金志鵬，劉 凡，郭云道

（1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.蘇州第一建筑集團有限公司，江蘇 蘇州215123）

地震在近現(xiàn)代頻頻發(fā)生且會對已建工程造成相當大的損害，故而工程中需要對結(jié)構或者結(jié)構構件進行抗震設計分析，而結(jié)構構件的變形能力是其抗震設計分析中的重要指標。鋼筋混凝土箱型柱這類結(jié)構構件具有自重小，空間抗扭能力強等優(yōu)點，在工程結(jié)構中已被廣泛應用。但此類構件的設計參數(shù)改變對其變形能力影響的研究不多，本文對6個不同設計參數(shù)的鋼筋混凝土箱型柱試件進行了擬靜力試驗，從而得到相關數(shù)據(jù)并進行相關的分析，研究其設計參數(shù)變化對構件變形能力的影響。

1 試件的設計

依據(jù)規(guī)范[1]共設計6個試件（混凝土設計強度均為C40，其余設計參數(shù)如圖1所示和表1所列，編號分別為 RCBC-SS、RCBC-CST、RCBC-LST、RCBC-ST、RCBC-SR、 和 RCBC-SL，以 RCBC-SS 為標準柱。其中RCBC-SS、RCBC-CST、RCBC-LST和RCBC-ST是為了探究腹板和翼緣高寬比[2]的變化對混凝土箱型柱塑性變形能力的影響；RCBC-SS和RCBC-SL是為了探究箱型截面空心矩形的面積變化對混凝土箱型柱塑性變形能力的影響；RCBC-SS與RCBC-SR是為了探究箱壁配筋率[2]對混凝土箱型柱塑性變形能力的影響。

圖1 設計試件的配筋圖

2 設計試件的擬靜力試驗

2.1 試驗加載設備與加載方案

試驗在蘇州科技大學江蘇省結(jié)構工程重點實驗室進行，使用設備為四連桿。水平荷載加載前，按設計軸壓比計算豎向恒載（6個設計試件軸壓比均為0.1），并按恒載的50%進行預加載，循環(huán)兩次后對試件的豎直方向緩慢加載至豎向恒載的100%。水平荷載的加載采用力（荷載）-位移控制的方法[3-4]：試件開裂前按20 kN/40 s逐級加載，開裂后按10 kN/20 s逐級加載并循環(huán)三次直至屈服，屈服后按屈服位移的0.2倍逐級加載，直至水平荷載下降到極限水平荷載的85%左右時停止加載。加載設備和加載制度如圖2所示。

圖2 加載設備和加載制度

2.2 試驗主要測量內(nèi)容

試驗測試的主要內(nèi)容：（1）測量試件的混凝土應變值和鋼筋的縱向應變值；（2）測量各級水平荷載，以及與其對應的試件水平位移值；（3）各級荷載作用下的裂縫發(fā)展情況，即其位置、長度、角度以及寬度的測量。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 滯回曲線試驗結(jié)果與分析

3.1.1 滯回曲線試驗結(jié)果 試件的滯回曲線試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 滯回曲線成果圖

3.1.2 試件的滯回曲線分析 基于圖2進行滯回曲線分析，詳見表2所列。對滯回曲線的分析研究采用定量的方法，一般來說，滯回曲線越飽滿，結(jié)構的塑性變形能力越強[5]。滯回環(huán)面積的求法采用積分公式

（1）對比RCBC-SS與RCBC-LST的滯回曲線，翼緣寬高比從70/650到100/650增大了大約5%，滯回面積有較為明顯的增長，增長幅度約為80%，說明增大翼緣寬高比能夠增強結(jié)構的塑性變形能力。

（2）對比RCBC-SS與RCBC-CST的滯回曲線，腹板寬高比從70/400到100/400增大了大約7.5%，滯回環(huán)的總面積的面積增大了約為30%，說明增大腹板寬高比能夠提升構件的塑性變形能力。

（3）對比RCBC-SS與RCBC-ST的滯回曲線：翼緣寬高比從70/650到100/650增大了大約5%，腹板寬高比從70/650到100/650增大了大約7.5%，滯回環(huán)面積的有非常明顯的增長，增長幅度約為114%，說明同向同級別增大構件的寬高比能夠大幅度提升構件的塑性變形能力。

