馮士千,王 偉,李小偉,彭 龍,陳科材

(攀枝花學(xué)院，四川攀枝花617000)

混凝土柱是建筑結(jié)構(gòu)體的主要承重結(jié)構(gòu)，所以許多專家和學(xué)者對混凝土柱展開了一系列的研究。起初主要對高強(qiáng)混凝土材料性能進(jìn)行研究。如1988年同濟(jì)大學(xué)金孝洲做了高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度、斷裂性能、脆性及破壞特性的研究。1990年大連理工大學(xué)李東陸做了約束高強(qiáng)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及高強(qiáng)混凝土柱配箍率的試驗(yàn)研究。1988年天津大學(xué)李強(qiáng)做了高強(qiáng)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的試驗(yàn)研究。1987年清華大學(xué)許錦峰做了高強(qiáng)混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的試驗(yàn)研究。1990年清華大學(xué)胡海濤、葉知滿做了高強(qiáng)約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€性能的試驗(yàn)研究[1]。后來，逐步過渡到對高強(qiáng)混凝土應(yīng)用到構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體的抗震性能的研究。對于高強(qiáng)混凝土框架柱的研究問題有:正截面承載力、斜截面承載力、影響高強(qiáng)混凝土柱延性的主要因素、軸壓比限值問題、箍筋加密區(qū)最小體積配箍特征等[2]。

在高強(qiáng)混凝土框架柱抗震變形性能方面，主要研究的問題有:影響高強(qiáng)混凝土柱延性的主要因素、軸壓比限值問題、箍筋加密區(qū)最小體積配箍率等[3]。影響高強(qiáng)混凝土框架柱位移延性的主要因素是剪跨比、軸壓比、配箍率、箍筋強(qiáng)度和縱筋配筋率。在相同配箍特征系數(shù)和軸壓比下，高強(qiáng)混凝土柱的延性低于普通混凝土[2]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:剪跨比能大體反映出截面上彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力的比例關(guān)系，是決定框架柱延性破壞還是脆性破壞的主導(dǎo)因素，鋼筋鹼框架柱剪跨比越大，延性越好[4]。在其它條件不變的情況下，構(gòu)件隨著軸壓比的增加其延性降低。

本文設(shè)計(jì)了3根不同軸壓比、不同配筋的全礦渣混凝土柱，然后采用擬靜力試驗(yàn)得出了全礦渣混凝土柱的強(qiáng)度退化曲線和剛度退化曲線。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級、兩種柱子配筋方式(圖1)和兩種實(shí)驗(yàn)軸壓比(0.3、0.5)所設(shè)計(jì)的試件編號見表1。

圖1 試件設(shè)計(jì)

試件編號混凝土形式混凝土立方體強(qiáng)度等級/MPa實(shí)驗(yàn)軸壓比/n設(shè)計(jì)軸壓比/nd配筋方式1全礦渣混凝土C52.50.30.503普通箍2全礦渣混凝土C52.50.50.835普通箍3全礦渣混凝土C52.50.30.503復(fù)合直箍

1.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置如圖2所示，設(shè)計(jì)試件基礎(chǔ)置于試件下方，將試件置于加載框架內(nèi)，試件底部通過球鉸保證鉸接條件，試件頂部通過勁性橫梁保證頂部的鉸接條件。試件頂部置力傳感器，傳感器上置千斤頂，千斤頂與加載框架橫梁相連。水平加載設(shè)備連在反力墻上，通過反力墻提供反力[5]。

圖2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 水平加載設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)是低周反復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)。水平加載設(shè)備是美國West-Shock公司生產(chǎn)的電液伺服結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。此產(chǎn)品的配置是：505.60型靜音油泵，流量200 LPM，工作壓力21 MPa,油箱容量950 L；293.11型4站臺分油器，總流量190 LPM，蓄能器3.8 L，工作壓力21 MPa；243.45型作動器，推力640 kN，拉力445 kN，行程500 mm，正負(fù)250 mm；Flex Test GT數(shù)字控制器，總線結(jié)構(gòu)為4站臺8通道，用戶自定義數(shù)字輸入、輸出為16通道，配置793.00 Flex Test GT系統(tǒng)軟件。

