轴压比对钢筋混凝土柱侧向抗爆炸冲击性能的试验研究

苏鹤,王兴国

(河北联合大学 河北省地震工程研究中心,河北唐山 063009)

0 引 言

当建筑物受到冲击荷载作用时,其损坏或倒塌主要是承重柱的破坏所引起,因此防止建筑物倒塌造成人员伤亡,对承重柱进行深入研究非常必要[1]。近几年,防止建筑物连续倒塌的研究成为国内外新的研究热点,但这些研究大多考虑的是结构承重柱失效后的情况。国内外有关钢筋混凝土构件在冲击荷载作用下的研究大多也是针对梁板构件,试验时以落锤和油压千斤顶模拟冲击荷载,这些研究基本都是对梁板构件受集中冲击荷载进行的[2-5]。而对钢筋混凝土柱在侧向爆炸冲击的研究成果甚少。实际上,由于轴向压力的存在,框架柱与梁的受力状态明显不同,它们的破坏形态也不同,因此对钢筋混凝土柱在侧向爆炸冲击荷载作用下的性能有待进行深入研究,此研究不仅为钢筋混凝土框架结构的抗爆、抗撞击设计提供试验和理论依据,而且对防止建筑结构连续倒塌也具有现实意义[6]。

1 试验方案

1.1 试件设计

本研究以钢筋混凝土框架结构底层柱作为试验原型。按照1/2的缩尺比例制作了3根试件,试件外形如图1所示;截面为对称配筋,纵向受力钢筋采用Ⅱ级钢,箍筋采用Ⅰ级钢;轴压比取0、0.25和0.5三种;混凝土强度等级C25;钢筋保护层厚度取为25mm。试件详情如表1所示。

表1 试件设计表

图1 试件外形图

1.2 试验装置

试验装置由M TS液压伺服拟动力加载系统、支座装置和轴力施加装置组成以及数据采集仪器组成,图2为试验加载装置。为区分横向柱试验和梁,把框架柱上端和侧部由压板固定在试验装置的承座内与其成为一体,固定在承座两侧的转轴支撑在滑动支座内,这样承座既可以转动、也可以水平移动。转轴端部与摇臂固定,摇臂端部与竖向约束传感器连接可测出柱端弯矩;滑动支座外端与水平约束传感器连接可测出柱端的水平反力。

图2 试验加载装置

1.3 试验加载方案

1)本试验通过多点加载模拟侧向爆炸冲击荷载作用,即采用500 kN的M TS拟动力系统通过分配梁直接在试验柱上进行加载。

2)加载分为预加载和正式加载两个阶段,正式试验前,先预加荷载至30～40 kN,以检查仪器是否正常工作以及试件安装是否有误,检查无误后完全卸载,并将各测量设备清零。正式加载采用连续加载,直至试件破坏为止。

3)本试验采用位移控制加载速率,即加载速率为1.83×10-2mm/s的慢速加载。试验中若事件发生剪切破坏,应停止试验;若试件发生弯曲破坏,当试件承载力下降到极限承载力的85%左右或柱中位移达到净跨的1/30时,即认为试件破坏,停止试验。

2 实验结果分析

2.1 试件破坏过程及破坏形态

由图3,4,5可知,试件发生两种破坏形式:剪切破坏和弯曲破坏。试件发生剪切破坏时,支座处截面中部首先出现裂缝,然后上下延伸,柱中及其中一个支座处混凝土裂缝没有贯穿整个截面,另一支座处混凝土被剪断,发生剪切破坏。试件发生弯曲破坏时,在柱中首先出现裂缝,随后裂缝宽度不断增加,并向受压区延伸,混凝土裂缝贯穿整个截面,上部混凝土压碎,形成塑性铰,柱中受弯破坏。支座顶部出现裂缝,随后支座处钢筋屈服,受压区混凝土压碎,形成塑性铰。试件的破坏形态,如图3,4,5所示:

图3 M-318-0破坏形态(剪切破坏)

图4 M-318-0.25破坏形态(弯曲破坏)

