混合配筋砼柱抗震特性的試驗研究1)

趙廣旗 馬乾瑛 王作虎 劉杜

*(長安大學建筑工程學院，西安710061)

?(北京建筑大學土木與交通工程學院，北京100044)

眾所周知，鋼筋砼柱體構件在鋼筋砼框架結構中應用極其廣泛，因此，提升其結構性能，從而節約建筑材料、提高經濟價值具有重要意義。在砼柱構件中采用高強鋼筋與碳纖維增強塑料(carbon fiber reinforced plastic，CFRP)筋混合配筋，可以減小結構震后的殘余變形，保證結構強度、剛度、延性等短期力學性能，并實現抗疲勞、蠕變和耐腐蝕等長期力學性能，使結構在遭受地震作用時具有損傷可控性能。

隨著建筑節能的理念越來越深入人心，近年來圍繞高強配筋砼構件以及可恢復性功能構件的研究逐漸成為工程界和學術界研究討論的熱點。邵方誠等[1]通過OpenSees建立了結構抗震反應模型，研究了綠色高性能纖維增強水泥基復合材料柱在低周往復載荷作用下的抗震性能，發現加固厚度越大，極限承載力越大；極限壓縮應變選值在-0.002～-0.006之間最為合適。張陸等[2]通過ANSYS軟件建立了非線性有限元超高強砼柱的計算模型，研究得到了剪跨比、配箍率、軸壓比等不同因素對結構受力及應變特征的影響規律。王德斌等[3]采用單一變量法，研究發現砼柱構件在不同加載路徑和速率條件下的力學應變性能有很大區別。金瀏等[4]根據箍筋約束作用對柱軸壓強度的影響機制與規律，通過理論分析與推導建立了箍筋約束砼柱軸壓強度的尺寸效應的半理論-半經驗公式。鄧宗才[5]總結了纖維增強聚合物約束混凝土的本構模型最新研究進展，分析了影響本構模型的主要因素，如約束應力的計算等。史若凡等[6]進行了鋼筋混凝土柱在高軸壓比的低周往復載荷試驗研究，發現柱端外包鋼板網約束可有效提高試件承載力、延性和耗力，增強試件的抗震性能。任治章[7]從理論上探討了考慮徐變和卸載影響時鋼筋砼柱最大配筋率的意義及特點，并導出了最大配筋率的計算公式。趙晨輝等[8]總結了不同縱筋灌漿連接形式下裝配式鋼筋混凝土柱的抗震性能，分析出目前裝配式鋼筋混凝土柱灌漿連接技術應用存在的問題，并對今后縱筋灌漿連接裝配式鋼筋混凝土柱的研究發展趨勢進行了探討。張萍等[9]對高強配筋砼柱進行了低周期加載反復試驗，研究了高強鋼筋砼柱的抗震性能及應變性能，發現在低軸壓比情況下，體積配箍率變化對柱的抗震性能影響較小；在高軸壓比情況下，體積配箍率較大的柱，其骨架曲線下降段更加平緩，且極限位移更大。劉鋒等[10]通過對不同模量管材(聚乙烯，高密度聚乙烯，聚氯乙烯，鋼)包裹下的軸壓混凝土圓柱的內部細觀力學性能進行了研究，得到不同材料外包條件下軸壓混凝土柱破壞規律。

本文采用控制變量法，對不同混凝土類別、不同軸壓比以及是否添加CFRP筋黏結等單一變量條件下進行了相同截面尺寸的高強混合配筋砼柱抗震加載試驗，探究不同因素對混凝土柱位移延性、剛度退化和耗能能力等抗震性能指標的變化規律。以期為高強混合配筋砼柱的推廣與應用提供理論依據。

1 試驗柱試件設計

根據砼類型、軸壓比以及是否進行CFRP筋表面處理等研究參數，共設計制作了2根高強鋼筋高強砼柱(對照組)和7根CFRP筋-高強鋼筋混合配筋高強砼柱(試驗組)。柱截面邊長為300 mm×300 mm，計算高度為900 mm，所有方柱試件剪跨比均為3.0。試件詳細尺寸和配筋細節如表1及圖1所示。