（4）對比RCBC-SS與RCBC-SL的滯回曲線：構件的高寬比從650/400到500/400下降了37.5%，滯回環(huán)的總面積下降了大約11%，說明降低構件的高寬比對構件的抗震耗能能力有負效應，即會降低構件的塑性變形能力。

（5）對比RCBC-SS與RCBC-SR的滯回曲線：鋼筋的配筋率增加28.5%后，進入彈塑性狀態(tài)后，在同加載級別下滯回環(huán)面積顯著增大，總的滯回面積比參考柱增大了約為49.5%。一般而言，滯回曲線越飽滿，塑性能力越強，但縱向配筋率的增加會降低構件的延性[6]，故而配筋率對于塑性變形能力的影響還需要通過延性系數(shù)進一步分析。

表2 滯回環(huán)總面積

3.2 骨架曲線

3.2.1 骨架曲線試驗結(jié)果 試件測試的骨架曲線結(jié)果如圖3所示。

圖3 骨架曲線成果圖

3.2.2 試件的骨架曲線分析 基于圖3的試驗結(jié)果進行骨架曲線分析，表征試件的強度變化及其延性特征，一般由每一級循環(huán)荷載的峰值點連接而成。延性可以通過延性來分析試件的塑性變形能力[7]。本文分析骨架曲線時將從其延性特征著手。延性一般用延性系數(shù)μ來表示，μ定義為構件的極限變形和屈服變形之比。

式中，Δμ為試件的極限位移，取構件喪失承載力時所對應的位移；Δy為試件的屈服位移，取縱向鋼筋屈服時所對應的位移。延性系數(shù)計算值見表3所列。

表3 延性系數(shù)計算表

（1）由表3可知，6個混凝土箱型柱的延性系數(shù)在3.0～8.0之間，從抗震設計規(guī)范[1]對于延性的要求來看6個混凝土箱型柱均具有良好的延性性能和塑性變形能力。

（2）對比兩組試件RCBC-SS與RCBC-CST、CBC-LST與RCBC-ST發(fā)現(xiàn)，延性系數(shù)分別增大了10%和15%。兩組對比說明增大試驗構件的腹板寬高比會提高構件的延性性能與變形能力。

（3）對比兩組試件RCBC-SS與RCBC-LST、RCBC-CST與RCBC-ST發(fā)現(xiàn)，延性系數(shù)分別增大了15%和22%，兩組說明增大試驗構件的翼緣寬高比能夠較大地提升構件的延性性能與塑性變形能力。

（4）對比上述第2點和第3點發(fā)現(xiàn)，增加相同壁厚改變翼緣或腹板寬高比時，翼緣寬高比對塑性變形能力的提升更大。

（5）對比試件RCBC-SS與RCBC-ST發(fā)現(xiàn)，翼緣與腹板的寬高比同時增大，與標準試件相比延性系數(shù)提升了約為33%，說明同時增大翼緣與腹板的寬高比會大幅度提升構件的延性性能與塑性變形能力。

（6）對比試件RCBC-SS與試RCBC-SR發(fā)現(xiàn)，混凝土箱型柱配筋率過大會降低試件延性，降低幅度約為30%，說明增大縱筋配筋率會一定程度降低試驗構件的延性性能與塑性變形能力。

（7）對比試件RCBC-SS與RCBC-SL發(fā)現(xiàn)，延性系數(shù)下降，降幅約為21%，說明混凝土箱型柱截面空心矩形面積變小會導致柱子延性性能與塑性變形能力下降。

3.3 試件的最終破壞形態(tài)

試件的最終破壞形態(tài)如圖4所示，對試件的破壞形態(tài)進行分析得出：

（1）RCBC-SS。在80 kN時開裂，裂縫寬度小，長度約為10 cm；在120 kN時，骨架曲線的斜率明顯變小，此時構件基本進入彈塑性狀態(tài)，裂縫大量增多，兩側(cè)翼緣裂縫逐漸橫向貫穿截面，而腹板的受壓區(qū)與受拉區(qū)裂縫斜向相交成30°到60°角。位移控制加載到30 mm級，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進入到基本不變的狀態(tài)，試件有壓潰跡象；位移控制加載到40 mm級，骨架曲線達到峰值開始進入下降段，預示構件接近破壞；位移達到50 mm時，箱型柱喪失承載能力。

