不同軸壓比下區域約束混凝土圓柱抗震性能試驗研究

張琪　朱明增　曹新明

摘 要：本文對3根截面直徑300mm、高950mm的區域約束混凝土圓柱進行了往復荷載試驗研究，在不同設計軸壓比（0.9、1.1和1.25）的條件下，對比分析了混凝土柱的滯回曲線、骨架曲線、變形性能、水平承載力等變化規律。試驗表明，區域約束混凝土圓柱在軸壓比為1.1時表現出較高的水平承載力和延性，具有良好的抗震性能。

關鍵詞：區域約束混凝土柱;軸壓比;抗震性能

中圖分類號：U456.3+1? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0118-03

1引言

柱是房屋結構和橋梁結構抵抗豎向和水平地震荷載的主要構件，結構整體的倒塌多表現為柱的破壞，是造成地震災害的主要原因。

隨著高層和超高層建筑的快速發展，豎向荷載的逐層傳遞使得結構底部構件的內力較大，傳統約束混凝土柱很難有效防止在高軸壓比下的脆性破壞，如1999年郭子雄等[1]研究發現，在軸壓比為0.9的情況下，約束混凝土柱在達到屈服荷載后剛度和強度退化明顯，說明了高軸壓比對箍筋約束混凝土柱抗震性能的不利影響;2006年閻石等[2]研究表明在其他條件不變的情況下，隨著軸壓比增大，預應力鋼棒作為高強箍筋約束的混凝土柱延性下降明顯;2009年呂西林等[3]研究得到，高軸壓比的箍筋約束混凝土柱呈現出較差的延性性能和耗能能力，滯回曲線捏縮現象明顯，骨架曲線表現出達到峰值荷載后明顯的剛度和強度退化，而且在高軸壓比下，隨著混凝土強度的增加，柱的滯回曲線越來越捏縮，抗震性能較差。因此規范[4]對柱子的軸壓比作了嚴格限制，將其按抗震等級和結構類型分級且規定柱子的軸壓比不應大于1.05。然而限制軸壓比會導致截面面積的加大，形成“胖柱”，造成使用空間的浪費，同時混凝土自重加大也會導致地震反應強烈。

針對這一問題，區域約束混凝土[5]應運而生。區域約束改變了傳統箍筋約束的約束機制，將約束核心區從中心轉移到了四角，解決了由于結構布置和施工誤差導致的實際工程中的軸心受壓柱多處于偏心受壓狀態使得截面邊緣受力最大，核心區的鋼筋材料得不到充分發揮的問題。前期的研究[6]表明，區域約束混凝土柱在高軸壓比下具有良好的力學性能和抗震性能，且軸壓比越大抗震性能越好。然而目前關于區域約束混凝土的研究涉及矩形截面柱較多，但在房屋結構和橋梁結構中，會有很多混凝土圓形柱結構。因此，研究區域約束混凝土圓柱在低周往復荷載下抗震性能的試驗就顯得尤為重要。

2014年，曹新明教授在其專利[7]中給出了區域約束混凝土圓柱的截面形式（如圖1），其特征在于：區域約束混凝土圓形柱由圓柱形混凝土柱（1）和圓形鋼筋籠（2）組成，圓形鋼筋籠設置在圓柱形混凝土柱內，圓形鋼筋籠由邊緣縱筋（3）、中心縱筋（4）、圓形橫向箍筋（5）和箍筋（6）連接組成，箍筋（6）由一根鋼筋彎曲形成四個三角形（7）和四邊形（8），在箍筋內設置有邊緣縱筋和中心縱筋。

2試驗概況

2.1試件設計

試驗共進行了3根截面直徑300mm、凈高950mm、剪跨比為4、混凝土強度為C40的區域約束混凝土柱（regional confined concrete，RCC）在設計軸壓比分別為0.9、1.1、1.25下的往復荷載試驗，試件命名為RCC-0.9、RCC-1.1和RCC-1.25。其中底座尺寸為1300 mm×800 mm×480 mm，頂部橫梁尺寸為600 mm×340 mm×500 mm。試件配筋如圖2所示。

2.2加載裝置與加載方案

試驗中柱子一端固定一端鉸接，先對柱子施加軸向力，然后在柱子的頂梁處施加往復的水平荷載，以此來模擬地震荷載。豎向軸壓力由YAW-10000J電液伺服壓剪試驗機加載，水平力由MTS液壓伺服系統提供，采用先荷載后位移的加載方式，即試件屈服前由荷載控制，屈服后以屈服位移為級差逐級施加水平位移，每級循環三次，直至構件完全破壞或構件水平承載力降為峰值荷載的85%以下為止。試件下端固定于試驗機上，水平力加載端的水平橫梁可以自由滑動及轉動，為了防止水平力加載時試件底座與試驗機發生相對位移，在試件底座兩側分別用千斤頂頂緊，加載裝置如圖3所示。

