钢筋混凝土异形柱抗震性能的试验研究.pdf

第23卷第3期 2007年6月 结 构 工 程 师 Structural Engineers Vol .23, No.3 Jun.2007 收稿日期:2006 - 06 - 22 基金项目:上海市科学技术委员会资助项目(编号:032112087) 钢筋混凝土异形柱抗震性能的试验研究 苏小卒 张 荣 王 磊 陶湘华 (同济大学建筑工程系,上海200092) 摘 要 通过对4根钢筋混凝土T形和4根L形柱的试验研究,分析了试件的破坏形式、 承载力、 刚度、 延性及耗能能力,得出试件滞回曲线具有明显不对称特征。深入研究了肢宽厚比、 轴压比和柱的截面形 式对试件各项性能的影响,得出肢宽厚对试件的承载能力、 延性系数的影响最大,而三因素对试件耗能 的影响程度随加载方向和加载阶段而变化。通过对试验结果分析,提出异形柱的单自由度体系恢复力 模型,为进一步研究异形柱的抗震性能提供了依据。 关键词 钢筋混凝土异形柱,试验研究,抗震,恢复力模型 Experi mental Study on Aseis m ic Behavior of Rei nforced Conctete Special - Shaped Columns SU XiaozuZHANG RongWANGLeiTAO Xianghua (Department ofBuilding Engineering , TongjiUniversity, Shanghai 200092, China) AbstractIn order to investigate the basic aseismic behaviorof reinforced concrete special - shaped columns, fourL - shaped columns and four T - shaped columns were tested in the laboratory . The column specimens were subjected to reversed lateral loads and unvarying axial loads . In this paper, the experimental procedures and a part of experimental results are described,which include the failure process, load - displacement interac2 tion curves etc. The results show that the aseis mic behavior of the columns specimens are strongly nonsymmet2 rical. By the method of orthogonal analysis, those effects on aseis mic behavior of special - shaped columns were analyzed such as the ratio of li mb length to width, the ratio of axial load to ultimate axial capacity of the section and the section shape. Based on one - way movement of special - shaped columns, the restoring force modelwas presented. Keywordsreinforced concrete special - shaped column, experimental study, aseis mic behavior,resoring force model 1 前言 钢筋混凝土异形柱结构能较好地满足建筑功 能的要求并达到好的建筑效果而得到广泛应用。 天津大学、 同济大学、 西安建筑科技大学、 华南理 工大学以及广东省建筑设计研究院、 华东建筑设 计研究院等研究单位对异形柱的承载力以及抗震 性能进行了较为系统的研究。同济大学在异形柱 抗侧力结构体系、 结构整体抗震性能、 较大肢宽厚 比异形柱性能和异形柱框-桁架结构等方面的研 究取得了一系列的研究成果。但目前对具有异形 柱特点的恢复力模型研究较少,而建立构件的恢 复力模型是研究其抗震性能的关键。