高軸壓比高強鋼筋混凝土柱斜向抗震性能研究

史若凡劉春陽李飛郭長群于桂欣

(1. 山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101；2.建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，山東濟南250101)

0 引言

大量建筑震害現(xiàn)象表明，按照抗震規(guī)范[1]“強柱弱梁”理念設計的鋼筋混凝土框架結構破壞嚴重，破壞時沒有出現(xiàn)梁鉸而柱端出現(xiàn)塑性鉸，大量框架柱比框架梁破壞嚴重[2-4]。 導致這種現(xiàn)象的重要原因是地震作用的多維性和任意性，這在實際地震中結構平面內(nèi)任意方向都有可能成為其最不利方向。 隨著高層建筑逐漸增多，作用到柱子上的豎向荷載也越來越大，致使高于框架結構柱軸壓比限值[5]的高軸壓比鋼筋混凝土柱越來越多。 地震時，高軸壓比柱破壞會更嚴重，因此如何改善高軸壓比鋼筋混凝土柱在斜向地震作用下的抗震性能是防災領域研究人員急需解決的問題。

眾多學者對斜向地震下鋼筋混凝土柱的斜向抗震性能進行了研究。 李宏男等[6]指出了柱在雙向荷載作用下的承載力和延性較單向荷載作用時有較大幅度下降，且構件的強度退化和剛度退化現(xiàn)象也更為嚴重。 Del Zoppo 等[7-8]通過使用特定的簡化數(shù)值模型和雙向壓彎試驗對鋼筋混凝土柱進行研究，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土柱受到雙向壓彎作用后其變形能力會降低，且變形能力的降低程度要高于其強度的降低。 張建偉等[9]開展了大尺寸HRB 600 級鋼筋高強混凝土柱在工程實際軸壓比條件下的研究，指出其不僅具有良好的滯回能力和耗能能力，而且小震后可恢復性能較好。 李義柱等[10]對比分析了配置600 MPa 級鋼筋混凝土柱和普通鋼筋混凝土柱的抗震性能，認為其可有效減緩試件的累計損傷，提高試件的承載力，降低裂縫發(fā)展速度。 蘇俊省等[11]針對矩形截面鋼筋混凝土柱進行了擬靜力試驗，結果表明高強縱筋和箍筋等強度代換普通鋼筋時，用鋼量相同時，高強鋼筋可以明顯提高試件的抗震能力，因此采用高強鋼筋在一定程度上可以節(jié)約鋼筋用量。 李遠瑛等[12]對高軸壓比高強鋼筋混凝土柱進行低周反復水平荷載試驗，指出采用高強焊接箍筋和復合箍筋可以增強混凝土的約束作用，進而改善柱子的抗震性能。 宋坤等[13]研究了截面角部集中配筋的鋼筋混凝土柱的斜向抗震性能，指出此種加固方法提高了鋼筋混凝土柱的承載力、耗能能力和變形能力。 李振寶等[14]對鋼板網(wǎng)約束下高強混凝土柱的抗震性能進行了分析，得到低軸壓比下柱端外包鋼板網(wǎng)的良好的加固效果。 Morshed等[15]研究了鋼板網(wǎng)約束下短柱的抗震性能，其鋼板網(wǎng)約束可以有效改善試件的延性和抗剪能力。

基于上述研究，提出了縱筋向截面角部偏移和柱端外包鋼板網(wǎng)兩種加固方案，用以改善鋼筋混凝土柱在斜向地震作用下的抗震性能，并對斜向地震作用下高軸壓高強鋼筋混凝土柱進行低周反復加載試驗，研究了高軸壓比下高強鋼筋混凝土柱的破壞機理，分析了兩種加固方案對試件的破壞特征、滯回性能、承載力、延性及累積滯回耗能等抗震性能指標的影響，以期為上述方案應用于實際結構提供參考。

