配置HRB500钢筋的混凝土异形柱抗震性能试验研究.pdf

第 3 9卷第 3期 2 0 1 3年 6月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e l 61 配置 H R B 5 0 0钢筋的混凝土异形柱抗震性能试验研究 戎 贤 ， 张健新 ， 李艳艳 ( 1 河 t , - r 业大学土木工程学院， 天津3 0 0 4 0 1 ； 2 河北省土木工程技术研究中心 ， 天津3 0 0 4 0 1 ) 摘要 ： 通过对4根 + 形和4根 T形配置 HR B 5 0 0钢筋的混凝土异形柱试件进行低周往复荷载试验 ， 对比分析了试 件的破坏特征、 承载能力、 位移及延性、 滞回特征、 刚度退化、 耗能能力及累积损伤等抗震性能指标 ， 研究轴压比和 配箍特征值对高强钢筋混凝土异形柱抗震性能的影响。研究表明： 试件的破坏形态为弯曲剪压型； 随着轴压 比的 增加， 试件的极限承载力提高， 但试件的变形能力和延性降低， 刚度退化加快 ； 增大配箍特征值， 提高了试件的开裂 荷载、 变形能力及延性， 改善了试件的滞 回特性， 减轻了试件的累积损伤程度。研究结果为配置高强钢筋的混凝土 异形柱结构设计提供了参考。 关键词 ： 异形柱； HR B 5 0 0钢筋； 低周往复荷载； 抗震性能 中图分类号 ： T U 3 7 5 3 文献标志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 31 6 1 0 5 Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n s e i s mi c b e ha v i o r o f HRB5 0 0 RC s pe c i a l l y s h a pe d c o l u mn s RO NG Xi a n 【 ， Z HANG J i a n x i n 。 L I Ya n y a n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， He b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ； 2 C i v i l E n gi n e e r i n g T e c h n o l o gy R e s e a r c h C e n t e r o f H e b e i P r o v i n c e ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e l o w c y c h c l o a d i n g e x p e ri me n t s o n f o u r c r o s s - s h a p e d a n d f o u r T s h a p e d s p ec i a l l y s h a p e d c o l u n l n s ， t h e r e s u l t s i n t e r m s of d a ma g e c h a r a c t e ri s t i c， b e a r i n g c a p a c i ty，d i s p l a c e me n t and d u c t i l i ty， h y s t e r e t i e c h a r a c t e ris t i c ， r i g i d i t y d e g r a d a t i o n ， e n e r g y d i s s i p a t i o n and a c c u mu l a t ed d a ma g e a re c o mp e d T h o s e e ff e c t s o n s e i s mi c b e h a v i o r o f HR B 5 0 0 RC s pec i a l l y s h a ped c o l u mn w e r e ana l y z e d s u c h a s t h e a x i a l c o mp res s i o n r a t i o a n d s ti r r u p c h a r a c t e ris t i c v alu e Wi t h t h e i n c r e a s e o f a x i al c o mp res s i o n r a t i o， t h e b e a