斜向地震作用下高強鋼筋混凝土柱抗震性能試驗研究*

劉春陽，于桂欣，李 飛，郭長群

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

0 引言

我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[1](簡稱《抗規(guī)》)中規(guī)定，梁柱節(jié)點處應(yīng)滿足“強柱弱梁”破壞機制。但震害調(diào)查顯示，即使嚴格按照《抗規(guī)》設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)，在汶川地震和蘆山地震中也大多呈現(xiàn)“強梁弱柱”的破壞形式[2-4]。發(fā)生這種震害現(xiàn)象的一個重要原因是我國《抗規(guī)》僅分別考慮兩個主軸方向的承載力驗算，沒有考慮地震動作用方向的多維性和任意性，但在實際地震中結(jié)構(gòu)平面內(nèi)任意方向都有可能成為其最不利作用方向。當?shù)卣饎友亟Y(jié)構(gòu)非主軸方向輸入時，框架柱要承擔地震作用在其兩個主軸方向產(chǎn)生的內(nèi)力，而框架梁只需承擔其各自所在主軸上的內(nèi)力，且樓板的存在對梁的強度有一定的加強作用，導(dǎo)致斜向地震作用時節(jié)點不能滿足“強柱弱梁”的要求。目前，關(guān)于梁的抗震性能方面的研究已較為成熟，如何改善鋼筋混凝土柱在斜向地震作用下的抗震性能仍需要進一步研究。

許多學者通過低周往復(fù)加載試驗對鋼筋混凝土的抗震性能進行了研究。Rodrigues等[5-7]、李宏男等[8]、王社良等[9]研究了不同加載路徑對鋼筋混凝土柱抗震性能的影響，結(jié)果表明，雙向加載對柱兩個主軸方向的初始剛度影響不大，但會使混凝土在加載后期強度和剛度退化加快；試件的延性系數(shù)隨著加載角度的增加而增大。Del Zoppo等[10]通過進行雙向壓彎試驗對鋼筋混凝土柱的抗震性能進行了研究，結(jié)果表明，鋼筋混凝土柱受到雙向壓彎作用后，其變形能力會降低，且變形能力的降低要高于其強度的降低。Ousalem等[11]、李義柱等[12]研究了配置高強縱筋的鋼筋混凝土柱的抗震性能，結(jié)果表明，配置高強鋼筋有助于提高柱的承載力，減緩試件累積損傷，改善強度退化。史慶軒等[13]研究了高強箍筋對鋼筋混凝土柱抗震性能的影響，試驗表明，采用高強箍筋柱的水平承載力無明顯變化，其延性和耗能能力等抗震性能得到提高。李艷艷等[14]研究了同時配置高強縱筋和箍筋混凝土柱的抗震性能，結(jié)果表明，配置高強鋼筋后，柱的承載能力得到提高，但其延性和耗能能力略有降低。鋼板網(wǎng)具有抗拉強度高、韌性及延性好、抗裂性能較好、整體性強的特點，對結(jié)構(gòu)進行加固時施工難度低，可以進一步應(yīng)用于改善鋼筋混凝土柱抗震性能。EI-Kholy 等[15]、Morshed等[16]分別研究了鋼板網(wǎng)對鋼筋混凝土長柱和短柱抗震性能的影響，結(jié)果表明，鋼板網(wǎng)約束可以有效提高柱的承載力和變形能力。李振寶等[17]研究了不同加固形式的鋼板網(wǎng)對鋼筋混凝土柱抗震性能的影響，結(jié)果表明，外包鋼板網(wǎng)的約束效果優(yōu)于內(nèi)包鋼板網(wǎng)。

柱作為重要的豎向承重構(gòu)件，其抗震性能的好壞是影響結(jié)構(gòu)整體安全性的重要因素。為研究鋼筋混凝土柱受到非主軸方向地震作用時的抗震性能，設(shè)計了5個配有HTRB630級高強鋼筋的混凝土柱，并進行低周反復(fù)加載試驗，分析斜向地震下加載角度和柱端部用鋼板網(wǎng)約束對混凝土柱的滯回性能、承載力和延性等抗震性能指標的影響，以期為實際工程設(shè)計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

