鋼筋混凝土柱地震破壞方式及性能研究

■李 曉 ■南昌大學，江西 南昌 330031

我國地處地震多發(fā)區(qū)域，地震的發(fā)生造成的災難十分嚴重。鋼筋混凝土柱是公路橋梁、房屋等結構的豎向承重構件，在地震作用下容易遭受破壞，并嚴重危及整體結構的完整與可靠。對地震作用下鋼筋混凝土柱的破壞方式及性能進行研究，才能在設計過程中確保對承載力及延性的合理設置，有利于避免構件嚴重破壞的發(fā)生。

1 地震破壞方式

1.1 彎曲破壞

柱剪跨比大、軸壓比小、配筋合理的情況容易發(fā)生彎曲破壞。受彎承載力的控制作用，受拉縱向鋼筋屈服，發(fā)生塑性變形后混凝土柱至極限壓應變，受彎承載力對應的力小于抗剪承載力［1］。破壞形態(tài):柱端塑性鉸區(qū)，分布有水平彎曲裂縫，縱筋屈服后產生塑性鉸，遭受破壞后混凝土壓潰，對地震能量的吸收較大，形成為延性破壞。

1.2 彎剪破壞

柱抗震設計中所需注意的是剪切破壞，由于客觀條件的影響，設計過程中無法完全避免剪切破壞，而應對結構的變形能力進行控制。構件變形增大致使柱縱筋屈服，柱端產生塑性鉸，隨著剪切斜裂縫的不斷擴展，混凝土有效抗剪面積逐漸減小，經塑性變形后柱的受剪承載力隨著變形增大而減小［2］。由于變形持續(xù)增大，箍筋開始屈服，剪切破壞后受壓邊緣混凝土的極限壓應變不足。整個過程當中，縱筋屈服、鋼筋外露、縱筋壓曲。在彎剪破壞開始之前，構件彎曲響應穩(wěn)定，具有一定的延性。

1.3 剪切破壞

軸壓比大、剪跨比小、箍筋約束不足的條件下，容易發(fā)生剪切破壞。因為配箍不足導致箍筋約束不足，箍筋彎鉤為90°等因素是導致箍筋約束不足的重要因素［3］。受剪承載力的作用，箍筋屈服而縱筋未屈服，達到抗剪承載力后，隨變形的增大，柱承擔的水平力開始降低。混凝土剪切滑移斜裂縫明顯，出現脆性破壞，沒有延性。

2 破壞方式及性能研究

鋼筋銹蝕對混凝土結構的安全性及耐久性影響嚴重，縱向鋼筋及鋼筋骨架銹蝕損壞都會導致混凝土柱縱筋裂縫的產生，混凝土逐漸剝落，構件破壞方式發(fā)生變化致使承載力下降，嚴重影響整體結構的性能及質量。試驗在低周反復作用下對銹蝕鋼筋混凝土柱的破壞方式進行分析，研究其對鋼筋混凝土柱性能的影響。

2.1 試驗概況

制作鋼筋混凝土柱試件共13 根，土柱截面直徑260mm，高1000mm，剪跨比3.15，基座為400mm ×360mm ×1300mm，保護層厚度30mm，截面尺寸與配筋見圖1。水灰比0.65，混凝土強度等級C25。箍筋為HPB235 級光圓鋼筋，直徑8mm，屈服強度327MPa，極限強度510.7MPa;縱筋為HRB335 級熱軋帶肋鋼筋，直徑16mm，屈服強度373.2MPa，極限強度572.3MPa。

表1 試件名稱及相關參數

圖1 試件截面尺寸與配筋

除試件C0 -15、C0 -25、C0 -40 外，其余均為鋼筋銹蝕試件。銹蝕試件表面可見沿縱筋的裂縫及銹蝕產物，裂縫長度約為800mm，最大寬度可達2.5mm。將試件中的銹蝕縱筋取出，采用稀鹽酸10%進行清洗，經清水漂洗后使用石灰水進行中和，最后沖洗干凈。對銹蝕試件的鋼筋重量損失率進行計算，結果見表1。由結果可知，除試件C4 -25外，其余試件的鋼筋重量損失率達9 -15%。箍筋的直徑比縱筋直徑小，箍筋銹蝕程度更為嚴重。試件C14 -32、C12 -90、C15 -90、C13 -75 箍筋銹蝕十分嚴重，導致混凝土約束作用降低。

