邵建力，曹新明，常　亞，蔣亞星,楊志勇

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550003)

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鋼筋區(qū)域約束混凝土與角鋼區(qū)域約束混凝土的抗震性能分析

邵建力，曹新明*，常亞，蔣亞星,楊志勇

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550003)

為進(jìn)一步提高鋼筋區(qū)域約束混凝土的性能，現(xiàn)提出用角鋼代替角部縱筋，通過(guò)這兩種截面形式的區(qū)域約束混凝土在1.1和1.25的高軸壓比下的往復(fù)荷載試驗(yàn)，比較其骨架曲線、延性、耗能等指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用角鋼區(qū)域約束混凝土并沒(méi)有明顯改善鋼筋區(qū)域約束混凝土的性能，因此，尚需要研究一種新的截面形式以提高區(qū)域約束混凝土的性能。

角鋼區(qū)域約束混凝土；鋼筋區(qū)域約束混凝土；延性；耗能能力

隨著建筑高度的不斷增加，建筑底部的柱承受的軸向力越來(lái)越大，為保證混凝土具有一定的延性，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]對(duì)軸壓比做了十分嚴(yán)格的限值，框架結(jié)構(gòu)在四級(jí)抗震設(shè)計(jì)時(shí)的軸壓比為0.9，在一級(jí)抗震設(shè)計(jì)時(shí)最高軸壓比僅為0.6，同時(shí)規(guī)范還要求柱軸壓比最大軸壓比僅為1.05，致使柱的截面面積越來(lái)越大，很多時(shí)候柱截面面積甚至超過(guò)了1 m2，在很大程度上影響了建筑功能的使用。為解決這一問(wèn)題，需要適當(dāng)提高軸壓比的限值。同時(shí)在高軸壓力作用下，柱往往會(huì)發(fā)生“短柱”破壞，眾所周知，短柱成脆性破壞形態(tài)，而工程師們則希望柱的破壞呈延性狀態(tài)，即在構(gòu)件破壞前具有明顯的預(yù)兆。

為解決短柱問(wèn)題，很多專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究，其中比較有代表性的有：賈金青[2]提出改善混凝土自身的力學(xué)性能，采用高強(qiáng)度高性能混凝土以提高柱的延性；臺(tái)灣的尹衍樑[3]提出通過(guò)改變箍筋的配筋形式可以提高混凝土的延性，采用一筆箍等新型配箍方式；天津大學(xué)李忠獻(xiàn)[4]提出采用分體柱可以降低柱的剛度，使其在往復(fù)荷載作用下呈延性破壞；曹新明[5]提出采用區(qū)域約束混凝土可以在不降低構(gòu)件承載力的情況下提高構(gòu)件的延性。區(qū)域約束混凝土不同于約束核心在中部的傳統(tǒng)約束混凝土，其約束核心部位在柱的角部，其典型截面如圖1所示：

圖1　區(qū)域約束混凝土典型截面

區(qū)域約束混凝土利用四個(gè)區(qū)域約束箍筋在柱的角部形成形成四個(gè)約束效果較好的強(qiáng)約束區(qū)，同時(shí)與縱向鋼筋組成一個(gè)小柱，進(jìn)一步提高其約束效果，而在柱的中部為弱約束區(qū)。柱在往復(fù)荷載作用下，弱約束區(qū)發(fā)生先于強(qiáng)約束區(qū)的破壞，降低柱的剛度，提高其延性。通過(guò)前期試驗(yàn)[6]發(fā)現(xiàn)，無(wú)論傳統(tǒng)約束混凝土還是區(qū)域約束混凝土，往復(fù)荷載作用下往往在柱角部縱筋處首先發(fā)生混凝土的剝落，降低約束效果。為解決這一問(wèn)題，曹新明教授又創(chuàng)新性的提出用角鋼代替角部縱筋。其截面形式如圖2所示，本文將探討這一新截面形式約束混凝土在往復(fù)荷載作用下的性能。

圖2　角鋼區(qū)域約束混凝土

1　試驗(yàn)概況

1.1構(gòu)件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種截面形式，即鋼筋區(qū)域約束混凝土(NRCC)和角鋼區(qū)域約束混凝土(SRCC)，截面尺寸為250 mm×250 mm，試件高度為2500 mm，為防止產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生局壓破壞，在柱兩端以及加載位置設(shè)置鋼板，并在柱端設(shè)置長(zhǎng)度為200 mm的箍筋加密區(qū)，在柱中部設(shè)置長(zhǎng)達(dá)300 mm的擴(kuò)大部分，采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40的混凝土，角部縱筋和中部縱筋分別采用10、12，其屈服強(qiáng)度488 MPa；箍筋采用6，其屈服強(qiáng)度為418 MPa，角鋼采用L30X3的Q235B鋼，屈服強(qiáng)度為403 MPa，為探討放寬規(guī)范中軸壓比限值的可能性，設(shè)置1.1和1.25兩個(gè)軸壓比。由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，構(gòu)件分兩次澆筑完成，混凝土強(qiáng)度分別為43.3 MPa和36.2 MPa，試件參數(shù)見(jiàn)表1

