常 亞，曹新明* ，邵建力，蔣亞星，姚志剛，彭 景

(1.貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽550003;2.貴州建工集團(tuán)第四建筑工程有限責(zé)任公司，貴州 貴陽550004;3.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，貴州 畢節(jié)551700)

在高層及超高層建筑中，常在建筑下部樓層框架柱中產(chǎn)生很大的軸向壓力，［1］一般采用較大軸壓比的柱子能有效降低構(gòu)件截面，節(jié)約房屋使用空間及降低造價，然而柱子在較大的軸向壓力下，受到往復(fù)作用的水平力時常發(fā)生脆性破壞現(xiàn)象，我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011 -2010)［2］對不同結(jié)構(gòu)類型和抗震等級柱的軸壓比作了嚴(yán)格限制，以防止脆性破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

研究表明，柱子采用區(qū)域約束截面形式可以使用較大軸壓比［3］(約1.2)，區(qū)域約束混凝土有效的約束形式能夠提高構(gòu)件極限壓應(yīng)力及極限壓應(yīng)變，相對傳統(tǒng)約束混凝土柱而言，區(qū)域約束混凝土約束核心區(qū)從截面中部向截面四個角轉(zhuǎn)移，即使是小偏心受壓情況下，也能保證構(gòu)件是延性破壞［4］。保證區(qū)域約束混凝土構(gòu)件延性破壞的主要因素是其有效的約束形式能夠大幅提高構(gòu)件的變形能力，其約束的強(qiáng)弱可通過約束系數(shù)K［5］衡量，K 值同時考慮了縱筋、橫向箍筋及混凝土對混凝土強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)。區(qū)域約束混凝土把約束的概念從傳統(tǒng)只考慮橫向箍筋貢獻(xiàn)的平面約束轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r考慮縱筋、橫向箍筋的空間約束，并認(rèn)為縱筋、箍筋及混凝土組成了三位一體、不可分割的約束體?；炷撂岣吆髲?qiáng)度按式(1)～(2)計算。

式中，ρs為縱筋配筋率，ρv為箍筋體積配箍率，fy為縱筋屈服強(qiáng)度，fyv為箍筋屈服強(qiáng)度，fc為混凝土抗壓強(qiáng)度，K 為約束系數(shù)，fcc為區(qū)域約束混凝土約束后強(qiáng)度。

根據(jù)區(qū)域約束混凝土本構(gòu)關(guān)系［6］，可知約束系數(shù)K 的增大能顯著提高區(qū)域約束混凝土的強(qiáng)度，其變形能力相應(yīng)增加，即約束系數(shù)K 對其抗震性能的改善有著密切關(guān)系。

本文對軸壓比為1.1 和1.25 的共4 根約束混凝土柱的各項抗震性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析，其中包括具有不同約束系數(shù)K 的區(qū)域約束混凝土NRCC組試件及用于對比分析的傳統(tǒng)井字箍筋NTCC 組試件。本文主要分析區(qū)域約束混凝結(jié)構(gòu)中約束系數(shù)K 對區(qū)域約束混凝土柱抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 構(gòu)件信息

試件分兩組共4 個試件，兩種箍筋形式，分別為:普通井字箍(NTCC)和區(qū)域約束矩形箍(NRCC)。縱筋采用直徑分別為10 mm 和12 mm的HRB400 級鋼筋，箍筋采用直徑為6.5 mm 的HRB400 級鋼筋，箍筋間距為50 mm，采用閃光對焊。為了防止構(gòu)件局部壓壞，在構(gòu)件兩端設(shè)置250 mm×250 mm×25 mm 鋼板，并在構(gòu)件距兩端200 mm 處加密箍筋，間距為40 mm。構(gòu)件尺寸及配筋見圖1，鋼筋各項力學(xué)性能實測值見表1，試件分組及編號見表2。

圖1 構(gòu)件截面尺寸及配筋(圖中尺寸以mm 計)

表1 鋼筋力學(xué)性能

表2 試件分組及編號

1.2 加載制度

首先按設(shè)計軸壓比對試件施加軸向壓力，然后采用荷載—位移混合加載方式對試件施加水平力。具體為先以20 kN 為級差遞增逐級施回水平力，直至構(gòu)件屈服，構(gòu)件屈服后以屈服時位移為級差逐級施加水平位移，每個級差水平位移循環(huán)三次，直至構(gòu)件完全破壞，加載原理及加載制度如圖2 所示。

