地震作用下钢管混凝土柱承载能力计算方法研究.pdf

建 筑 技 术 Ar c h i t e c t m e T e c h n o l o v 第 4 7卷第 6期 2 0 1 6年 6 月 V_0 1 4 7 No 6 J u n 2 0 1 6 地震作用下钢管混凝土柱承载能力 计算方法研究 沈 新 福 ( 柳卅1铁道职业技术学院，5 4 5 6 1 6 ，广西柳卅1 ) 摘要：研究与钢筋混凝土承载能力相关的滞回特性、刚度退化特性 、强度衰减特性、耗能能力。结果 发现剪跨比、轴压比、体积配箍率三个指标对承载力有很大影响；在反复荷载作用下，钢筋混凝土主要表现 为剪切斜压破坏、 弯曲破坏这两种破坏形态； 轴压比可大大提高钢筋混凝土在地震作用下的耗能要求和延性。 关键词 ：钢筋混凝土；承载力；抗震试验 中图分 类号 ：T U 3 7 5 文献标志码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 l 6 ) 0 6 O 5 1 4 0 4 BEARI G CAP ACI TY OF CONCRE I E I LLED S I EEL r I UBULAR CoLUM U DER S El S M I C ACTI oN CALCULATI oN M ETHoD FoR RES EARCH SHEN Xi n f u ( L i u z h o u Ra i l wa y V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l Co l l e g e ， 5 4 5 6 1 6 ， L i u z h o u ， Gu a n g x i ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t he s e i s mi c p e r f o r ma n c e of r e i nf o r c e d c o n c r e t e c o l u mn t e s t ， i n - d e p t h s t u d y t h e h y s t e r e s i s c h a r a c t e r i s t i c s a s s o c i a t e d wi t h r e i nf o r c e d c o n c r e t e b e a r i ng c a p a c i t y , s t i f f ne s s d e g r a d a t i o n ， s t r e n g t h a t t e n ua t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d e n e r g y d i s s i pa t i o n c a pa c i t y F r o m t h e r e s u l t s o f t h e s t u d y f o u nd t h a t s h e a r s p a n r a t i o ，a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o ，s t i r r u p r a t i o v o l u me h a s a g e a t i n flu e n c e o n t he b e a tin g c a p a c i t y o f t h e t h r e e i n d e xUn d e r r e p e a t e d l o a d ， t he r e i n f o r c e d c o n c r e t e ma i n p e r f o r ma n c e f o r b e n d i n g s he a r b a r oc l i n i c de s t r u c t i o n ， d e s t r uc t i o n o f t he t wo f a i l u r e pa t t e r nAxi a l c o mp r e s s i o n r a t i o ， i t ma y i mp r o v e t h e e n e r g y r e q u i r e me n t s of r e i n f o r c e d c o nc r e t e u n d e r t he a c t i o n o f e a r t h q u a ke a n d d uc t i l i t y F i n a l l y , r e c o mme n d e d s h e a r b aro c