矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱滯回性能試驗

馬忠吉，喬雷濤，王 偉，劉界鵬

(1.哈爾濱工業大學建筑設計研究院，150090哈爾濱，liujp@hit.edu.cn;2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043西安;3.哈爾濱工業大學土木工程學院，150090哈爾濱)

矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱滯回性能試驗

馬忠吉1，喬雷濤2，王 偉3，劉界鵬1

(1.哈爾濱工業大學建筑設計研究院，150090哈爾濱，liujp@hit.edu.cn;2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043西安;3.哈爾濱工業大學土木工程學院，150090哈爾濱)

為研究矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的滯回性能，進行了4個矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱和2個普通鋼筋混凝土對比試件的試驗研究.主要參數為軸壓比(0. 3，0.5)和鋼管寬厚比( 111，166);6個試件的剪跨比均為1.0.試驗結果表明:普通鋼筋混凝土超短柱的破壞模式為剪切破壞，延性和耗能性能較差;鋼管約束鋼筋混凝土超短柱中，鋼管對混凝土產生有效約束作用，因此構件未發生剪切破壞，延性、彈塑性變形能力和耗能性能顯著高于鋼筋混凝土對比試件;隨軸壓比提高，矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的承載力提高，但延性稍有降低.在本文試驗研究范圍內，鋼管的寬厚比對矩形鋼管約束混凝土超短柱的抗震性能無顯著影響.

矩形鋼管約束鋼筋混凝土;超短柱;軸壓比;寬厚比;延性

隨著現代建筑向超高層、大跨度和重載方向發展，框架柱承擔的豎向荷載越來越大，柱子截面隨之增大.在高層或超高層建筑的底部容易形成鋼筋混凝土短柱(剪跨比＜2)甚至超短柱(剪跨比＜1.5)，在工業廠房中，支承大型鍋爐或煤斗等設備的柱子截面很大，容易形成短柱，工業廠房中由于復雜的工藝要求，常采用錯層或夾層結構，從而產生框架短柱.鋼筋混凝土短柱的破壞模式多為剪切破壞或粘結破壞，延性和變形能力差［1］，難以在抗震工程中應用.歷次大地震的震害調查都說明短柱破壞是造成鋼筋混凝土框架結構破壞甚至倒塌的一個重要因素.為避免短柱發生脆性破壞導致結構整體破壞，必須采取適當措施［3－5］.因此，對鋼筋混凝土短柱進行研究，提出較好的構造形式，以改善其抗震性能顯得尤為重要.為了防止鋼筋混凝土框架結構中的短柱或邊柱發生剪切破壞并提高其延性，Tomii等［6－7］建議采用鋼管約束鋼筋混凝土柱，就是將鋼筋混凝土柱中的箍筋換成鋼管，鋼管不直接承擔縱向荷載，只對核心混凝土起約束作用.肖巖等［8］對剪跨比為2的鋼管約束鋼筋混凝土短柱的試驗研究表明，剪跨比為2的鋼管約束鋼筋混凝土框架短柱的破壞模式為彎曲破壞，柱子的延性和變形能力優越.周緒紅等［9］對剪跨比為3的鋼管約束鋼筋高強混凝土壓彎構件的試驗研究表明，即使在設計軸壓比超過1的高軸壓比條件下，柱子的延性和變形能力也非常優越.目前國內外對方形和圓形截面鋼管約束鋼筋混凝土短柱和長柱的研究較多［6－11］，而對于剪跨比 ＜1.5的矩形截面鋼管約束鋼筋混凝土超短柱研究較少.本文分別進行了矩形截面鋼管約束鋼筋混凝土超短柱和普通鋼筋混凝土對比試件的滯回性能試驗研究.結果表明，在矩形截面鋼筋混凝土超短柱外設置薄壁鋼管，可以避免超短柱的剪切破壞，有效提高柱子的延性和變形能力.

1 試件參數和試驗裝置

試驗在哈爾濱工業大學力學與試驗中心進行，試驗采用仿日本建研式加載裝置，試驗加載和測量裝置見文獻［1］.共進行了6個超短柱的滯回性能試驗研究，其中包括2個矩形截面鋼筋混凝土超短柱和4個矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱，2種形式超短柱的幾何尺寸完全相同.根據框架超短柱實際尺寸和試驗室現有試驗條件，試驗短柱試件比例設計為1∶6.