表1　試件參數(shù)

1.2加載裝置及方案

試驗(yàn)在貴州大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置如圖3所示，首先利用豎向千斤頂，將軸向力緩慢加至設(shè)計(jì)值，待軸向加載完成后加載水平力，加載方式采用荷載—位移混合雙控，如圖4所示。利用MTS液壓伺服裝置先以20 kN為基數(shù)逐級(jí)增大荷載，直至縱向鋼筋屈服，之后采用位移控制，以屈服位移的倍數(shù)為基數(shù)，逐級(jí)增大，每級(jí)位移循環(huán)加載三次直至試件破壞。

圖3　加載裝置

圖4　加載制度

2　試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1鋼筋區(qū)域約束混凝土

NRCC試件在力控制加載階段，當(dāng)水平力達(dá)到80 kN以前，試件基本處于彈性狀態(tài)，并未出現(xiàn)裂縫，直至加載以100 kN為基數(shù)進(jìn)行加載，在試件的中部出現(xiàn)數(shù)條彎曲裂縫，并隨荷載的增加裂縫增多增寬，并在此級(jí)力加載的過(guò)程中出現(xiàn)縱向鋼筋的屈服，隨后使用位移控制加載，兩個(gè)試件的屈服位移均為16 mm，所不同的是，當(dāng)柱出現(xiàn)裂縫時(shí)1.25的軸壓比的承載力較1.1的軸壓比的承載力高。當(dāng)水平加載位移幅值達(dá)到2△時(shí)，軸壓比為1.1的試件達(dá)到最大水平承載力231.1 kN，軸壓比為1.25的最大水平承載力為226.1 kN。當(dāng)水平位移幅值達(dá)到3△時(shí)，試件中部混凝土保護(hù)層開(kāi)始剝落，并在中部出現(xiàn)X形裂縫。隨著水平位移的增加，當(dāng)試件加載到5△時(shí)，試件承載力顯著下降，試件破壞，試件破壞時(shí)，在角部縱筋處混凝土剝落，出現(xiàn)掏空現(xiàn)象。

2.2角鋼區(qū)域約束混凝土(SRCC)

SRCC試件在力控制階段，軸壓比為1.1的試件在荷載達(dá)到60 kN以前，試件基本處于彈性彈性狀態(tài)，而軸壓比為1.25的試件則在80 kN以前處于彈性狀態(tài)，都未出現(xiàn)裂縫。隨著水平荷載的增加，縱筋出現(xiàn)屈服，隨后進(jìn)入位移控制加載階段，所不同的是軸壓比為1.1的試件的屈服位移為16 mm，而軸壓比為1.25的試件的屈服位移為15 mm。當(dāng)試件處于2△為基數(shù)進(jìn)行加載的過(guò)程中，1.1軸壓比的試件在位移24.9 mm時(shí)達(dá)到最大水平承載力224 kN，1.25軸壓比的試件在位移28.3 mm時(shí)達(dá)到最大水平承載力208 kN。在以3△為基數(shù)加載的過(guò)程中，柱中部混凝土保護(hù)層出現(xiàn)剝落，并形成X形裂縫。在以4△為基數(shù)加載的過(guò)程中，1.1軸壓比的試件縱向鋼筋全部拉斷，承載力急劇下降，試件破壞，而1.25軸壓比的試件的縱向鋼筋只有兩根角部角鋼出現(xiàn)拉斷，在5△加載的過(guò)程中，試件破壞。與NRCC不同的是，試件破壞時(shí)，并未出現(xiàn)掏空現(xiàn)象。

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1滯回曲線及耗能能力

在試件屈服以前，基本處于彈性狀態(tài)，其滯回曲線包圍的面積很小，對(duì)試件耗能影響不大，為方便分析，現(xiàn)將試件屈服以后的滯回曲線畫(huà)于圖5。為定量的比較試件的耗能能力，將試件在屈服后每級(jí)位移加載下第一循環(huán)滯回環(huán)所包圍的面積列于表2。