r i n g c a p a c i ty of HR B 5 0 0 R C s p e c i a l l y s h a p e d c o h l m n s i s b i g g e r w h i l e t h e d e f o r m a t i o n c a p a c i t y a n d d u c t i li t y are w o rs e a n d ri gi d i t y d e g r a d a t i o n i s f ast e r Wi t h t h e i n c rease o f s ti r r u p c h a r a c t e ri s ti c v a l u e ， t h e c r a c k i n g l o a d ， d e f o r ma t i o n c a p a c i t y a n d d u c t i l i ty o f s p e c i me n s i s b i g g e r ， t h e h y s t e ret i c c h a r a c t e ri s t i c i s i mp r o v e d and t h e d e g r e e o f acc u mu l a t e d d a ma g e i s li g h t e n e d T h e c o n c l u s i o n s of HRB 5 0 0 RC s p ec i a l l y s h a p ed c o l um n c a n b e r e f e r e n c e s f o r s t ruc t u r a l d e s i g n Ke y wo r d s ： s p e c i a l l y s h a p e d c o l um n； HRB S 0 0； l o w c y c l i c l o a d i n g ； s e i s mi c b e h a vio r 0 引 言 H R B 5 0 0钢筋由于具有提高构件强度、 降低用 钢量以及减少构件截面尺寸等优点 ， 在 国外 已得到 广泛应用 ， 其在钢筋混凝土梁柱 中应用的试验研 究已 经 取 得 了 成 果 引， 也 被 列 入 新 修 订 的 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 中。异形柱 结构体系由于具有良 好的建筑功能而在国内得到广 泛应用， 天津大学 J 、 河北工业大学 J 、 华南理工 大学 】 及同济大学- 1 等研究单位对普通钢筋混凝 收稿 日期 ： 2 O 1 2 1 5 作者简介： 戎贤( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 教授， 博士， 研究方向： 结构抗震。 基金项 目： 河北省 自然科 学基金 项 目( E 2 0 1 1 2 0 2 0 1 3 )； 河北 省建设科 技研究计划( 2 0 1 2 2 0 2 7 ) Ema i l ： z h a n g j i a n x i n S 0 5 1 2 6 c o rn 土异形柱结构体系进行了较为系统的研究。然而由 于缺乏配置 H R B 5 0 0钢筋的混凝土异形柱结构及构 件的试验资料， 其在异形柱结构中的适用性尚未明 确。为推广 H R B 5 0 0钢筋在异形 柱结构 中的应用 ， 对配置 H R B 5 0 0钢筋的混凝土异形柱试件进行相同 条件下的低周往复荷载试验， 对比研究其抗震性能。 试验结果可作为 J G J 1 4 9 -2 0 0 6 ( 混凝土异形柱结构 技术规程 修订的参考。 1 试验概 况 试验共设计了8 根 1 2 缩尺的异形柱试件， 其 中4 根 + 形和4根 T形， 试件设计参数见表 1 。混 凝土强度等级为 C 5 0 ， 保护层厚度为 1 5 m m， 立方体 抗压强度实测平均值为5 1 6 M P a ， 轴心抗压强度实 测平均值为3 1 6 M P a ， 弹性模量为 3 3 5 G P a 。试件 2 0 1 3 N o 3 戎贤， 等： 配置 H R B 5 0 0钢筋的混凝土异形柱抗震性能试验研究 1 6 3 在弹性 阶段 ， 腹板 和翼缘出现许多微小水平裂 缝 ， 随着荷载的增加， 水平裂缝不断延伸扩展 ， 并伴 随着斜裂缝 的出现 ， 当钢筋屈服 ， 滞 回曲线 出现残余 变形 ， 试件开始进入弹塑性 阶段。