圆形截面高强混凝土柱抗震性能试验研究

收稿日期:2005-12-25基金项目:辽宁省教育厅基金项目(2004D246);沈阳市科学技术计划项目(1032045-3-01)作者简介:阎石(1962-),男,教授,博士生导师,主要从事混凝土结构抗震研究.文章编号:1671-2021(2006)04-0538-05圆形截面高强混凝土柱抗震性能试验研究阎　石,张曰果,王旭东(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168)摘　要:目的研究圆截面高强混凝土柱的抗震性能和破坏机理,以提高建筑结构的抗震性能.方法通过6根配有强度等级为1420MPa 的预应力钢棒作箍筋及纵筋、混凝土强度等级分别为C90和C60的高强混凝土圆截面柱,在低周反复荷载下的模型试验,研究了轴压比、箍筋(包括含箍特征值、箍筋间距、箍筋种类)、纵筋和混凝土强度等级等参数对抗震性能的影响.结果试验明确了C90和C60高强混凝土圆截面柱的破坏机理.通过对配置的PC 钢棒作箍筋和部分作纵向受力筋的高强混凝土柱的位移延性比与轴压比和含箍特征值关系的经验计算公式的计算,并与实测值相比较,二者吻合良好.结论试验证明,配置PC 钢棒作箍筋和部分作纵筋可明显改善高强混凝土圆截面柱的延性性能和抗震能力.关键词:高强钢筋;高强混凝土圆截面柱;延性;抗震性能中图分类号:TU35211 文献标识码:A 对于高强度混凝土和高强度钢筋,其变形能力随着强度的提高逐渐降低,这对建筑结构的抗震性能是非常不利的,在地震区往往限制使用.但材料的脆性大并不意味着由其制作的钢筋混凝土结构或构件的变形能力就差,只要通过合理的配筋及适当的构造处理,如通过配置高强度横向钢筋和部分配置高强度纵向钢筋,增强对核芯高强混凝土的约束作用以此来提高其变形能力,仍然能够满足结构抗震要求.笔者在矩形截面柱抗震性能试验研究的基础上[1-3],研究了配有预应力钢棒(简称PC 钢棒)的高强混凝土圆形截面柱的抗震性能和破坏机理,进行了6个模型试件的低周往复试验研究.结果表明,配有PC 钢棒的高强混凝土框架柱的抗震性能有明显的提高.拓宽了该技术在国内的应用和研究范围[4-12].1　试验概况111　试件设计及材料性能试验采用的6个试件是按照《建筑抗震设计规范》(G B5001-2001)的规定,按1/2缩尺设计而成,试件的尺寸及配筋如图1所示,设计参数见表1,其中:D sv 表示箍筋直径,S 表示箍筋间距.试验前首先进行材料试验,测得C60和C90立方体强度分别为68171MPa 和93113MPa ,棱柱体强度平均值分别为49115MPa 和76138MPa.112　加载装置及加载制度试验前,首先进行设备的连接:竖向2000kN 油压千斤顶上端安装在水平滑板上,千斤顶下端与压力传感器相连,并将千斤顶加载端与柱顶球铰对中;柱顶采用300kN 双向油压千斤顶施加水平力,千斤顶前连接拉压传感器,试验采用U 2CAM -70A 数据采集仪,采集、存贮数据,并自动绘出P -Δ滞回曲线.预加载,检查仪器和设备是否正常工作.采用图2所示的加载制度.2　试验分析211　试件破坏特点分析试件加载的前两个循环,由于施加的水平力2006年07月第22卷第4期　沈阳建筑大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science )　J uly 2006Vol 122,No 14表1　试件设计参数试件编号混凝土强度等级设计剪跨比设计轴压比箍筋D /mm间距/mm 体积配箍率/%纵向钢筋D /mm配筋率/%1C9031490134271150113801017/1211952C9031490134271170019871017/1211953C9031490134271150113801221184C9031490147971150113801221185C9031020129571150113801221186C6031020129585011752122118图1　试件尺寸及配筋图图2　加载制度较小,试件的侧移不大,处于弹性工作状态.到第3次加载循环时,可听见混凝土开裂响声,柱根部出现水平裂缝及竖向短小裂缝,P -Δ曲线斜率突降.随着加载循环的进行,水平裂缝及竖向裂缝均不断增多和发展,保护层混凝土不断脱落,继续循环加载,随裂缝的不断积累和保护层的大量剥落,柱的承载力逐渐下降.当加载循环至3Δy 后,柱承载力迅速下降,柱根部混凝土破坏严重.试件的破坏形态见图3.试件1和试件2的纵向钢筋配筋率略低于其他试件,但这2个试件的截面中均配置了部分高强度纵向钢筋———PC 钢棒,同样加载至2Δy 循环时,柱根部的破坏程度却低于其余4个试件.由实测纵向钢筋的应变及混凝土的应变可知试件3、试件5和试件6,当内力臂最大的纵向钢筋屈服时,受压区最外边缘混凝土纤维的压应变均小于混凝土极限压应变,试件的破坏始发于纵向钢筋的屈服,为典型的受拉破坏形态.而对于试件1、试件2由于内力臂最大的纵向钢筋为PC 钢棒,由实测数据可知,当截面边缘混凝土纤维达到其极限压应变时,PC 钢棒尚未屈服,根据偏压构件破坏形态理论应定义为受压破坏,但此时PC 钢棒的拉应变却已经大于HRB335钢筋受拉屈服应变,试件的变形能力优于其他试件.