本文共設(shè)計5個軸壓比為0.6的高強鋼筋混凝土柱試件，各試件設(shè)計參數(shù)見表1。柱截面均為300mm×300mm的方形截面，柱高H為1 200mm，混凝土強度等級為C40，柱身縱筋采用12根直徑為16mm的HTRB630級鋼筋，沿截面均布，配筋率為2.68%；箍筋采用直徑為8mm的HTRB630級鋼筋，間距為50mm，配箍形式為井字復(fù)合箍形式，體積配箍率為1.935%；混凝土保護層厚度為20mm。試件截面尺寸及配筋滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)的構(gòu)造要求，具體如圖1所示。鋼板網(wǎng)選用圓孔鋼板網(wǎng)，外包高度為300mm，厚度為3mm，圓孔直徑為5mm，孔間距為5mm，材料強度等級為Q235。實測混凝土及鋼筋的力學性能分別見表2和表3。

試件設(shè)計參數(shù) 表1

混凝土性能指標 表2

鋼筋性能指標 表3

圖1 試件幾何尺寸及配筋

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30°或45°布置，無鋼板網(wǎng)約束的試件LC-1～LC-3在鋼筋骨架綁扎完成后直接進行支模、澆筑混凝土。對于端部采用鋼板網(wǎng)約束的試件LC-4和LC-5，首先將圖2(a)所示的U形卡扣套在縱筋上，在U形卡扣上穿過螺桿并擰緊螺母，使其固定在圖2(b)和圖2(c)中的縱筋與箍筋節(jié)點處。然后在鋼筋骨架外側(cè)放置鋼板網(wǎng)，使其內(nèi)表面與U形卡扣90°彎折部分外側(cè)貼緊，端部與柱底留5mm縫隙，保證鋼板網(wǎng)在提供約束的同時不參與柱端的受力，并在鋼板網(wǎng)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2(d)所示。最后支模澆筑混凝土，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 試件制作

1.2 加載方案

本試驗在山東建筑大學建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室進行。加載時首先按照設(shè)計軸壓比施加豎向荷載，到達預(yù)定軸力后保持恒定，然后施加水平荷載。水平荷載采用低周反復(fù)加載方式，通過位移控制，每級控制位移下循環(huán)2次，初始位移為2mm，加載位移在2～10mm范圍內(nèi)，位移增量為4mm，10～50mm位移加載段位移增量為5mm，50mm之后位移增量為10mm，直至試件無法繼續(xù)加載時停止加載，試驗結(jié)束。加載制度如圖3所示。規(guī)定作動器施加推力時對應(yīng)的荷載及位移為正，施加拉力時對應(yīng)的荷載及位移為負。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，并人工觀察測繪裂縫。試驗加載裝置如圖4所示。

圖3 位移加載制度

圖4 試驗加載裝置

2 試驗破壞特征

圖5、圖6分別為各試件的觀測面定義和最終破壞形態(tài)。

圖5 試件觀測面定義

圖6 試件破壞狀態(tài)

試件LC-1在2mm位移時開始出現(xiàn)水平彎曲裂縫，繼續(xù)加載，東、西兩面的水平裂縫繼續(xù)發(fā)展，南、北兩面出現(xiàn)彎剪斜裂縫；在50mm位移時，柱底保護層混凝土逐漸壓碎，箍筋露出；試件破壞時，柱底混凝土大面積脫落，四個角部縱筋斷裂，試件呈現(xiàn)彎曲破壞特征。試件LC-2在2mm位移時開始出現(xiàn)水平裂縫，位移增加，裂縫數(shù)量增多，彎剪斜裂縫和壓劈裂縫出現(xiàn)；在45mm位移時，東、西兩側(cè)角部混凝土逐漸脫落；試件破壞時，角部箍筋露出，東、西角部縱筋斷裂，試件呈現(xiàn)彎曲破壞特征。試件LC-3在2mm位移時，柱身底部出現(xiàn)水平裂縫，繼續(xù)加載，裂縫分別從東、西兩角向相鄰兩面發(fā)展，逐漸形成彎剪斜裂縫；在30mm位移時，角部混凝土開始脫落；試件破壞時，柱底大面積混凝土壓碎破壞，部分箍筋暴露，角部縱筋斷裂，試件呈現(xiàn)彎曲破壞特征。