圖5　滯回曲線

試件編號(hào)軸壓比滯回耗能/KJ1△y2△y3△y4△y總耗能/KJNRCC-11.11.0304.62113.81419.48938.954SRCC-11.11.1317.04612.73015.52436.431NRCC-21.250.8174.12213.80618.58637.331SRCC-21.250.9006.11012.40819.43238.85

從滯回曲線上可以看出所有的試件都呈明顯的梭形，沒(méi)有出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象，說(shuō)明鋼筋區(qū)域約束混凝土和角鋼區(qū)域約束混凝土都具有較好的耗能能力。從表2中可以看出：

1)對(duì)于NRCC試件，隨著軸壓比的增加，其每一滯回環(huán)的耗能能力都有所下降，并且總耗能有所降低，但降低的幅度并不明顯，說(shuō)明在一定的軸壓比范圍內(nèi)，軸壓比能夠降低鋼筋區(qū)域約束混凝土的耗能能力，但影響并不大。

2)對(duì)于SRCC試件，隨著軸壓比的增加，在前三個(gè)滯回循環(huán)中，耗能能力有所下降，但在第四個(gè)滯回循環(huán)中，其耗能能力是有上升的，并且1.25軸壓比試件的總耗能能力強(qiáng)于1.1軸壓比的試件，但增加的并不多。

3)在同樣的軸壓比下，都是前兩個(gè)循環(huán)SRCC的耗能大于NRCC，后兩個(gè)循環(huán)的耗能SRCC小于NRCC，而總耗能則呈現(xiàn)1.1的軸壓比下SRCC的耗能小于NRCC，1.25軸壓比下SRCC的耗能大于NRCC，這可能在前兩個(gè)循環(huán)中角部角鋼在一定程度上增加了試件的耗能，但隨著位移的增加，角部角鋼屈服之后就降低了對(duì)混凝土的約束效果。

3.2骨架曲線

在試件的骨架曲線上可以明顯的看出試件的延性等特征，試件的骨架曲線如圖6所示。

圖6　骨架曲線

從圖6中可以看出：

1)試件NRCC隨著軸壓比的增加，其初始剛度、水平承載力以及延性都基本一致，說(shuō)明一定范圍內(nèi)的軸壓比對(duì)鋼筋區(qū)域約束混凝土的影響不大。

2)試件SRCC在1.1和1.25的軸壓比下，其水平承載力的差別不大，但SRCC-2的延性較SRCC-1好，說(shuō)明對(duì)于SRCC而言，在一定的軸壓比范圍內(nèi)，隨著軸壓比的增加，其延性會(huì)有改善，這可能時(shí)軸壓比較低的時(shí)候無(wú)法充分發(fā)揮角鋼區(qū)域約束混凝土的優(yōu)勢(shì)。

3)在1.1的軸壓比下，試件NRCC和SRCC的承載力基本相同，但NRCC的延性較SRCC稍好，這可能時(shí)由于在較低的軸壓比下不能充分發(fā)揮角鋼區(qū)域約束的原因。

4)在1.25的軸壓比下，試件NRCC和SRCC的延性、承載力等各方面指標(biāo)較類(lèi)似，這就說(shuō)明在較低的軸壓比下SRCC的性能可能不太理想，或許是由于較低的軸向力不能使混凝土產(chǎn)生較大的橫向變形，無(wú)法使混凝土和角鋼之間產(chǎn)生較大的黏結(jié)力。

3.3水平承載力、層間位移角及延性系數(shù)

水平承載力反映試件的能夠承受水平荷載的大小，是構(gòu)件很重要的一項(xiàng)指標(biāo)。位移角和延性都是反映構(gòu)件延性的重要指標(biāo)?，F(xiàn)將構(gòu)件的各項(xiàng)指標(biāo)列于表3，其中水平承載力取試件正向和負(fù)向承載力最大的絕對(duì)值的平均值。屈服位移取試件屈服時(shí)的位移，極限位移取試件推向和拉向的出現(xiàn)極限承載力后，承載力下降至最大承載力的85%的平均值。延性系數(shù)為試件極限位移和屈服位移的比值。

表3　主要試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出：

1)試件NRCC的水平承載力在1.1的軸壓比下和SRCC基本相同，但在1.25的軸壓比下NRCC的承載力較SRCC高10%左右，說(shuō)明對(duì)于區(qū)域約束混凝土而言。在試件的角部用角鋼代替縱向鋼筋對(duì)承載力幫助不大，甚至?xí)兴陆?，這可能是角鋼和混凝土之間存在一定的粘結(jié)滑移。