1 材料與方法

1.1 試件設計

試驗共設計了3 個鋼筋混凝土柱試件，軸壓比均為1.0。 隨著高層及超高層建筑越來越多，鋼筋混凝土柱的軸壓比臨近規(guī)范限值，但是在遭受強烈豎向地震動時，鋼筋混凝土柱的軸壓比非常容易超出限值。 另外，隨著建筑使用功能的改變，結構增層的現(xiàn)象也越來越多，導致柱的軸壓比很高，所以將試件軸壓比選為1.0。 各試件的編號及設計參數(shù)見表1。所有試件采用45°斜向加載，其中LC-1 為對比試件，無外部約束；LC-2 為縱筋偏移無外部約束；LC-3為縱筋偏移外包鋼板網(wǎng)。 其中，縱筋偏移為與角部縱筋相鄰的兩根縱向鋼筋向角部偏移3d(d為縱筋直徑)。 3 個柱截面尺寸均為300 mm ×300 mm，加載點距柱底的高度為1 200 mm，剪跨比為4。 混凝土保護層厚度為20 mm，混凝土強度等級為C40，立方體抗壓強度為60.4 MPa，軸心抗壓強度為45.3 MPa，彈性模量為3.6×104MPa。 試件均采用12 根直徑為16 mm 的HTRB 630 級高強縱筋，沿截面均勻分布，配筋率為2.68%。 箍筋采用直徑為8 mm 的HTRB 630 級箍筋，間距為50 mm，采用井字形復合箍的配箍形式，體積配箍率為1.94%。 鋼板網(wǎng)采用圓孔鋼板網(wǎng)，其外包高度、厚度、圓孔直徑和孔間距分別為300、3、5、5 mm，材料強度等級為Q235，材料屈服強度、極限強度和彈性模量分別為208、313 和1.68×105MPa。 試件尺寸及截面配筋示意圖如圖1所示。 鋼筋的力學性能參數(shù)見表2。

表1 試件設計主要參數(shù)表

表2 鋼筋性能表

制作試件時，首先綁扎鋼筋骨架，為了試驗加載時方便，將斜向加載的柱身截面與底座呈45°夾角布置，無約束的試件LC-1 在鋼筋骨架綁扎完成后直接進行支模、澆筑混凝土。 對于試件LC-2、LC-3，將試件截面與角筋相連的縱筋向角筋偏移，其中偏移距離為3 倍縱筋直徑。 對于端部采用圓孔鋼板網(wǎng)約束的試件LC-3，將圖2(a)所示的U 形卡扣套在縱筋上，穿過螺桿，擰緊螺母，使其固定在圖2(b)和圖3(a)中的縱筋與箍筋節(jié)點處。 在鋼筋骨架外側放置鋼板網(wǎng)，使其內(nèi)表面與U 形卡扣90°彎折部分外側貼緊，端部與柱底留5 mm 縫隙，保證鋼板網(wǎng)在提供約束的同時不參與柱端的受力，并在局部纏繞扎絲使其固定，連接好鋼板網(wǎng)后的鋼筋骨架如圖3(b)所示。 再支模澆筑混凝土，澆筑完成后，鋼板網(wǎng)外表面與柱表面齊平，以期通過這種加固措施提高對柱端混凝土的約束程度，提高柱的抗震性能。

圖2 限位裝置示意圖

圖3 試件施工圖

1.2 加載方案

在建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室進行試驗。 根據(jù)現(xiàn)場試驗裝置，對試件各面進行規(guī)定，以正西柱角為起點順時針旋轉試件。 先施加按照軸壓比設計的豎向荷載，達到預定軸力后保持恒定，隨后施加水平荷載。 水平荷載采用低周反復加載方式，加載過程中規(guī)定:推力對應的荷載和位移為正向，拉力對應的荷載和位移為負向。 試驗采用位移控制方式，每級加載位移循環(huán)兩次，直至荷載下降至峰值荷載的85%或試件無法繼續(xù)加載時，停止加載，試驗結束。 試驗加載制度如圖4 所示。 用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加載荷載與柱端加載點處位移，以其為依據(jù)繪制滯回曲線，并通過人工觀察測繪裂縫，圖5、6 分別為試驗加載裝置和各試件觀測面定義圖。

圖4 加載制度示意圖

圖5 加載裝置示意圖

圖6 試件觀測面定義示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞特征分析

各試件破壞特征如圖7 所示。

圖7 各試件最終破壞形態(tài)圖

對于試件LC-1，位移為2 mm 時，在試件東面距柱底250 mm 處出現(xiàn)第一條水平裂縫。 位移為6 mm 時，原有水平裂縫延伸，東南面出現(xiàn)第一條豎向裂縫，西南面出現(xiàn)基底裂縫。 位移為15 mm 時，東北面距柱底150 mm 處出現(xiàn)水平貫通裂縫，試件西面角部250 mm 處出現(xiàn)豎向裂縫，正東角底部出現(xiàn)200 mm 長豎向裂縫，東南面出現(xiàn)斜裂縫。 隨著加載位移的增加，新的水平裂縫不斷出現(xiàn)，原有裂縫逐漸加寬延伸，東西兩面的水平裂縫呈水平發(fā)展趨勢，且在中上部出現(xiàn)一些細小斜裂縫。 位移為20 mm時，正西角裂縫加寬，試件東面根部出現(xiàn)水平裂縫。 正東角底部混凝土開始脫落。 東側混凝土破壞情況比西側更嚴重。 位移為30 mm 時，西南面、東北面距柱底200 mm 處混凝土明顯開裂。 位移為40 mm時，試件東側混凝土鼓起，聽到噼啪聲。 此時出現(xiàn)多道豎向裂縫，東北面柱底箍筋露出，試件開裂嚴重。 位移為70 mm 時，塑性鉸區(qū)混凝土大面積脫落，正西角縱筋底部壓彎。 停止加載，試驗結束，試件最終呈彎曲破壞特征。