試件LC-4在6mm位移時，在鋼板網(wǎng)上邊緣處開始出現(xiàn)水平裂縫，繼續(xù)加載，裂縫數(shù)量增多，彎剪斜裂縫出現(xiàn)；在加載中后期，鋼板網(wǎng)逐漸鼓起；試件破壞時，部分縱筋斷裂，試件除與鋼板網(wǎng)上邊緣接觸的混凝土小部分脫落外，其余表面沒有壓碎的現(xiàn)象，柱身保持完整，試件呈現(xiàn)彎曲破壞特征。試件LC-5在6mm位移時，在鋼板網(wǎng)上邊緣出現(xiàn)多道水平裂縫和細小的豎向裂縫，繼續(xù)加載，裂縫數(shù)量增多，且以彎剪斜裂縫為主；在35mm位移時，鋼板網(wǎng)上邊緣處混凝土開始脫落；試件破壞時，鋼板網(wǎng)壓屈，部分縱筋斷裂，試件呈現(xiàn)彎曲破壞特征。

總體來看，同主軸加載相比，斜向加載試件的塑性鉸區(qū)域高度更大，且主要集中在沿加載方向軸線對應(yīng)的兩個角部，在距柱底1倍柱寬內(nèi)發(fā)展，破壞更為嚴重。此外，30°方向加載的試件裂縫沿加載方向相鄰兩面發(fā)展，破壞程度不一致，以西南、東北面為主，而45°方向加載的試件在軸線相鄰兩面的破壞程度較一致。外包鋼板網(wǎng)后，塑性鉸區(qū)域延伸至鋼板網(wǎng)上邊緣0.5倍柱寬范圍內(nèi)，鋼板網(wǎng)約束范圍內(nèi)的混凝土碎而不落，破壞程度遠小于無約束的試件。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 滯回性能

圖7為各試件水平荷載-位移滯回曲線，其中F為實測水平荷載，Δ為加載點處的實測水平位移，θ為水平位移角(θ=Δ/H)。

圖7 各試件滯回曲線

由圖7可知，各試件滯回曲線均較為飽滿，呈“梭形”，表明試件具有良好的承載和耗能能力。在試件的加載過程中，每級位移下的滯回環(huán)大致重合，但由于加載后期縱向鋼筋斷裂，滯回環(huán)出現(xiàn)明顯下降的情況。試件LC-2和LC-3的滯回曲線飽滿程度明顯低于試件LC-1，這是由于斜向荷載作用下，塑性鉸區(qū)域由柱底部全截面變?yōu)榧性趦蓚€角部發(fā)展，柱中混凝土與鋼筋參與工作的部分減少，混凝土大面積脫落，柱的抗震性能降低。與試件LC-3相比，試件LC-2的滯回曲線在峰值荷載后下降趨勢加快，殘余變形較大。外包鋼板網(wǎng)加固后，試件LC-4和LC-5較試件LC-2和LC-3經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)明顯增多，滯回曲線更加飽滿，加載后期滯回曲線下降趨勢較為緩和，同一級位移下的殘余變形略有降低，這是因為外包鋼板網(wǎng)能夠在提高內(nèi)部混凝土強度的同時使其不脫落，在后期混凝土仍然能夠發(fā)揮承載能力，從而改善了柱的抗震性能。