2)試件NRCC的延性系數(shù)在1.1和1.25的軸壓比下都較SRCC高，說(shuō)明在一定的軸壓比范圍內(nèi)，用角鋼代替區(qū)域約束混凝土角部縱筋并不能提高試件的延性。值得注意的是，隨著軸壓比的增加，NRCC的延性系數(shù)隨之下降，而SRCC的延性系數(shù)卻有所提高。由于條件限制，試件所做的軸壓比較少，無(wú)法更進(jìn)一步判斷。

3)雖然試件的延性系數(shù)均在2～3范圍之內(nèi)，但由于試件在彈性階段的位移較大，彈性位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)文獻(xiàn)1中的規(guī)定，故可以滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。

3.4剛度比較

表4　剛度退化

從表4可以看出：

1)無(wú)論在哪個(gè)軸壓比下，試件NRCC的剛度均較SRCC大，說(shuō)明鋼筋區(qū)域約束混凝土的剛度較角鋼區(qū)域約束混凝土大?？赡苁沁x用的角鋼較小，不能十分有效的提高試件的剛度。

2)隨著軸壓比的增加，試件NRCC的各項(xiàng)剛度均在下降，而SRCC的剛度除破壞剛度以外其他的剛度亦在下降。

4　結(jié)論

1)對(duì)于區(qū)域約束混凝土而言，在試件的角部用角鋼代替縱筋，并沒(méi)有使試件出現(xiàn)掏空現(xiàn)象，但角鋼區(qū)域約束混凝土并沒(méi)有顯著提高試件的承載力、延性、耗能等性能，這可能是試件選用的軸壓比小不能充分發(fā)揮角鋼區(qū)域約束的性能，其次可能是由于角鋼表面較光滑，不能達(dá)到鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力。

2)隨著軸壓比的增加，鋼筋區(qū)域約束混凝土的各項(xiàng)性能均在降低，而角鋼區(qū)域約束混凝土的部分性能卻有所上升，需要更多的軸壓比試驗(yàn)以探求角鋼區(qū)域約束混凝土合理的軸壓比限制。

3)鋼筋區(qū)域約束混凝土和型鋼區(qū)域約束混凝土柱的層間位移角、延性系數(shù)等可以滿(mǎn)足工程的需要，因此對(duì)區(qū)域約束混凝土而言可以適當(dāng)?shù)姆艑捯?guī)范中對(duì)軸壓比限值的規(guī)定。

[1] GB50011-2010《建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 賈金青, 趙國(guó)藩. 高強(qiáng)混凝土框架短柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2001, 22(3): 43-47.

[3] 尹衍樑. 矩形混凝土柱新的約束型式之研發(fā)(Ⅰ)一筆箍、格網(wǎng)箍筋及電焊方箍[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2004, 37(8): 1-10.

[4] 李忠獻(xiàn). 鋼筋混凝土分體柱理論與技術(shù)[J]. 工程力學(xué), 2005, 22(6): 127-140.

[5] 曹新明, 肖常安, 肖建春, 等. 區(qū)域約束混凝土淺析[J]. 工程抗震與加固改造, 2008, 30(5): 112-115.

[6] 曹新明, 莫志剛, 任廷堅(jiān), 等. 超高軸壓比區(qū)域約束混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2012, 33(10): 103-106.

[7] JGJ101-96, 《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》[S].

(責(zé)任編輯：王先桃)

Research on the Seismic Performance of Angle-steel Regional Confined Concrete and Bar Regional Confined Concrete

SHAO Jianli, CAO Xinming, CHANG Ya, JIANG Yaxing, YANG Zhiyong

(Space Structures Research Center, Guizhou University, Guiyang 550003, China)

In order to improve the performance of bar regional confined concrete columns further, angle steel can be used to replace the corner longitudinal bar. Low cyclic loading tests for these two types of regional confined concrete columns under axial compression ratio at 1.1、1.25 were conducted to the performance of regional confined concrete columns. The skeleton curve, ductility and energy dissipation capacity were studied and compared with each other. The results indicate that the angle-steel regional confined concrete does not improve the performance of the bar regional confined concrete. As a result ,it is very necessary to study one new section form to improve the performance of regional confined concrete.

angle-steel regional confined concrete; bar regional confined concrete; ductility；energy dissipation capacity

1000-5269(2016)02-0112-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.02.25

2016-02-10

貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)黔建科通[2013]367號(hào)

邵建力(1989-)，男，在讀碩士，研究方向：區(qū)域約束混凝土結(jié)構(gòu)，Email：726365430@qq.com.

曹新明，Email：xcaol@yahoo.com.

TU352.1

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