變軸力鋼筋混凝土足尺柱抗震性能試驗(yàn)研究

郭玉榮，呂 聰

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082; 2.建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082)

近些年來結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域不斷深入的研究表明：在地震作用下，框架柱因受到水平和豎向地震作用的影響軸力會(huì)發(fā)生變化，且軸力變化的幅度不僅與地震烈度有關(guān)，還與框架結(jié)構(gòu)類型和框架柱在結(jié)構(gòu)中的位置等多重因素有關(guān)。

軸力變化會(huì)對RC柱的抗震性能產(chǎn)生影響，國內(nèi)外專家學(xué)者對此開展了一些研究。鐘樹生[1]通過8根規(guī)則變軸力柱與8根定軸力柱試驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)變軸力柱的滯回曲線呈現(xiàn)出不對稱性，且軸力變化在構(gòu)件屈服后對剛度有較大影響；賈德登[2]對6根縮尺柱進(jìn)行變軸力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明軸力變化會(huì)使RC柱的剛度退化加快，延性系數(shù)降低；陳嶸[3]等對6根鋼筋混凝土墩柱進(jìn)行了變軸力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明變軸力柱在軸力變化到最大時(shí)破壞，其兩側(cè)損傷程度會(huì)有較大差異，表現(xiàn)為裂縫開展呈現(xiàn)明顯的不對稱性；ABRAMS D P[4]對 10根縮尺RC柱進(jìn)行了變軸力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明變軸力對RC柱的承載力和剛度等均有較大影響，且抗彎承載力與軸力加載過程無關(guān)，取決于最終軸力；LI K N[5]等對一系列縮尺RC柱進(jìn)行了變軸力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明變軸力柱的滯回曲線呈現(xiàn)不對稱性，且軸力變化的幅度越大其延性就越差；RODRIGUES H[6]等對6根足尺鋼筋混凝土矩形柱進(jìn)行了雙向水平荷載作用下的變軸力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明變軸力對柱子的承載力、剛度和強(qiáng)度退化、耗能等方面有顯著影響。ESMAEILY A[7]等對6根圓形RC柱進(jìn)行了變軸力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明軸力變化會(huì)使RC柱的承載能力低于預(yù)測值，在評估RC柱承載能力及延性時(shí)需考慮軸力變化的影響。

上述研究均表明軸力變化對RC柱的抗震性能會(huì)產(chǎn)生不利影響，但這些研究都是在僅考慮水平地震作用的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，采用軸力隨水平位移同頻率變化的加載方式，并未將豎向地震引起的柱軸力變化頻率考慮在內(nèi)。較多的震后災(zāi)害分析表明，豎向地震對結(jié)構(gòu)的破壞作用不容忽視，錢培風(fēng)[8]通過震后災(zāi)害分析指出豎向地震對結(jié)構(gòu)破壞有著重要影響；白國良[9]等通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究表明豎向地震對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不能忽視，且近些年來國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)較多近場地震動(dòng)中豎向加速度峰值超過水平加速度峰值的現(xiàn)象，如1989年的Loma Prieta地震、1994年的北嶺地震和Northridge地震、1995年的神戶地震，因此開展水平和豎向地震共同作用引起的RC柱軸力變化對其抗震性能影響的研究顯得十分重要。

目前有關(guān)變軸力柱抗震性能的試驗(yàn)研究大多都未考慮豎向地震，此外由于試驗(yàn)設(shè)備加載能力的限制，有關(guān)大尺寸柱的抗震性能研究相對較少。本文采用湖南大學(xué)大型多功能結(jié)構(gòu)加載裝置HNU-MUST，對兩根大尺寸RC柱開展水平和豎向雙向擬靜力試驗(yàn)研究，其中一根為恒定軸力加載，另一根采用軸力變化頻率為水平位移3倍的變軸力加載方式，對比分析兩個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果來研究軸力變化對RC柱抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩根相同的足尺RC柱，試件配筋及尺寸如圖1所示，截面尺寸為600 mm×600 mm，柱身高度3 600 mm，試件底座和加載頂梁完全相同，各高850 mm，試件總高5 300 mm；鋼筋等級(jí)均為HRB400級(jí)，縱筋為12C25，配筋率為1.64%，箍筋為C10@100/150，在柱底和加載頂梁各1 050 mm高度范圍內(nèi)箍筋加密，體積配箍率為1.13%。

圖1 試件配筋與尺寸

1.2 加載方案

采用湖南大學(xué)大型多功能結(jié)構(gòu)加載裝置(HNU-MUST)進(jìn)行加載，裝置構(gòu)成如圖2所示。該裝置4個(gè)垂向作動(dòng)器行程為0～500 mm，最大可施加20 000 kN軸力，2個(gè)水平作動(dòng)器行程為+250 mm，最大可提供4 000 kN水平力[10]。試件安裝就位如圖3所示，試件底座和加載頂梁各通過8根螺桿與實(shí)驗(yàn)室地面和HNU-MUST頂板連接，邊界條件為底端完全固定，頂端只能產(chǎn)生豎向位移和沿加載方向的水平位移。

