高強鋼筋約束混凝土柱的抗震性能

由 堯

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著建筑材料的開發(fā)和建筑結(jié)構(gòu)形式的不斷演變,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為我國建筑的主要結(jié)構(gòu)形式,在我國近年來地震頻發(fā)的背景下,如何加強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抵御地震所帶來的危害的能力已成為建筑行業(yè)科研工作者共同關(guān)注的話題。為了減少地震對人民生命和財產(chǎn)帶來的損失,從建筑材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā),開發(fā)出具有高抗震性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)勢在必行[1]。對于鋼混結(jié)構(gòu)來說,影響整體結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵部位在混凝土柱部位。已有的試驗結(jié)果表明,地震發(fā)生過程中混凝土柱會發(fā)生表層剝落以及鋼材屈曲等現(xiàn)象[2],因此,需要從提升混凝土柱抗震性能的角度去開發(fā)新的建筑材料和進行新型結(jié)構(gòu)設(shè)計。雖然近年來建筑行業(yè)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上已經(jīng)取得了較快的進展,如開發(fā)出不同的箍筋形式去約束混凝土、提高水泥強度和改變配合比設(shè)計等[3-4],但是這些固有方案都無法改變混凝土自身脆性的問題,而箍筋可以對混凝土起到較好的約束作用,增加整體結(jié)構(gòu)的強度和延性[5]。目前,國內(nèi)外在鋼筋約束混凝土的研究和應(yīng)用上,還多采用普通熱軋鋼筋(強度通常在400 MPa左右)[6],在我國建筑鋼材產(chǎn)量和消耗量居于世界前列的背景下,目前鋼混結(jié)構(gòu)使用的鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)顯然與鋼筋的生產(chǎn)能力與技術(shù)嚴(yán)重不符,雖然國內(nèi)較多鋼材生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)可以生產(chǎn)出強度1 000 MPa以上的鋼筋原材,但就產(chǎn)量和技術(shù)水平與日本等發(fā)達國家相比差距較大[7],相較而言,我國的鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用仍然處于一個較低水平,有關(guān)行業(yè)單位及部門尚未意識到高強箍筋的潛在作用,對其應(yīng)用與推廣不夠積極。在此基礎(chǔ)上,為了充分利用我國現(xiàn)有鋼鐵生產(chǎn)能力以及發(fā)揮高強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能,本文對比分析了普通鋼筋和高強鋼筋對于鋼筋混凝土柱抗震性能的差異,結(jié)果將有助于高強建筑鋼材在鋼混結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用。

1 材料與試件制作

試驗材料包括唐山水泥公司提供的強度等級PO 42.5的硅酸鹽水泥,江蘇沙鋼集團有限公司提供的熱軋箍筋(強度400 MPa,直徑6～8 mm)、調(diào)質(zhì)熱處理箍筋(1 100 MPa,直徑5～6 mm)和熱軋帶肋縱向鋼筋(強度400 MPa,直徑12 mm)。

高強鋼筋高強混凝土柱的設(shè)計參數(shù)如表1。其中,混凝土立方體抗壓強度=59.2 MPa、剪跨比=1.4、軸壓比=0.5,A1、B1和C1試件為普通箍筋混凝土柱,B1、B2和B3試件為高強箍筋混凝土柱,所有試件的縱筋(直徑12 mm)均為12根(配筋率2.36%)、箍筋形式均為螺旋箍,高強鋼筋高強混凝土柱的保護層厚度統(tǒng)一設(shè)計為25 mm。6組高強鋼筋高強混凝土柱的設(shè)計主要考慮了間距、配筋率等的影響。

表1 高強箍筋約束高強混凝土柱的設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of high-strength concrete columns confined by high-strength stirrups

在鋼混結(jié)構(gòu)實驗室進行了6組箍筋約束混凝土試件的制作,具體包括制作捆綁箍筋、混凝土制作、澆注和養(yǎng)護等步驟,然后對高強鋼筋混凝土試件進行應(yīng)變片粘貼和對試件進行編號。采用建研式加載設(shè)備對6組試件進行加載,加載裝置示意圖如圖1。采用荷載和位移兩種模式進行加載[8],其中,前者對應(yīng)于屈服前的加載階段,后者對應(yīng)于屈服后的加載,實驗過程中如發(fā)現(xiàn)整體試件的承載力降低至峰值載荷1/2以下時停止試驗。應(yīng)變片的設(shè)置示意圖如圖2,其中,所有的數(shù)據(jù)都采用TDS-540型靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行收集,截面形貌中可見每組試件設(shè)置有10個應(yīng)變片,前6個為縱筋應(yīng)變片,后4個為箍筋應(yīng)變片。

圖1 6組箍筋約束混凝土試件的加載裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading device of 6 groups of concrete specimens confined by stirrups

圖2 6組箍筋約束混凝土試件的應(yīng)變片布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of arrangement of strain gauge of 6 groups of concrete specimens confined by stirrups

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 破壞形態(tài)