對于試件LC-2，位移為6 mm 時，在距柱底150 mm范圍內(nèi)正東角出現(xiàn)多道水平裂縫。 位移為10 mm 時，西南西北面距柱底20 mm 范圍內(nèi)出現(xiàn)較長水平裂縫，東北面出現(xiàn)水平貫通裂縫，東南面第一次出現(xiàn)豎向裂縫。 位移為15 mm 時，東南面中下部出現(xiàn)多道豎向裂縫，東北面混凝土出現(xiàn)多道較寬豎向裂縫，大塊混凝土有脫落的現(xiàn)象，西北面距柱底100 mm 處出現(xiàn)水平貫通裂縫。 位移為20 mm 時，東北面中部混凝土外皮脫落，東南面柱中部出現(xiàn)多道細小豎向裂縫。 位移為30 mm 時，東北柱底混凝土脫落，東南面大量密集裂縫。 原有裂縫延伸，早期裂縫加寬。 位移為40 mm 時，東南面出現(xiàn)兩道水平貫通裂縫，東北面底部混凝土壓碎，北側兩面混凝土比南側兩面混凝土破碎嚴重。 位移為50 mm 時，正東角、正西角底部箍筋相繼露出，鋼筋屈服。 位移為80 mm 時，縱筋被拉斷，試件喪失承載力，試驗結束，試件最終呈彎曲破壞特征。

對于試件LC-3，位移為6 mm 時，東南、東北面距鋼板網(wǎng)240 mm 處出現(xiàn)兩條水平裂縫，西南、西北面鋼板網(wǎng)上部出現(xiàn)水平裂縫。 位移為10 mm 時，東南面出現(xiàn)第一條豎向裂縫，西北面出現(xiàn)第一條豎向裂縫。 位移為15 mm 時，東南面出現(xiàn)多道豎向裂縫；位移為20 mm 時，鋼板網(wǎng)邊緣有部分混凝土開裂，東南面混凝土少許脫落。 這是因為混凝土與鋼板網(wǎng)連接處存在應力集中，破壞現(xiàn)象明顯。 位移為25 mm 時，原有裂縫加寬，新出現(xiàn)的裂縫以斜裂縫為主。 位移為30 mm 時，縱筋屈服，鋼板網(wǎng)上原有混凝土部分脫落，鋼板網(wǎng)與混凝土有分離。 位移為40 mm 時，正東角混凝土脫落。 位移為90 mm 時，鋼筋拉斷，試驗結束。 試驗結束后，切開鋼板網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)鋼板網(wǎng)上部包裹的混凝土脫落程度較輕，柱底混凝土部分脫落，箍筋露出，但柱身基本完好。 試件最終呈彎曲破壞特征。

總體來看，各個試件最終破壞特征均為彎曲破壞。各個試件沿45°加載方向的軸線相鄰兩面破壞程度比較一致，東南面和東北面、西南面和西北面的破壞程度均比較對稱。 混凝土破壞出現(xiàn)在試件加載方向軸線對應的兩個角部。 柱端外包鋼板網(wǎng)的試件LC-3，其破壞程度遠小于LC-1 和LC-2。

2.2 滯回曲線

各試件的水平荷載—位移滯回曲線如圖8 所示。 滯回曲線是在循環(huán)往復荷載作用下，力和位移的關系曲線，是評估構件抗震性能的重要指標之一。加載初期，荷載和位移基本呈線性關系，滯回環(huán)面積較小，殘余變形亦小。 加載后期，滯回環(huán)更加飽滿，累積耗能增加。

LC-2 與LC-1 相比，LC-2 滯回環(huán)的面積比沒發(fā)生縱筋偏移的試件LC-1 更大，說明縱筋偏移可以改善耗能能力，尤其是負向的耗能能力。 LC-3外包鋼板網(wǎng)后的滯回環(huán)更加飽滿圓滑，中部捏攏較輕，說明外包鋼板網(wǎng)顯著提高了耗能能力。 其極限位移明顯增加，所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)更多，滯回性能得到改善。 LC-3 的滯回曲線在峰值荷載點之后下降趨勢比LC-2 更緩慢，說明外包鋼板網(wǎng)加強了對混凝土的約束，進而可以降低試件的強度退化的程度。