2.2 破壞方式

對完好試件進行反復荷載試驗，試件根部混凝土受拉區(qū)出現水平裂縫，反復荷載的增大致使水平裂縫不斷加寬，受壓區(qū)出現豎向裂縫，并集中在根部350mm 范圍之內，因混凝土壓碎致使試件受到破壞，表現為彎曲破壞。銹蝕試件C9 -25、C9 -40、C14 -32、C9 -15、C4 -25軸壓比小于0.5，水平荷載施加后受拉區(qū)出現水平彎曲裂縫。由于混凝土與銹蝕鋼筋的粘結力降低，屈服前水平裂縫少于未銹蝕試件。屈服后新水平裂縫的產生不明顯，豎向裂縫較寬，加載過程中無斜裂縫。混凝土保護層剝落，受壓縱筋向外屈曲。試件Cll-75、C13 -75、C12 -90、C15 -90、C11 -60 軸壓比小于0.5，初期進行加載，原有縱向裂縫擴展，至開裂荷載時于土柱根部250mm 范圍內出現水平裂縫。因水平荷載的增加，裂縫逐漸變寬，并發(fā)展為斜裂縫。持續(xù)加載，受壓側出現新裂縫，受壓鋼筋屈服。屈服后豎向裂縫與斜裂縫繼續(xù)延伸，至混凝土剝落后，縱筋外露并屈服，箍筋屈服拉斷致使發(fā)生脆性破壞。部分時間銹蝕程度嚴重，混凝土箍筋的約束作用消失，抗剪承載力逐漸降低，因箍筋屈服拉斷或斜裂縫變寬致使脆性破壞明顯。試件C14 -32 和C15 -90 根部以上250mm 范圍內的混凝土剝落，混凝土受壓出現斜裂縫。與軸壓比相近的試件C0 -40 相比，銹蝕嚴重破壞試件，銹蝕率增大，試件由彎曲破壞轉變?yōu)閺澕羝茐摹?/p>

2.3 滯回曲線

滯回曲線能夠對構件的抗震性能進行體現，可反映構件的強度衰減、延性特性及剛度退化［4］。滯回曲線越為豐滿，構件消耗地震能量的能力就越強，說明抗震性能較好。研究表明，混凝土強度、縱筋配箍率和配筋率以及剪跨比對試件滯回特性、耗能能力等具有較大影響［5］。例如，對軸壓比相同的試件C4 -25、C0 -25、C9 -25 的滯回曲線進行比較，可知鋼筋銹蝕率增加的情況下，滯回曲線面積逐漸減少，不再顯得豐滿，極限荷載與位移同樣減小，說明試件延性和耗能能力降低。試件C0 -25、C4 -25、C9 -25 的滯回曲線分別見圖2、3、4。

圖2 試件C0 -25 的滯回曲線

圖3 試件C4 -25 的滯回曲線

圖4 試件C9 -25 的滯回曲線

3 結束語

在地震作用下，鋼筋混凝土柱易受到嚴重破壞，導致橋梁、房屋等柱式結構的建筑物發(fā)生倒塌，嚴重危及人們的生命與財產安全。地震過程中，除了彎曲破壞之外，塑性鉸的出現引起彎剪破壞的發(fā)生也比較的多見［6］，這就要求必須重視對建筑物抗震能力的設計，以此確保建筑物的抗震性能。

［1］程志杰.近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究［D］.湖南大學，2011.

［2］李鵬.基于性能抗震設計的鋼筋混凝土柱試驗研究［D］.湖南大學，2013.

［3］王敏.抗震鋼筋混凝土柱的破壞準則及截面混凝土纖維的損傷累積性能研究［D］.重慶大學，2005.

［4］張和平.鋼筋混凝土柱抗震性能試驗及優(yōu)化模擬分析［D］.重慶大學，2012.

［5］董旭華.GFRP 加固鋼筋混凝土橋梁短柱抗震性能研究［D］.湖南大學，2006.

［6］伍凱，薛建陽，趙鴻鐵，等.SRC-RC 轉換柱箍筋設置方式與破壞區(qū)域變遷［J］.地震工程與工程振動，2012.