l i ni c d e s t r u c t i o n ， r e s p e c t i ve l y i n be n d i n g t h e c o r r e s p o n d i n g f o rm u l a for c a l c u l a t i ng t h e ul t i ma t e be a r i n g c a pa c i t y Ke y wo r d s ：r e i n f o r c e d c o n c r e t e ；b e a ti n g c a p a c i ty；a s e i s mi c t e s t 作为建筑工程中最常用的建筑材料，钢筋混凝土 的抗震性能是否达到标准要求关系到人民群众的生命 安全；而当前钢筋混凝土柱设计中存在抗震指标不明 确、承载力计算结果与实际抗震性能不符等问题，因 此对钢筋混凝土的抗震性能指标进行具体量化，并提 出准确的承载力计算方法十分重要。 1 抗震性 能试 验 1 1 试件设计及制作 根据多个研究成果表明，钢筋混凝土的抗震性能 受轴压比、体积配箍率、混凝土强度、含钢率等因素 影响。 本试验结合相关研究成果， 将剪跨比、 轴压比、 体积配箍率三个因素作为主要设计参数 ，其中试件设 计参数及水平见表 1 。 本试验 采用 4 根 1 4 ，混凝土保护层厚度取 收稿 日期 ：2 0 1 6 - 0 2 - 2 5 作 者简介：沈新福 ( 1 9 7 5 一 )，男，广西全州人 ，高级 工程师 e - ma i l ：4 2 9 5 1 4 9 8 7 q q c o m 表 1 试件设计参数及水 平 参数水平 水平 1 水平 2 水平 3 水平 4 剪跨比 1 4 1 8 5 2 - 3 5 3 2 5 轴压比 0 - 3 0 6 o 9 。 体积配箍率 1 0 2 1 _ 3 6 2 0 4 2 0 ram。为考虑剪跨比、轴压比、体积配箍率三因素 对钢筋混凝土抗震性能的影响，本试验采用正交设计 试验法，共 1 7 个试件。 1 2 试验测试方案及测点布置 本试验的主要内容包括试件竖向荷载值、水平荷 载值、竖向水平形变、剪切应变值、试件裂缝宽度及 发展规律。 为保证试验数据测定准确 ， 抗震性能试验前在试 件内部安装应变片，外部安装位移计、百分表等。安 装内部应变片时，须安装在不同部位，所有应变片均 与 T D S 6 0 2 数据采集仪相连。外部安装时在试件底 座放置一个位移计，表面交叉布设百分表。 试验开始时， 各数据均通过 T D S 。 6 0 2 自动收集。 2 0 1 6年6月 沈新福：地震作用下钢管混凝土柱承载能力计算方法研究 5 1 5 、 试件表面的开裂情况及宽度发展情况通过拍照、测量 记录 。 1 3 试验加载方案 钢筋混凝土柱在建筑工程中主要起承压作用，受 弯应力、 剪应力、 拉应力等多种复杂应力的综合影响， 形成各种破坏形态。通过地震震害检查发现，混凝土 柱在实际地震下主要发生剪切斜压破坏和弯曲压溃破 坏。 模拟地震受力状况的加载形式采用 “ 悬臂柱式”， 该试验方案操作简便、设备来源广泛，还可节省试验 材料，因此采用 “ 悬臂柱式”加载设备 ( 图 1 )。 图 1 采用 “ 悬臂柱式”加载设备的试验情况 具体加载时，按荷载与位移混合控制、反复加压 的方式，其优点在于试验过程人为可控制性强且试验 数据全面。具体试验按 J G J 1 0 1 一l 9 9 6 建筑抗震试 验方法规程 进行。 1 4 试验裂缝分布规律及破坏形态 分析试验结果发现，不同剪跨比钢筋混凝土柱的 裂缝宽度及其发展规律不同。具体表现为：小剪跨比 为斜裂缝且水平裂缝少；中剪跨比产生大量水平正裂 缝，主斜裂缝减少；大剪跨比则主要为水平正裂缝。 在不同剪跨比下， 钢筋混凝土柱试件的破坏形态 也不相同。剪跨比小于 1 5 时试件破坏迅速，胞生 破 坏特征明显；剪跨比小于 2 0 时试件前期表现为剪切 破坏 ，后期表现为弯曲破坏；剪跨比超过 2 0 时试件 表现为典型弯曲破坏 。 2 试验 结果分析 2 1 滞回特性 在地震时， 钢筋混凝土柱在荷载的反复作用下， 荷载和位移之间的关系会表现出滞回环转特陛，该特 性综合反映了钢筋混凝土柱的抗震性能。本文从 1 7 个试件中挑选了 2 个试件数据绘制滞回曲线进行具体 分析。 从滞回曲线可看出： ( 1 )在钢筋混凝土柱加载 初期，荷载与位移近似表现为线性关系，表明试件为 弹性工作状态； ( 2 ) 随载荷不断增加，曲线滞回环 中的面积也不断增大，混凝土柱试件表现为弹塑生 工 作状态； ( 3 ) 荷载继续增大，试件承载力降低，位 移却变大，混凝土柱试件表现为屈服状态，出现强度 衰减和刚度退化现象。 