本文通过试 验对钢筋混凝土异形柱的性能进行了分析,建立 了异形柱的单自由度体系恢复力模型。 2 试验概况 原型柱为某学院宿舍楼7层异形柱框架结构 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 底层柱,柱高3.8m,异形柱肢厚同墙厚240mm, 翼缘宽600mm,最大轴压比为0.6, T形柱的肢宽 厚比为11.92,L形柱的肢宽厚比为12.75。本 文分别对4根钢筋混凝土T形柱和L形柱进行了 低周反复加载试验。试验在同济大学土木工程防 灾国家重点试验室进行。 2. 1 试件的制作 采用悬臂柱试件来模拟底层柱,取模型与原 型的长度相似系数为1/2,考虑宽肢底层柱的反 弯点较高,试件柱高取为1 900mm。试验试件按 正交试验法中拟水平法进行设计,确定的各试件 参数如表1所示。试件T4和L4的配筋是根据原 型柱的配筋按相似常数缩比得到的,各试件的配 筋率相同。表1中的轴压比为实际轴压比,表达 式为N / ( fckA ) , 其中,N为对试件施加的轴力,fck 为混凝土强度的标准值,A为柱的截面积; T4与 L4的轴压比系根据原型柱的设计轴压比换算而 得。试件采用C30混凝土浇注,受力钢筋 10( 级)钢筋屈服强度357MPa,8(级)钢筋屈服 强度378MPa。为方便加载,构件端部设计成矩 形。试件截面配筋见图1。 表1试件的参数和试验结果 试件 编号 肢宽 厚比 轴 压比 正向加载反向加载 Py/kNPmax/kN u heyheuPy/kNPmax/kN u heyheu T1160.17223.75274.554.250.1160.336- 177.54- 2083.240.160.336 T2160.34275.11329.613.250.1240.421- 256.96- 3002.9230.1240.421 T313.960.17128.17154.893.730.1330.322- 94.68- 110.44.920.1330.322 T411.920.3462.6975.913.650.1630.320- 63.92- 66.984.3330.1610.316 L1160.17214.47250.252.860.1380.289- 168.24- 196.13.020.1380.289 L2160.34241.47295.393.130.1240.333- 237.99- 285.93.6330.1230.333 L314.380.34154180.653.510.1330.292- 133.29- 152.65.2130.1160.337 L412.750.1773.4587.754.740.1080.324- 52.16- 50.27.60.1220.324 注:Py为水平屈服荷载;Pmax为水平极限荷载;u为位移延性系数,等于极限位移与屈服位移之比值;h ey为屈服状态时的耗能指数, heu为极限状态时的耗能指数,耗能指数反映各特征状态耗散能量与完全刚塑体产生相同位移时所耗散能量之比值。表中 3 表示在反向 加载试验结束时,试件的荷载没有下降到反向最大荷载的0.85倍。 图1 截面配筋图(未注明钢筋均为 8) 2. 2 加载制度 为了保证试件在竖向荷载及水平荷载下能够沿 水平向自由变位,柱顶的千斤顶与上部反力钢梁之 间设置了专用滑轮。试件先由多个50t千斤顶施加 垂直荷载至设定值,然后由申克试验机施加反复变 95 试验研究 结构工程师第23卷第3期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 化的水平荷载。垂直荷载的作用点位于柱头顶部柱 截面形心处,水平荷载作用点位于试件弹性剪切中 心。水平荷载加载先由力控制,再由位移控制。水 平荷载的变化按正弦波形式,每级控制荷载或控制 位移均循环两次。为了观察到更多破坏现象,试验 过程中,当滞回环出现明显的不稳定或试件破坏严 重时方停止加载。试件加载示意见图2。 图2 试验加载示意图(图示加载方向为反向) 2. 3 试验过程 以L形试件为例描述其破坏过程。L1, L2, L3试件先在腹板的北侧(图2)出现水平裂缝,然 后裂缝逐渐在腹板中部发展为斜裂缝 (L 3在腹板 中部发展为交叉斜裂缝 ) , 最终北侧的根部混凝 土严重压碎;翼缘主要分布水平裂缝,裂缝较为稀 疏,混凝土压碎区域也只在西南角上,表明了试件 的不对称性。