2 試驗裝置設計

試驗裝置包括電液伺服萬能試驗機、DH3820Net靜態應變采集系統、位移傳感計、力傳感器、電阻應變片、千斤頂、滑輪與螺栓等。試驗加載裝置以及實況圖如圖2所示。

3 試驗靜力加載制度

根據試驗的實際工況，通過豎向作動器單調施加軸力至預定值，持載15 min左右，豎向軸力保持恒定不變。

每級正反向各加載1次，達到開裂時，記錄開裂載荷Fcr和開裂位移Δc(取距支座表面900 mm處橫向加載端中部的位移值)。構件開裂后，按水平位移控制加載，以nΔc為級差逐級遞增，各級位移加載反復循環1次。持續加載直至高強鋼筋拉應變大于3000微應變，即視為高強鋼筋屈服，試件達到屈服位移Δy，記錄此時的屈服載荷值和屈服位移，拍照并標記裂縫形態和測量裂縫寬度。加載結束時，拍照并標記裂縫形態和寬度。完成該級加載后，使橫向載荷和豎向載荷均回到零點，儲存數據，結束試驗。

表1 柱抗震實驗構件明細表

圖1 高強混合配筋砼柱結構配筋圖(單位：mm)

圖2 抗震實驗加載設備圖

4 試驗結果及分析

各試件的載荷特征值及位移延性系數如表2所示，可以看出，在相同軸壓比(n=0.12)下，相較于高強鋼筋高強砼柱(S16S16N2C3)，高強混合配筋砼柱(S16F10N2C3)的屈服載荷相同，但屈服位移提高了27.3%；相較于高強砼混合配筋柱(S16F10N1C3)，高強鋼纖維砼混合配筋柱(S16F10N1H)和活性粉末砼混合配筋柱(S16F10N1U)的屈服載荷分別提高了10.4%和11.2%，屈服位移分別提高了15.7%和23.5%。

4.1 滯回曲線

各試件滯回曲線如圖3所示，可以看出，與一般的配筋砼柱相比，高強鋼纖維砼柱(S16F10N1H)和RPC柱(S16F10N1U)的滯回曲線具有典型的“弓形”特征。與未配置CFRP筋的試件S16S16N2C3相比，雖然參照試件S16F10N2C3具有相近的承載能力和變形能力，但所有混合配筋柱的滯回曲線在卸載時的捏攏現象更加明顯，即斜裂縫閉合復原性更好。

表2 各試件的載荷特征值及位移延性系數

圖3 各試件滯回曲線

在軸壓比相同下，相比于高強混合配筋柱(S16-F16N1C3)，高強鋼纖維混合配筋砼柱(S16F10N1H)和高強混合配筋RPC柱(S16F10N1U)的峰值載荷分別增長了103%和112%；在不同軸壓比下，隨著軸壓比的增大，高強混合配筋柱的延性系數和耗能能力均明顯減小，而承載能力顯著增大，但變形能力有所降低，這與普通鋼筋砼類似。與試件S16F10N1C3相比，試件S16F10N2C3與試件S16F10N3C3的峰值載荷分別提高了36.3%和41.6%，但極限位移分別降低了4.4%和22.7%。

4.2 骨架曲線

不同試件的骨架曲線如圖4所示。可以看出，初始剛度相同時，在彈塑性階段，伴隨裂縫的不斷發展和內部損傷累積，試件剛度也逐漸減小，骨架曲線在達到峰值載荷后開始保持穩定。而在最后破壞階段，承載能力逐漸下降，骨架曲線呈現出明顯的下降趨勢。

在相同軸壓比下，三種高強砼試件在彈性階段的骨架曲線基本重合，進入平臺期后，高強鋼纖維砼柱(S16F10N1H)和RPC柱(S16F10N1U)的骨架曲線仍能保持一致，但采用普通C80的高強砼柱(S16F10N1C3)的屈服后區段明顯低于前者，由此表明砼的類型對各試件極限承載力和屈服后剛度具有顯著的影響。

圖4 柱骨架曲線的對比圖

與有黏結CFRP筋的混合配筋試件(S16F10N-2C3)相比，無黏結筋的(S16F10N2C3-)試件的骨架曲線屈服后區段明顯出現下降，顯示了較小的峰值載荷，但采用高強纖維砼的無黏結CFRP筋混合配筋(S16F10N1H-)的骨架曲線與有黏結試件基本重合，顯示出較好的承載能力和屈服后剛度。