圖2 加載原理及加載制度

2 試驗現(xiàn)象

2.1 設(shè)計軸壓比1.1 試件

軸壓比為1.1 的NTCC-1、NRCC-1 構(gòu)件在加載過程中，水平力在80 kN 之前各構(gòu)件加卸載曲線幾乎重合，構(gòu)件處于彈性階段，兩個試件均在80 kN到100 kN 的水平力加載階段開裂，在柱中部截面擴(kuò)大處與上下柱身交界處出現(xiàn)受拉彎曲裂縫。同時各構(gòu)件鋼筋出現(xiàn)不同程度的粘結(jié)滑移現(xiàn)象，以縱筋應(yīng)變?yōu)?.002 作為鋼筋屈服標(biāo)志，繼續(xù)逐級施加水平力，兩個構(gòu)件均在水平位移約為16 mm 時縱筋屈服，進(jìn)而轉(zhuǎn)入位移控制加載。

在位移控制加載階段，在往2Δ(Δ 為屈服位移，下同)加載階段，各試件裂縫寬度隨加載次數(shù)不斷增多而增寬，各試件的最大水平力均出現(xiàn)在該階段，NTCC-1 在水平位移21.6 mm 時出現(xiàn)最大水平力231.3 kN，NRCC-1 在水平位移26.2 mm 時出現(xiàn)最大水平力231.8 kN。在往3Δ 加載階段試件保護(hù)層開始大量脫落，試件中部擴(kuò)大部分與柱身交界處出現(xiàn)X 形交叉裂縫，構(gòu)件剛度下降嚴(yán)重，在隨后4Δ 加載階段，NTCC-1 破壞，5Δ 加載階段，NRCC-1 破壞(如圖3(1)、(2)所示)。

2.2 設(shè)計軸壓比1.25 試件

軸壓比為1.25 的NTCC-2、NRCC-2 構(gòu)件在加載過程中，NTCC-2、NRCC-2 分別在120kN 到140 kN與80 kN 到100 kN 力控制加載過程中于受拉區(qū)出現(xiàn)第一條受拉裂縫，與NTCC-1 及NRCC-1 不同的是NTCC-2 與NRCC-2 中鋼筋粘結(jié)滑移現(xiàn)象不明顯。同樣以縱筋應(yīng)變0.002 作為屈服標(biāo)志，各構(gòu)件屈服位移均在15 mm 左右，進(jìn)而轉(zhuǎn)入位移控制加載階段。

位移控制加載階段中，同樣在往2Δ 加載時，各試件裂縫增多增寬，NTCC-2 到水平位移20.8 mm 時出現(xiàn)最大水平力217.9 kN，NRCC-2 在水平位移26.7 mm 時出現(xiàn)最大水平力226.1 kN。在往3Δ加載時，試件剛度下降嚴(yán)重，保護(hù)層開始大量脫落，試件中部擴(kuò)大部分與柱身交界處出現(xiàn)X 形交叉裂縫。在隨后4Δ 加載階段，NTCC-2 破壞，5Δ 加載階段，NRCC-2 破壞(如圖3(3)、(4)所示)。

圖3 各構(gòu)件破壞情況

3 試驗結(jié)果

3.1 滯回曲線

各試件的滯回曲線如圖4 所示，從圖中可以看出各組試件滯回曲線沒有明顯捏攏現(xiàn)象，說明抗震性能良好。對比軸壓比為1.1 與1.25 試件滯回曲線，可以看出NTCC 組試件在軸壓比1.25 時的滯回環(huán)向位移軸偏離較快，且滯回環(huán)循環(huán)次數(shù)減少，說明其耗能能力下降較快。而NRCC 組試件在軸壓比從1.1 到1.25 時，滯回曲線有趨于飽滿的趨勢。說明對于區(qū)域約束混凝土柱，由于約束系數(shù)K值的提高，即便軸壓比有所增大，區(qū)域約束混凝土柱的滯回性能亦有變好趨勢。