裂缝宽度不断增 大， 数量不断增多 ， 出现贯穿交叉裂缝 ， 受压 区混凝 土呈龟裂状， 剪压区不断减小， 混凝土保护层不断脱 落， 试件达到最大承载能力， 此后荷载不再增加而变 形继续增加直到纵筋屈曲、 腹板柱底混凝土压碎 ， 试 件破坏。 随着轴压 比增大 ， 推迟了裂缝 的产生和柱底塑 性铰的出现， 提高了试件的承载力， 但混凝土压溃程 度严重， 表明轴压力对增加混凝土剪压区高度、 改善 骨料的咬合作用、 推迟裂缝的产生等有有利影响。 随着配箍特征值的减小 ， 斜裂缝 的产生较早 ， 裂缝宽 度增加 ， 柱底混凝土压溃程度更严重 ， 承载力也有所 降低 。 3 试验结果分析 3 1 承载力、 位移及延性 试件 的荷载、 位移、 位移延性系数及弹塑性位移 角见表 2 。其中， 屈服荷载通过等面积法确定， 破坏 位移为骨架曲线 上荷载下降到极 限荷载 的 8 5 时 对应 的位移， 位移延性 系数是破坏位移与屈服位移 的比值， 弹塑性位移角是破坏位移与试件净高的比 值。 表 2 试件承载力、 位移及延性 Ta b l e 2 Be a r i n g c a p a c i t y，d i s p l a c e m e n t a n d d u c t i l i t y c o e ffi c i e n t o f s p e c i me n s 从表 2中可 以看出， 随着配箍特征值的增加 ， + 形柱的开裂荷载平均值逐渐提高， Z T 1 的开裂荷载 平均值比Z T 3的提高 7 4 ， Z T 2的开裂荷载平均 值比Z T 3的提高 1 9 4 。表明加密箍筋可以延缓 试件斜裂缝的产生。同时， 配箍特征值大的试件， 一 般试件的极限位移和破坏位移也大 ， 表 明增大配箍 特征值增加了试件的变形能力。随着轴压比的增 大， 正反向加载时开裂荷载的非对称性减小， + 形和 T形柱的极限荷载平均值均增加约 l 5 k N， 试件的承 载能力提高； 试件的屈服位移和破坏位移减小， 试件 的变形能力降低。随着轴压比增加和配箍特征值增 加， 试件的弹塑性位移角变大， 其平均值在 1 3 0 1 1 9之间 ， 满足 J G J 1 4 9 -2 0 0 6 混凝土异形柱结构 技术规程 中规定的在罕遇地震作用下弹塑性层 间 位移角限制为 1 6 0的设计要求。T形柱正 向加载 的极限承载力大于反 向的极 限承载力， T形柱的反 向加载时的延性系数大约是正向延性系数 的 7 0 ， 反向的弹塑性位移角也大于正 向的， 表 明 T形柱反 向的延性较好。 3 2 滞回特性 结构在低周往复荷载作用下滞回曲线是其抗震 性能的综合体现， 是评价结构抗震性能的重要指标。 试件柱顶水平荷载一 位移滞回曲线如图4所示。总 体来看， 在加载初期， 滞回环面积很小， 呈梭形； 试件 l 6 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 开裂 以后 ， 滞 回环 面积变大 ， 出现残余 变形 ； 在纵筋 屈服后， 滞回环面积继续增大， 发展到弓形， 刚度退 化加快； 随着荷载的继续增加， 滞回环逐渐过渡到 s 形； 最后试件的强度和刚度骤降， 试件破坏。 在加载初期 ， 所有试件正反向的滞回曲线基本 对称 ； 加载后期 ， +形试件的滞 回曲线对称性较好 ， 位移 mm ( a ) Z I 趸 攥 柱 位 移 mm ( b ) Z + 2 T形试件的滞 回曲线在正反 向呈现不对称的特 点， 这种不对称性主要表现在滞回环形状和极限承载。 增大配箍特征值可增加试件滞 回曲线的饱满程度， 增加试件的变形能力 ， 有利于结构抗震 。随着轴压 比的增大 ， 试件的后期变形能力变小 ， 极限承载力下 降加快。 2 0 0 l 。 。 曩 。 柱 1 0 o 20 o 位移 mm ( c ) g + 3 嘉 柱 位移 mm ( d ) Z + 4 图 4 滞 回曲线 Fi g 4 Hys t e r e t i c c ur v o f l o a d- di s pl a c e me nt 3 3刚度退化 的正反向加载产生的刚度退化曲线不对称 ， 正向加 计算 得到异形柱 的刚度退化 曲线如图 5所示。 载的初始刚度小于反向加载时的初始刚度( z+ 3除 试件屈服前刚度退化较快 ， 随着加载进行 ， 刚度退化 外 ) ， 主要原因是初始加载造成反向的刚度先损伤 ， 逐渐变缓 ， 后期刚度逐渐稳定 。z+ 3试件 的初始刚 损伤累积导致刚度不对称 ， 同时钢材的包辛格效应 度正反方向分别为 2 5 k N m m和 1 9 k N m m， Z+ 4 也导致刚度退化的不对称。