鋼筋混凝土箱型柱強軸方向應力加載下的受力性能試驗研究

張 涵 劉 凡

(蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

鋼筋混凝土箱型柱壁厚小、截面閉合，具有較好的空間受力性能，在大型的結構中被廣泛采納應用。然而，在風荷載、地震這樣的水平荷載作用下，箱型柱強軸方向的性能及表現還有待研究[1-2]。本文研究不同翼緣厚度、不同腹板厚度和不同配筋率對混凝土箱型柱強軸方向應力加載的受力性能的影響。

1 試件的設計

本課題試驗按照工程實例陜西省葫蘆河特大橋的橋墩1∶10等比縮尺設計鋼筋混凝土箱型柱試件。設計參數、配筯和鋼筋混凝土實際測的各項力學指標分別見圖1、表1～表3所示。4個試件的編號分別為HC-1、HC-2、HC-3、HC-4，其中HC-1為參考柱。試件HC-2和HC-1為對比研究不同翼緣厚度對鋼筋混凝土箱型柱強軸方向應力加載的受力性能的影響；試件HC-3和HC-1為對比研究不同腹板厚度對鋼筋混凝土箱型柱強軸方向應力加載的受力性能的影響；試件HC-4和HC-1為研究不同配筋率對混凝土箱型柱強軸方向應力加載的受力性能的影響。

表1 試件尺寸及配筋表

表2 灌漿料試塊抗壓試驗統計表

表3 鋼筋材料性能

圖1 試件柱身剖面圖

2 設計試件的擬靜力試驗

2.1 試驗加載設備與加載方案

本試驗的加載裝置為四連桿。試驗開始前，按照0.1的設計軸壓比計算出豎向恒載，并取50%的豎向恒載進行預加載，再緩慢加載至豎向荷載的100%。水平方向的荷載采用先力后位移的控制方法[3-4]來加載，如圖2所示。

圖2 加載方案示意圖

2.2 試驗主要測量內容

（1）記錄鋼筋混凝土箱型柱在強軸方向下加載過程中裂縫出現的位置、長度、角度以及寬度；

（2）利用位移計和作動器上的壓力傳感器測得逐級循環往復加載下關于水平力與水平位移之間的關系并繪制滯回曲線與骨架曲線。

3 試驗結果與分析

3.1 試件的最終破壞形態

（1）HC-1試件在第一級至第五級加載時無明顯變化，處于彈性階級。在加載到120kN時出現第一道長約3cm，寬度很小的裂縫，裂縫位置在柱身的腹板受拉區底部。在加載到180kN時，少部分鋼筋應變值達到極限，鋼筋屈服，裂縫開始出現數量增多和寬度較明顯的跡象。隨即轉為位移控制加載，在加載到1個△即3mm時，試件翼緣出現明顯橫向貫穿裂縫，裂縫寬度增到0.2～0.3mm；試件腹板裂縫數量驟增，且多與腹板的豎向中心線形成45°左右的夾角。在位移控制加載到11個△即33mm時，試件受壓區翼緣板固端混凝土被壓酥，受拉區翼緣底部裂縫增至2.5mm左右。當位移控制加載到15個△即45mm時，試件嚴重破壞，柱身腹板出現斜向貫穿裂縫，翼緣板部分混凝土脫落，箱型柱喪失承載力。

（2）HC-2試件在第一級至第五級加載時無明顯變化，處于彈性階級。在加載到110kN時在翼緣底部出現第一道長約2cm，寬度很小的裂縫。在加載到160kN時，試件翼緣出現明顯大批橫向貫穿裂縫，裂縫寬度增至0.2mm左右。在位移控制加載到10個△即30mm時，試件腹板裂縫交錯明顯，寬度增加到0.6mm左右。當位移控制加載到15個△即45mm時，此時水平荷載達到420kN，由于柱身和基礎分批澆筑和柱身強度過大的緣故，最終導致柱身與基礎脫節。

（3）HC-3試件在第一級至第八級加載時無明顯變化，處于彈性階級。在加載到180kN時在墩角出現第一批裂縫，其中一條是橫向裂縫，長約5cm寬約0.2mm，位置在翼緣板；另一條裂縫由翼緣直接延伸到腹板，寬度約為0.2mm。繼續加載到200kN時，少部分鋼筋屈服，翼緣板新增兩條裂縫，一條裂縫將之前的兩條柱身底部裂縫貫通起來；另一條是在距離固端約300mm處的橫向貫穿裂縫，寬度為0.2mm左右。轉為位移控制加載，接著加載到1個△即3mm時，試件腹板出現大批與腹板縱向中心線成30°～60°的斜向裂縫，部分裂縫直接從腹板頂部斜向延伸下來，裂縫寬度增至0.3mm左右。在位移控制加載到8個△時，試件柱腳出現混凝土被壓潰的現象，受拉側翼緣板的主裂縫寬度開展到1mm左右。當位移控制加載到15個△即45mm時，柱腳混凝土被輕微壓潰，可能是試件本身澆筑的問題，該試件沒有做到預期的破壞狀態。

