混合配筋砼柱抗震特性的試驗(yàn)研究1)

趙廣旗 馬乾瑛 王作虎 劉杜

*(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安710061)

?(北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京100044)

眾所周知，鋼筋砼柱體構(gòu)件在鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用極其廣泛，因此，提升其結(jié)構(gòu)性能，從而節(jié)約建筑材料、提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有重要意義。在砼柱構(gòu)件中采用高強(qiáng)鋼筋與碳纖維增強(qiáng)塑料(carbon fiber reinforced plastic，CFRP)筋混合配筋，可以減小結(jié)構(gòu)震后的殘余變形，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、延性等短期力學(xué)性能，并實(shí)現(xiàn)抗疲勞、蠕變和耐腐蝕等長(zhǎng)期力學(xué)性能，使結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時(shí)具有損傷可控性能。

隨著建筑節(jié)能的理念越來(lái)越深入人心，近年來(lái)圍繞高強(qiáng)配筋砼構(gòu)件以及可恢復(fù)性功能構(gòu)件的研究逐漸成為工程界和學(xué)術(shù)界研究討論的熱點(diǎn)。邵方誠(chéng)等[1]通過(guò)OpenSees建立了結(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)模型，研究了綠色高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料柱在低周往復(fù)載荷作用下的抗震性能，發(fā)現(xiàn)加固厚度越大，極限承載力越大；極限壓縮應(yīng)變選值在-0.002～-0.006之間最為合適。張陸等[2]通過(guò)ANSYS軟件建立了非線性有限元超高強(qiáng)砼柱的計(jì)算模型，研究得到了剪跨比、配箍率、軸壓比等不同因素對(duì)結(jié)構(gòu)受力及應(yīng)變特征的影響規(guī)律。王德斌等[3]采用單一變量法，研究發(fā)現(xiàn)砼柱構(gòu)件在不同加載路徑和速率條件下的力學(xué)應(yīng)變性能有很大區(qū)別。金瀏等[4]根據(jù)箍筋約束作用對(duì)柱軸壓強(qiáng)度的影響機(jī)制與規(guī)律，通過(guò)理論分析與推導(dǎo)建立了箍筋約束砼柱軸壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)的半理論-半經(jīng)驗(yàn)公式。鄧宗才[5]總結(jié)了纖維增強(qiáng)聚合物約束混凝土的本構(gòu)模型最新研究進(jìn)展，分析了影響本構(gòu)模型的主要因素，如約束應(yīng)力的計(jì)算等。史若凡等[6]進(jìn)行了鋼筋混凝土柱在高軸壓比的低周往復(fù)載荷試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)柱端外包鋼板網(wǎng)約束可有效提高試件承載力、延性和耗力，增強(qiáng)試件的抗震性能。任治章[7]從理論上探討了考慮徐變和卸載影響時(shí)鋼筋砼柱最大配筋率的意義及特點(diǎn)，并導(dǎo)出了最大配筋率的計(jì)算公式。趙晨輝等[8]總結(jié)了不同縱筋灌漿連接形式下裝配式鋼筋混凝土柱的抗震性能，分析出目前裝配式鋼筋混凝土柱灌漿連接技術(shù)應(yīng)用存在的問題，并對(duì)今后縱筋灌漿連接裝配式鋼筋混凝土柱的研究發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。張萍等[9]對(duì)高強(qiáng)配筋砼柱進(jìn)行了低周期加載反復(fù)試驗(yàn)，研究了高強(qiáng)鋼筋砼柱的抗震性能及應(yīng)變性能，發(fā)現(xiàn)在低軸壓比情況下，體積配箍率變化對(duì)柱的抗震性能影響較?。辉诟咻S壓比情況下，體積配箍率較大的柱，其骨架曲線下降段更加平緩，且極限位移更大。劉鋒等[10]通過(guò)對(duì)不同模量管材(聚乙烯，高密度聚乙烯，聚氯乙烯，鋼)包裹下的軸壓混凝土圓柱的內(nèi)部細(xì)觀力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得到不同材料外包條件下軸壓混凝土柱破壞規(guī)律。