但随着加载的进行， 结 试件的初始刚度正反方向分别为 2 8 k N m m和 5 6 构的正反向刚度逐渐接近。轴压比大的试件， 试件 k N m m， Z T 3试件的初始刚度正反方向分别为 2 4 的初始刚度也较大， 但刚度退化较快。配箍特征值 k N m m和 4 7 k N mm， Z T 4试件 的初始 刚度 正反方 对刚度退化影响效果不显著。 向分别为 4 6 k N m m 和4 8 k N m m。加载初期 ， 试件 图5 刚度退化曲线 F i g 5 Cu r v e s o f s t i f f n e s s d e g r a d a t i o n 一 q g 7 p o 匠 2 0 1 3 N o 3 戎 贤， 等： 配置mt 9 5 o o 钢筋的混凝土异形柱抗震性能试验研究 1 6 5 3 4耗能能力 吸收及耗散能量能力是评价结构抗震性能的重 要指标 ， 结构所 吸收及耗 散能量越多 ， 抗震性 能越 好 。结构或构件的耗能能力一般用等效粘滞阻尼系 数 。 表 示 。h 值 越大 ， 结构 的耗能 能力好。试 件的等效粘滞阻尼系数计算结果见表3 。 表 3 等效粘滞阻尼系数 Ta b l e 3 Eq u i v a l e n t v i s c o u s d a mp i n g c o e f fic i e n t 从表 3可以看 出， 试件 的等效粘滞阻尼系数在 屈服前较小 ， 屈服 以后迅速增加。轴压 比和配箍特 征值对试件的耗能能力影响效果不显著， 但增大配 箍特征值增加了试件的变形能力。 4 累积损伤 累积损伤模型综合反映了混凝土结构在低周往 复荷载作用下变形过程中能量耗散和刚度退化等累 积损伤性能。往复荷载下结构损伤评价模型的建立 是根据能量耗散原理、 强度衰减及钢筋混凝土结构 在低周往复荷载下荷载一 位移滞回曲线 ， 以结构处在 理想无损伤状态下外力作功作为初始标量。结构在 任意循环下累积损伤程度可用累积损伤指标 D 表 示 引 。通过计算得到试件在主要阶段的累积损伤 指标见表 4 。 表4 试件主要阶段的累积损伤指标 Ta b l e 4 Cu mu l a t i v e d a ma g e i n d e x o f s p e c i me n s i n ma i n l o a d i n g s t a g e s 异形柱结构根据损伤指标和结构实际损伤程度 分为5 个损伤等级： D 。 ， = O一 0 2 ， 结构基本完好； D = 0 20 4 ， 结 构轻微损 伤 ， 裂缝宽 度不大 于 0 2 mm； D = 0 4 0 6， 结构中度损伤 ， 裂缝宽度由 0 2 mm到屈服 ； D =0 60 9 ， 由屈服到破坏荷载 ， 结 构严重破坏； D 0 9时， 构件失效 。由表 4可 看到试件在主要阶段的累积损伤指标值。按照参考 文献 1 3 提出的异形柱结构累积损伤分别为轻微 损伤、 中度损伤及严重破坏。配箍特征值大的试件 的累积损伤值小于配箍特征值小的试件( Z T 2除 外) ， 表明增大配箍特征值能够改善异形柱的累积 损伤程度。 5 结 论 通过对 8个配置 H R B 5 0 0钢筋的混凝土异形柱 试件进行低周往复荷载下的试验研究 ， 得 出以下结 论。 1 ) 滞 回曲线反映了 +形柱的对称性较好 ； 由于 T形柱的正反方向加载承载能力的不对称性， 反向 加载时的滞回环较饱满， 加载后期反向刚度退化较 缓慢， 延性较好， 但极限承载力较正向加载方向的 低。 2 ) 配箍特征值对异形柱抗震性能的影响： 随着 配箍特征值的增大 ， 提高 了试件的开裂荷载， 增加 了 试件的变形能力 ， 提高了试件的延性 ， 改善 了试件 的 滞回特性 ， 减轻了试件的累积损伤程度。 3 ) 轴压比对异形柱抗震性能的影响： 随着轴压 比的增加， 提高了试件的极限承载力， 但试件的变形 能力降低 ； 提高了试件的初始刚度 ， 但加载后期刚度 退化较快。 