对于试件4由于轴压比的增大,其破坏特点表现为受压破坏.212　试件的滞回特性 本次试验由UCAM -70A 数据采集仪自动绘出的P -Δ实测滞回曲线,如图4所示.图3　试件破坏形态第22卷阎　石等:圆形截面高强混凝土柱抗震性能试验研究539　图4　试件滞回曲线 从图5P-Δ关系曲线可见,当所施加的水平荷载较小时,即最初的1～3个循环加载时,P -Δ关系呈线性变化,试件基本处于弹性工作阶段.屈服荷载以前,加载和卸载刚度都没有明显变化.屈服荷载以后,加载与卸载刚度逐渐降低,并且这种刚度的降低随着加载循环次数的增加而加大,呈现出明显的刚度退化现象.滞回曲线也因试件刚度退化而产生“超前指向”现象.由试件的滞回曲线及试验数据可以看出,当水平荷载达到最大值后,卸载段位移的变化表现出明显的滞后现象.试件屈服后,由于轴向力的P -Δ效应,当位移增量达到一倍的Δy而卸载时,虽然水平力在缓慢降低,但柱根部截面所受到的总弯矩却变化不大,位移变化滞后于水平力变化,使试件位移仍保持一定增长趋势,从而使试件在该级加载下的实际位移大于Δy,产生位移滞后现象.另外,从滞回曲线中可以看出,卸载到一定程度后,低轴压比试件的水平荷载变动不大,位移减小却很快,产生近似水平的滑移段;高轴压比试件水平位移滑移段则较小.213　影响试件延性的主要因素分析21311　试件的位移延性比本次试验6个圆截面试件的延性性能用位移延性比κ来衡量,位移延性比κ由如下方法确定:按正、反向P-Δ滞回曲线的骨架线,取水平荷载下降到最大值的85%时所对应的位移为极限位移;按R・Park法确定屈服位移[11];根据位移延性系数的定义,两者相除,并用正、反两个方向分别计算延性系数,取平均值,得出位移延性比,结果列于表2.21312　试件延性影响因素分析(1)轴压比对延性的影响试验证明轴压比是影响构件延性的主要因素,轴压比越高,构件的延性越小.试件3和试件4仅轴压比不同,从其滞回曲线骨架线图5中看出,轴压比大的试件骨架曲线的下降段比轴压比小的试件陡,但最大承载力略高.说明轴压比的增大尽管提高了试件的水平极限承载力,但却降低了试件的延性.(2)箍筋对试件延性的影响1)含箍特征值的影响试件1和试件2轴压比相同,但由于箍筋间距不同导致它们的含箍特征值相差较大.从图5可看出,含箍特征值大的试件,其骨架线较平缓,即达到最大水平荷载后,在相同的位移控制加载条件下每周的最大荷载值下降较慢,说明试件的延性随含箍特征值的增大而增大.2)箍筋种类的影响540　沈阳建筑大学学报(自然科学版)第22卷试件5、试件6采用不同强度等级钢筋作为箍筋,分别为HPB235钢筋和PC 钢棒,其轴压比、箍筋间距、箍筋型式基本相同.由图5的P -Δ滞回曲线骨架线可见,HPB235钢筋下降段要平缓得多,由实测数据计算得出位移延性系数也相差较大.分析实测塑性铰区段的箍筋应变试验数据可知,当两个试件循环至±3△y 时试件6箍筋已经屈服而试件5由于采用的是PC 钢棒箍筋,这时其还远未屈服.显然,HPB235箍筋屈服后,其对核芯混凝土的约束效应将大大降低,而处于弹性工作状态的PC 钢棒箍筋仍可很好的约束柱核芯部分混凝土的变形,从而提高了构件的延性;另外,2种钢筋的表面特征不同,对于变形钢筋PC 钢棒与混凝土的黏结性好于HPB235钢筋,受力后滑移量小,因此对混凝土的约束作用也就强.3)纵筋对试件延性的影响图5　试件1～试件6骨架曲线 试件1部分纵筋为PC 钢棒,试件3的纵筋全部为HRB335钢筋,其他参数基本相同.由实测试验数据计算得出延性系数试件1大于试件3,说明部分配置高强钢筋作纵筋可明显提高高强混凝土柱的延性.因为PC 钢棒的屈服强度远大于热轧钢筋,其弹性工作范围长,同样荷载作用下高强度钢筋屈服滞后,受压区纵向高强钢筋分担了较多的压力,减轻了混凝土的负担,降低了受压区高度,截面转动能力提高,构件的延性也就越好.3　高强钢筋高强混凝土柱延性的经验计算公式 由以上分析可见,配有高强钢筋的高强混凝土柱的延性性能主要受轴压比、配箍率、箍筋强度等因素的影响,且通过数值计算分析说明以上各因素对构件延性影响具有一定的规律性,为此,笔者在试验和数值分析的基础上,对配有高强钢筋的高强混凝土柱的位移延性系数提出以下经验计算公式:κ=γ・(e 1-012μ-1155)・4165+6165ξv1+0154μ(1)式中:κ为位移延性系数;μ为轴压比;ξv 为含箍特征,ξv =ρsv ・f yv /f c ;γ为截面形状系数(圆形截面γ=111,方形截面γ=110).为验证式(1)的正确性,现将本文的6个圆截面试件的实测延性系数以及文献[2]的方形截面试件试验结果与式(1)的计算结果作一比较(见表2),可见式(1)计算结果与实测值吻合较好,说明式(1)计算结果可信.