2 2 刚度退化特性 在荷载反复作用下， 混凝土柱受弹塑陛特性影响， 加上反复加载带来的损伤累积，会导致试件刚度急剧 下降，即为刚度退化。该特性合反映了钢筋混凝土柱 在反复荷载作用下的强度特性。本文从 1 7 个试件中 挑选 2 个试件数据绘制体积配箍率刚度退化曲线进行 分析。 从刚度退化曲线可看出： ( 1 ) 刚度随荷载的反 复增加而逐渐降低，进入屈服阶段后刚度急速衰减； ( 2 ) 体积配箍率对刚度退化速率有较大影响，其中 大体积钢筋配箍率初始刚度高，退化速度慢。混凝土 柱刚度退化的主要原因是由于荷载反复施加导致裂缝 不断延伸，试件损伤不断累积，最后刚度急速退化。 2 3 强度衰减特性 从滞回曲线的变化图可发现，随荷载循环次数不 断增加，钢筋混凝土柱的承载力不断降低，这种现象 称为强度衰减。若混凝土柱强度衰减过陕，会导致建 筑物无法抵抗地震或余震而垮塌，因此强度衰减特性 是评价钢筋混凝土柱抗震性能的个重要指标。本文 从 1 7 个试件中挑选 2 个试件数据绘制强度衰减曲线 进行分析 ( 图 2 )。 l 1 1 0 一 0 。 O 8 0 7 l _ l 1 0 o 。 0 8 0 7 9 1 0 l l l 2 A mm ( a) ( b) 图 2 钢筋混凝土强度衰减曲线 ( 8 ) 试件 1 ； ( b ) 试件 2 5 1 6 建筑技术 第 4 7 卷第 6 期 从图 2 可看出： ( 1 ) 混凝土强度衰减速率随荷 载级位和加载次数的增加而增大； ( 2 ) 增大剪跨比 对混凝土的强度衰减有减缓趋势； ( 3 ) 减小轴压比 可大幅降低钢筋混凝土柱的强度衰减幅度。 2 4 耗能能力 混凝土柱抵抗地震的另一个评价指标是耗能能 力，该指标反映了混凝土柱在地震作用下吸收地震能 量的大小。耗能越高吸收的能量越大， 抵抗地震的影 响也就越小。该指标可用等效粘滞阻尼系数或能量耗 散系数表示。本文挑选部分试件数据进行分析，如 图 3 5 所示。 0 25 _0 2 曼 o 1 5 之0 1 0 0 5 0 S R RC5 S R RC4 S RRC 6 屈服点 峰值点 口破坏点 ( a ) 2 = 3 ： 5 。_ 一 一 SRRC l 4 S KK l j S RRCl 5 屈服点 峰值点口破坏点 ( b) 图 3 轴压比影响 ( a )试件 1 ； ( b)试件 2 从图 3 5 中的变化规律可看出： ( 1 ) 钢筋混凝 土柱的耗能系数随轴压比增大而降低； ( 2 ) 钢筋混 凝土柱的耗能系数随体积配箍率增加而增大； ( 3 ) 钢筋混凝土柱的耗能系数随剪跨比增加而增大。 3 钢筋混凝土柱的轴压比限值研究 3 1 试验结果分析 轴压比对钢筋混凝土柱的抗震性能有很大影响， 它可保证建筑物在地震作用下的耗能要求和廷眭。因 此本文根据前述试验结果算出 1 7 个试件的轴压比进 行分析 ( 表 2 )。 从表2 可看出， 试件的轴压比较大时其廷眭会降 低而发生弯曲破坏。为保证钢筋混凝土柱有足够的延 性，需对试件的轴压比进行控制。通过试验结果，建 议将轴压比控制在 0 5 4 4 0 5 7 6 较为合适。 O 25 0 2 皇0 1 5 主 0 1 o 0 5 O O- 3 0 25 善0 2 0 1 5 之0 I 0 0 5 O S RRC7 S RR C4 S R RC8 _屈服点 峰值点口破坏点 ( a) S RRC1 6 S RR C1 3 S R RC1 7 -屈服点 峰值点a破坏点 ( b) 图 4 体积配箍率影响 ( a) 试件 1 ； ( b)试件 2 S RR C4 S RRC 9 S R RC1 O S R RC1 3 _屈服点 峰值点 口破坏 点 图 5 剪跨比影响 表 2 各试件轴压比计算值 试件 轴压比 延性 破坏形态 试件 编号 编号 轴 压比 延 性 破坏形态 1 058 1 4 9 0 5 7 1 8 5 2 0 5 6 1 4 1 0 0 5 7 3 2 5 3 051 1 -4 1 1 0 5 8 3 2 5 4 0 5 7 1 4 剪切 l 2 0 5 1 3 2 5 弯曲 5 0 2 8 1 4 斜压 1 3 O 5 7 3 2 5 破坏 6 O 8 5 1 4 破坏 1 4 0 2 8 3 2 5 7 05 7 1 4 1 5 0 8 5 3I2 5 8 05 7 1 4 1 6 0 5 7 3 2 5 l 7 0 5 7 3_2 5 3 5 2 5 1 5 0 n I _ 一 s 1 g N】 广 0 O O O 0 【 l_ 一 q 8 一 自 z】 ， 2 0 1 6 年 6 月 沈新福：地震作用下钢管混凝土柱承载能力计算方法研究 3 2 体积配箍率对轴压 比的影响 从前述研究可知，提高钢筋混凝土的体积配箍 率可大幅增强其耗能能力和抗震廷眭，从而增强抗震 性能。