参 考 文 献： 1 S u m p t e r M S ， S a n i H， R i z k a l l a P a u l Z i a B e h a v i o r o f H i s h P e rf o r m a n c e S t e e l a s S h e a r R e i n f o r c e m e n t f o r C o n c r e t e B e a m s J A C I S tr u c tu r a l J o u rnal， 2 0 0 9， 1 0 6( 2 ) ： 1 7 1 - 1 7 7 2 R e i d a r B j o r h o v d e D e v e l o p m e n t a n d u s e o f h j g l l p e rf o r m a n c e s t e e l J J o u rnal o f C o n s tr u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 6 0 ( 3 ) ： 3 9 3 4 0 o 3 O u s a l e m H a s s a n e ， T a k a t s u H i re t o ， I s h i k a w a V u j i 。 e t a1 U s e o f h i g h s t r e n g t h b a r s f o r t h e sei s mi c p e rfo r m a n c e of h i s h s t r e n g t h C O n - c r e t e c o l u m n s J J o u r n al o f A d v a n c e d C o n c re t e T e c h n o l o g y 。 2 0 0 9 ， 7 ( 1 ) ： 1 2 3 1 3 4 ( 下转第 2 2 1页) 2 0 1 3 N o 3 郑亚林 ， 等： 耐水氯氧镁水泥 玻璃纤维复合材料的研制 2 2 1 复合材料。 2 结 论 1 ) 外加剂掺人氯氧镁水泥中可以改善其抗折 强度， 最佳掺量分别是： 苯丙乳液为 2 ， 减水剂为 0 5 ， F e S O 为 3 ， 改 性 剂 为 0 5 ， 磷 酸 为 0 2 5 ， 添加剂为 1 1 5 ， 聚醋酸乙烯为 1 。而减 水剂 、 F e S O 、 磷酸等对试块 的抗折强度有显著 的影 响。 2 ) 单一有机外加剂改性 的氯氧镁水泥 玻璃纤 维复合材料会 出现脆性大、 韧性低的缺点 。不 能制 备耐水氯氧镁水泥 玻璃纤维复合材料。 3 ) 外加剂复配实验表 明， 减水剂与 F e S O 的交 互作用显著， 当减水剂用量为0 2 5 、 F e S O 用量为 1 5 时复合材料的强度最高， 耐水性能良好。使用 复合外加剂进行改性， 可以得到耐水的对氯氧镁水 泥 玻璃纤维复合材料。 参 考 文 献 ： 1 王英姿， 邱振新， 王翔 浅谈氯氧镁水泥制品的性能及发展 状况 J 山东建材， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 3 8 - 4 0 E 2 3 苏雪筠， 苏茂尧 化学发泡氯氧镁水泥防火材料的研究 J 硅 酸盐学报 2 0 0 2。 3 3 ( 2 ) ： 1 3 5 1 3 7 3 苏素芹 改性氯氧镁水泥复合保温材料的研究 J 山东建材， 2 0 0 7 ( 2 )： 2 9 - 3 2 4 曹志达。 李云 玻纤氯氧镁水泥材料在空调通风管道等方面 的应用 J 云南建材， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 3 9 - 4 1 5 马平 玻璃纤维氯氧镁水泥通风管道特性及安装工序 J 山西建筑， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 2 1 ) ： 1 9 1 1 9 5 6 邓德华 M g O M g C l 2 摩尔比对玻璃纤维氯氧镁水泥复合材料 力学性能的影响 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 1 ， 1 2 1 ( 5 ) ： 3 5 3 7 7 姜从盛 玻璃纤维增强氯氧镁水泥复合材料的耐久性研究 J 山东建材， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 3 ) ： 3 7 - 3 9 8 张文政， 韩雪， 刘蕴玄， 等 玻璃纤维增强氯氧镁水泥的研究 J 辽宁化工， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 7 ) ： 4 3 6 - 4 3 8 9 李从波， 詹振封， 刘晓波 玻璃纤维的形态对氯氧镁水泥增韧 效果的影响 J 技术与研究， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 5 - 8 1 0 韩春雷， 陈忠范 高铝水泥改性氯氧镁胶凝材料高温下的力学 性能试验研究 J 混凝土， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 9 0 - 9 3 1 1 童义平。 