L2的不对称性不如L1明显;由于 L2轴压比较大,L3肢宽厚比较小,受翼缘的影响 较大,L3的不对称性比L2明显。腹板的东立面 分布的裂缝比西立面密集,混凝土压碎区域也比 西立面稍大;同时,西南角上的混凝土已经压酥脱 落,而东南角混凝土却完好无损,表明试件存在扭 转效应。试件最终破坏时,钢筋早已屈服,腹板根 部混凝土压碎很严重,出现明显的塑性铰,具有弯 曲破坏特征。L1腹板裂缝多为水平裂缝, L2, L3 腹板裂缝多为斜向交叉裂缝,说明试件破坏受剪 力影响较大,但交叉裂缝未形成主导裂缝。 L4试验现象与其他3个L形试件不同。L4 试件先在西侧出现水平裂缝,然后裂缝向南、 东侧 发展,后北侧出现水平裂缝,试件的腹板东西两侧 的裂缝都很少,而且裂缝都不长,根部混凝土压碎 情况特别严重;翼缘只有少量的裂缝,根部混凝土 有压碎,腹板和翼缘的不对称性不太明显,这归咎 于较高的轴压比。从腹板东西两侧的裂缝发展和 破坏情况来看,L4试件的扭转效应不太明显,东 西两侧的情况基本相同;试件最终破坏时,根部混 凝土压碎很严重,压碎区域较大,约占整个截面的 2/3,腹板钢筋已经屈服且有些钢筋严重压屈外 鼓,形成明显的塑性铰,具有弯曲破坏特征。 根据以上试验现象,试件的破坏有如下几个 特点: (1)裂缝发展和试件破坏具有不对称性。从 裂缝发展情况来看,一般裂缝都是先在腹板北侧 出现,方向水平,然后向腹板中部发展,在末端变 成斜裂缝;翼缘上的裂缝(多为水平裂缝)出现较 晚,且比较稀疏。从最终试件破坏情况看,试件破 坏时,腹板北侧的根部混凝土破坏严重,破坏区域 较大;翼缘部分混凝土则只有小范围的压酥。这 种不对称性在L3, L4和T3, T4等小肢宽厚比的 试件中的体现比其他试件明显,而在T2试件中, 腹板破坏程度与翼缘破坏程度已经相差不大。 (2)试验过程中,试件存在扭转效应。试验 时,水平荷载恒作用于试件腹板的中心,由于试件 非线性发展,其剪切中心不断变化,这样在试件中 就难免产生扭转效应。相对而言,扭转效应在L 形试件中体现得比较明显:从最终裂缝分布来看, 腹板东侧的裂缝发展得比较密集,多为“ 中间交 叉,两边水平 ” 分布,而西侧则比较稀疏;从混凝 土压碎区域来看,腹板东侧混凝土压碎区域比西 侧稍大,而翼缘东侧混凝土压碎区域又比西侧小。 这种扭转效应在L2和L3中,体现得比较明显。 (3)除T2外,试件均发生弯曲破坏。试件屈 服一般先发生在腹板北侧,纵筋受拉屈服;破坏阶 段也是这一端的根部受压区混凝土压碎现象严 重,纵筋受压变形明显,并压曲外鼓。随着截面肢 宽厚比的增大,试件腹板的交叉裂缝增多,破坏受 剪力的影响也越大(如L2, T1, T2 ) ; 随着轴压比 的增大,试件由受拉破坏转为受压破坏(如T2)。 L3, T3试件裂缝分布和破坏情况如图3、 图4 所示,图中阴影部分为混凝土压碎区域,只画出离 柱底1 200mm范围内的裂缝,网格为50mm50 mm。以下分析中,所列图表均以正向加载得到的 力和位移为正。 3 试验结果分析 试件承载力、 延性系数和耗能指数的试验计 算结果见表1。为了清楚地看出刚度退化关系, 以无量纲化坐标绘制了K/Ko(相对刚度)-/u (相对位移)关系图,示于图5。K0为初始刚度,是 荷载-位移曲线上从原点出发与初次加载的曲线 06Structural EngineersVol .23,No.3Experiment Study 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 图3L3试件裂缝分布和破坏情况 图4T3试件裂缝分布和破坏情况 图5L形和T形试件刚度退化曲线 相切的切线斜率;K为等效刚度,是荷载-位移曲 线上每次循环的峰点(开始卸载点)与坐标原点 连线的斜率;是柱顶位移;u是极限状态位移; u和K0正反向水平受力分别取值。 3. 1 荷载-位移滞回特征 从各试件的滞回曲线可以看出,正反向加载 产生的滞回曲线不对称:在加载初期,正反两方向 的滞回环不对称性不明显;随着试验进行,试件出 现裂缝后,由于裂缝在腹板和翼缘分布不同,滞回 曲线出现明显的不对称,正向加载时的极限承载 力、 刚度退化均与反向加载时不同。研究发现,随 着截面肢宽厚比的增大,剪力对试件破坏影响增 大,滞回曲线的捏拢现象愈明显(如L2和L3, T2 和T3 ) ; 随着轴压比的增大,滞回环的荷载峰值增 大,加载后期同级荷载循环中的刚度降低越快 (如L1和L2, T1和T2)。