圖3為高強箍筋約束高強混凝土柱的破壞形態(tài),包括普通箍筋約束混凝土和高強箍筋約束混凝土。對比分析可知,在相同的加載制度下,不同配筋率和箍筋間距的普通箍筋約束混凝土和高強箍筋約束混凝土柱都發(fā)生了剪切破壞,最終破壞過程都相似。按照加載方式對6組鋼筋混凝土試件的破壞過程進行分析,在第一個加載階段,即屈服前的荷載控制加載階段,所有試件在開始承受載荷時都表現(xiàn)為彈性形變特征,隨后的卸載過程中也未發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土試件有明顯塑性變形,這主要與混凝土為脆性材料有關(guān);隨著加載的進行,普通鋼筋混凝土柱和高強鋼筋混凝土柱的東西側(cè)表面都會首先出現(xiàn)細小裂紋,而南北側(cè)表面則主要以斜裂紋為主;在反復(fù)作用下,這些裂紋會逐漸擴展和延伸并最終交叉形成“X”型。在第二個加載階段,即屈服后的位移控制加載階段,6組鋼筋混凝土試件的外表面防護層會不同程度地發(fā)生剝落并伴隨著噼里啪啦的響聲;主裂紋位于1/3柱高處,隨著位移控制加載的進行,裂紋逐漸擴展并連通,循環(huán)加載過程中主裂紋的寬度會不斷增加,直至第4周次循環(huán)時達到2 mm左右。此時外表面保護層已經(jīng)發(fā)生明顯剝落,局部可見內(nèi)部設(shè)置的鋼筋發(fā)生屈曲,整體試件的承載能力很快下降至1/2峰值載荷以下;雖然普通箍筋約束混凝土和高強箍筋約束混凝土都發(fā)生了外側(cè)保護層剝落以及內(nèi)置鋼筋屈曲現(xiàn)象,但是核心區(qū)域的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)卻未見壓碎,體現(xiàn)出螺旋箍形式對混凝土的良好約束作用。

圖3 高強箍筋約束高強混凝土柱的破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of high-strength concrete columns confined by high-strength stirrups

2.2 箍筋約束混凝土柱的承載能力及延性

在對鋼筋約束混凝土結(jié)構(gòu)進行抗震性能分析時,考察鋼混結(jié)構(gòu)的承載能力和延性是常用的方式,這主要是因為延性好的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可以通過屈服后的較大變形吸收和耗散地震能量。本文采用位移延性系數(shù)來分析普通箍筋約束混凝土柱和高強箍筋約束混凝土柱的延性性能,其表達式為μ=Δu/Δy.式中Δu為構(gòu)件的極限位移,取骨架曲線上荷載下降至峰值荷載的85%時所對應(yīng)的位移,Δy為構(gòu)件的屈服位移,采用等能量法確定。表2為高強箍筋約束高強混凝土柱的承載能力與延性指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果。

表2 高強箍筋約束高強混凝土柱的承載能力與延性指標(biāo)Table 2 Bearing capacity and ductility index of high-strength concrete columns confined by high-strength stirrups

對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言,地震作用下的鋼混結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)越大,相應(yīng)吸收的地震能量會越多,即保證整體結(jié)構(gòu)雖然會經(jīng)過較大的塑性變形,但是不至于造成整體破壞和倒塌,尤其是當(dāng)延性系數(shù)高于3.00時會取得較好的抵御地震的作用。通過表2的高強箍筋約束高強混凝土柱的承載能力與延性指標(biāo)可見,A2、B2和C2試件的位移延性分別為4.49、4.71和3.88,A1、B1和C1試件的位移延性分別為3.17、3.59和2.67,普通鋼筋約束混凝土試件的位移延性均低于相同配筋率下的高強鋼筋約束試件,可見普通鋼筋約束混凝土試件的位移延性更小,相應(yīng)地抵御地震的作用會相對較弱,即高強鋼筋可以發(fā)揮更好的抵御地震的作用[9]。從極限位移角測試結(jié)果可知,配箍率為1.00%和1.34%時,普通鋼筋約束混凝土試件和高強鋼筋約束高強混凝土柱的極限位移角都滿足GB50011—2016《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中對具有抗震設(shè)防能力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)極限位移角都高于1/50的要求,而配箍率為0.85%的C組試件中,只有高強鋼筋約束高強混凝土柱試件C2的極限位移角高于1/50,而普通鋼筋約束混凝土試件C1的極限位移角小于1/50,不滿足GB50011—2016的要求。由此可見,無論是普通鋼筋約束混凝土試件還是高強鋼筋約束高強混凝土柱,其配箍率需要高于1.00%時才滿足GB50011—2016對極限位移角的要求,且高強鋼筋約束混凝土的極限位移角都大于普通鋼筋約束混凝土試件,即相同配箍率下高強鋼筋約束混凝土?xí)哂懈玫难有院涂拐鹦阅?。整體而言,采用1 100 MPa鋼筋的約束混凝土柱在低周反復(fù)水平加載試驗過程中體現(xiàn)出了較大的延性系數(shù)和更高的極限位移角,在強震作用下能夠承受更高的塑性變形而吸收更多的地震能量[10-12],保證鋼混結(jié)構(gòu)建筑不破壞倒塌。究其原因,這主要與高強箍筋可以更好地約束混凝土和提升整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能力有關(guān)[13-15]。