圖2 HNU-MUST三維模型

圖3 試件安裝就位

兩個(gè)試件水平方向位移循環(huán)加載方式相同，如圖4所示，在位移幅值5、10、15 mm各循環(huán)一次，20、30、40、50、60、70、80、90 mm各循環(huán)兩次，100、110、120、130、140、150、160 mm各循環(huán)一次(試件2在+140 mm加載完成時(shí)已嚴(yán)重破壞，結(jié)束試驗(yàn))。試件1為恒定軸力加載，軸力為4 300 kN(試驗(yàn)軸壓比約為0.3)；試件2軸力變化方式如圖5所示，結(jié)合豎向地震頻率一般高于水平地震的特征[11]，采取軸力變化頻率為水平位移3倍的加載方式，即位移每循環(huán)一次軸力循環(huán)三次，軸力以4 300 kN為基準(zhǔn)，在1 300～7 300 kN范圍內(nèi)變化，每一級(jí)位移加載對應(yīng)的軸力變化幅度(位移達(dá)峰值時(shí)的軸力相對于初始軸力4 300 kN的變化量)如表1所示。

圖4 水平位移加載方式

圖5 試件2軸力變化方式

表1 每一級(jí)荷載軸力變化幅度Table1 Axialloadvariationamplitudeofeachstageload位移Δy/mm軸力變化ΔN/kN位移Δy/mm軸力變化ΔN/kN位移Δy/mm軸力變化ΔN/kN位移Δy/mm軸力變化ΔN/kN520030100070220011030001040040120080260012030001560050140090300013030002080060160010030001403000

1.3 材料性能

采用C35商品混凝土澆筑試件，澆筑時(shí)預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)立方體和圓柱體試塊，與試件同條件養(yǎng)護(hù)，混凝土實(shí)測力學(xué)性能如下：混凝土等級(jí)C35，圓柱體抗壓強(qiáng)度41.32 MPa，立方體抗壓強(qiáng)度52.71 MPa,軸心抗壓強(qiáng)度40.06 MPa。其中軸心抗壓強(qiáng)度由立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算得到。鋼材力學(xué)性能實(shí)測值如表2所示。

表2 鋼材力學(xué)性能實(shí)測值Table2 Measuredvalueofmechanicalpropertiesofstee強(qiáng)度等級(jí)直徑/mm屈服強(qiáng)度/MPa極限強(qiáng)度/MPa斷后伸長率/%HRB40025413.7559320.810416.57577.2521

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖6中箭頭方向?yàn)榧虞d正向，即從N到S向的加載為正向加載，從S到N向的加載為負(fù)向加載。試驗(yàn)過程中在每一級(jí)峰值位移處暫停3 min觀察裂縫開展情況，試件的最終破壞形式如圖7所示。從試驗(yàn)現(xiàn)象來看兩個(gè)試件均發(fā)生壓彎破壞。在加載初期，兩個(gè)試件均在W面和E面出現(xiàn)斜裂縫，底部斜裂縫向下延伸，頂部斜裂縫向上延伸。試件1的E面和W面斜裂縫在各面中線兩側(cè)分布較為對稱[見圖7(b)]，試件2的裂縫開展未呈現(xiàn)出對稱性；試件1的N面和S面均可觀察到水平裂縫，但試件2的S面底部無明顯裂縫，負(fù)向加載位移達(dá)峰值時(shí)軸力較大，S面底部混凝土受拉，未出現(xiàn)裂縫表明較大的軸力限制了裂縫的開展。隨著荷載級(jí)的加大，N面和S面的水平裂縫逐漸貫通，W面和E面的斜裂縫不斷延伸，各面均有豎向裂縫產(chǎn)生，混凝土開始有剝落趨勢，當(dāng)水平位移較大時(shí)，試件底部和頂部的混凝土剝落較為嚴(yán)重，試件2的底部混凝土剝落高度明顯大于試件1。最終兩個(gè)試件的裂縫開展高度為柱底1 000 mm范圍內(nèi)，柱頂800 mm范圍內(nèi)，兩個(gè)試件均有縱筋受壓屈曲和箍筋脫離鋼筋骨架的現(xiàn)象，但試件2表現(xiàn)的更為明顯。

圖6 加載方向示意圖

圖7 試件不同部位破壞照片

2.2 滯回曲線

兩個(gè)試件的滯回曲線如圖8所示。從曲線形狀來看試件1滯回曲線較為對稱，每一級(jí)加載的峰值承載力都出現(xiàn)在水平位移最大處；試件2滯回曲線表現(xiàn)出明顯的不對稱性，正向位移較大時(shí)每一圈加載的水平承載力峰值均不在水平位移最大時(shí)出現(xiàn)，結(jié)合圖5分析滯回曲線不對稱的原因?yàn)椋涸嚰?在正向加載時(shí)的軸力變化方式與負(fù)向加載時(shí)的軸力變化方式是相反的，所以在正負(fù)向位移相同時(shí)軸力是不同的，軸力不同使RC柱的承載力不同，也即滯回曲線呈現(xiàn)出不對稱性。