由于轴压比随体积配箍率的增大而增大，为方 便在实际工程中应用，对体积配箍率进行取整计算得 到了考虑体积配箍率影响的轴压比限值 ( 表 3 )，其 中钢筋混凝土的强度等级须大于 C 6 0 ，剪跨比须小于 1 5 ，否则应采取抗震设施 。 表 3 考虑体积配箍率影响的轴压 比限值 抗震等级 剪跨比 体积配箍率 一 级 二级 三级 l p 1 4 0 5 5 O65 O 7 5 2 1 4 p 2 o 6 0 o70 O 8 O 2 p O 6 5 0 7 5 0 8 5 1 p 1 4 o 5 0 060 o7 0 1 5 2 1 4 p 2 o 5 5 o65 o7 5 2 口 O 6 0 o 7 0 0 8 O 1 p 1 4 o 2 5 O- 3 5 o4 5 1 5 1 4 p 2 0 3 0 o40 O5 0 2 p o- 3 5 o45 O5 5 4 钢筋混凝土柱承载力研究 4 1 试验研究 本试验共对 1 7 个试件进行加载试验， 试件尺寸、 配筋以及试验加载方法见 1 1 ，试验结果见表 4 。 表 4 钢筋混凝土试件承载力试验数据 试件 季：载力 轴压比 破坏形态 试件 ：载力 轴压 破坏形态 编号 l ( N 编号 k N 比 1 27 6 7 O 5 8 9 2 41 1 o5 7 2 2 97 6 O 5 6 l 0 1 91 1 o5 7 3 28 2 9 O 5 1 l 1 1 2 4 9 o58 4 3 0 0 7 o 5 7 剪切 1 2 1 3 1 4 O 5 l 弯曲 5 2 7 0 9 O 2 8 斜压 1 3 1 2 5 4 0 5 7 破坏 6 3 3 3 3 O 8 5 破坏 1 4 1 1 5 _ 3 0 2 8 7 2 98 5 0 5 7 1 5 1 43 5 0 8 5 8 3 38 1 o 5 7 1 6 1 3 1 1 0 5 7 l 7 1 3 4 5 o 5 7 从表 4 可看出，钢筋混凝土承载力随轴压比增大 而增大，其增长速率的临界变化点为 0 6 。轴压比大 于 0 6 时承载力随轴压比增长较快；轴压比小于 0 6 时增长较慢。说明在一定范围内提高钢筋混凝土的轴 压比有利于提高其承载力。 4 2 受力机理分析 钢筋混凝土试件发生剪切斜压破坏时，其变化过 程可分为弹l!生 、弹塑陛、破坏三个阶段。弹眭阶段的 承载力主要由混凝土和钢筋组成的整体共同承担，内 部受力和变形一致；进入弹塑陛阶段后裂缝增多，并 随水平承载力增大逐步发展为主裂缝；进入破坏阶段 后， 混凝土由外向内脱落，钢筋裸露，直至试件彻底 失去承载力。 钢筋混凝土试件发生弯曲破坏时，先产生水平弯 曲裂缝；随荷载增大混凝土被压碎剥落；最后钢筋弯 曲发生破坏。这主要是由内部钢筋达到屈服状态，承 载力小于试件正截面承载力而发生弯曲变形所致。 5 结论 本文通过钢筋混凝土柱抗震性能试验，研究了与 钢筋混凝土承载能力相关的滞回特陛、 刚度退化特性、 强度衰减特眭和耗能能力。研究结果发现：剪跨比、 轴压比、体积配箍率三个指标对承载力有很大影响； 在反复荷载作用下，钢筋混凝土主要表现为剪切斜压 破坏、弯曲破坏两种破坏形态； 轴压比可大大提高钢 筋混凝土在地震作用下的耗能要求和延性。 参考文献 【 1 】 徐亚丰 ， 汤泓 ， 陈兆才 ， 等 钢骨高强混凝土框架节点恢复力模型 的研究 J 】 兰州理工大学学报，2 o o 4 ( 5 ) 2 】 周天华 ， 何保康 ， 陈国津 ， 等 方钢管混凝土柱与钢梁框架节点的 抗震性能试验研究 J 建筑结构学报，2 o o 4 ( 1 ) 3 周建中 ， 赵鸿铁 恢复力曲线模型及其对控震效果的影响研究 J 西安科技学院学报 2 o o 3 0 ) 4 李斌 ， 薛刚， 张园 钢管混凝土框架结构抗震性能试验研究 J 包头钢铁学院学报 2 0 0 2 ( ) 【 5 石启印 ， 陆鸣 ， 李爱群 ， 等 钢一混凝土组合梁与钢管混凝土柱节 点的非线性有限元分析 J 建筑科学与工程学报，2 o o 9 ( 4 ) 【 6 】 许凤美 ， 徐梦琴 ， 许成祥 ， 等 外加强环式圆钢管混凝土柱 一 钢 梁框架节点有限元分析 【 J _ 长江大学学报 ( 自然科学版 ) 理工卷 ， o o 9 ( 4 ) 7 郭兵 钢框架梁柱端板连接在循环荷载作用下的破坏 理及抗震 设计对策 D 】 西安 ： 西安建筑科技大学 ， 2 0 0 2 8 林于东 ， 林杰 ， 宗周红 低周反复荷载作用下矩形钢管混凝土柱 与钢梁连接节点的受力性能 J 地震工程与工程振动 ， 2 0 0 4 ， ( 4 ) 【 9 】 刘冰 大连某超高层框架 一 核心筒 一 伸臂结构整体设计 J 】 建筑 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