钢筋混凝土柱地震破坏方式及性能研究

2015-12-02南昌大学江西南昌330031

江西建材 2015年14期

■李晓 ■南昌大学，江西南昌 330031

我国地处地震多发区域，地震的发生造成的灾难十分严重。钢筋混凝土柱是公路桥梁、房屋等结构的竖向承重构件，在地震作用下容易遭受破坏，并严重危及整体结构的完整与可靠。对地震作用下钢筋混凝土柱的破坏方式及性能进行研究，才能在设计过程中确保对承载力及延性的合理设置，有利于避免构件严重破坏的发生。

1 地震破坏方式

1.1 弯曲破坏

柱剪跨比大、轴压比小、配筋合理的情况容易发生弯曲破坏。受弯承载力的控制作用，受拉纵向钢筋屈服，发生塑性变形后混凝土柱至极限压应变，受弯承载力对应的力小于抗剪承载力［1］。破坏形态:柱端塑性铰区，分布有水平弯曲裂缝，纵筋屈服后产生塑性铰，遭受破坏后混凝土压溃，对地震能量的吸收较大，形成为延性破坏。

1.2 弯剪破坏

柱抗震设计中所需注意的是剪切破坏，由于客观条件的影响，设计过程中无法完全避免剪切破坏，而应对结构的变形能力进行控制。构件变形增大致使柱纵筋屈服，柱端产生塑性铰，随着剪切斜裂缝的不断扩展，混凝土有效抗剪面积逐渐减小，经塑性变形后柱的受剪承载力随着变形增大而减小［2］。由于变形持续增大，箍筋开始屈服，剪切破坏后受压边缘混凝土的极限压应变不足。整个过程当中，纵筋屈服、钢筋外露、纵筋压曲。在弯剪破坏开始之前，构件弯曲响应稳定，具有一定的延性。

1.3 剪切破坏

轴压比大、剪跨比小、箍筋约束不足的条件下，容易发生剪切破坏。因为配箍不足导致箍筋约束不足，箍筋弯钩为90°等因素是导致箍筋约束不足的重要因素［3］。受剪承载力的作用，箍筋屈服而纵筋未屈服，达到抗剪承载力后，随变形的增大，柱承担的水平力开始降低。混凝土剪切滑移斜裂缝明显，出现脆性破坏，没有延性。

2 破坏方式及性能研究

钢筋锈蚀对混凝土结构的安全性及耐久性影响严重，纵向钢筋及钢筋骨架锈蚀损坏都会导致混凝土柱纵筋裂缝的产生，混凝土逐渐剥落，构件破坏方式发生变化致使承载力下降，严重影响整体结构的性能及质量。试验在低周反复作用下对锈蚀钢筋混凝土柱的破坏方式进行分析，研究其对钢筋混凝土柱性能的影响。

2.1 试验概况

制作钢筋混凝土柱试件共13 根，土柱截面直径260mm，高1000mm，剪跨比3.15，基座为400mm ×360mm ×1300mm，保护层厚度30mm，截面尺寸与配筋见图1。水灰比0.65，混凝土强度等级C25。箍筋为HPB235 级光圆钢筋，直径8mm，屈服强度327MPa，极限强度510.7MPa;纵筋为HRB335 级热轧带肋钢筋，直径16mm，屈服强度373.2MPa，极限强度572.3MPa。

表1 试件名称及相关参数

图1 试件截面尺寸与配筋

除试件C0 -15、C0 -25、C0 -40 外，其余均为钢筋锈蚀试件。锈蚀试件表面可见沿纵筋的裂缝及锈蚀产物，裂缝长度约为800mm，最大宽度可达2.5mm。将试件中的锈蚀纵筋取出，采用稀盐酸10%进行清洗，经清水漂洗后使用石灰水进行中和，最后冲洗干净。对锈蚀试件的钢筋重量损失率进行计算，结果见表1。由结果可知，除试件C4 -25外，其余试件的钢筋重量损失率达9 -15%。箍筋的直径比纵筋直径小，箍筋锈蚀程度更为严重。试件C14 -32、C12 -90、C15 -90、C13 -75 箍筋锈蚀十分严重，导致混凝土约束作用降低。

2.2 破坏方式

对完好试件进行反复荷载试验，试件根部混凝土受拉区出现水平裂缝，反复荷载的增大致使水平裂缝不断加宽，受压区出现竖向裂缝，并集中在根部350mm 范围之内，因混凝土压碎致使试件受到破坏，表现为弯曲破坏。锈蚀试件C9 -25、C9 -40、C14 -32、C9 -15、C4 -25轴压比小于0.5，水平荷载施加后受拉区出现水平弯曲裂缝。由于混凝土与锈蚀钢筋的粘结力降低，屈服前水平裂缝少于未锈蚀试件。屈服后新水平裂缝的产生不明显，竖向裂缝较宽，加载过程中无斜裂缝。混凝土保护层剥落，受压纵筋向外屈曲。试件Cll-75、C13 -75、C12 -90、C15 -90、C11 -60 轴压比小于0.5，初期进行加载，原有纵向裂缝扩展，至开裂荷载时于土柱根部250mm 范围内出现水平裂缝。因水平荷载的增加，裂缝逐渐变宽，并发展为斜裂缝。持续加载，受压侧出现新裂缝，受压钢筋屈服。屈服后竖向裂缝与斜裂缝继续延伸，至混凝土剥落后，纵筋外露并屈服，箍筋屈服拉断致使发生脆性破坏。部分时间锈蚀程度严重，混凝土箍筋的约束作用消失，抗剪承载力逐渐降低，因箍筋屈服拉断或斜裂缝变宽致使脆性破坏明显。试件C14 -32 和C15 -90 根部以上250mm 范围内的混凝土剥落，混凝土受压出现斜裂缝。与轴压比相近的试件C0 -40 相比，锈蚀严重破坏试件，锈蚀率增大，试件由弯曲破坏转变为弯剪破坏。

2.3 滞回曲线

滞回曲线能够对构件的抗震性能进行体现，可反映构件的强度衰减、延性特性及刚度退化［4］。滞回曲线越为丰满，构件消耗地震能量的能力就越强，说明抗震性能较好。研究表明，混凝土强度、纵筋配箍率和配筋率以及剪跨比对试件滞回特性、耗能能力等具有较大影响［5］。例如，对轴压比相同的试件C4 -25、C0 -25、C9 -25 的滞回曲线进行比较，可知钢筋锈蚀率增加的情况下，滞回曲线面积逐渐减少，不再显得丰满，极限荷载与位移同样减小，说明试件延性和耗能能力降低。试件C0 -25、C4 -25、C9 -25 的滞回曲线分别见图2、3、4。