低周往復(fù)作用下高強(qiáng)鋼筋混凝土柱的抗震性能研究

陳青青

(黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

0 引言

隨著近年來(lái)建筑工業(yè)的快速發(fā)展和人們對(duì)建筑安全性要求的提高,提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能一直是人們普遍關(guān)注的問(wèn)題[1],這主要是因?yàn)榫哂锌拐鹪O(shè)防能力的建筑能夠在地震來(lái)臨時(shí)為人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)一定的保障?，F(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)形式中,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用周期長(zhǎng)、承載力大以及具有良好的抵抗變形的能力等[2-4],使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍然是目前建筑的主要形式。近年來(lái)隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和冶金工業(yè)的快速發(fā)展,高強(qiáng)度級(jí)別的鋼筋產(chǎn)品不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用于建筑工業(yè)中,然而由于直徑不同、等級(jí)不同的鋼筋產(chǎn)品(箍筋、縱筋等)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的影響方面的報(bào)道較少,具體作用機(jī)理仍然需要進(jìn)一步研究[5-8]。因此,本文研究了直徑和強(qiáng)度對(duì)鋼筋混凝土柱抗震性能的影響,結(jié)果將有助于新型鋼筋產(chǎn)品在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用和建筑抗震性能的提高。

1 試驗(yàn)材料與試件制備

1.1 鋼筋混凝土柱的設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土柱的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1,共設(shè)計(jì)了5組試件,軸壓比都為0.9,其中B和AR分別表示HRB355和CRB550鋼筋;鋼筋混凝土試件的配筋示意圖如圖1.

表1 鋼筋混凝土柱的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of reinforced concrete columns

1.2 試驗(yàn)原料

鋼筋混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30,根據(jù)GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制備立方體塊并測(cè)試抗壓強(qiáng)度[9],混凝土試塊抗壓強(qiáng)度約39.36 MPa.所用到的箍筋包括直徑10 mm和12 mm的HRB335鋼筋,直徑10 mm鋼筋的抗拉強(qiáng)度535 MPa、彈性模量2.01×105N/mm2,直徑12 mm鋼筋的抗拉強(qiáng)度545 MPa、彈性模量2.04×105N/mm2;以及直徑7.5 mm和9.5 mm的CRB550鋼筋,直徑7.5 mm鋼筋的抗拉強(qiáng)度635 MPa、彈性模量1.9×105N/mm2,直徑9.5 mm鋼筋的抗拉強(qiáng)度640 MPa、彈性模量1.9×105N/mm2.

1.3 加載方案

鋼筋混凝土柱的加載裝置包括柱試件、滾軸、傳力鋼板、千斤頂、水平作動(dòng)器、固定連接件、龍門(mén)架、靜力臺(tái)座、大梁和反力墻等。加載過(guò)程中,在加載裝置頂部施加豎向載荷作用,具體鋼筋混凝土柱的加載力如表2.鋼筋混凝土柱屈服前采用循環(huán)加載方式[10-12],每級(jí)20 kN,而在鋼筋混凝土屈服后采用位移加載方式直至試件破壞或者承載力降低至極限載荷的85%以下。

表2 鋼筋混凝土柱的豎向加載Table 2 Vertical loading of reinforced concrete columns

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鋼筋混凝土柱的典型破壞形態(tài)如圖2.對(duì)比分析可知,B16-12-150和B16-9.5-150試件在加載過(guò)程中都發(fā)生了彎曲破壞,且相對(duì)而言, B16-9.5-150試件的柱體部分破壞更加嚴(yán)重,柱體部分可見(jiàn)較寬的裂紋,柱體底部的混凝土都發(fā)生了破碎和剝落,局部可見(jiàn)鋼筋露出。在加載初期,鋼筋混凝土柱的表面裂紋最早出現(xiàn)在根部區(qū)域,并隨著加載力的增加,裂紋逐漸擴(kuò)展,并在加載后期出現(xiàn)了斜裂紋,整體呈現(xiàn)彎曲破壞形態(tài)。其它構(gòu)件的破壞形態(tài)和破壞過(guò)程與B16-12-150和B16-9.5-150試件相似。

