混凝土箱型柱設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)其塑性變形能力影響的試驗(yàn)研究

金志鵬，劉 凡，郭云道

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；2.蘇州第一建筑集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州215123）

地震在近現(xiàn)代頻頻發(fā)生且會(huì)對(duì)已建工程造成相當(dāng)大的損害，故而工程中需要對(duì)結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)分析，而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形能力是其抗震設(shè)計(jì)分析中的重要指標(biāo)。鋼筋混凝土箱型柱這類結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有自重小，空間抗扭能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工程結(jié)構(gòu)中已被廣泛應(yīng)用。但此類構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)改變對(duì)其變形能力影響的研究不多，本文對(duì)6個(gè)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的鋼筋混凝土箱型柱試件進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，從而得到相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)的分析，研究其設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)構(gòu)件變形能力的影響。

1 試件的設(shè)計(jì)

依據(jù)規(guī)范[1]共設(shè)計(jì)6個(gè)試件（混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度均為C40，其余設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1所示和表1所列，編號(hào)分別為 RCBC-SS、RCBC-CST、RCBC-LST、RCBC-ST、RCBC-SR、 和 RCBC-SL，以 RCBC-SS 為標(biāo)準(zhǔn)柱。其中RCBC-SS、RCBC-CST、RCBC-LST和RCBC-ST是為了探究腹板和翼緣高寬比[2]的變化對(duì)混凝土箱型柱塑性變形能力的影響；RCBC-SS和RCBC-SL是為了探究箱型截面空心矩形的面積變化對(duì)混凝土箱型柱塑性變形能力的影響；RCBC-SS與RCBC-SR是為了探究箱壁配筋率[2]對(duì)混凝土箱型柱塑性變形能力的影響。

圖1 設(shè)計(jì)試件的配筋圖

2 設(shè)計(jì)試件的擬靜力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)加載設(shè)備與加載方案

試驗(yàn)在蘇州科技大學(xué)江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，使用設(shè)備為四連桿。水平荷載加載前，按設(shè)計(jì)軸壓比計(jì)算豎向恒載（6個(gè)設(shè)計(jì)試件軸壓比均為0.1），并按恒載的50%進(jìn)行預(yù)加載，循環(huán)兩次后對(duì)試件的豎直方向緩慢加載至豎向恒載的100%。水平荷載的加載采用力（荷載）-位移控制的方法[3-4]：試件開裂前按20 kN/40 s逐級(jí)加載，開裂后按10 kN/20 s逐級(jí)加載并循環(huán)三次直至屈服，屈服后按屈服位移的0.2倍逐級(jí)加載，直至水平荷載下降到極限水平荷載的85%左右時(shí)停止加載。加載設(shè)備和加載制度如圖2所示。

圖2 加載設(shè)備和加載制度

2.2 試驗(yàn)主要測量內(nèi)容

試驗(yàn)測試的主要內(nèi)容：（1）測量試件的混凝土應(yīng)變值和鋼筋的縱向應(yīng)變值；（2）測量各級(jí)水平荷載，以及與其對(duì)應(yīng)的試件水平位移值；（3）各級(jí)荷載作用下的裂縫發(fā)展情況，即其位置、長度、角度以及寬度的測量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滯回曲線試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 滯回曲線試驗(yàn)結(jié)果 試件的滯回曲線試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 滯回曲線成果圖

3.1.2 試件的滯回曲線分析 基于圖2進(jìn)行滯回曲線分析，詳見表2所列。對(duì)滯回曲線的分析研究采用定量的方法，一般來說，滯回曲線越飽滿，結(jié)構(gòu)的塑性變形能力越強(qiáng)[5]。滯回環(huán)面積的求法采用積分公式

（1）對(duì)比RCBC-SS與RCBC-LST的滯回曲線，翼緣寬高比從70/650到100/650增大了大約5%，滯回面積有較為明顯的增長，增長幅度約為80%，說明增大翼緣寬高比能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的塑性變形能力。

（2）對(duì)比RCBC-SS與RCBC-CST的滯回曲線，腹板寬高比從70/400到100/400增大了大約7.5%，滯回環(huán)的總面積的面積增大了約為30%，說明增大腹板寬高比能夠提升構(gòu)件的塑性變形能力。

（3）對(duì)比RCBC-SS與RCBC-ST的滯回曲線：翼緣寬高比從70/650到100/650增大了大約5%，腹板寬高比從70/650到100/650增大了大約7.5%，滯回環(huán)面積的有非常明顯的增長，增長幅度約為114%，說明同向同級(jí)別增大構(gòu)件的寬高比能夠大幅度提升構(gòu)件的塑性變形能力。