（2）RCBC-CST。在80 kN時開裂，裂縫發(fā)生在腹板及翼緣近柱腳，裂縫寬度約為0.1 mm，并且長度約為8 cm；在100 kN時，小部分鋼筋開始屈服，裂縫寬度增大到0.15 mm，并且開始增多。位移控制加載到25 mm級，骨架曲線的斜率明顯變小，此時構件基本進入彈塑性狀態(tài)，裂縫寬度增到0.2～0.25 mm，裂縫數(shù)量陡增；位移控制加載到35 mm級，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進入到基本不變的狀態(tài)，試件有壓潰跡象；位移控制加載到45 mm級，骨架曲線達到峰值開始進入下降段，預示構件即將破壞；位移達到55 mm時，箱型柱喪失承載能力。

（3）RCBC-LST。在80 kN時開裂，裂縫寬度小，長度約為10 cm；在120 kN時，骨架曲線的斜率明顯變小，此時構件基本進入彈塑性狀態(tài)，裂縫大量增多。位移控制加載到40 mm級，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進入到基本不變的狀態(tài)，試件有輕微壓潰跡象；位移控制加載到45 mm級，骨架曲線達到峰值開始進入下降段，預示構件即將破壞；位移控制加載到60 mm級，箱型柱喪失承載能力。

圖4 試件最終破壞形態(tài)

（4）RCBC-ST。在80 kN時腹板與翼緣受拉區(qū)出現(xiàn)細小且長為10～15 cm的裂縫；在120 kN，骨架曲線的斜率明顯變小，此時構件基本進入彈塑性狀態(tài)，裂縫大量增多。位移控制加載到30 mm級，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進入到基本不變的狀態(tài)，試件有輕微壓潰跡象；位移控制加載至45 mm級，骨架曲線達到峰值開始進入下降段，4個柱腳中度壓潰；位移控制加載到65 mm級，柱腳重度壓潰，箱型柱喪失承載能力。

（5）RCBC-SR。在80 kN時開裂，裂縫寬度非常微小且長度約為10 cm；在140 kN時，骨架曲線的斜率明顯變小，此時構件基本進入彈塑性狀態(tài)，裂縫大量增多。位移控制加載到30 mm級，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進入到基本不變的狀態(tài)，腹板受壓區(qū)與受拉區(qū)裂縫相交處有中度壓潰跡象；位移控制加載到45 mm級，骨架曲線達到峰值開始進入下降段，預示構件將破壞；位移控制加載到55 mm級，箱型柱喪失承載能力。

（6）RCBC-SL。在90 kN時開裂，裂縫位于受拉區(qū)翼緣近底部固端，與橫向網(wǎng)格線基本平行；在140 kN時，骨架曲線的斜率明顯變小，此時構件基本進入彈塑性狀態(tài)，裂縫寬度增大，兩側(cè)翼緣裂縫逐漸橫向貫穿截面，而腹板的受壓區(qū)與受拉區(qū)裂縫斜向相交成30°到60°角。位移控制加載到35 mm級，承載力接近峰值，骨架曲線斜率進入到基本不變的狀態(tài)，試件有壓潰跡象；位移控制加載到45 mm級，骨架曲線達到峰值開始進入下降段；位移控制加載到55 mm級，箱型柱喪失承載能力。

4 結(jié)論

目前尚無有關對滯回曲線飽滿程度與塑性變形能力進行正負相關性的研究報道，滯回曲線飽滿程度評價塑性變形能力暫時只能作為一個輔助參考指標。本文依據(jù)抗震設計規(guī)范以延性系數(shù)為主要參考指標評價了構件在各類設計控制參數(shù)下的塑性變形能力，得出以下幾點結(jié)論：

（1）鋼筋混凝土箱型柱翼緣或腹板高寬比增大可以有效提升柱子的塑性變形能力，但翼緣寬高比的增大相對而言對塑性變形能力的提升更大。

（2）鋼筋混凝土箱型柱截面空心矩形面積變小會導致柱子塑性變形能力下降。

（3）鋼筋混凝土箱型柱截面配筋率的增大會降低構件的塑性變形能力。