本文采用控制變量法，對(duì)不同混凝土類別、不同軸壓比以及是否添加CFRP筋黏結(jié)等單一變量條件下進(jìn)行了相同截面尺寸的高強(qiáng)混合配筋砼柱抗震加載試驗(yàn)，探究不同因素對(duì)混凝土柱位移延性、剛度退化和耗能能力等抗震性能指標(biāo)的變化規(guī)律。以期為高強(qiáng)混合配筋砼柱的推廣與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)柱試件設(shè)計(jì)

根據(jù)砼類型、軸壓比以及是否進(jìn)行CFRP筋表面處理等研究參數(shù)，共設(shè)計(jì)制作了2根高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)砼柱(對(duì)照組)和7根CFRP筋-高強(qiáng)鋼筋混合配筋高強(qiáng)砼柱(試驗(yàn)組)。柱截面邊長(zhǎng)為300 mm×300 mm，計(jì)算高度為900 mm，所有方柱試件剪跨比均為3.0。試件詳細(xì)尺寸和配筋細(xì)節(jié)如表1及圖1所示。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置包括電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、DH3820Net靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)、位移傳感計(jì)、力傳感器、電阻應(yīng)變片、千斤頂、滑輪與螺栓等。試驗(yàn)加載裝置以及實(shí)況圖如圖2所示。

3 試驗(yàn)靜力加載制度

根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際工況，通過(guò)豎向作動(dòng)器單調(diào)施加軸力至預(yù)定值，持載15 min左右，豎向軸力保持恒定不變。

每級(jí)正反向各加載1次，達(dá)到開裂時(shí)，記錄開裂載荷Fcr和開裂位移Δc(取距支座表面900 mm處橫向加載端中部的位移值)。構(gòu)件開裂后，按水平位移控制加載，以nΔc為級(jí)差逐級(jí)遞增，各級(jí)位移加載反復(fù)循環(huán)1次。持續(xù)加載直至高強(qiáng)鋼筋拉應(yīng)變大于3000微應(yīng)變，即視為高強(qiáng)鋼筋屈服，試件達(dá)到屈服位移Δy，記錄此時(shí)的屈服載荷值和屈服位移，拍照并標(biāo)記裂縫形態(tài)和測(cè)量裂縫寬度。加載結(jié)束時(shí)，拍照并標(biāo)記裂縫形態(tài)和寬度。完成該級(jí)加載后，使橫向載荷和豎向載荷均回到零點(diǎn)，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，結(jié)束試驗(yàn)。

表1 柱抗震實(shí)驗(yàn)構(gòu)件明細(xì)表

圖1 高強(qiáng)混合配筋砼柱結(jié)構(gòu)配筋圖(單位：mm)

圖2 抗震實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備圖

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

各試件的載荷特征值及位移延性系數(shù)如表2所示，可以看出，在相同軸壓比(n=0.12)下，相較于高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)砼柱(S16S16N2C3)，高強(qiáng)混合配筋砼柱(S16F10N2C3)的屈服載荷相同，但屈服位移提高了27.3%；相較于高強(qiáng)砼混合配筋柱(S16F10N1C3)，高強(qiáng)鋼纖維砼混合配筋柱(S16F10N1H)和活性粉末砼混合配筋柱(S16F10N1U)的屈服載荷分別提高了10.4%和11.2%，屈服位移分別提高了15.7%和23.5%。

4.1 滯回曲線

各試件滯回曲線如圖3所示，可以看出，與一般的配筋砼柱相比，高強(qiáng)鋼纖維砼柱(S16F10N1H)和RPC柱(S16F10N1U)的滯回曲線具有典型的“弓形”特征。與未配置CFRP筋的試件S16S16N2C3相比，雖然參照試件S16F10N2C3具有相近的承載能力和變形能力，但所有混合配筋柱的滯回曲線在卸載時(shí)的捏攏現(xiàn)象更加明顯，即斜裂縫閉合復(fù)原性更好。