（4）HC-4試件在第一級至第七級加載時無明顯變化，處于彈性階級。在加載到160kN時在翼緣板距離固端大約300mm和400mm處同時出現三條第一批裂縫。繼續加載到240kN時，少部分鋼筋屈服，在翼緣板距離固端600mm處新增兩條寬度約為0.2mm的裂縫。隨即轉為位移控制加載，接著加載到1個△即4mm時，試件翼緣板出現5條清晰可見的橫向貫穿裂縫，上下每條裂縫之間距離均在4cm左右。在位移控制加載到2個△即8mm時，裂縫從柱帽向下沿45°夾角斜向交錯開展，主裂縫寬度增加至0.8mm左右。試件柱腳出現混凝土被壓潰的現象，可能是試件本身設計的配筋率過高的問題，該試件沒有做到預期的破壞狀態。

3.2 滯回曲線分析

試件的滯回曲線結果如圖3所示。

圖3 滯回曲線匯總圖

本課題基于設計參數的不同對于試件滯回曲線的影響，采用了定量分析法來探究滯回曲線，所以需要計算出滯回環的面積【5】。滯回環面積的計算公式為：

式中：

n——積分點的個數。個數越多，結果越精準；

Δn，Δn-1——滯回曲線中兩個相鄰的位移點；

Pn，Pn-1——滯回曲線中兩個相鄰的位移點分別對應的恢復力數值。

計算出的滯回環面積如表4所示。

表4 滯回環總面積

（1）因為HC-2試件本身澆筑的問題，導致柱身沒達到極限承載力而與柱底脫節，在此不再做對比。

（2）通過對試件HC-1和試件HC-3的滯回曲線對比分析可知，兩個試件的腹板厚度不同，試件HC-1的腹板厚度為70，對比試件HC-3的腹板厚度為100，腹板厚度加大，滯回環的面積變化不是很明顯，從變化趨勢上來看應該是有一定程度的提高，只是由于試驗有一定的缺陷，滯回曲線沒能充分顯示。

（3）通過對試件HC-1和試件HC-4的滯回曲線對比分析可知，兩個試件的受拉區和受壓區縱筋均從14根增加至18根，對比試件HC-4的滯回環的面積比參考柱HC-1的滯回環面積有較為明顯的增大，說明增大翼緣和腹板的配筋率可以有效地提升構件的抗震耗能能力。

3.3 骨架曲線的對比分析

通常情況下，通過骨架曲線來反映試件從加載初始階段到最后被壓潰的受力性能。4個試件的骨架曲線對比如圖4所示。

圖4 骨架曲線對比圖

（1）對比試件HC-1和HC-2的骨架曲線變化趨勢，翼緣板厚度從70增加至100，變化了大約43%，試件沒有屈服之前，兩個試件的割線剛度近乎相同。由于HC-2試件沒達到極限承載力和柱底脫節，所以屈服后的階段會進行有限元模擬分析。

（2）對比試件HC-1和HC-3的骨架曲線圖，兩個試件腹板厚度不同，從70增加到100，變化了約43%。屈服前兩個試件的割線剛度大致是重合的。對于水平極限承載力,從變化趨勢上來看有一定程度的提高,只是由于試驗有一定的缺陷，骨架曲線沒能充分顯示。

（3）對比試件HC-1和試件HC-4的骨架曲線圖，兩個試件配筋率不同，在試驗加載的彈性階段二者的骨架曲線幾乎重合，割線剛度也是近乎相同。從骨架曲線的變化趨勢上來看，HC-4的水平極限承載力高于HC-1的極限承載力，由此可以得知，強軸向加載箱型柱時，增大配筋率有助于提升構件的水平承載力[6]。

4 結束語

綜上所述，依據抗震設計規范以滯回曲線和骨架曲線為主要參考，分析了箱型柱在強軸向加載下的受力性能，得出以下結論：

（1）鋼筋混凝土箱型柱翼緣板厚度的增大可以有效提升柱子的抗震性能，增大腹板厚度對其抗震性能有一定的提升。

（2）鋼筋混凝土箱型柱截面配筋率的增大會提升構件的水平承載能力。