1.2.2 豎向加載設(shè)備

豎向加載設(shè)備采用自動穩(wěn)壓的千斤頂配合穩(wěn)壓設(shè)備穩(wěn)壓，壓力通過千斤頂下的力傳感器采集。

1.3 測點(diǎn)布置

1.3.1 鋼筋上的測點(diǎn)布置

每根柱子應(yīng)變片布置如圖3所示。主筋上的應(yīng)變片布置在對角主筋上，每根主筋上7片；箍筋上的應(yīng)變片在梁上下各3道，節(jié)點(diǎn)中間一道。

圖3 鋼筋表面應(yīng)變片布置

1.3.2 混凝土柱上的測點(diǎn)布置

混凝土柱上應(yīng)變片和外位移計(jì)布置如圖4所示。

圖4 混凝土表面應(yīng)變片布置

1.3.3 位移計(jì)布置

沿加載段中點(diǎn)和兩端支撐點(diǎn)布置3個(gè)主要位移計(jì)，編號為W7、W8、W9。在加載段兩邊的塑性鉸區(qū)布置4個(gè)位移計(jì)，編號為W1、W2、W3、W4，以測量塑性鉸區(qū)的剪切變形。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試件的試驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)開始前，首先檢查應(yīng)變片及其測試設(shè)備是否異常，通過分載梁頂?shù)呢Q向千斤頂施加欲加豎向荷載一半預(yù)平衡，來消除實(shí)驗(yàn)裝置的初始缺陷。卸載后，重新加載到預(yù)加豎向荷載，持荷2～3 min。預(yù)平衡后實(shí)驗(yàn)正式開始，通過MTS作動器以0.3/s的加載速率施加水平往復(fù)荷載。

2.2 試件的失效形式

壓彎構(gòu)件在壓、彎、剪作用下，其破壞形態(tài)主要為：彎曲破壞、剪切破壞、黏接開裂破壞、壓潰黏接開裂破壞等。

本次試驗(yàn)的試件為中長柱，由于軸壓比加的不大，破壞全部為大偏壓破壞。破壞發(fā)生在柱試件中部擴(kuò)大段上部和下部預(yù)估的塑性鉸區(qū)域，在中部擴(kuò)大段上下部的裂紋各為3～5條。試件實(shí)驗(yàn)過程中裂紋發(fā)展的主要階段見表2。

試件破壞過程大致分四個(gè)階段。

第一階段：發(fā)生在初裂以前，初裂位移基本為2～3 mm，初裂位移時(shí)，中部加載段兩側(cè)形成水平受彎裂紋條數(shù)為1～3條不等。初裂水平受彎裂縫的位移隨軸壓比增大而增大。裂縫寬度約為0.005～0.01 mm，當(dāng)反向加載時(shí)裂縫能完全閉合。由于裂縫數(shù)量不多，寬度不大，對試件強(qiáng)度及剛度影響較小。

第二階段：發(fā)生在初裂以后，通裂以前，通裂時(shí)的位移基本為7～9 mm，在本階段，水平受彎裂紋隨著位移的增加繼續(xù)水平方向延長，在反向加載時(shí)可以閉合。

第三階段：發(fā)生在通裂以后，峰值荷載以前，峰值荷載位移基本為7～11 mm，在達(dá)到峰值荷載時(shí)，加載段相鄰的角部會發(fā)生豎向的微小裂紋，開始萌生壓碎區(qū)。

第四階段：發(fā)生在峰值荷載以后，極限位移以前，極限位移差別較大，處于7～19 mm，隨著軸壓比增大，極限位移減小。在此階段水平受彎斜紋開始斜向發(fā)展，形成彎剪裂紋。壓碎區(qū)的豎向裂紋擴(kuò)展，使壓碎區(qū)擴(kuò)大。在反向加載時(shí)，壓碎區(qū)的豎向裂紋不能閉合。