3.2 耗能能力

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能能力，可用滯回曲線所包圍的面積的大小衡量［7］，各試件滯回耗能如表3，為了對比各試件耗能能力，圖5 給出了各試件滯回耗能柱狀對比圖。

對比NTCC、NRCC 組試件可以發(fā)現(xiàn)，NTCC 組試件軸壓比從1.1 到1.25 時，構(gòu)件總滯回耗能顯著降低，尤其4Δ 時滯回耗能減小幅度較大，總滯回耗能降低幅度為23.4%。NRCC 組試件隨軸壓比提高其總滯回耗能相應(yīng)增大，總滯回耗能提高幅度為8.9%，可見對于區(qū)域約束混凝土柱，在提高軸壓比的同時，約束系數(shù)K 值從0.587 升高到0.703 可以有效提高構(gòu)件耗能能力。

對比軸壓比1.1、1.25 組試件可以發(fā)現(xiàn)，NRCC 組試件的耗能能力均優(yōu)于NTCC 組試件，且在軸壓比升高至1.25 時，NTCC-2 的滯回耗能降到77.563 kJ，而NRCC-2 的耗能能力不降反升高至119.903 kJ。

3.3 剛度退化

圖4 試件滯回曲線

表3 試件滯回耗能

圖5 試件滯回耗能柱狀圖

結(jié)構(gòu)構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下，構(gòu)件的剛度會隨往復(fù)次數(shù)的增多而逐漸減小，一般用環(huán)線剛度［8］表征結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度退化情況，環(huán)線剛度Ki=，為每個循環(huán)正、負(fù)向水平力絕對值平均值除以水平位移絕對值平均值。利用構(gòu)件環(huán)線剛度Ki除以構(gòu)件初始剛度K1即可得到構(gòu)件相對剛度，可以利用相對剛度表征構(gòu)件剛度退化情況。Ki取2Δ 及其后各級位移第一循環(huán)的環(huán)線剛度，K1取1Δ 第一循環(huán)的環(huán)線剛度，得到構(gòu)件前4Δ相對剛度變化情況(如圖6)。

圖6 試件相對剛度變化情況

由NTCC、NRCC 組的相對剛度曲線變化情況可以看出，隨軸壓比的增大，NTCC 的剛度退化較快，圖上表現(xiàn)為NTCC-2 圖形位于NTCC-1 圖形下側(cè)。NRCC-2 圖形始終位于NRCC-1 圖形上側(cè)，說明隨軸壓比提高，NRCC-2 剛度退化反而較慢，可見對區(qū)域約束混凝土柱，約束系數(shù)K 的提高對構(gòu)件剛度退化有明顯改善。

對比設(shè)計軸壓比1.1 與1.25 的兩組試件，可以發(fā)現(xiàn)，NRCC 組試件的相對剛度曲線均處在NTCC 之上，尤以軸壓比1.25 時更為明顯，說明區(qū)域約束混凝土柱約束形式的改變能有效改善其剛度退化情況。

4 結(jié)論

1)同一軸壓比下，區(qū)域約束混凝土柱的滯回曲線、耗能情況及剛度退化均優(yōu)于傳統(tǒng)井字箍筋柱，說明約束形式的改變能有效提高構(gòu)件抗震性能。

2)本試驗中，在兩個區(qū)域約束混凝土柱(NRCC-1 及NRCC-2)的軸壓比增大的同時增大約束系數(shù)K，構(gòu)件的滯回曲線、耗能能力、剛度退化情況明顯改善，可以推論同一軸壓比下，約束系數(shù)的增大可以有效改善構(gòu)件抗震性能。

3)從試驗結(jié)果可知，一定軸壓比下，在區(qū)域約束混凝土結(jié)構(gòu)中引入約束系數(shù)K 作為衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的一個參考指標(biāo)有一定合理性。

4)本次試驗試件數(shù)量較少，未能定量給出構(gòu)件約束系數(shù)與各項抗震指標(biāo)之間的關(guān)系，還需進(jìn)一步深入研究。

［1］劉程鵬，王曉斌，姚常偉. 貴陽市白云區(qū)德成官邸項目超限高層主體結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］. 貴州師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，32(4):110 -114.

［2］GB50011 -2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［S］北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

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