2.3測點布置

試驗中橫梁截面中點的水平力及水平位移由儀器自動采用，作為校核，橫梁截面中點另一端加裝一個量程±100 mm且能夠自動采集位移值的位移計，在底座側表面添加量程±50 mm的位移計以此來檢測底座是否存在滑移。鋼筋和混凝土表面均設置應變測點，縱筋與箍筋應變測點布置在距離試件底座上表面約50 mm截面處，混凝土應變測點布置在距離試件底座上表面50mm之上的100 mm范圍內，試件的測點布置圖如4所示。

3試驗現象

（1）從裂縫發展情況來看，RCC-0.9、RCC-1.1和RCC-1.25的情況均一致，首先在試件底部出現水平或豎向裂縫，隨著水平位移的加載，先前裂縫持續發展，水平裂縫向斜下方延伸，豎向裂縫與水平裂縫形成交叉現象;

（2）從混凝土的破壞情況來看，RCC-0.9當水平位移加載至38.5 mm時，試件右后側底部混凝土發生剝落，鋼筋骨架露出;RCC-1.1當水平位移加載至-58.66 mm時，試件左前側混凝土開始剝落;RCC-1.25當水平位移加載至-44.8 mm時，試件右前側混凝土開始發生大面積的剝落。并且三個柱在混凝土剝落前，混凝土都有明顯的凸起現象，剝落延遲發生，說明區域約束混凝土柱都屬于有明顯預兆的延性破壞，抗震性能良好。

4試驗結果分析

4.1滯回曲線

對比RCC-0.9、RCC-1.1和RCC-1.25的滯回曲線，結果表明，①軸壓比為1.1的RCC-1.1柱表現出最大的極限位移，且在1.25的較高軸壓比下，極限位移下降明顯，說明區域約束混凝土在軸壓比為1.1時具有較好的延性，而隨著軸壓比的繼續增大，區域約束混凝土圓柱的延性性能降低;②三個柱的滯回曲線捏攏都不是太明顯，下降段也較為平緩，說明區域約束混凝土柱具有良好的延性性能和耗能能力;③三個試件滯回曲線的正向加載曲線與反向加載曲線并非完全對稱，這是由于在試驗過程中，反復加載導致試件存在一定的殘余變形以及在高軸壓力下試件頂部的滑板車存在較大摩擦，對正反向加載的位移值有一定的影響。

4.2骨架曲線

在構件反復荷載試驗的滯回曲線上，將同方向各次加載的峰值點依次相連便可得到試件的骨架曲線[8]，試件的骨架曲線如圖7所示。圖中可以看出三個試件中RCC-1.1的峰值荷載和極限位移值最大，水平承載力和極限位移值是隨軸壓比的提高呈現出先增大后減小的變化趨勢，在軸壓比為1.1時表現出較好的承載力和延性性能。

4.3變形性能

試件的層間位移角及位移延性系數如表1所示。表中數據表明：①各試件的彈性、彈塑性層間位移角值都滿足JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》規定的鋼筋混凝土框架柱的彈性、彈塑性層間位移角限值;②通常認為延性系數大于3的結構具有良好的延性性能，從表中可以看出3根區域約束混凝土圓柱都具有較好的延性，且柱的延性是隨軸壓比增大而降低的。

4.4水平承載力

試件在屈服、峰值、極限三種狀態下的水平承載力如表2所示。從表中可以看出，區域約束混凝土圓柱的峰值荷載表現出先增大后減小的趨勢，在軸壓比為1.1時試件的承載力最高。

5結論

（1）區域約束混凝土圓柱在破壞時保護層混凝土凸起均勻，剝落現象延遲發生，這表明其保護層混凝土具有更好的完整性，區域約束混凝土柱的破壞是有明顯預兆的延性破壞。

（2）區域約束混凝土圓柱在軸壓比為1.1時表現出最高的水平承載力、延性性能和耗能能力。因此可對其適當放寬現行規范對軸壓比的限值，建議設計軸壓比取至1.1，使其抗震性能得到充分發揮。

參考文獻：

[1]郭子雄，呂西林. 高軸壓比框架柱抗震性能試驗研究[J].華僑大學學報（自然科學版），1999， 20（3）：258-263.

[2]閻石，張曰果，王旭東. 圓形截面高強混凝土柱抗震性能試驗研究.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2006，22（4）：538-542.

[3]呂西林，張國軍，陳紹林.高軸壓比高強混凝土足尺框架柱抗震性能研究[J].建筑結構學報，2009，30（03）：20-26.

[4]GB50011-2010 抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]曹新明. 區域約束混凝土淺析[J]. 工程抗震與加固改造， 2008，30（5）： 112-115.

[6]曹新明，莫志剛，任庭堅，冉群.超高軸壓比區域約束混凝土柱抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2012，33（10）：102-109.

[7]肖利平， 曹新明. 一種區域約束混凝土圓形柱[P]. 中國專利： 201420420454.X，2015-08-26.

[8]中華人民共和國住房與城鄉建設部.JGJ/T 101-2015 建筑抗震試驗規程[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2015.