從試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，混凝土壓彎試件大偏心受壓破壞有如下特點(diǎn)。

(1)水平裂縫位置、條數(shù)固定。

(2)水平裂縫在峰值荷載后斜向發(fā)展，表明試件抗剪能力適中，裂紋呈彎剪型。

(3)從縱筋實(shí)測應(yīng)變看，先是受壓縱筋屈服，其壓應(yīng)變發(fā)展相當(dāng)迅速，此時(shí)受壓區(qū)混凝土及受壓縱筋所提供的抗彎能力增長減慢，由水平荷載增大和軸力引起的P-Δ產(chǎn)生的彎矩由受拉縱筋迅速屈服來抵抗。

(4)在保護(hù)層脫落后及部分縱筋開始壓屈的情況下，試件承受水平荷載的能力迅速下降，軸壓比越大，下降越快。這時(shí)試件完全依靠由縱筋和箍筋構(gòu)成的鋼筋骨架及其受約束的核心混凝土來抵抗軸力、水平荷載及軸力引起的附加彎矩。

表2 裂紋發(fā)展主要階段

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

剛度退化有三種定義：(1)剛度隨著位移的增加而減小。(2)峰值荷載不變，隨著循環(huán)次數(shù)增加，峰值位移增加，導(dǎo)致剛度減小現(xiàn)象。(3)目標(biāo)位移不變，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，峰值強(qiáng)度變小，導(dǎo)致剛度減小現(xiàn)象。剛度退化一般用同一目標(biāo)位移下的環(huán)線剛度來表示。

(1)

圖5～圖7是試件的剛度退化曲線，從圖中可以看出，相同混凝土強(qiáng)度等級和配筋的情況下，在相對位移△y小于1時(shí)，低軸壓比的柱1試件的剛度退化緩慢，高軸壓比的柱2試件的剛度退化較快；另外高軸壓比柱2試件的最大相對位移△y小于低軸壓比柱1試件，說明高軸壓比柱2試件的延性較差。相同混凝土強(qiáng)度等級和軸壓比的情況下，在相對位移△y小于1時(shí)，采用復(fù)合直箍的柱3試件的剛度退化迅速，采用普通箍的柱1試件的剛度退化較慢；另外復(fù)合直箍的柱3試件的最大相對位移△y小于采用普通箍的柱1試件，說明采用復(fù)合直箍的柱3試件比采用普通箍的柱1試件的延性差?？傊?，柱1延性最好。

圖5 柱1剛度退化曲線

圖6 柱2剛度退化曲線

圖7 柱3剛度退化曲線

4 結(jié)論

通過擬靜力試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論。

(1)高軸壓比柱2試件比低軸壓比柱1的延性差。

(2)采用復(fù)合直箍的柱3試件比采用普通箍的柱1試件的延性差。

(3)總之，柱1延性最好，剛度退化最慢。

[1] 張國軍.大型火力發(fā)電廠高強(qiáng)混凝土框架柱的抗震性能研究[D].西安建筑科技大學(xué),2003

[2] 張國軍,白國良.高強(qiáng)混凝土框架柱的研究與進(jìn)展[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2002,45(1):53-56

[3] 董正方,王君杰,韓鵬.工程結(jié)構(gòu)柱式構(gòu)件的抗震性能試驗(yàn)研究進(jìn)展[J].震災(zāi)防御技術(shù),2010,4(1):43-52

[4] 李視令,李思明.談鋼筋砼框架柱的軸壓比限值[J].住宅科技,1998,18(6):35-38

[5] 李小偉.高鈦重渣砂HRC柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].世界地震工程,2013,29(2):39-45

[6] 李小偉.高鈦重渣骨料高強(qiáng)混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].世界地震工程,2013,43(9):96-100