（4）對(duì)比RCBC-SS與RCBC-SL的滯回曲線：構(gòu)件的高寬比從650/400到500/400下降了37.5%，滯回環(huán)的總面積下降了大約11%，說明降低構(gòu)件的高寬比對(duì)構(gòu)件的抗震耗能能力有負(fù)效應(yīng)，即會(huì)降低構(gòu)件的塑性變形能力。

（5）對(duì)比RCBC-SS與RCBC-SR的滯回曲線：鋼筋的配筋率增加28.5%后，進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后，在同加載級(jí)別下滯回環(huán)面積顯著增大，總的滯回面積比參考柱增大了約為49.5%。一般而言，滯回曲線越飽滿，塑性能力越強(qiáng)，但縱向配筋率的增加會(huì)降低構(gòu)件的延性[6]，故而配筋率對(duì)于塑性變形能力的影響還需要通過延性系數(shù)進(jìn)一步分析。

表2 滯回環(huán)總面積

3.2 骨架曲線

3.2.1 骨架曲線試驗(yàn)結(jié)果 試件測試的骨架曲線結(jié)果如圖3所示。

圖3 骨架曲線成果圖

3.2.2 試件的骨架曲線分析 基于圖3的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行骨架曲線分析，表征試件的強(qiáng)度變化及其延性特征，一般由每一級(jí)循環(huán)荷載的峰值點(diǎn)連接而成。延性可以通過延性來分析試件的塑性變形能力[7]。本文分析骨架曲線時(shí)將從其延性特征著手。延性一般用延性系數(shù)μ來表示，μ定義為構(gòu)件的極限變形和屈服變形之比。

式中，Δμ為試件的極限位移，取構(gòu)件喪失承載力時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移；Δy為試件的屈服位移，取縱向鋼筋屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移。延性系數(shù)計(jì)算值見表3所列。

表3 延性系數(shù)計(jì)算表

（1）由表3可知，6個(gè)混凝土箱型柱的延性系數(shù)在3.0～8.0之間，從抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1]對(duì)于延性的要求來看6個(gè)混凝土箱型柱均具有良好的延性性能和塑性變形能力。

（2）對(duì)比兩組試件RCBC-SS與RCBC-CST、CBC-LST與RCBC-ST發(fā)現(xiàn)，延性系數(shù)分別增大了10%和15%。兩組對(duì)比說明增大試驗(yàn)構(gòu)件的腹板寬高比會(huì)提高構(gòu)件的延性性能與變形能力。

（3）對(duì)比兩組試件RCBC-SS與RCBC-LST、RCBC-CST與RCBC-ST發(fā)現(xiàn)，延性系數(shù)分別增大了15%和22%，兩組說明增大試驗(yàn)構(gòu)件的翼緣寬高比能夠較大地提升構(gòu)件的延性性能與塑性變形能力。

（4）對(duì)比上述第2點(diǎn)和第3點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，增加相同壁厚改變翼緣或腹板寬高比時(shí)，翼緣寬高比對(duì)塑性變形能力的提升更大。

（5）對(duì)比試件RCBC-SS與RCBC-ST發(fā)現(xiàn)，翼緣與腹板的寬高比同時(shí)增大，與標(biāo)準(zhǔn)試件相比延性系數(shù)提升了約為33%，說明同時(shí)增大翼緣與腹板的寬高比會(huì)大幅度提升構(gòu)件的延性性能與塑性變形能力。

（6）對(duì)比試件RCBC-SS與試RCBC-SR發(fā)現(xiàn)，混凝土箱型柱配筋率過大會(huì)降低試件延性，降低幅度約為30%，說明增大縱筋配筋率會(huì)一定程度降低試驗(yàn)構(gòu)件的延性性能與塑性變形能力。

（7）對(duì)比試件RCBC-SS與RCBC-SL發(fā)現(xiàn)，延性系數(shù)下降，降幅約為21%，說明混凝土箱型柱截面空心矩形面積變小會(huì)導(dǎo)致柱子延性性能與塑性變形能力下降。

3.3 試件的最終破壞形態(tài)

試件的最終破壞形態(tài)如圖4所示，對(duì)試件的破壞形態(tài)進(jìn)行分析得出：

（1）RCBC-SS。在80 kN時(shí)開裂，裂縫寬度小，長度約為10 cm；在120 kN時(shí)，骨架曲線的斜率明顯變小，此時(shí)構(gòu)件基本進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，裂縫大量增多，兩側(cè)翼緣裂縫逐漸橫向貫穿截面，而腹板的受壓區(qū)與受拉區(qū)裂縫斜向相交成30°到60°角。位移控制加載到30 mm級(jí)，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進(jìn)入到基本不變的狀態(tài)，試件有壓潰跡象；位移控制加載到40 mm級(jí)，骨架曲線達(dá)到峰值開始進(jìn)入下降段，預(yù)示構(gòu)件接近破壞；位移達(dá)到50 mm時(shí)，箱型柱喪失承載能力。

