往复荷载作用下区域约束混凝土柱的抗震性能试验.pdf

2 0 1 3年第 1 期 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C H I N A C O N C R E T E A N D C E M E N T P R O D U C 2 01 3 N o 1 J a n u a r y 往复荷载作用下区域约束混凝土柱的抗震性能试验 彭 景 ， 孙芳宁 ， 庞 新宾 。 ， 陈 虎 ( 1 贵州大学空间结构研究中心 ， 贵阳 5 5 0 0 0 3 ； 2 青 岛工学院 ， 2 6 6 3 0 0 ； 3 郑州大学综合设计研究院 ， 4 5 0 0 0 0； 4 毕节市七星关 区住房与城乡建设局 ， 5 5 1 7 0 0 ) 摘 要 ： 为比较 区域 约束与传统约束的差异 ， 对 6根 混凝 土柱( 传统 约束混凝土柱和 区域约束混凝土柱各 3根 ) 进行 了不 同轴压比下的周期往复荷载试验 。 区域 约束混凝土采用 区域约束与整体约束相结合 的约束方式 ， 箍筋与纵 筋共同作用 ， 约束效 力更 高。试验 结果表 明， 即使在 高轴压 比下 ， 区域约束混凝土也有较好 的承 载能力和变形能力 ， 极 限状 态为延性破 坏。区域 约束混凝 土的应用可有效提 高建筑结构抗震性能 ， 具有推广应用价值。 关键 词 ： 轴压 比； 往 复荷 载 ； 区域约束混凝 土 ； 延性 ； 抗 震性能 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o c o mp a r e t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e r e g i o n a l c o n s t r a i n t a n d n o r ma l c o n s t r a i n t t e s t s a r e d 0 n e o n 6 c o n c r e t e c o l u mn s u n d e r l O W c y c l i c l o a d i n g mo d e ， w h i l e h a l f o f t h e m a r e n o d a l c o n fi n e d c o n c r e t e f NC C 1 c o l u mn s 。 a n d t h e o t h e r s a y e r e g i o n a l c o nfin e d c o n c r e t e( R C C )c o l u mn s T h e r e g i o n a l c o n s t r a i n t i s u s e d b y r e g i o n a l c o n s t r a i n t a n d t o t a l c o n s t r a i n t ， a n d t h e l o n g i t u d i n a l s t e e l a n d s t i r r u p a c t i o n t o g e the r ， c o n f i n e me n t i n RC C c o l u mn s i s mo r e e f fi c i e n t t h a n t h a t i n NC C c o l u mn s T e s t r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f RCC c o l u mn s i s b e t t e r t h a n NCC c o l u mn s ，a n d t h e y a r e mo r e d u c t i l e a n d mo r e r e l i a b l e e v e n u n d e r h i g h a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o I t c a n b e e x p e c t e d t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f RCC ma y e f f e c t i v e l y i mp rov e t h e s e i s mi c b e h a v i o r o f s t r u c t u r e s Ke y wo r d s ： A x i a l c o m p r e s s i o n r a t i o ； C y c l i c l o a d i n g ； R e g i o n a l c o n fi n e d c o n c r e t e ( R C C ) ； D u c t i l i t y ； S e i s mi c b e h a v i o r 中图分类 号 ： T U3 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 1 5 7 0 4 0前 言 我国 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 建筑抗震设计规范 【 l 1 对柱轴压 比限值做 了严格规定 ， 期望通过限制柱轴 压 比从 而保证受压构件发生延 性较好 的大偏心破 坏 。在高层建筑结构的设计 中， 几乎都会遇到柱轴 压 比超 限的问题 ，解决 办法是加大构件截面尺寸。 