表2 各試件的載荷特征值及位移延性系數(shù)

圖3 各試件滯回曲線

在軸壓比相同下，相比于高強(qiáng)混合配筋柱(S16-F16N1C3)，高強(qiáng)鋼纖維混合配筋砼柱(S16F10N1H)和高強(qiáng)混合配筋RPC柱(S16F10N1U)的峰值載荷分別增長(zhǎng)了103%和112%；在不同軸壓比下，隨著軸壓比的增大，高強(qiáng)混合配筋柱的延性系數(shù)和耗能能力均明顯減小，而承載能力顯著增大，但變形能力有所降低，這與普通鋼筋砼類似。與試件S16F10N1C3相比，試件S16F10N2C3與試件S16F10N3C3的峰值載荷分別提高了36.3%和41.6%，但極限位移分別降低了4.4%和22.7%。

4.2 骨架曲線

不同試件的骨架曲線如圖4所示?？梢钥闯?，初始剛度相同時(shí)，在彈塑性階段，伴隨裂縫的不斷發(fā)展和內(nèi)部損傷累積，試件剛度也逐漸減小，骨架曲線在達(dá)到峰值載荷后開始保持穩(wěn)定。而在最后破壞階段，承載能力逐漸下降，骨架曲線呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。

在相同軸壓比下，三種高強(qiáng)砼試件在彈性階段的骨架曲線基本重合，進(jìn)入平臺(tái)期后，高強(qiáng)鋼纖維砼柱(S16F10N1H)和RPC柱(S16F10N1U)的骨架曲線仍能保持一致，但采用普通C80的高強(qiáng)砼柱(S16F10N1C3)的屈服后區(qū)段明顯低于前者，由此表明砼的類型對(duì)各試件極限承載力和屈服后剛度具有顯著的影響。

圖4 柱骨架曲線的對(duì)比圖

與有黏結(jié)CFRP筋的混合配筋試件(S16F10N-2C3)相比，無(wú)黏結(jié)筋的(S16F10N2C3-)試件的骨架曲線屈服后區(qū)段明顯出現(xiàn)下降，顯示了較小的峰值載荷，但采用高強(qiáng)纖維砼的無(wú)黏結(jié)CFRP筋混合配筋(S16F10N1H-)的骨架曲線與有黏結(jié)試件基本重合，顯示出較好的承載能力和屈服后剛度。

4.3 剛度及耗能能力

4.3.1 割線剛度

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101-2015)，試件的剛度可用割線剛度Ki來(lái)表示，Ki的計(jì)算公式為

式中，+Fi和-Fi分別為第i次加載正、反峰值點(diǎn)的載荷值；+Xi和-Xi分別為第i次加載正、反方向最大位移值。

根據(jù)Ki的計(jì)算公式，得出所有試件的剛度，其退化曲線如圖5所示。圖5表明：高強(qiáng)混凝土混合配筋柱(S16F10N1C3)的初始剛度低于高強(qiáng)鋼纖維混凝土混合配筋柱(S16F10N1H)，RPC柱(S16F10N1U)的初始剛度最大。高強(qiáng)砼柱的剛度退化曲線均比較接近，高強(qiáng)砼柱的剛度隨橫向位移退化明顯，這是因?yàn)楦邚?qiáng)砼柱的內(nèi)部裂縫發(fā)展耗散了大量能量并最終趨于平穩(wěn)。

4.3.2 耗能能力

依據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101-2015)，低周期反復(fù)載荷試驗(yàn)中，耗能能力Et取各級(jí)載荷下高強(qiáng)砼柱的滯回曲線所包圍的面積，如圖5所示。高強(qiáng)砼柱的的累計(jì)總耗能如表3所示，累計(jì)能量耗散率可由各級(jí)載荷下的滯回環(huán)面積Et，除以整個(gè)加載周期試件的總耗能En得到，圖6是各試件的累計(jì)能量耗散率與加載點(diǎn)水平位移之間的關(guān)系曲線。