（2）RCBC-CST。在80 kN時(shí)開裂，裂縫發(fā)生在腹板及翼緣近柱腳，裂縫寬度約為0.1 mm，并且長度約為8 cm；在100 kN時(shí)，小部分鋼筋開始屈服，裂縫寬度增大到0.15 mm，并且開始增多。位移控制加載到25 mm級(jí)，骨架曲線的斜率明顯變小，此時(shí)構(gòu)件基本進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，裂縫寬度增到0.2～0.25 mm，裂縫數(shù)量陡增；位移控制加載到35 mm級(jí)，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進(jìn)入到基本不變的狀態(tài)，試件有壓潰跡象；位移控制加載到45 mm級(jí)，骨架曲線達(dá)到峰值開始進(jìn)入下降段，預(yù)示構(gòu)件即將破壞；位移達(dá)到55 mm時(shí)，箱型柱喪失承載能力。

（3）RCBC-LST。在80 kN時(shí)開裂，裂縫寬度小，長度約為10 cm；在120 kN時(shí)，骨架曲線的斜率明顯變小，此時(shí)構(gòu)件基本進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，裂縫大量增多。位移控制加載到40 mm級(jí)，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進(jìn)入到基本不變的狀態(tài)，試件有輕微壓潰跡象；位移控制加載到45 mm級(jí)，骨架曲線達(dá)到峰值開始進(jìn)入下降段，預(yù)示構(gòu)件即將破壞；位移控制加載到60 mm級(jí)，箱型柱喪失承載能力。

圖4 試件最終破壞形態(tài)

（4）RCBC-ST。在80 kN時(shí)腹板與翼緣受拉區(qū)出現(xiàn)細(xì)小且長為10～15 cm的裂縫；在120 kN，骨架曲線的斜率明顯變小，此時(shí)構(gòu)件基本進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，裂縫大量增多。位移控制加載到30 mm級(jí)，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進(jìn)入到基本不變的狀態(tài)，試件有輕微壓潰跡象；位移控制加載至45 mm級(jí)，骨架曲線達(dá)到峰值開始進(jìn)入下降段，4個(gè)柱腳中度壓潰；位移控制加載到65 mm級(jí)，柱腳重度壓潰，箱型柱喪失承載能力。

（5）RCBC-SR。在80 kN時(shí)開裂，裂縫寬度非常微小且長度約為10 cm；在140 kN時(shí)，骨架曲線的斜率明顯變小，此時(shí)構(gòu)件基本進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，裂縫大量增多。位移控制加載到30 mm級(jí)，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進(jìn)入到基本不變的狀態(tài)，腹板受壓區(qū)與受拉區(qū)裂縫相交處有中度壓潰跡象；位移控制加載到45 mm級(jí)，骨架曲線達(dá)到峰值開始進(jìn)入下降段，預(yù)示構(gòu)件將破壞；位移控制加載到55 mm級(jí)，箱型柱喪失承載能力。

（6）RCBC-SL。在90 kN時(shí)開裂，裂縫位于受拉區(qū)翼緣近底部固端，與橫向網(wǎng)格線基本平行；在140 kN時(shí)，骨架曲線的斜率明顯變小，此時(shí)構(gòu)件基本進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，裂縫寬度增大，兩側(cè)翼緣裂縫逐漸橫向貫穿截面，而腹板的受壓區(qū)與受拉區(qū)裂縫斜向相交成30°到60°角。位移控制加載到35 mm級(jí)，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進(jìn)入到基本不變的狀態(tài)，試件有壓潰跡象；位移控制加載到45 mm級(jí)，骨架曲線達(dá)到峰值開始進(jìn)入下降段；位移控制加載到55 mm級(jí)，箱型柱喪失承載能力。

4 結(jié)論

目前尚無有關(guān)對(duì)滯回曲線飽滿程度與塑性變形能力進(jìn)行正負(fù)相關(guān)性的研究報(bào)道，滯回曲線飽滿程度評(píng)價(jià)塑性變形能力暫時(shí)只能作為一個(gè)輔助參考指標(biāo)。本文依據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以延性系數(shù)為主要參考指標(biāo)評(píng)價(jià)了構(gòu)件在各類設(shè)計(jì)控制參數(shù)下的塑性變形能力，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）鋼筋混凝土箱型柱翼緣或腹板高寬比增大可以有效提升柱子的塑性變形能力，但翼緣寬高比的增大相對(duì)而言對(duì)塑性變形能力的提升更大。

（2）鋼筋混凝土箱型柱截面空心矩形面積變小會(huì)導(dǎo)致柱子塑性變形能力下降。

（3）鋼筋混凝土箱型柱截面配筋率的增大會(huì)降低構(gòu)件的塑性變形能力。