构件尺寸 的增加 ， 势必会减小建筑使用空 间、 增加 耗材 ， 同时 自重增大 ， 导致重力 荷载和地震作用变 大 ， 造成恶性循环。更有甚者 ， 会形成短柱 ， 发生脆 性剪切破坏 ， 严重影响建筑结构的抗震性能。 肖建庄 、 朱伯龙2 1 针对轴压 比限值进行 了理论 推导和试验分析 ， 研究结论认为 只要采取一定 的措 施， 即使框架 柱的轴压比超过规范【 】 规定的限值 ， 柱 的延性也是可以得到保证的。文献【 2 】 和文献【 3 】 中列 举了多个高轴压 比下的框架柱轴压试验数据。其 中 部分构件在轴压比大于 0 9时 ， 发生了脆性破坏 ， 构 件延性差 ， 不能满足工程要求。还有部分构件虽处 于高轴压 比状态之下 ， 但其极 限变形和延性比均 能 满足要求。其结论认为应允许适 当超 出规范规定 的 轴压 比限值 ， 但必须采用特定配箍形式 以提供对混 基金项 目： 贵州大学研究生创新基金资助项 目( 校基金一 理工 2 0 1 2 0 1 0 ) 。 凝土的有效约束 、 改善其受力性 能。说明高轴压 比 下 ， 柱的延性也是有保证 的， 但是传统箍筋 的约束 方式不足 以对混凝土提供更有效的约束力。 文献【 4 从改善约束机制的角度 出发 ， 考虑纵筋 与箍筋共同作用 ， 在传统约束混凝土基础之上提 出 全新约束概念 区域约束混凝土 。区域约束混凝 土柱典型截面如图 1 所示 。 纵筋 区域约束箍筋 嚣 图 1 区 域 约 束 混 凝 土 柱 截 面不 意 图 区域约束混凝土 利用纵筋与箍筋将 构件截面 划分为若干区域 ， 各 区域 内都有纵筋与箍筋组成 的 钢筋笼对混凝土进行约束 ， 箍筋环重合的区域为强 约束 区( 四角 ) ， 其他 区域为相对弱约束区。各 区域 又通过混凝土与箍筋的联系形成整体约束。与传统 约束相比，区域约束混凝土约束机制发生变化， 由 整体约束转化为整体与区域相结合，多重约束、 多 重核心 ， 区域间协调工作 、 有机结合3 1 。 一 5 7 2 0 1 3年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 1 期 文献 5 7 】 针对 区域约束混凝土进行 了多个试 验研究 ， 得出结论 ： 区域约束混凝土能有效提高的 约束混凝土的强度 ， 且能大 幅改善约束混凝土 的变 形能力 ， 从而使得约束混凝土构件具有更高的承载 力和延性。 本文通过 6根往复荷载作用下混凝土柱 的轴 压试验 ，对柱的承载能力和变形能力进行研究 ， 分 析区域约束混凝土的抗震性能和探讨其推广价值 。 1 试验设计及试件制作 1 1 设计指标 1 1 I 混凝土抗压强度之间的关系 按 G B 5 0 o 1 0 2 0 l 0 混凝土结构设计规范 嘲 进 行换算混凝土各抗压强度之间的关系 ： c 8 8 c t j 2 f c k 1 ( 1 1 6 4 5 8 ( 2 ) = ( 3 ) 式中 为混凝土立方体抗压强度标准值 为混 凝土轴心抗压强度标准值 为混凝土轴心抗压强 度平均值 为混凝 土轴心抗压强度设计值 ； 为 棱柱体强度与立方体强度的比值 ； 0 ： 为高强混凝土 的脆性折减系数 ； 6为变异系数 ，取为 0 1 2 ； y 为材 料分项系数 ， 取 1 4 0 。 1 1 2 各种轴压 比之间的关系换算 按采用计算指标的不同 ， 轴压 比分为标准轴压 比、 设计轴压 比和试验轴 压 比， 规范 中给 出的轴压 比限值即为设计轴压 比， 当试验时则需按照试验轴 压比进行 。各轴压 比表达式如下 ： 标准 轴压比： = ( 4 ) 设计轴 压比： x a = T一 ( 5 ) 试验轴 , Iz L ： A = ( 6 ) 式 中， 、 、 分别为轴力标准值 、 设计值 、 实测值。 在换算时 ，可取 = ， _- - y ， 为重力荷 载代表值的荷载分项系数 ， 取为 1 2 O 。结合前式 ， 整 理可 得 ： = = 者= 丽 研 = 1 6 4 5 x 0 1 2- 2 0 l 一 一 ( 7 ) 按公式( 7 ) 即可换算出相应于规范规定轴压比 的试验轴压 比。 1 2 试件设计 本次试验共制作 6根混凝土柱缩尺试验构件 ， 一 5 8一 分别采用传统约束井字箍 ( N C C) 和区域约束矩形箍 ( R C C) 。试件截面尺寸为 2 5 0 mm x 2 5 0 m m，高 2 5 0 0 mm。混凝土强度等级为 C 4 0 ， 实测混凝土强度平均 值为 3 6 2 MP a 。纵筋采用 H R B 4 0 0级钢筋 ，箍筋为 H R B 3 3 5级钢筋。纵筋及箍筋布置见图 2 ， 箍筋间距 5 0 mm。于试件中部施加水平荷载。在试件两端施加 竖 向荷载 ， 为防止局压破 坏 ， 试件端部设置钢板并 箍筋加密。试件基本参数见表 1 。 图 2 试件截 面与钢筋布置示意 图 表 1 试件参数表 本次试验在贵州省结构工程重点实验 室进行。 通过液压千斤顶及桩基静载仪控制输出轴 向压力 ， 满足设计轴压比。通过 2 5 t MT S电液伺服加载器施 加水平往复荷载 ， 模拟地震交替水平力 。加载装置 见 图 3 ( a ) 。 根据前文 中的试 验轴压 比与设计轴压 比的换 算关系，计算出与规范规定的设计轴压比O 7 、 1 1 、 1 2 5 相对应的试验轴压比及所需的轴向压力值。通 过设置在柱底 的液压千斤顶施加轴 向压力 ， 并保持 轴压比值恒定。 