不同軸壓比下區(qū)域約束混凝土圓柱抗震性能試驗(yàn)研究

張琪　朱明增　曹新明

摘 要：本文對(duì)3根截面直徑300mm、高950mm的區(qū)域約束混凝土圓柱進(jìn)行了往復(fù)荷載試驗(yàn)研究，在不同設(shè)計(jì)軸壓比（0.9、1.1和1.25）的條件下，對(duì)比分析了混凝土柱的滯回曲線、骨架曲線、變形性能、水平承載力等變化規(guī)律。試驗(yàn)表明，區(qū)域約束混凝土圓柱在軸壓比為1.1時(shí)表現(xiàn)出較高的水平承載力和延性，具有良好的抗震性能。

關(guān)鍵詞：區(qū)域約束混凝土柱;軸壓比;抗震性能

中圖分類號(hào)：U456.3+1? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）05-0118-03

1引言

柱是房屋結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)抵抗豎向和水平地震荷載的主要構(gòu)件，結(jié)構(gòu)整體的倒塌多表現(xiàn)為柱的破壞，是造成地震災(zāi)害的主要原因。

隨著高層和超高層建筑的快速發(fā)展，豎向荷載的逐層傳遞使得結(jié)構(gòu)底部構(gòu)件的內(nèi)力較大，傳統(tǒng)約束混凝土柱很難有效防止在高軸壓比下的脆性破壞，如1999年郭子雄等[1]研究發(fā)現(xiàn)，在軸壓比為0.9的情況下，約束混凝土柱在達(dá)到屈服荷載后剛度和強(qiáng)度退化明顯，說(shuō)明了高軸壓比對(duì)箍筋約束混凝土柱抗震性能的不利影響;2006年閻石等[2]研究表明在其他條件不變的情況下，隨著軸壓比增大，預(yù)應(yīng)力鋼棒作為高強(qiáng)箍筋約束的混凝土柱延性下降明顯;2009年呂西林等[3]研究得到，高軸壓比的箍筋約束混凝土柱呈現(xiàn)出較差的延性性能和耗能能力，滯回曲線捏縮現(xiàn)象明顯，骨架曲線表現(xiàn)出達(dá)到峰值荷載后明顯的剛度和強(qiáng)度退化，而且在高軸壓比下，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，柱的滯回曲線越來(lái)越捏縮，抗震性能較差。因此規(guī)范[4]對(duì)柱子的軸壓比作了嚴(yán)格限制，將其按抗震等級(jí)和結(jié)構(gòu)類型分級(jí)且規(guī)定柱子的軸壓比不應(yīng)大于1.05。然而限制軸壓比會(huì)導(dǎo)致截面面積的加大，形成“胖柱”，造成使用空間的浪費(fèi)，同時(shí)混凝土自重加大也會(huì)導(dǎo)致地震反應(yīng)強(qiáng)烈。

針對(duì)這一問(wèn)題，區(qū)域約束混凝土[5]應(yīng)運(yùn)而生。區(qū)域約束改變了傳統(tǒng)箍筋約束的約束機(jī)制，將約束核心區(qū)從中心轉(zhuǎn)移到了四角，解決了由于結(jié)構(gòu)布置和施工誤差導(dǎo)致的實(shí)際工程中的軸心受壓柱多處于偏心受壓狀態(tài)使得截面邊緣受力最大，核心區(qū)的鋼筋材料得不到充分發(fā)揮的問(wèn)題。前期的研究[6]表明，區(qū)域約束混凝土柱在高軸壓比下具有良好的力學(xué)性能和抗震性能，且軸壓比越大抗震性能越好。然而目前關(guān)于區(qū)域約束混凝土的研究涉及矩形截面柱較多，但在房屋結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中，會(huì)有很多混凝土圓形柱結(jié)構(gòu)。因此，研究區(qū)域約束混凝土圓柱在低周往復(fù)荷載下抗震性能的試驗(yàn)就顯得尤為重要。

2014年，曹新明教授在其專利[7]中給出了區(qū)域約束混凝土圓柱的截面形式（如圖1），其特征在于：區(qū)域約束混凝土圓形柱由圓柱形混凝土柱（1）和圓形鋼筋籠（2）組成，圓形鋼筋籠設(shè)置在圓柱形混凝土柱內(nèi)，圓形鋼筋籠由邊緣縱筋（3）、中心縱筋（4）、圓形橫向箍筋（5）和箍筋（6）連接組成，箍筋（6）由一根鋼筋彎曲形成四個(gè)三角形（7）和四邊形（8），在箍筋內(nèi)設(shè)置有邊緣縱筋和中心縱筋。

2試驗(yàn)概況

2.1試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共進(jìn)行了3根截面直徑300mm、凈高950mm、剪跨比為4、混凝土強(qiáng)度為C40的區(qū)域約束混凝土柱（regional confined concrete，RCC）在設(shè)計(jì)軸壓比分別為0.9、1.1、1.25下的往復(fù)荷載試驗(yàn)，試件命名為RCC-0.9、RCC-1.1和RCC-1.25。其中底座尺寸為1300 mm×800 mm×480 mm，頂部橫梁尺寸為600 mm×340 mm×500 mm。試件配筋如圖2所示。

