張 涵 劉 凡

(蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

鋼筋混凝土箱型柱壁厚小、截面閉合，具有較好的空間受力性能，在大型的結(jié)構(gòu)中被廣泛采納應(yīng)用。然而，在風荷載、地震這樣的水平荷載作用下，箱型柱強軸方向的性能及表現(xiàn)還有待研究[1-2]。本文研究不同翼緣厚度、不同腹板厚度和不同配筋率對混凝土箱型柱強軸方向應(yīng)力加載的受力性能的影響。

1 試件的設(shè)計

本課題試驗按照工程實例陜西省葫蘆河特大橋的橋墩1∶10等比縮尺設(shè)計鋼筋混凝土箱型柱試件。設(shè)計參數(shù)、配筯和鋼筋混凝土實際測的各項力學指標分別見圖1、表1～表3所示。4個試件的編號分別為HC-1、HC-2、HC-3、HC-4，其中HC-1為參考柱。試件HC-2和HC-1為對比研究不同翼緣厚度對鋼筋混凝土箱型柱強軸方向應(yīng)力加載的受力性能的影響；試件HC-3和HC-1為對比研究不同腹板厚度對鋼筋混凝土箱型柱強軸方向應(yīng)力加載的受力性能的影響；試件HC-4和HC-1為研究不同配筋率對混凝土箱型柱強軸方向應(yīng)力加載的受力性能的影響。

表1 試件尺寸及配筋表

表2 灌漿料試塊抗壓試驗統(tǒng)計表

表3 鋼筋材料性能

圖1 試件柱身剖面圖

2 設(shè)計試件的擬靜力試驗

2.1 試驗加載設(shè)備與加載方案

本試驗的加載裝置為四連桿。試驗開始前，按照0.1的設(shè)計軸壓比計算出豎向恒載，并取50%的豎向恒載進行預加載，再緩慢加載至豎向荷載的100%。水平方向的荷載采用先力后位移的控制方法[3-4]來加載，如圖2所示。

圖2 加載方案示意圖

2.2 試驗主要測量內(nèi)容

（1）記錄鋼筋混凝土箱型柱在強軸方向下加載過程中裂縫出現(xiàn)的位置、長度、角度以及寬度；

（2）利用位移計和作動器上的壓力傳感器測得逐級循環(huán)往復加載下關(guān)于水平力與水平位移之間的關(guān)系并繪制滯回曲線與骨架曲線。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試件的最終破壞形態(tài)

（1）HC-1試件在第一級至第五級加載時無明顯變化，處于彈性階級。在加載到120kN時出現(xiàn)第一道長約3cm，寬度很小的裂縫，裂縫位置在柱身的腹板受拉區(qū)底部。在加載到180kN時，少部分鋼筋應(yīng)變值達到極限，鋼筋屈服，裂縫開始出現(xiàn)數(shù)量增多和寬度較明顯的跡象。隨即轉(zhuǎn)為位移控制加載，在加載到1個△即3mm時，試件翼緣出現(xiàn)明顯橫向貫穿裂縫，裂縫寬度增到0.2～0.3mm；試件腹板裂縫數(shù)量驟增，且多與腹板的豎向中心線形成45°左右的夾角。在位移控制加載到11個△即33mm時，試件受壓區(qū)翼緣板固端混凝土被壓酥，受拉區(qū)翼緣底部裂縫增至2.5mm左右。當位移控制加載到15個△即45mm時，試件嚴重破壞，柱身腹板出現(xiàn)斜向貫穿裂縫，翼緣板部分混凝土脫落，箱型柱喪失承載力。

（2）HC-2試件在第一級至第五級加載時無明顯變化，處于彈性階級。在加載到110kN時在翼緣底部出現(xiàn)第一道長約2cm，寬度很小的裂縫。在加載到160kN時，試件翼緣出現(xiàn)明顯大批橫向貫穿裂縫，裂縫寬度增至0.2mm左右。在位移控制加載到10個△即30mm時，試件腹板裂縫交錯明顯，寬度增加到0.6mm左右。當位移控制加載到15個△即45mm時，此時水平荷載達到420kN，由于柱身和基礎(chǔ)分批澆筑和柱身強度過大的緣故，最終導致柱身與基礎(chǔ)脫節(jié)。

（3）HC-3試件在第一級至第八級加載時無明顯變化，處于彈性階級。在加載到180kN時在墩角出現(xiàn)第一批裂縫，其中一條是橫向裂縫，長約5cm寬約0.2mm，位置在翼緣板；另一條裂縫由翼緣直接延伸到腹板，寬度約為0.2mm。繼續(xù)加載到200kN時，少部分鋼筋屈服，翼緣板新增兩條裂縫，一條裂縫將之前的兩條柱身底部裂縫貫通起來；另一條是在距離固端約300mm處的橫向貫穿裂縫，寬度為0.2mm左右。轉(zhuǎn)為位移控制加載，接著加載到1個△即3mm時，試件腹板出現(xiàn)大批與腹板縱向中心線成30°～60°的斜向裂縫，部分裂縫直接從腹板頂部斜向延伸下來，裂縫寬度增至0.3mm左右。在位移控制加載到8個△時，試件柱腳出現(xiàn)混凝土被壓潰的現(xiàn)象，受拉側(cè)翼緣板的主裂縫寬度開展到1mm左右。當位移控制加載到15個△即45mm時，柱腳混凝土被輕微壓潰，可能是試件本身澆筑的問題，該試件沒有做到預期的破壞狀態(tài)。