2.3 耗能能力分析

由上述高強箍筋約束高強混凝土柱的承載能力與延性指標(biāo)可知,普通鋼筋約束混凝土試件和高強鋼筋約束高強混凝土柱的配箍率高于1.00%時才能保證具有良好的抗震性能。在此基礎(chǔ)上,進一步對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系進行分析[16],結(jié)果如圖4。對比分析可見,當(dāng)配箍率為1.00%時,普通鋼筋約束混凝土試件和高強鋼筋約束高強混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)都會隨著位移的增加而增大,但是高強箍筋約束混凝土試件的位移會更大,且最大等效粘滯阻尼系數(shù)會較高;當(dāng)配箍率為1.34%時,普通鋼筋約束混凝土試件和高強鋼筋約束高強混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系曲線與配箍率為1.00%時相似,即高強箍筋約束混凝土試件的位移和最大等效粘滯阻尼系數(shù)都會更大。

圖4 相同配箍率下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between equivalent viscous damping coefficient and displacement of reinforced concrete structure at the same stirrup ratio

圖5為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系。其中,配箍率分別為1.00%和1.34%,而箍筋間距均為60 mm。對比分析可知,在相同箍筋間距下,普通鋼筋約束混凝土試件和高強鋼筋約束高強混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)都會隨著位移的增加而增大,但是配箍率更低的高強鋼筋約束混凝土試件的位移會更大,且最大等效粘滯阻尼系數(shù)會較高。結(jié)合圖4和圖5的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系曲線可知,無論是在相同配箍率還是在相同箍筋間距條件下,高強鋼筋約束高強混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)都會高于普通鋼筋約束混凝土試件,即高強箍筋可以相較普通鋼筋更好的發(fā)揮鋼混試件的抗震能力[17-18]。

圖5 不同配箍率下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between equivalent viscous damping coefficient and displacement of reinforced concrete structure at the different stirrup ratio

表3為6組箍筋約束混凝土試件的耗能統(tǒng)計結(jié)果。對比分析可知,隨著循環(huán)次數(shù)從1次增加至21次,普通鋼筋約束混凝土柱和高強鋼筋約束高強混凝土柱的位移和耗能都表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢;A2、B2和C2試件的總耗能分別為113 474 J、114 134 J和42 425 J,而A1、B1和C1試件的總耗能分別為27 483 J、60 507 J和31 920 J.可見,在相同配箍率條件下,高強鋼筋約束高強混凝土柱的總耗能會明顯高于普通鋼筋約束混凝土柱,且A2/A1、B2/B1和C2/C1的比值分別為4.13、1.89和1.33,即當(dāng)配箍率分別為1.00%、1.34%、0.85%時,高強鋼筋約束高強混凝土柱的總耗能分別為普通鋼筋約束混凝土柱的4.13、1.89和1.33倍,進一步說明采用高強鋼筋替代普通鋼筋作為箍筋使用可以明顯改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耗能能力。

3 結(jié)論

1)雖然普通箍筋約束混凝土和高強箍筋約束混凝土都發(fā)生了外側(cè)保護層剝落以及內(nèi)置鋼筋屈曲現(xiàn)象,但是核心區(qū)域的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)卻未見壓碎,體現(xiàn)出螺旋箍形式相比矩形箍對混凝土具有良好約束作用。

2)A2、B2和C2試件的位移延性分別為4.49、4.71和3.88,A1、B1和C1試件的位移延性分別為3.17、3.59和2.67,普通鋼筋約束混凝土試件的位移延性分別低于相同配筋率下的A2、B2和C2試件,可見普通鋼筋約束混凝土試件的位移延性更小。

表3 6組箍筋約束混凝土試件的耗能統(tǒng)計Table 3 Energy dissipation statistics of 6 groups of concrete specimens confined by stirrups

3)無論是在相同配箍率還是在相同箍筋間距條件下,高強鋼筋約束高強混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)都會高于普通鋼筋約束混凝土試件。

4)無論是普通鋼筋約束混凝土試件還是高強鋼筋約束高強混凝土柱,其配箍率需要高于1.00%時才滿足GB50011—2016對極限位移角的要求,且高強鋼筋約束混凝土的極限位移角都大于普通鋼筋約束混凝土試件,即相同配箍率下高強鋼筋約束混凝土?xí)哂懈玫难有院涂拐鹦阅堋?/p>

5)在相同配箍率條件下,高強鋼筋約束高強混凝土柱的總耗能會明顯高于普通鋼筋約束混凝土柱,試驗結(jié)果表明當(dāng)配箍率分別為1.00%、1.34%、0.85%時,高強鋼筋約束高強混凝土柱的總耗能分別為普通鋼筋約束混凝土柱的4.13、1.89和1.33倍。

6)綜上所述，高強鋼筋約束的構(gòu)件不僅延性好、阻尼系數(shù)得到提高,更重要的是有利于其對地震能量的吸收,結(jié)構(gòu)的抗震性能得到大幅度提高,增加了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全度,應(yīng)積極推廣與應(yīng)用。