以發(fā)現(xiàn)，隨著軸壓比的提高，骨架曲線(xiàn)趨于對(duì)稱(chēng)，極限承載力提高，但相同荷載下的位移較小，變形能力變差。

4）對(duì)比CT2和CT7試件，配置600 MPa級(jí)鋼筋的CT2較配置HRB500鋼筋的CT7具有更高的承載力，CT2試件負(fù)向加載時(shí)荷載下降的也較為緩慢。

3.5剛度退化

取試件頂點(diǎn)的抗側(cè)移剛度來(lái)表征試件的剛度退化特征，各試件剛度位移曲線(xiàn)如圖6所示，由圖可以發(fā)現(xiàn)T形截面柱的以下特點(diǎn)：

1）各試件的正負(fù)向初始剛度有一定的差距，由于試件本身的不對(duì)稱(chēng)性及加載時(shí)某一個(gè)方向先損傷使得試件剛度表現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，隨著加載的不斷進(jìn)行，裂縫的開(kāi)展與閉合引起的截面削弱及鋼筋混凝土之間的錨固滑移作用，使試件正負(fù)向剛度趨于一致。