试件柱头水平力-水 平位移的滞回曲线示于图6。 3. 2 试件参数分析 根据表1和图5,对试件的承载能力,延性系 数,刚度和耗能能力等参数分析如下: (1)随着肢宽厚比的增大,试件的承载能力 大幅度提高,极限位移明显减小,延性系数减小 (T 1除外 ) , 刚度退化较慢,耗能能力减弱。如L1 比L4的荷载峰值大1.85倍,但比L4的极限位移 小38.6% ,延性系数小39.7%.肢宽厚比对L形 试件耗能能力影响较小。 (2)随着轴压比的增大,试件的承载能力提 高,极限位移和试件延性系数减小,刚度退化较 快,耗能能力减弱。如T2比T1的荷载峰值大 20% ,但比T1的极限位移小36.3% ,延性系数小 23.5%。 (3)受截面形式的影响。一般地, T形试件 比L形试件的承载能力高,但极限位移和屈服位 移都有所降低。 (4)正向加载时试件荷载峰值均大于反向加 载时试件荷载峰值。除T1,其他试件在反向加载 的延性比正向加载时好,而且随着肢宽厚比的减 小,轴压比的增大,这一差别逐渐加大。反向加载 情况下试件的耗能好于正向加载的耗能,这与试 件的正、 负向加载时的延性情况相一致。 (5)通过对试验结果进行正交直观分析发 现,肢宽厚对试件的承载能力和延性系数的影响 最大,其次是轴压比,最后是截面形状的影响。截 面形状、 肢宽厚比和轴压比对试件的耗能指数均 16 试验研究 结构工程师第23卷第3期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 有很大影响。对于截面形状相同的试件,在屈服 时,位移较小,轴压比对正向加载试件的耗能指数 影响最大,肢宽厚比对反向加载试件的耗能指数 影响最大;当试件屈服后,位移逐步增大,肢宽厚 比对正向加载试件的耗能指数影响最大,轴压比 对反向加载试件的耗能指数影响最大。 图6 柱头水平力 水平位移滞回曲线 26Structural EngineersVol .23,No.3Experiment Study 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 4 恢复力模型 通过对试验结果分析,本文提出异形柱的单 自由度体系恢复力模型。该模型分两个步骤完 成:一是确定骨架曲线;二是提出滞回规则。 4. 1 骨架曲线 试件骨架曲线的明显特点是正、 反向加载时 骨架曲线不对称:正向加载时骨架曲线出现下降 段,且下降值约达到60% ,肢宽厚比大的试件,下 降段较陡峭;反向加载时骨架曲线基本不出现下 降段。根据试件的特点,本文提出的理论骨架曲 线如图7所示,其表达式为 P ( )= - Pmax2 -5, -4) - k3 -4,0) k10,1) Pmax11,2) Pmax1- k3(-2)2,3) 其中 k1= k 1 (a 1t + b1+ c1 ); k2= k 2 (a 2t + b2+ c2 ); k3= k 1 (b 3+ c3 ); 1= Pmax1/k1; 2=3- 0. 85Pmax1/k3; 3= H 3 bh (a 4t + b4+ c4 ); 4= Pmax2/k2; 5= H 3 bfh (a 5t + b5+ c5 ); Pmax1= fcbh (a 6t + b6+ c6 ); Pmax2= fcbfh (a 7t + b7+ c7)。 式中,fc为混凝土强度,H, b, bf及h分别为柱高、 腹板截面宽度、 翼缘截面宽度及整个截面高度; 为整个截面上纵筋的配筋率;k 1, k2为按理论方 法求得的构件在正向和反向加载时开始屈服时的 割线斜率,也即最外边受拉纵筋达到屈服强度时 异形柱顶端的水平力与水平位移的比值;t为肢 宽厚比;为轴压比;ai,bi,ci(i = 17)为拟合常 数,具体取值详见表2。 图7 理论骨架曲线 在计算k 1和 k 2时认为截面符合平截面假 定。假定恢复力达到最大值后,下降到最大值的 0.85倍时,试件破坏。试件L3和T3的理论和实 际骨架曲线比较示于图8、 图9(图中实线为理论 曲线,虚线为试验曲线)。 图8 试件L3的理论和实际骨架曲线 4. 2 滞回规则 根据试验分析,模型的滞回规则为:加载时, 如果遇到骨架曲线,则沿骨架曲线前进,如图10 中OAB段、BG段及DE段。