图5 M-318-0.5破坏形态(弯曲破坏)

2.2 轴力与位移曲线

图6 轴力-位移曲线

在纵筋配筋率相同的情况下,试件M-318-0所产生的最大轴力是131 kN,试件M-318-0.25的最大轴力是140 kN,试件M-318-0.5的最大轴力是15 kN。由图6可以看出,在相同配筋率、在同一加载速率下,试件轴力随着轴压比的增大是先增大后减小,且试件轴压比越大其产生的轴力越小,轴力减少了89%。

2.3 支座弯矩与位移曲线

图7 支座弯矩-位移曲线

在纵筋配筋率相同的情况下,试件M-318-0所产生的最大支座弯矩是91 kN◦m,试件M-318-0.25的最大支座弯矩是135 kN◦m,试件M-318-0.5的最大支座弯矩是87 kN◦m。

由图7可以看出,在相同配筋率、同一加载速率的情况下轴压比n=0.25时试件的支座弯矩最大,且试件支座弯矩随着轴压比的增大是先增大后减小。轴压比n=0.25分别比n=0和n=0.5时支座弯矩提高了48%和55%。

2.4 竖向力与位移曲线

图8 竖向力-位移曲线

在纵筋配筋率相同的情况下,试件M-318-0支座处最大竖向力302 kN,试件M-318-0.25支座处最大竖向力502 kN,试件M-318-0.5支座处最大竖向力212 kN。

由图8可以看出,在相同配筋率、同一加载速率的情况下,试件支座处竖向力随着轴压比的增大是先增大后减小;轴压比n=0.25时试件支座处竖向力最大值分别比轴压比n=0,n=0.5时支座处竖向力提高了66%倍和137%倍。

2.5 荷载与位移曲线关系

图9 荷载-位移曲线

在纵筋配筋率相同的情况下,试件M-318-0的峰值荷载335 kN,其最大侧向位移为 28 mm,试件M-318-0.25的峰值荷载446 kN,其最大侧向位移45 mm,试件M-318-0.5的峰值荷载434kN,其最大侧向位移60 mm。由图9可以看出,在相同配筋率、同一加载速率的情况下,试件峰值荷载随着轴压比的增大是先增大后减小,侧向位移随着轴压比的增大而增大;轴压比n=0.25时试件峰值荷载分别比轴压比n=0,n=0.5时的峰值荷载提高了33%和12 kN,其最大侧向位移则分别提高了43%和降低了33%。

3 结 论

(1)在侧向爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土柱可能发生剪切破坏和弯曲破坏。在轴压比n=0时,钢筋混凝土柱倾向于发生剪切破坏;n=0.25、n=0.5时钢筋混凝土柱倾向于发生弯曲破坏。

(2)相同纵筋配筋率,同一加载速率下,试件的轴力、支座处弯矩、竖向力及峰值荷载随着轴压比的增大而增大,但增大到一定值后,将随着试件轴压比的继续增大而减小。

(3)相同纵筋配筋率,同一加载速率下,试件的侧向位移随着轴压比的增大而增大。

[1] 方秦,吴平安.爆炸荷载作用下影响RC梁破坏形态的主要因素分析[J].计算力学学报,2003(1).

[2] 熊朝晖,潘德恩.钢筋混凝土框架柱变形能力的研究[J].地震工程与工程振动,2002,21(2):103～108.

[3] H.Y.Low and H.Hao,“Investigation Into the Reliability Aspect of RCM embers Subjected Blast Loading”,2000,8thASCE Specialty Conference on Probabilistic Mechanics and Structural Reliability.

[4] GEORGIN JF,REYNOUARD JM.M odeling of structu res subjected to impact:concrete behavior under High strain rate[J].Cemen t&Concrete Composites,2003,(25):131～143.

[5] 王立军,王铁成,王崧.斜向水平荷载作用下钢筋混凝土框架柱受剪性能的试验研究[J].建筑结构学报,2006(8).

[6] 师燕超,李忠献.爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应与破坏模式[J].建筑结构学报,2008(4).