3.2 骨架曲線

圖8為各試件的骨架曲線。由圖可知，試件的骨架曲線均呈3個階段發(fā)展：加載位移較小時，試件尚未開裂，其荷載呈彈性增長，此階段為線性增長階段；隨著加載位移的增加，試件表面出現(xiàn)多條細密裂縫，骨架曲線斜率減小，當骨架曲線與橫軸平行時水平荷載達到峰值，此階段為裂縫發(fā)展階段；峰值荷載點后，試件水平位移繼續(xù)增大而水平荷載逐漸降低，柱底部混凝土開始脫落，此階段為荷載下降段。因此將屈服荷載點、峰值荷載點和極限荷載點作為骨架曲線的三個特征點。

圖8 各試件骨架曲線

比較試件LC-1～LC-3可知，隨加載角度的增大，試件的峰值荷載降低，這是因為塑性鉸區(qū)域的高度增大，破壞更為嚴重。與試件LC-4相比，試件LC-5在試驗加載前期強度增長快，峰值荷載點較早出現(xiàn)，二者強度退化趨勢無明顯差別，由此表明，采用鋼板網(wǎng)約束可以有效提高加載角度較大試件的強度。試件LC-4和LC-5較試件LC-2和LC-3的峰值荷載明顯增加，峰值荷載與后期強度下降趨勢均較為接近，甚至與試件LC-1表現(xiàn)出相似的特性。這是因為鋼板網(wǎng)提供的側(cè)向約束力使混凝土的強度得到提高，試件在不同加載角度下的混凝土脫落情況相差不大，柱身保持較為完整的狀態(tài)，從而在提高柱的抗震性能的同時降低了加載角度對柱產(chǎn)生的不利影響。

3.3 承載能力及延性

各試件特征點荷載與位移試驗結(jié)果見表4，其中，試件的屈服荷載點Y由能量等值法確定，即SOAB=SBCM，如圖9所示。取荷載下降至峰值荷載的85%時所對應(yīng)的點為極限荷載點；若荷載沒有下降至峰值荷載的85%時柱已破壞，則取試驗結(jié)束時所對應(yīng)的點為極限荷載點。試件的延性系數(shù)μ=Δu/Δy。

圖9 特征點計算

由表4可知，各試件延性系數(shù)平均值均大于3，高于我國《抗規(guī)》規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/50，表明各試件具有較好的彈塑性變形能力。各試件的正向特征點荷載均小于負向特征點荷載，這是因為初始加載時柱的正向受拉已經(jīng)出現(xiàn)損傷，致使正、負兩方向的承載能力出現(xiàn)差異。部分試件的正、負向延性系數(shù)差異較大，這是由于一個方向達到極限無法繼續(xù)承載，而另一方向仍然具有良好的承載能力時試驗已經(jīng)結(jié)束，從而無法得到極限荷載所對應(yīng)的真實極限位移值，故計算得到的延性系數(shù)較小。比較試件LC-2～LC-5延性系數(shù)可知，斜向加載試件隨加載角度的增大，延性系數(shù)增大13%～33%，試件的變形能力增強。其原因是加載角度較小時，沿加載方向試件左右兩側(cè)的鋼筋和混凝土分布不對稱，一側(cè)未充分發(fā)揮其作用時另一側(cè)已經(jīng)達到了破壞極限。隨加載角度增大，試件在加載方向兩側(cè)的鋼筋和混凝土分布趨于對稱，變形協(xié)調(diào)性能更好。

試件LC-4較試件LC-2的Fy，F(xiàn)m，F(xiàn)u分別提高12%，14%，6%，延性系數(shù)提高3%；試件LC-5較試件LC-3的Fy，F(xiàn)m，F(xiàn)u分別提高19%，21%，21%，延性系數(shù)提高26%。由此可見，外包鋼板網(wǎng)可有效提高鋼筋混凝土柱的承載力和變形能力，且對加載角度較大的柱的提高程度較大。這是由于鋼板網(wǎng)加固提供了側(cè)向約束，減輕了表面混凝土的脫落程度，內(nèi)部混凝土在壓碎的情況下仍然能夠提供承載能力，故鋼筋混凝土柱承載能力提高，極限位移增大，而屈服位移增長較小，從而使柱的延性系數(shù)增大。