表2　位移延性系数的实测值与计算值的比较截面类型试件编号μξv =ρsv ・f yv /f c κ试验值计算值κ计-κ试κ试/%1013420126771531714221144圆2013420119161553619365184形3013420126771134714224104截4014790126761479616282130面50129501267710827176991706012950107751847612406173HHH9101380013437133618726124方LH L91012210134371108113112197形HH L9101380013436164618723150截HH L9201380011726159519189159面UH L6101538014496141612301192H LL91013800107651395114231264　结　论(1)在高强混凝土构件中配置适当的高强箍筋(如PC 钢棒),可有效地增强其延性,能够满足抗震要求.特别是在较高的轴压比或荷载多次往复作用下,高强度箍筋的作用更为明显.(2)轴压比是影响高强混凝土压弯构件延性的重要因素之一.当其他条件相同时,轴压比越高,构件的延性越小.(3)在柱的塑性铰区域采用PC 钢棒作箍筋第22卷阎　石等:圆形截面高强混凝土柱抗震性能试验研究541　比热轧钢筋对核心混凝土的约束作用好,且在满足同样延性要求的情况下,采用PC 钢棒将减少横向钢筋用钢量.(4)柱子的延性随含箍特征值的增大而增大.配箍率一定的条件下,适当提高箍筋强度,对改善构件的延性有利.(5)适当配置部分高强纵向受力钢筋,可以明显改善柱子的延性性能.(6)在试验基础上,建议了包括轴压比、含箍特征值、截面类型等影响因素在内的位移延性系数的经验计算公式,计算值和试验值吻合良好.参考文献:[1]　阎石,肖潇,阚立新,等.高强钢筋高强混凝土柱的恢复力模型[J ].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2005,21(2):81-85.[2]　阎石,肖潇,张曰果,等.高强钢筋约束混凝土矩形截面柱的抗震性能试验研究[J ].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2006,22(1):7-10.[3]　肖潇.配有高强钢筋的高强混凝土柱的抗震性能研究[D ].沈阳:沈阳建筑大学土木工程学院,2004.[4]　关萍.C80高强混凝土柱延性的试验研究[J ].大连理工大学学报,1998,38(3):337-342.[5]　高强约束混凝土框架柱抗震性能的研究[J ].重庆建筑大学学报,2002,24(5):38-45.[6]　王清湘,赵国藩,林立岩.冷轧带肋箍筋柱轴压比及配箍率的试验研究[J ].建筑结构,1999(9):7-9.[7]　Li B.Strength and Ductility of Reinforced Concreteand Frames Constructed Using High -strength Con 2cretes[D ].New Zealand :PhD Thesis ,Univ.of Can 2terbury ,Christchurch 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strength of PC rebar was 1420MPa and concrete grades were C60and C90respectively ,was carried out under the low circle loads.The influence factors on the seismic performances of the columns were researched by using varieties parameters of axial compression ratios ,stirrup reinforcements (index ,space and type ),longitudinal rebar and concrete grades.The failure mechanisms were clarified and were also determined experimentally.An empiri 2cal formula represented the relationship of the displacement ductility ,the compressive ratio and index of stir 2rup is derived numerically on the basic of the test data.The results of the test show that the ductility of the HSC columns can be effectively improved by use of ultra high strength steel bars for the partial of longitudi 2nal reinforcement and stirrup.K ey Words :high strength rebar ;circular HSC column ;ductility ;seismic performance542　沈阳建筑大学学报(自然科学版)第22卷。