卸载时,卸载的斜率 表2拟合常数 拟合常数L形构件T形构件拟合常数L形构件T形构件拟合常数L形构件T形构件 a1 - 1.942 0E- 01 - 1.780 0E- 01 b1 1.124 1E+ 002.122 1E+ 00 c1 1.567 4E+ 001.292 8E+ 00 a2- 1.332 0E- 01 - 1.246 2E- 01b27.902 1E- 01 - 1.454 8E- 01c21.004 7E+ 001.348 2E+ 00 b3 1.476 8E- 011.189 2E+ 00 c3 5.062 7E- 021.417 3E- 01 a4 2.712 0E- 071.007 6E- 06 b4- 1.081 1E- 05 - 1.735 1E- 05c49.363 5E- 068.358 0E- 06a56.190 9E- 072.870 5E- 06 b5 - 2.922 1E- 05 - 3.182 3E- 05 c5 2.883 6E- 052.297 4 - 05 a6 1.154 8E+ 009.911 0E- 01 b68.552 5E+ 007.555 0E+ 00c65.235 8E- 017.475 3E- 01a74.808 3E- 012.842 0E- 01 b7 5.703 4E+ 004.399 1E+ 00 c7 - 1.116 4E+ 00 - 5.935 2E- 01 b8 - 0.114 4- 0.735 2 c8- 0.187 2- 0.135 4a9- 0.059 0- 0.133 3b90.827 32.879 6 b10 - 0.394 0- 0.362 1 c10 - 0.027 3- 0.047 1 a11 - 0.132 5- 0.099 5 b111.027 70.816 4 36 试验研究 结构工程师第23卷第3期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 图9 试件T3的理论和实际骨架曲线 图10 滞回规则示意 与这一方向屈服时的斜率相同,即如果是正向受 力,水平力卸载到零以前路径的斜率为k 1,如图 中BC段和GH段;如果是反向受力,水平力卸载 到零以前路径的斜率为k 2,如图中EF段。卸载 完成后,水平力向另一个方向加载时,加载轨迹指 向这一受力方向的骨架曲线上的历史最大点,如 图10中的CD段、HE段和FB段。 k 1和k2的表达式为 ln k 1 k 1 = (b8+ c8) 01 + a9t + b9 ln k 2 k 2 = (b10+ c10) 02 + a11t + b11 式中,k 1,k2,t和 的含义同上; 01, 02分别为 由理论计算所得的正向和反向受力屈服时构件柱 顶的位移;为卸载前所达到的最大位移;ai,bi 和ci(i = 811)为拟合常数,具体取值详见表2。 5 结 论 对8个钢筋混凝土异形柱试件的低周反复试 验结果进行分析,可得出以下结论: (1)试件的裂缝发展和破坏特性具有不对称 性,除T2外,试件均发生弯曲破坏。 (2)试件的滞回曲线和骨架曲线同时反映了 正反向加载时承载力、 延性具有不对称性。一般 是反向加载方向(即翼缘受压的加载方向)的滞 回环较为饱满,骨架曲线具有明显的“ 屈服平 台 ”,刚度退化得慢,延性较好,而极限承载力较 正向加载方向的极限承载力低。 (3)肢宽厚比和轴压比对异形柱构件的承载 能力和延性性能有较大的影响。随着肢宽厚比的 增大以及轴压比的增加,构件的承载能力增加而 延性性能变差。应采取其他措施提高构件的延性 (如设置暗柱或加密箍筋或加配交叉钢筋以减小 剪力对延性的不利影响)。T形试件比L形试件 的承载能力和延性性能都略好。 (4)通过正交直观分析发现,肢宽厚对试件 的承载能力和延性系数的影响最大;截面形状、 肢 宽厚比和轴压比对试件的耗能指数均有很大影 响。 (5)由于试件的滞回曲线和骨架曲线具有不 对称性,本文提出的恢复力模型也具有不对称性。 参考文献 1 苏小卒,张 荣,王 磊,等.浦东干部学院建设工 程关键技术研究-混凝土结构的关键技术 R . 上海:同济大学,2004. 2 陶湘华.异形柱抗震性能试验与理论研究D .上 海:同济大学硕士学位论文,2005. 3 李 杰,汪大绥,肖建庄,等.钢筋混凝土异形柱抗 侧力结构体系研究报告集 G.上海:同济大学, 2003. 4 李 杰,吴建营,周德源,等. 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