3.4 耗能能力

構(gòu)件在地震作用下的耗能能力是評價其抗震性能的重要指標，本文采用累積耗能對試件的耗能性能進行分析。各試件累積耗能結(jié)果見表5。由表5可知，與試件LC-1相比，試件LC-2和LC-3的累積耗能降低，下降幅度為40%，其原因是相對于水平加載的試件，斜向加載試件的裂縫發(fā)展不夠充分，主要集中于沿加載方向的柱端角部范圍，使柱整體參與耗能的程度降低。試件LC-3較試件LC-2的累積耗能提高2.5%，試件LC-5較試件LC-4 的累積耗能提高8.5%，表明斜向加載時，隨加載角度增大，試件的累積耗能能力提高。其原因是45°方向加載的試件在加載過程中產(chǎn)生的裂縫更多，耗散的能量更多。試件LC-4較試件LC-2的累積耗能提高43.7%，試件LC-5較試件LC-3的累積耗能提高52.2%，耗能能力均得到大幅度提升，說明鋼板網(wǎng)能夠較好地與鋼筋和混凝土共同工作，延緩了裂縫的發(fā)展過程，有效提高了鋼筋混凝土柱的耗能能力。

試件的累積耗能 表5

3.5 剛度退化

本文采用環(huán)向剛度K來評價剛度退化現(xiàn)象，即取每級循環(huán)的滯回環(huán)正、負向最大荷載與相應(yīng)水平位移的比值。各試件的剛度退化曲線見圖10。

由圖10可知，各試件的剛度隨柱端加載位移的增大而逐漸降低，且在前期下降程度較快，后期下降較為緩慢，這是因為加載前期混凝土不斷開裂所致。試件的正、負向初始剛度不對稱，主要原因是先加載一側(cè)的混凝土早于另一方向混凝土發(fā)生損傷，致使兩方向剛度有差別，但隨著不斷往復(fù)加載，試件正向和負向的剛度逐漸接近。比較試件LC-1～LC-3可知，隨加載角度的增加，試件剛度減小，這是因為隨加載角度的增大，鋼筋混凝土柱累積損傷更多。試件LC-4較試件LC-2、試件LC-5較試件LC-3在加載后期的剛度大，且剛度退化程度變緩，其原因是鋼板網(wǎng)對柱端提供的約束力減緩了柱的損傷程度，有效提高柱的剛度，并改善其剛度退化的程度。

圖10 試件剛度退化曲線

4 結(jié)論

(1) 各試件均呈現(xiàn)彎曲破壞特征。與主軸加載試件相比，非主軸方向無約束試件的裂縫分布范圍更廣，并以彎剪斜裂縫為主，塑性鉸區(qū)域在柱的兩個角部距柱端1倍柱寬范圍內(nèi)集中發(fā)展，隨加載角度的增加，試件的破壞程度增大。

(2) 同無約束的斜向加載試件相比，端部采用鋼板網(wǎng)約束試件的塑性鉸區(qū)域在鋼板網(wǎng)范圍內(nèi)及距鋼板網(wǎng)上端0.5倍柱寬范圍內(nèi)發(fā)展。鋼板網(wǎng)切開后，內(nèi)部混凝土雖有壓碎但混凝土的脫落程度降低，因此外包鋼板網(wǎng)具有較好的約束作用。

(3)斜向加載試件的承載能力、變形能力和耗能性能等抗震性能均低于主軸方向加載試件。斜向加載條件下，隨加載角度的增大，無約束試件的峰值荷載降低，整體累積耗能能力變強。與無約束斜向加載試件相比，端部采用鋼板網(wǎng)約束后試件內(nèi)部混凝土的約束作用增強，其屈服荷載、峰值荷載和極限荷載均顯著提高，變形能力增強，剛度增大，滯回環(huán)更加飽滿，更重要的是可以減輕加載角度的變化對試件的不利影響，抗震性能得到顯著改善。