圖8 試件滯回曲線

此外，同一級(jí)水平位移荷載下，第二圈加載得到的最大承載力和滯回環(huán)包圍的面積均小于第一圈，反映了試件的累積損傷。

2.3 骨架曲線與延性

兩個(gè)試件的骨架曲線如圖9所示。試件1正向峰值承載力為649 kN，試件2正向峰值承載力為496 kN，約比試件1降低了23.57%，試件1負(fù)向峰值承載力為521 kN，試件2負(fù)向峰值承載力為709 kN，約比試件1提高了36.08%，結(jié)合圖5分析其原因?yàn)椋涸嚰?每一級(jí)加載正向水平位移到達(dá)峰值時(shí)軸力最小，軸力較小會(huì)使RC柱的承載力有所降低，負(fù)向加載水平位移到達(dá)峰值時(shí)軸力最大，軸力較大會(huì)使RC柱的承載力有所提升。此外試件2正負(fù)向的承載力退化速度均比試件1快，正向峰值承載力對應(yīng)的位移比試件1小，負(fù)向峰值承載力對應(yīng)的位移比試件1大。

圖9 骨架曲線比較

屈服位移根據(jù)骨架曲線采用Park法[12]計(jì)算，經(jīng)計(jì)算試件1的屈服位移正向?yàn)?6.97 mm，負(fù)向?yàn)?3.91 mm，正負(fù)向較為接近；試件2的屈服位移正向?yàn)?9.88 mm，負(fù)向?yàn)?4.45 mm，正負(fù)向差別較大。極限位移取骨架曲線中水平力下降至峰值85%時(shí)的位移[13]，極限位移與屈服位移的比值即為延性系數(shù)，表3給出了兩個(gè)試件的延性系數(shù)。由表3可知：軸力變化會(huì)降低RC 柱的延性，與試件1相比，試件2正負(fù)向延性系數(shù)均有所降低，正向降低了21.35%，負(fù)向降低了43.18%，負(fù)向降低幅度較大。

表3 延性系數(shù)Table3 Ductilitycoefficient方向試件1試件2正向4.733.72負(fù)向4.032.29

2.4 剛度退化

采用每一級(jí)加載中，第一圈加載位移到達(dá)峰值時(shí)的割線剛度來衡量試件的剛度退化，試件1剛度取正負(fù)向平均值，試件2剛度正負(fù)向分別計(jì)算，兩個(gè)試件的剛度如圖10所示。

圖10 試件剛度退化

由圖10可知，試件2負(fù)向加載時(shí)剛度大于試件1，正向加載時(shí)剛度小于試件1，結(jié)合圖5分析其原因?yàn)椋贺?fù)向加載位移到達(dá)峰值時(shí)軸力較大，剛度有所提升，正向加載位移到達(dá)峰值時(shí)軸力較小，剛度有所降低；在位移較小時(shí)，試件2負(fù)向剛度大于試件1，在130 mm級(jí)位移時(shí)，試件2負(fù)向剛度與試件1基本相同，表明在此期間試件2負(fù)向剛度退化速度比試件1快。

2.5 耗能能力

采用單圈耗能評估試件的耗能能力，單圈耗能為每一級(jí)荷載第一圈加載的滯回環(huán)面積，圖11為兩個(gè)試件的耗能比較。

圖11 試件耗能比較

分析圖11可知，在水平位移到達(dá)30 mm之前，兩個(gè)試件的單圈耗能基本相同，在40～90 mm位移之間試件2的耗能更大，在100 mm以后，試件2耗能較小，且試件2的最大單圈耗能低于試件1。此外，兩個(gè)試件的耗能均出現(xiàn)了下降段，耗能下降表明試件破壞程度已較為嚴(yán)重，無法耗散更多能量，試件1在140 mm級(jí)荷載之后單圈耗能開始下降，試件2在120 mm級(jí)荷載之后單圈耗能開始下降，表明相同水平位移條件下試件2破壞程度更為嚴(yán)重。

3 結(jié)論

本文在定軸力柱與變軸力柱擬靜力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：

a.與定軸力柱相比，變軸力柱滯回曲線和裂縫開展呈現(xiàn)明顯的不對稱性，在相同位移條件下變軸力柱破壞更為嚴(yán)重，同時(shí)較大的軸力會(huì)限制裂縫的開展。

b.軸力變化會(huì)使RC柱的剛度和承載力退化速度加快，延性變差；負(fù)向加載位移到達(dá)峰值時(shí)軸力較大，水平承載力有所提高，但承載力和剛度退化速度明顯加快，正向加載位移到達(dá)峰值時(shí)軸力較小，水平承載力有所降低。

c.軸力變化會(huì)使RC柱的耗能能力變差；變軸力柱的最大單圈耗能低于定軸力柱且更早進(jìn)入耗能下降階段。