圖5 試件剛度退化曲線

表3 試件的累計(jì)總耗能值

圖6 各級(jí)載荷下試件的耗能情況圖

由表3、圖6和圖7可見，高強(qiáng)鋼筋達(dá)到屈服以后，在彈塑性變形階段，試件的變形能力和耗能能力明顯增強(qiáng)；鋼纖維混合配筋砼柱(S16F10N1H)的總耗能量明顯高于普通混合配筋高強(qiáng)砼試件，且在高強(qiáng)鋼筋配筋率只有對(duì)照組試件(S16S16N2C3)一半的情況下，鋼纖維混合配筋砼柱(S16F10N1H)擁有接近于其的總耗能量，表現(xiàn)出良好的耗能能力。

圖7 累計(jì)能量耗散率圖

不同等效黏滯阻尼系數(shù)對(duì)比如圖8所示，可見，在裂縫出現(xiàn)和高強(qiáng)鋼筋屈服前后，等效黏滯阻尼系數(shù)均出現(xiàn)了一定程度的下探，之后便繼續(xù)抬頭上升，直至達(dá)到極限狀態(tài)。在相同的軸壓比和水平位移作用下，試件S16F10N1U的等效阻尼系數(shù)最高，S16F10N1H與S16F10N1C3其次，S16F10N1H-最低，由此可見采用RPC和鋼纖維混凝土可以顯著提高高強(qiáng)砼試件的耗能能力。添加鋼纖維可有效提高混合配筋砼柱的承載能力和變形能力，具有穩(wěn)定的屈服后剛度，但耗能能力和延性變化不大。通過(guò)比較累計(jì)耗能量和等效黏滯阻尼系數(shù)，可以看出，混合配筋試件表現(xiàn)出穩(wěn)定的承載能力和變形能力，在地震載荷作用下，混合配筋柱能夠在較小的強(qiáng)度損失下耗散能量，這有助于防止由強(qiáng)度退化和砼柱在大位移角下發(fā)生倒塌。

5 結(jié)論

(1)高強(qiáng)混合配筋砼柱的破壞模式具有典型的延性破壞特征。混合配筋砼柱和RPC柱均表現(xiàn)出很好的延性和耗能能力，相同條件下，RPC柱的承載能力高于混合配筋砼柱，但耗能能力和延性系數(shù)略低。

(2)對(duì)于相同尺寸、相同砼類別柱體構(gòu)件，增大構(gòu)件軸壓比，可提升承載能力，但延性和耗能能力卻明顯降低。在低軸壓比下，所有有黏結(jié)混合配筋高強(qiáng)砼柱具有穩(wěn)定的屈服后剛度，在中高軸壓比下，有黏結(jié)混合配筋高強(qiáng)砼柱表現(xiàn)出負(fù)的屈服后剛度：無(wú)黏結(jié)混合配筋砼柱的屈服后剛度表現(xiàn)出先穩(wěn)定后下降的變化規(guī)律。

圖8 等效黏滯阻尼系數(shù)對(duì)比

(3)對(duì)于相同尺寸、相同砼類別柱體構(gòu)件，添加鋼纖維可有效提高混合配筋砼柱的承載能力和變形能力。柱體構(gòu)件彈性段剛度隨鋼纖維配筋率的增大而增大，且具有穩(wěn)定的屈服后剛度，但耗能能力和延性變化不大。添加CFRP黏結(jié)可提高變形能力，CFRP配筋率越大，柱體構(gòu)件變形能力越好，極限承載力也隨之小幅度提升。

(4)對(duì)于相同尺寸、相同軸壓比、相同高強(qiáng)鋼筋配筋率，不同混凝土強(qiáng)度類別條件下，砼柱構(gòu)件在彈性段剛度基本相同，但隨著混凝土強(qiáng)度增大，試件承載力提高。