圖1、2為試件的幾何尺寸、配筋與鋼材屈服強度.試驗以框架柱為研究對象，假定柱子為兩端固端模型，先對柱子施加豎向軸力，然后在柱子頂端施加反復作用的水平荷載，以模擬水平地震作用.試驗中將試件兩端的鋼筋混凝土梁固定，梁的截面高度為467 mm，梁寬為300 mm，梁的長度為1 200 mm.試驗中2種試件的軸壓比都定義為n0=N/fckAg，以對比相同軸力條件下構件的力學性能，其中n0為軸壓比，N為柱子上作用的軸力，fck為混凝土抗壓強度標準值，Ag為毛截面面積，試件其他參數見表1.表1試件的命名方法，RRC試件以RRC－1－0.3為例，前面字母RRC表示矩形截面鋼筋混凝土柱(Rectangular crosssection Reinforced Concrete Column)，第2個數字1表示剪跨比為 1，第3個數字0.3表示軸壓比為0.3;RTRC試件以 RTRC－1－0.3－111為例，前面字母RTRC表示矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱(Rectangular Tube confined Reinforced Concrete Column)，第2個數字1表示剪跨比為 1，第3個數字0.3表示軸壓比為0. 3，第4個數字111表示試件長邊的鋼管寬厚比為111.

圖1 矩形截面鋼筋混凝土超短柱試件

圖2 矩形截面鋼管約束鋼筋混凝土超短柱試件

表1中t為鋼管壁厚，D為矩形截面較長邊的邊長，D/t為寬厚比，λ為剪跨比，n0為軸壓比，ρs、ρv分別為縱筋配筋率、箍筋體積配箍率，fck為混凝土抗壓強度標準值.

2 破壞模式

圖3為軸壓比為0.3的2種超短柱的破壞模式.RRC超短柱發生的是剪切破壞，試件產生了貫通的雙向交叉剪切斜裂縫;RTRC超短柱無明顯破壞現象，試件鋼管包裹部分混凝土表面基本完好，只是有微小的剪切斜裂縫，在柱下端鋼管焊縫處，混凝土保護層嚴重剝落，RTRC柱的破壞模式為壓彎破壞.

圖4為軸壓比為0.5的2種超短柱的破壞模式.RRC發生的是剪切破壞，混凝土整體沿斜裂縫方向產生剪切滑移導致縱筋壓屈;RTRC超短柱無明顯破壞現象，RTRC柱的破壞模式仍為壓彎破壞.

表1 超短柱試件參數

圖3 軸壓比為0．3超短柱的破壞模式

圖4 軸壓比為0．5超短柱的破壞模式

3 滯回曲線與骨架曲線對比

圖5為RRC和RTRC超短柱的滯回曲線.矩形截面鋼筋混凝土超短柱(圖5(a)～(b))的滯回性能很差，峰值荷載后試件迅速破壞，失去承載能力，且鋼筋混凝土超短柱的滯回曲線不飽滿，耗能性能差.矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱滯回曲線(圖5(c)～(f))比矩形截面鋼筋混凝土超短柱飽滿，其耗能性能優于矩形截面鋼筋混凝土超短柱.當試件進入屈服狀態，加載至峰值荷載點后，滯回環的“捏縮”現象消失，滯回曲線變的更加飽滿，耗能能力突然加強，呈現出鋼材的耗能性能.

圖5 超短柱的荷載(P)－位移(Δ)滯回曲線

圖6為RRC與RTRC超短柱的荷載－層間位移角(R)骨架曲線對比.圖6中破壞點是指承載力下降至峰值荷載的85%時所對應的點，此處的位移為極限位移(Δu);當試件的承載力未下降至85%時已經破壞，不能繼續加載，則取最大位移為極限位移［1］.由圖6可看出，矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的抗剪承載力、變形能力和延性要高于矩形截面鋼筋混凝土超短柱.隨軸壓比的提高，矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱試件的承載力提高，極限位移角有所減小;隨著寬厚比的增加，相同軸壓比下矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的骨架曲線基本重合.即使在體積配箍率為2.68%的高配箍率條件下，剪跨比為1的鋼筋混凝土超短柱的變形能力仍然很差，柱子的極限層間位移角都不足1%，不滿足我國《建筑抗震設計規范》對鋼筋混凝土框架柱彈塑性層間位移角1/50的變形能力要求.因此剪跨比為1的鋼筋混凝土超短柱應避免在抗震工程中應用.而矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的極限層間變形能力遠超過我國現行規范要求.因此在實際工程中，對于剪跨比為1的矩形截面鋼筋混凝土超短柱進行外包鋼管約束，可以有效提高矩形截面鋼筋混凝土超短柱的承載力和延性性能，并滿足現行抗震規范對鋼筋混凝土框架柱的彈塑性變形能力要求.