（4）HC-4試件在第一級至第七級加載時無明顯變化，處于彈性階級。在加載到160kN時在翼緣板距離固端大約300mm和400mm處同時出現(xiàn)三條第一批裂縫。繼續(xù)加載到240kN時，少部分鋼筋屈服，在翼緣板距離固端600mm處新增兩條寬度約為0.2mm的裂縫。隨即轉(zhuǎn)為位移控制加載，接著加載到1個△即4mm時，試件翼緣板出現(xiàn)5條清晰可見的橫向貫穿裂縫，上下每條裂縫之間距離均在4cm左右。在位移控制加載到2個△即8mm時，裂縫從柱帽向下沿45°夾角斜向交錯開展，主裂縫寬度增加至0.8mm左右。試件柱腳出現(xiàn)混凝土被壓潰的現(xiàn)象，可能是試件本身設(shè)計的配筋率過高的問題，該試件沒有做到預期的破壞狀態(tài)。

3.2 滯回曲線分析

試件的滯回曲線結(jié)果如圖3所示。

圖3 滯回曲線匯總圖

本課題基于設(shè)計參數(shù)的不同對于試件滯回曲線的影響，采用了定量分析法來探究滯回曲線，所以需要計算出滯回環(huán)的面積【5】。滯回環(huán)面積的計算公式為：

式中：

n——積分點的個數(shù)。個數(shù)越多，結(jié)果越精準；

Δn，Δn-1——滯回曲線中兩個相鄰的位移點；

Pn，Pn-1——滯回曲線中兩個相鄰的位移點分別對應(yīng)的恢復力數(shù)值。

計算出的滯回環(huán)面積如表4所示。

表4 滯回環(huán)總面積

（1）因為HC-2試件本身澆筑的問題，導致柱身沒達到極限承載力而與柱底脫節(jié)，在此不再做對比。

（2）通過對試件HC-1和試件HC-3的滯回曲線對比分析可知，兩個試件的腹板厚度不同，試件HC-1的腹板厚度為70，對比試件HC-3的腹板厚度為100，腹板厚度加大，滯回環(huán)的面積變化不是很明顯，從變化趨勢上來看應(yīng)該是有一定程度的提高，只是由于試驗有一定的缺陷，滯回曲線沒能充分顯示。

（3）通過對試件HC-1和試件HC-4的滯回曲線對比分析可知，兩個試件的受拉區(qū)和受壓區(qū)縱筋均從14根增加至18根，對比試件HC-4的滯回環(huán)的面積比參考柱HC-1的滯回環(huán)面積有較為明顯的增大，說明增大翼緣和腹板的配筋率可以有效地提升構(gòu)件的抗震耗能能力。

3.3 骨架曲線的對比分析

通常情況下，通過骨架曲線來反映試件從加載初始階段到最后被壓潰的受力性能。4個試件的骨架曲線對比如圖4所示。

圖4 骨架曲線對比圖

（1）對比試件HC-1和HC-2的骨架曲線變化趨勢，翼緣板厚度從70增加至100，變化了大約43%，試件沒有屈服之前，兩個試件的割線剛度近乎相同。由于HC-2試件沒達到極限承載力和柱底脫節(jié)，所以屈服后的階段會進行有限元模擬分析。

（2）對比試件HC-1和HC-3的骨架曲線圖，兩個試件腹板厚度不同，從70增加到100，變化了約43%。屈服前兩個試件的割線剛度大致是重合的。對于水平極限承載力,從變化趨勢上來看有一定程度的提高,只是由于試驗有一定的缺陷，骨架曲線沒能充分顯示。

（3）對比試件HC-1和試件HC-4的骨架曲線圖，兩個試件配筋率不同，在試驗加載的彈性階段二者的骨架曲線幾乎重合，割線剛度也是近乎相同。從骨架曲線的變化趨勢上來看，HC-4的水平極限承載力高于HC-1的極限承載力，由此可以得知，強軸向加載箱型柱時，增大配筋率有助于提升構(gòu)件的水平承載力[6]。

4 結(jié)束語

綜上所述，依據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范以滯回曲線和骨架曲線為主要參考，分析了箱型柱在強軸向加載下的受力性能，得出以下結(jié)論：

（1）鋼筋混凝土箱型柱翼緣板厚度的增大可以有效提升柱子的抗震性能，增大腹板厚度對其抗震性能有一定的提升。

（2）鋼筋混凝土箱型柱截面配筋率的增大會提升構(gòu)件的水平承載能力。