4.3 剛度及耗能能力

4.3.1 割線剛度

根據《建筑抗震試驗規程》(JGJ/T 101-2015)，試件的剛度可用割線剛度Ki來表示，Ki的計算公式為

式中，+Fi和-Fi分別為第i次加載正、反峰值點的載荷值；+Xi和-Xi分別為第i次加載正、反方向最大位移值。

根據Ki的計算公式，得出所有試件的剛度，其退化曲線如圖5所示。圖5表明：高強混凝土混合配筋柱(S16F10N1C3)的初始剛度低于高強鋼纖維混凝土混合配筋柱(S16F10N1H)，RPC柱(S16F10N1U)的初始剛度最大。高強砼柱的剛度退化曲線均比較接近，高強砼柱的剛度隨橫向位移退化明顯，這是因為高強砼柱的內部裂縫發展耗散了大量能量并最終趨于平穩。

4.3.2 耗能能力

依據《建筑抗震試驗規程》(JGJ/T 101-2015)，低周期反復載荷試驗中，耗能能力Et取各級載荷下高強砼柱的滯回曲線所包圍的面積，如圖5所示。高強砼柱的的累計總耗能如表3所示，累計能量耗散率可由各級載荷下的滯回環面積Et，除以整個加載周期試件的總耗能En得到，圖6是各試件的累計能量耗散率與加載點水平位移之間的關系曲線。

圖5 試件剛度退化曲線

表3 試件的累計總耗能值

圖6 各級載荷下試件的耗能情況圖

由表3、圖6和圖7可見，高強鋼筋達到屈服以后，在彈塑性變形階段，試件的變形能力和耗能能力明顯增強；鋼纖維混合配筋砼柱(S16F10N1H)的總耗能量明顯高于普通混合配筋高強砼試件，且在高強鋼筋配筋率只有對照組試件(S16S16N2C3)一半的情況下，鋼纖維混合配筋砼柱(S16F10N1H)擁有接近于其的總耗能量，表現出良好的耗能能力。

圖7 累計能量耗散率圖

不同等效黏滯阻尼系數對比如圖8所示，可見，在裂縫出現和高強鋼筋屈服前后，等效黏滯阻尼系數均出現了一定程度的下探，之后便繼續抬頭上升，直至達到極限狀態。在相同的軸壓比和水平位移作用下，試件S16F10N1U的等效阻尼系數最高，S16F10N1H與S16F10N1C3其次，S16F10N1H-最低，由此可見采用RPC和鋼纖維混凝土可以顯著提高高強砼試件的耗能能力。添加鋼纖維可有效提高混合配筋砼柱的承載能力和變形能力，具有穩定的屈服后剛度，但耗能能力和延性變化不大。通過比較累計耗能量和等效黏滯阻尼系數，可以看出，混合配筋試件表現出穩定的承載能力和變形能力，在地震載荷作用下，混合配筋柱能夠在較小的強度損失下耗散能量，這有助于防止由強度退化和砼柱在大位移角下發生倒塌。

5 結論

(1)高強混合配筋砼柱的破壞模式具有典型的延性破壞特征。混合配筋砼柱和RPC柱均表現出很好的延性和耗能能力，相同條件下，RPC柱的承載能力高于混合配筋砼柱，但耗能能力和延性系數略低。

(2)對于相同尺寸、相同砼類別柱體構件，增大構件軸壓比，可提升承載能力，但延性和耗能能力卻明顯降低。在低軸壓比下，所有有黏結混合配筋高強砼柱具有穩定的屈服后剛度，在中高軸壓比下，有黏結混合配筋高強砼柱表現出負的屈服后剛度：無黏結混合配筋砼柱的屈服后剛度表現出先穩定后下降的變化規律。

圖8 等效黏滯阻尼系數對比

(3)對于相同尺寸、相同砼類別柱體構件，添加鋼纖維可有效提高混合配筋砼柱的承載能力和變形能力。柱體構件彈性段剛度隨鋼纖維配筋率的增大而增大，且具有穩定的屈服后剛度，但耗能能力和延性變化不大。添加CFRP黏結可提高變形能力，CFRP配筋率越大，柱體構件變形能力越好，極限承載力也隨之小幅度提升。

(4)對于相同尺寸、相同軸壓比、相同高強鋼筋配筋率，不同混凝土強度類別條件下，砼柱構件在彈性段剛度基本相同，但隨著混凝土強度增大，試件承載力提高。