圖6 RRC與RTRC超短柱的荷載－層間位移角骨架曲線

表2為各試件的試驗結果對比，表中Pu(kN)為試驗實測極限承載力;Δy(mm)為屈服位移，由能量法求得;Δu(mm)為極限位移;Δ0.85為荷載下降至峰值荷載的0.85倍時所對應的位移;Ru(%)為極限層間位移角;μ為延性系數，μ=Δ0.85/Δy;ψ為能量耗散系數.由表2可見，RRC超短柱的延性系數最大為2. 63，延性很差;而RTRC超短柱的延性系數都＞3. 5，能夠滿足抗震要求.RRC超短柱的極限層間位移角都不足1%，而RTRC超短柱的極限層間位移角都＞2%，能夠滿足抗震規范的要求.寬厚比對RTRC超短柱的延性和極限層間位移角影響不大.由表2可見，RRC超短柱的能量耗散系數都不超過 1，而RTRC超短柱的能量耗散系數都＞1. 5，可見RTRC超短柱的能量耗散能力遠大于RRC超短柱.寬厚比對RTRC超短柱的能量耗散系數影響不大.

表2 試驗結果對比

4 結論

1)矩形截面鋼筋混凝土超短柱的破壞模式為剪切破壞，即使在高配箍率條件下，剪跨比為1的矩形截面鋼筋混凝土超短柱的極限層間變形能力也遠低于現行抗震規范要求，因此在抗震工程中采用時須采取特殊的加強措施.

2)在矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱外設置薄壁鋼管，可有效避免構件的剪切破壞模式，提高超短柱的延性、彈塑性層間變形能力和耗能性能，使得超短柱的抗震性能滿足現行抗震設計要求.

3)相同寬厚比條件下，隨軸壓比的增加，矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的峰值承載力明顯提高;但軸壓比對延性和彈塑性層間變形能力的影響不顯著.

4)在本文試驗研究參數范圍內，不同寬厚比的矩形鋼管約束鋼筋混凝土超短柱的滯回曲線基本重合，即寬厚比對抗震性能的影響不顯著.

［1］ 周緒紅，劉界鵬.鋼管約束混凝土柱的性能與設計［M］.北京:科學出版社，2010.

［2］ 周緒紅，張小冬，劉界鵬.鋼管約束鋼筋混凝土柱與型鋼混凝土柱的滯回性能試驗研究［J］.建筑結構學報， 2009，30(s1):121－128.

［3］ 張國軍，呂西林.高軸壓比高強混凝土短柱力學性能的試驗研究［J］.工業建筑， 2005，35(3):20－23.

［4］ 姜維山，白國良.配復合箍、螺旋箍、X形筋鋼筋砼短柱的抗震性能及抗震設計［J］.建筑結構學報， 1994，15(1):2－16.

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［10］ 周緒紅，劉界鵬，張素梅.方鋼管約束鋼筋高強混凝土超短柱抗震性能試驗研究［J］.土木工程學報， 2010，43(8):1 －10.

［11］ 周緒紅，劉界鵬，張素梅.圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報， 2010，31(7):56 －63.

Experiment on the rectangular tubed RC ultra short columns under axial compression and lateral cyclic load

MA Zhong－ji1，QIAO Lei－tao2，WANG Wei3，LIU Jie－peng1

(1.Architectural Design and Research Institute，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，liujp@hit.edu.cn;2.China Railway First Survey ＆ Design institute LTD，710043 Xi’an，China;3.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China)

To study the seismic behavior of RCRC ultra short columns，the tests subjected to combined constant axial compression and cyclic lateral shear force of rectangular tubed RC(RTRC)columns including 4 RCRC and 2 common RC columns for comparison were carried out.The main parameters were axial load ratio(0.3 and 0.5)and width to thickness ratio(111 and 166)，and the shear span to depth ratio of all the tested columns was 1.0.The results indicated that the failure mode of common RC short columns was shear failure，therefore the RC columns showed little ductility and energy dissipating capacity.Under lateral shear force，RCRC short columns showed no shear failure due to the effective confinement from the outer tube to the core concrete.The RTRC columns showed higher ductility，elastic－plastic deformation capacity and energy dissipating capacity than the common RC columns.The lateral load strength of RCRC short columns increased with the increment in axial load ratio，while the ductility decreased a little，and the width to thickness ratio affected little on the seismic behavior of RTRC ultra short columns.

rectangular tubed RC;ultra short column;axial load ratio;width to thickness ratio;ductility

TU398

A

0367－6234(2011)08－0021－05

2010－12－25.

國家自然科學基金資助項目(50708027).

馬忠吉(1960—)，男，高級工程師.

(編輯 趙麗瑩)