竖向轴力加载完毕后 ， 开始施加水平方 向往复 2 0 1 3年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 1 期 Z，U Z 1 5 0 】 A mm ( a ) N C C A Z3 U Z 宝1 5 0 Z) U Z 塞1 5 0 1 ( A mm r b ) R C C A ) U Z 、 7 塞1 5 0 图 5 各试件滞 回曲线 试验 中， N C C柱 的压 区混凝土大面积压酥 、 纵 筋被压曲而导致构件破坏 ， 即整个截面被压溃从而 导致构件失去承受轴压的能力。R C C试件的破坏均 是由于压区混凝土压碎 、 压区纵筋屈服而发展成 为 全截面的屈服 ， 破坏时试件变形大 ， 有明显征兆 ， 属 延性破 坏 。 2 2 滞 回曲线及耗能能力 6个试件在位 移控制阶段 的滞 回曲线见 图 5 。 从 图中可 以看出，各试件滞 回曲线均比较丰满 ； 轴 压 比为 O 7时， 区域 约束试件 ( R C C A) 与传统约束 试件 ( N C C - A) 相比 ， 略显丰满 ； 轴压 比在 1 1时 ， 滞 回曲线轴压比增大至 1 2 5时， 普通约束试件循环次 数 减少 ( N C C - C比 N C C B少一组循环 ) ， 而区域约 束试件 ( R C C) 滞 回性能没有损失 。 由滞回曲线计算得各试件的位移控制阶段耗 能指标 已列于表 2 。 各组轴压 比下 ， 区域约束混凝土 柱 的耗能指标均要大于普通约束混凝土柱 ； 试件在 轴压比为 O 7时耗能能力最强，普通约束混凝土柱 随着轴压比的增大， 耗能指标逐渐减低 ， 且最小值 ( 7 7 7 4 ) 比最大值( 1 2 1 6 8 ) 相差过大 ； 而区域约束混 凝 土最大值与最小值之 间并无太大差距 ，即使在 1 2 5的轴压 比下区域约束试件仍具有良好的耗能 能力 ， 这对保证建筑结构的抗震性能极为有利。 一 6 0 2 3延性 试件的延性 是评估结构抗 震性 能的一个 重要 指标 ， 结构的延性越大 ， 其耗能能力就越强 ， 抗震性 能也就越好 。 引入位移延性系数来衡量试件的延性。位移延 性系数 为极限位移 和屈服位移 的比值 ， 各 试件的位移延性系数计算结果列于表 2 。在相 同轴 压 比下 ， R C C试件的位移延性 系数均大于 N C C柱 ， 说明区域约束混凝土试件的延性更好 。 3 结语 ( 1 ) 相较 于传统约束 ， 区域约束 的约束机制更 能够改善约束混凝土的性能 。 ( 2 ) 适 当超越 现行规 范规定 的轴压 比限值 ， 不 会影响试件抗震性能 ，反而能充分发挥材料性能 。 轴压 比为 1 1时，区域约束混凝土柱具有更强的承 载能力和变形能 力， 延性也在可接受范围之内。当 轴压比大于 1 1后 ， 试件性能没有明显降低 。 ( 3 ) 高轴压 比状态下 ， 试件 的裂缝 开展得 到抑 制 ， 构件 的有效截面更大 ， 有效提升 了构件 的承载 力和 刚度 。 ( 4 ) 区域约束混凝土柱的使用有利于提升建筑 结构 的抗震性能 ， 且能减小构件尺寸 、 增 大建筑使 用空间。区域约束混凝土的推广使用将产生可观的 社会及经济效益 。 参考文献： 1 中华人民共和 国住房和城 乡建设部，中华人 民共 和国 国 家 质量 检验检 疫总 局 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0建筑抗 震设 计 规范 s 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 1 0 2 】肖建庄， 朱伯龙 钢筋混 凝土框架 柱轴压 比限值试 验研究 J 建筑结构学报 1 9 9 8 ， 1 9 ( 5 ) ： 2 7 3 张 国军， 吕西林， 刘 伯权 钢 筋混凝土框架 柱在轴压 比超 限 时抗震 性能的研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 3 ) ： 4 8 5 4 4 曹新 明， 肖常安， 肖建春， 等 区域约束 混凝土浅析 J 】 工程 抗震与加 固改造， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 5 ) ： 1 1 2 1 1 5 5 1 朱 国 良 区域约束 混凝土轴 心受压短 柱试验研 究 D 】 贵 阳： 贵州大学硕士学 位论 文， 2 0 0 7 6 王晓斌 区域约束 混凝土 轴心受压 柱试验研 究 D 贵 阳 ： 贵州大学硕士学位论文， 2 0 0 8 7 杨雪瑞 区域 约束混凝土柱往复荷载下 的试 验研究 D 贵 阳 ： 贵州大学硕士学位论文， 2 0 0 9 8 】中华人 民共 和 国住 房和城 乡建设 部 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0混 凝土结构设 计规范 S 】 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 1 0 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 1 2 6 作者简介 ： 彭景 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 通讯地址： 贵州大学蔡家关校区空间结构研究中心 联 系电话 ： 1 3 7 6 5 0 8 3 5 0 6 E ma i l ： 1 3 7 6 5 0 8 3 5 0 6 q q t o m