圖2 鋼筋混凝土柱的典型破壞形態(tài)Fig.2 Typical failure pattern of reinforced concrete column

在低周往復(fù)循環(huán)載荷作用下,滯回曲線(xiàn)是反映鋼筋混凝土柱抗震性能的重要指標(biāo),可以在滯回曲線(xiàn)上得到荷載、位移等特征參數(shù)。圖3為鋼筋混凝土柱的滯回曲線(xiàn)。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可知,雖然這兩組鋼筋混凝土柱的箍筋直徑不同,但是鋼筋混凝土柱的滯回曲線(xiàn)較為相似,表明箍筋直徑的改變對(duì)滯回曲線(xiàn)的影響較小[13-15];對(duì)比圖3(b)和圖3(c)可知,縱筋直徑的變化使得配筋率相應(yīng)地發(fā)生改變,縱筋配筋率從1.42%增加至2.59%,造成鋼筋混凝土柱的滯回曲線(xiàn)發(fā)生明顯改變,如后者的豎向荷載值增加了約24%,如圖4(b)和圖4(c),但是橫向位移變化不大;對(duì)比圖3(d)和圖3(e)可知,當(dāng)縱筋直徑都增加為16 mm,而箍筋分別采用12 mm和7.5 mm,鋼筋混凝土柱的滯回曲線(xiàn)形狀并未發(fā)生顯著變化,但是后者的荷載值減小了約50 kN,如圖4(d)和圖4(e),橫向位移值降低了約14 mm.整體而言,當(dāng)豎向加載載荷較小時(shí),滯回曲線(xiàn)中可見(jiàn)加載與卸載曲線(xiàn)基本為一條直線(xiàn),表明此時(shí)鋼筋混凝土柱的耗能較低,構(gòu)件處于彈性變形階段[16];隨著加載載荷增大,構(gòu)件表面逐漸產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展至心部,滯回曲線(xiàn)包圍的面積增加,加載和卸載曲線(xiàn)并不能重合為一條直線(xiàn),并在繼續(xù)增加載荷時(shí)出現(xiàn)捏縮效應(yīng)[17]。

圖3 鋼筋混凝土柱的滯回曲線(xiàn)Fig.3 Hysteresis curve of reinforced concrete column

圖3 (續(xù))Fig.3 (Contiue)

將滯回曲線(xiàn)上滯回環(huán)峰值點(diǎn)相連可以得到鋼筋混凝土柱的荷載-位移骨架曲線(xiàn),用于體現(xiàn)鋼筋混凝土柱在不同載荷階段的變形特征。圖4為鋼筋混凝土柱的骨架曲線(xiàn)。對(duì)比分析可知,A16-10-100、A16-7.5-100、A22-7.5-100、B16-12-150和B16-9.5-150試件的骨架曲線(xiàn)形態(tài)都較為相似,即隨著加載的進(jìn)行,骨架曲線(xiàn)在初始加載階段的荷載增加較快,而后隨著位移增加而逐漸增大,在到達(dá)峰值荷載后逐漸降低,5組鋼筋混凝土試件的最大荷載值和最大橫向位移存在一定差異。A16-10-100、A16-7.5-100和A22-7.5-100試件的承載力介于250～330 kN,水平位移介于70～85 mm;B16-12-150和B16-9.5-150試件的承載力約為200 kN,位移約為65 mm.A組試件的承載力要高于B組試件,最大位移也大于B組試件。

(e)B16-9.5-150圖4 (續(xù))Fig.4 (Continue)

圖5為鋼筋混凝土柱的骨架曲線(xiàn)對(duì)比分析圖。從圖5(a)的A組鋼筋混凝土柱的骨架曲線(xiàn)對(duì)比圖中可知,3組試件的荷載隨著位移的變化趨勢(shì)基本一致,但是最大荷載存在一定差異,其中,A22-7.5-100試件的最大荷載值最大,其次為A16-10-100試件,而A16-7.5-100試件的最大荷載值最低?？梢?jiàn),箍筋直徑的減小會(huì)降低鋼筋混凝土試件的最大荷載值,增加縱筋直徑會(huì)增加鋼筋混凝土試件的承載能力。從圖5(b)的B組鋼筋混凝土的骨架曲線(xiàn)對(duì)比圖可知,2組試件在加載過(guò)程中的荷載隨著位移的變化趨勢(shì)也基本相同,且B16-12-150試件的最大荷載值大于B16-9.5-150試件,表明箍筋直徑的減小會(huì)降低鋼筋混凝土試件的最大承載力。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可知,由于B16-12-150試件和B16-9.5-150試件的箍筋配筋率和箍筋間距大于A16-10-100、A16-7.5-100和A22-7.5-100,截面尺寸小于后者,對(duì)鋼筋混凝土柱的約束作用減弱,使得B組試件的最大承載力相對(duì)A組試件更低、橫向位移相對(duì)較小,即承載力和延性相對(duì)較低。

(a)A組

3 結(jié)論

1)5組鋼筋混凝土試件在加載過(guò)程中的破壞形態(tài)較為相似,即在加載初期,鋼筋混凝土柱的表面裂紋最早出現(xiàn)在根部區(qū)域,并隨著加載力的增加,裂紋逐漸擴(kuò)展,并在加載后期出現(xiàn)了斜裂紋,整體呈現(xiàn)彎曲破壞形態(tài)。

2)A組試件的承載力要高于B組試件,最大位移也大于B組試件。箍筋直徑的減小會(huì)降低鋼筋混凝土試件的最大荷載值,增加縱筋直徑會(huì)增加鋼筋混凝土試件的承載能力。

3)低周往復(fù)載荷作用下,HRB355箍筋試件的最大承載力相對(duì)CRB550箍筋試件更低、橫向位移相對(duì)較小,即承載力和延性相對(duì)較低;CRB550箍筋制備的鋼筋混凝土柱試件具有更好的抗震性能。