總體來看，相比普通試件，采用縱筋偏移和柱端外包鋼板網(wǎng)的試件其滯回曲線更為飽滿，這說明縱筋偏移和柱端外包鋼板網(wǎng)均可改善試件的滯回性能，且柱端外包鋼板試件改善效果更佳。

圖8 各試件水平荷載—位移滯回曲線圖

2.3 承載力、延性

由于骨架曲線上沒有明顯開裂點，故以屈服點、峰值荷載、極限荷載作為特征點，用等能量法求屈服荷載和屈服位移。 各試件的承載力及延性系數(shù)見表3。

與LC-1 相比，LC-2 屈服荷載、峰值荷載和極限荷載分別降低了7%、5%和6%。 其原因是混凝土脫落較明顯，鋼筋混凝土柱破壞嚴重，鋼筋和混凝土之間的粘結性較差，LC-1 存在初始損傷，導致縱筋偏移對承載力提高并不明顯。 與LC-1 相比，LC-2延性系數(shù)、屈服位移和極限位移分別增加了3%、8%和7.3%，說明縱筋偏移可以改善試件延性。

LC-3 與LC-2 相比，其屈服荷載、峰值荷載和極限荷載分別提高了16%、17%和17%，說明外包鋼板網(wǎng)可以提高承載力；屈服位移、極限位移和延性系數(shù)分別增加了16%、17.5%和1%，說明柱端外包鋼板網(wǎng)可以改善試件延性，但改善效果并不顯著。

總體來看，縱筋偏移的試件LC-2 與普通配筋試件LC-1 相比，承載力小幅提升。 這主要是由于試件LC-2 鋼筋和混凝土之間的粘結性較差，混凝土脫落較嚴重，塑性鉸區(qū)域較大，鋼筋混凝土柱破壞嚴重。 試件LC-3 與試件LC-2 相比，柱端外包鋼板網(wǎng)顯著提高試件LC-3 的承載力。 這是因為鋼板網(wǎng)為混凝土保護層提供了側向約束，提高了試件內(nèi)部混凝土的強度，減少了混凝土的脫落，延緩了裂縫的出現(xiàn)。

表3 各試件承載力及延性系數(shù)表

2.4 耗能能力

累積滯回耗能是指試件開始加載到極限位移點時滯回曲線各滯回環(huán)所包圍的面積之和，累積滯回耗能越大，抗震性能越好，各試件累積耗能計算結果見表4。

表4 各試件累積耗能表

試件LC-2 的耗能能力高于LC-1 的耗能能力，提高幅度約為5%，說明縱筋偏移對柱的耗能能力有改善作用，但其提升效果并不顯著。 試件LC-3耗能能力高于LC-2，提高幅度為43%。 這是由于外包鋼板網(wǎng)約束減緩了試件的破壞過程，試件損傷更為嚴重，耗能更多，說明柱端外包鋼板網(wǎng)可大幅度的提高對柱的耗能能力，具有更好的加固作用。

2.5 二階效應

軸向力在結構產(chǎn)生側移或扭曲變形時會引起附加作用效應，即二階效應。 定義試件所受總彎矩M＝PΔ＋FH，其中F為柱頂水平力；H為柱的計算高度。 選取屈服點、峰值荷載點和極限荷載點為特征點。 各試件的PΔ與FH各占總彎矩的比例如圖9所示。 橫坐標為各特征點的水平位移，縱坐標為PΔ與FH各自占總彎矩的比例。 試件在試驗的往復加載過程中，隨著位移增大，二階效應彎矩所占截面總彎矩的比例增大。

圖9 各試件P-Δ 與FH 效應所占比例柱狀圖

3 結論

通過上述研究可知:

(1) 同普通試件相比，縱筋偏移的鋼筋混凝土試件明顯改善了延性，大幅度提高了耗能能力，但對承載力的提升并不顯著。

(2) 同普通試件相比，鋼筋混凝土柱采用柱端外包鋼板網(wǎng)約束后，可以顯著提高其承載能力、延性、耗能能力，大幅度提高抗震性能。

(3) 柱端外包鋼板網(wǎng)和柱截面縱筋偏移的方法均可有效改善高軸壓比鋼筋混凝土柱的斜向抗震性能。 綜合考慮，柱端外包鋼板網(wǎng)和縱筋偏移均是有效的加固方式。