2.2加載裝置與加載方案

試驗(yàn)中柱子一端固定一端鉸接，先對(duì)柱子施加軸向力，然后在柱子的頂梁處施加往復(fù)的水平荷載，以此來(lái)模擬地震荷載。豎向軸壓力由YAW-10000J電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)加載，水平力由MTS液壓伺服系統(tǒng)提供，采用先荷載后位移的加載方式，即試件屈服前由荷載控制，屈服后以屈服位移為級(jí)差逐級(jí)施加水平位移，每級(jí)循環(huán)三次，直至構(gòu)件完全破壞或構(gòu)件水平承載力降為峰值荷載的85%以下為止。試件下端固定于試驗(yàn)機(jī)上，水平力加載端的水平橫梁可以自由滑動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，為了防止水平力加載時(shí)試件底座與試驗(yàn)機(jī)發(fā)生相對(duì)位移，在試件底座兩側(cè)分別用千斤頂頂緊，加載裝置如圖3所示。

2.3測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)中橫梁截面中點(diǎn)的水平力及水平位移由儀器自動(dòng)采用，作為校核，橫梁截面中點(diǎn)另一端加裝一個(gè)量程±100 mm且能夠自動(dòng)采集位移值的位移計(jì)，在底座側(cè)表面添加量程±50 mm的位移計(jì)以此來(lái)檢測(cè)底座是否存在滑移。鋼筋和混凝土表面均設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，縱筋與箍筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在距離試件底座上表面約50 mm截面處，混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在距離試件底座上表面50mm之上的100 mm范圍內(nèi)，試件的測(cè)點(diǎn)布置圖如4所示。

3試驗(yàn)現(xiàn)象

（1）從裂縫發(fā)展情況來(lái)看，RCC-0.9、RCC-1.1和RCC-1.25的情況均一致，首先在試件底部出現(xiàn)水平或豎向裂縫，隨著水平位移的加載，先前裂縫持續(xù)發(fā)展，水平裂縫向斜下方延伸，豎向裂縫與水平裂縫形成交叉現(xiàn)象;

（2）從混凝土的破壞情況來(lái)看，RCC-0.9當(dāng)水平位移加載至38.5 mm時(shí)，試件右后側(cè)底部混凝土發(fā)生剝落，鋼筋骨架露出;RCC-1.1當(dāng)水平位移加載至-58.66 mm時(shí)，試件左前側(cè)混凝土開始剝落;RCC-1.25當(dāng)水平位移加載至-44.8 mm時(shí)，試件右前側(cè)混凝土開始發(fā)生大面積的剝落。并且三個(gè)柱在混凝土剝落前，混凝土都有明顯的凸起現(xiàn)象，剝落延遲發(fā)生，說(shuō)明區(qū)域約束混凝土柱都屬于有明顯預(yù)兆的延性破壞，抗震性能良好。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1滯回曲線

對(duì)比RCC-0.9、RCC-1.1和RCC-1.25的滯回曲線，結(jié)果表明，①軸壓比為1.1的RCC-1.1柱表現(xiàn)出最大的極限位移，且在1.25的較高軸壓比下，極限位移下降明顯，說(shuō)明區(qū)域約束混凝土在軸壓比為1.1時(shí)具有較好的延性，而隨著軸壓比的繼續(xù)增大，區(qū)域約束混凝土圓柱的延性性能降低;②三個(gè)柱的滯回曲線捏攏都不是太明顯，下降段也較為平緩，說(shuō)明區(qū)域約束混凝土柱具有良好的延性性能和耗能能力;③三個(gè)試件滯回曲線的正向加載曲線與反向加載曲線并非完全對(duì)稱，這是由于在試驗(yàn)過(guò)程中，反復(fù)加載導(dǎo)致試件存在一定的殘余變形以及在高軸壓力下試件頂部的滑板車存在較大摩擦，對(duì)正反向加載的位移值有一定的影響。

4.2骨架曲線

在構(gòu)件反復(fù)荷載試驗(yàn)的滯回曲線上，將同方向各次加載的峰值點(diǎn)依次相連便可得到試件的骨架曲線[8]，試件的骨架曲線如圖7所示。圖中可以看出三個(gè)試件中RCC-1.1的峰值荷載和極限位移值最大，水平承載力和極限位移值是隨軸壓比的提高呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，在軸壓比為1.1時(shí)表現(xiàn)出較好的承載力和延性性能。

4.3變形性能

試件的層間位移角及位移延性系數(shù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)表明：①各試件的彈性、彈塑性層間位移角值都滿足JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的鋼筋混凝土框架柱的彈性、彈塑性層間位移角限值;②通常認(rèn)為延性系數(shù)大于3的結(jié)構(gòu)具有良好的延性性能，從表中可以看出3根區(qū)域約束混凝土圓柱都具有較好的延性，且柱的延性是隨軸壓比增大而降低的。

4.4水平承載力

試件在屈服、峰值、極限三種狀態(tài)下的水平承載力如表2所示。從表中可以看出，區(qū)域約束混凝土圓柱的峰值荷載表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在軸壓比為1.1時(shí)試件的承載力最高。

5結(jié)論

（1）區(qū)域約束混凝土圓柱在破壞時(shí)保護(hù)層混凝土凸起均勻，剝落現(xiàn)象延遲發(fā)生，這表明其保護(hù)層混凝土具有更好的完整性，區(qū)域約束混凝土柱的破壞是有明顯預(yù)兆的延性破壞。

（2）區(qū)域約束混凝土圓柱在軸壓比為1.1時(shí)表現(xiàn)出最高的水平承載力、延性性能和耗能能力。因此可對(duì)其適當(dāng)放寬現(xiàn)行規(guī)范對(duì)軸壓比的限值，建議設(shè)計(jì)軸壓比取至1.1，使其抗震性能得到充分發(fā)揮。

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