林燕文 x射线内标法测定氯氧镁水泥中的相含量 【 J 化学研究与应用， 2 0 0 0 ， 1 2 ( 1 ) ： 1 1 5 1 1 8 1 2 Z h n a g C h u n m e i ， D e n g D e h u a T h e s t a b i l i y o f t h e le a e ti o ll p r o d u e t s o f m a g n e s i m o x y e h l o r i d e c e m e n t i n w a t e r J J o u r al o f Wu han U n i v e r s i t y o f T e e n o l o g y ， 1 9 9 4， 9 ( 3 ) ： 5 1 - 5 3 1 3 S o r r e n t i n o BM， B a e r r t R 1 n v e s t i g a t i o n O il t h e s y s t e mM g O M g C 1 2 一 H 2 O a n d h y d a r ti o n o f s o e r l s e e m n e t c 7 I n e o n g r o n t h e e h e m o f e e n l v o l 3 p a ris 1 9 8 0 ( 上接 第 1 6 5页) 4 王晓锋， 傅剑平， 朱爱萍， 等 配置H R B 5 0 0级钢筋混凝土柱抗 震性能模拟分析 J 建筑结构学报， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 8 ) ： 1 2 1 8 5 戎贤， 李强， 李艳艳 配置 H R B 5 0 0级钢筋的聚丙烯纤维 混凝土梁受弯性能试验研究 J 混凝土， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 1 9 - 2 2 6 张学辉 低周往复荷载下纤维增强混凝土异形柱结构的试验 及理论研究 D 天津： 天津大学， 2 0 0 8 7 王铁成， 张学辉， 康谷贻 两种混凝土异形柱框架抗震性能试 验对t t , E J 天津大学学报 ， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 7 ) ： 7 9 1 - 7 9 8 8 X i a n R o n g ， J i a n x i n Z h a n g ， Y a n y a n L i E x p e ri m e n t a l R e s e a r c h o n S e i s mi c B e h a v i o r o f I n t e r i o r J o i n t s o f S pe c i a l l y S h a p e d Co lumn s R e i n f o r c e d b y F i b e r J A p p l i e d M e c h a n i c s a n d M a t e r i a l s ， 2 0 1 1 ， 9 4- 9 6： 5 51 - 5 5 5 9 吴波， 荆亚涛 高温下钢筋混凝土异形柱空间框架的试验研 究 J 华南理工大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 6 ) ： 1 2 9 - 1 3 5 1 O 刘金升， 苏小卒， 赵勇 配5 0 0 M P a 细晶钢筋混凝土柱低周 反复荷载试验 J 结构工程师， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 3 ) ： 1 3 5 - 1 4 1 1 1 刁波， 李淑春， 叶英华 反复荷载用下混凝土异形柱结构累 积损伤分析及试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 5 7 6 3 1 2 王铁成， 林海， 康谷贻， 等 钢筋混凝土异形柱框架试验及静 力弹塑性分析 J 天津大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 1 2 ) ： 1 4 3 5 1 4 5 9