钢筋区域约束混凝土与角钢区域约束混凝土的抗震性能分析

邵建力，曹新明，常　亚，蒋亚星,杨志勇

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)



钢筋区域约束混凝土与角钢区域约束混凝土的抗震性能分析

邵建力，曹新明*，常亚，蒋亚星,杨志勇

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

为进一步提高钢筋区域约束混凝土的性能，现提出用角钢代替角部纵筋，通过这两种截面形式的区域约束混凝土在1.1和1.25的高轴压比下的往复荷载试验，比较其骨架曲线、延性、耗能等指标。试验结果表明：采用角钢区域约束混凝土并没有明显改善钢筋区域约束混凝土的性能，因此，尚需要研究一种新的截面形式以提高区域约束混凝土的性能。

角钢区域约束混凝土；钢筋区域约束混凝土；延性；耗能能力

随着建筑高度的不断增加，建筑底部的柱承受的轴向力越来越大，为保证混凝土具有一定的延性，《建筑抗震设计规范》[1]对轴压比做了十分严格的限值，框架结构在四级抗震设计时的轴压比为0.9，在一级抗震设计时最高轴压比仅为0.6，同时规范还要求柱轴压比最大轴压比仅为1.05，致使柱的截面面积越来越大，很多时候柱截面面积甚至超过了1 m2，在很大程度上影响了建筑功能的使用。为解决这一问题，需要适当提高轴压比的限值。同时在高轴压力作用下，柱往往会发生“短柱”破坏，众所周知，短柱成脆性破坏形态，而工程师们则希望柱的破坏呈延性状态，即在构件破坏前具有明显的预兆。

为解决短柱问题，很多专家学者进行了相应的研究，其中比较有代表性的有：贾金青[2]提出改善混凝土自身的力学性能，采用高强度高性能混凝土以提高柱的延性；台湾的尹衍樑[3]提出通过改变箍筋的配筋形式可以提高混凝土的延性，采用一笔箍等新型配箍方式；天津大学李忠献[4]提出采用分体柱可以降低柱的刚度，使其在往复荷载作用下呈延性破坏；曹新明[5]提出采用区域约束混凝土可以在不降低构件承载力的情况下提高构件的延性。区域约束混凝土不同于约束核心在中部的传统约束混凝土，其约束核心部位在柱的角部，其典型截面如图1所示：

图1　区域约束混凝土典型截面

区域约束混凝土利用四个区域约束箍筋在柱的角部形成形成四个约束效果较好的强约束区，同时与纵向钢筋组成一个小柱，进一步提高其约束效果，而在柱的中部为弱约束区。柱在往复荷载作用下，弱约束区发生先于强约束区的破坏，降低柱的刚度，提高其延性。通过前期试验[6]发现，无论传统约束混凝土还是区域约束混凝土，往复荷载作用下往往在柱角部纵筋处首先发生混凝土的剥落，降低约束效果。为解决这一问题，曹新明教授又创新性的提出用角钢代替角部纵筋。其截面形式如图2所示，本文将探讨这一新截面形式约束混凝土在往复荷载作用下的性能。

图2　角钢区域约束混凝土

1　试验概况

1.1构件设计

本次试验设计两种截面形式，即钢筋区域约束混凝土(NRCC)和角钢区域约束混凝土(SRCC)，截面尺寸为250 mm×250 mm，试件高度为2500 mm，为防止产生应力集中，发生局压破坏，在柱两端以及加载位置设置钢板，并在柱端设置长度为200 mm的箍筋加密区，在柱中部设置长达300 mm的扩大部分，采用设计强度为C40的混凝土，角部纵筋和中部纵筋分别采用10、12，其屈服强度488 MPa；箍筋采用6，其屈服强度为418 MPa，角钢采用L30X3的Q235B钢，屈服强度为403 MPa，为探讨放宽规范中轴压比限值的可能性，设置1.1和1.25两个轴压比。由于实验室条件限制，构件分两次浇筑完成，混凝土强度分别为43.3 MPa和36.2 MPa，试件参数见表1

表1　试件参数

1.2加载装置及方案

试验在贵州大学结构试验室进行，加载装置如图3所示，首先利用竖向千斤顶，将轴向力缓慢加至设计值，待轴向加载完成后加载水平力，加载方式采用荷载—位移混合双控，如图4所示。利用MTS液压伺服装置先以20 kN为基数逐级增大荷载，直至纵向钢筋屈服，之后采用位移控制，以屈服位移的倍数为基数，逐级增大，每级位移循环加载三次直至试件破坏。

图3　加载装置

图4　加载制度

2　试验现象

2.1钢筋区域约束混凝土

NRCC试件在力控制加载阶段，当水平力达到80 kN以前，试件基本处于弹性状态，并未出现裂缝，直至加载以100 kN为基数进行加载，在试件的中部出现数条弯曲裂缝，并随荷载的增加裂缝增多增宽，并在此级力加载的过程中出现纵向钢筋的屈服，随后使用位移控制加载，两个试件的屈服位移均为16 mm，所不同的是，当柱出现裂缝时1.25的轴压比的承载力较1.1的轴压比的承载力高。当水平加载位移幅值达到2△时，轴压比为1.1的试件达到最大水平承载力231.1 kN，轴压比为1.25的最大水平承载力为226.1 kN。当水平位移幅值达到3△时，试件中部混凝土保护层开始剥落，并在中部出现X形裂缝。随着水平位移的增加，当试件加载到5△时，试件承载力显著下降，试件破坏，试件破坏时，在角部纵筋处混凝土剥落，出现掏空现象。

2.2角钢区域约束混凝土(SRCC)

SRCC试件在力控制阶段，轴压比为1.1的试件在荷载达到60 kN以前，试件基本处于弹性弹性状态，而轴压比为1.25的试件则在80 kN以前处于弹性状态，都未出现裂缝。随着水平荷载的增加，纵筋出现屈服，随后进入位移控制加载阶段，所不同的是轴压比为1.1的试件的屈服位移为16 mm，而轴压比为1.25的试件的屈服位移为15 mm。当试件处于2△为基数进行加载的过程中，1.1轴压比的试件在位移24.9 mm时达到最大水平承载力224 kN，1.25轴压比的试件在位移28.3 mm时达到最大水平承载力208 kN。在以3△为基数加载的过程中，柱中部混凝土保护层出现剥落，并形成X形裂缝。在以4△为基数加载的过程中，1.1轴压比的试件纵向钢筋全部拉断，承载力急剧下降，试件破坏，而1.25轴压比的试件的纵向钢筋只有两根角部角钢出现拉断，在5△加载的过程中，试件破坏。与NRCC不同的是，试件破坏时，并未出现掏空现象。

3　试验结果

3.1滞回曲线及耗能能力

在试件屈服以前，基本处于弹性状态，其滞回曲线包围的面积很小，对试件耗能影响不大，为方便分析，现将试件屈服以后的滞回曲线画于图5。为定量的比较试件的耗能能力，将试件在屈服后每级位移加载下第一循环滞回环所包围的面积列于表2。

图5　滞回曲线

试件编号轴压比滞回耗能/KJ1△y2△y3△y4△y总耗能/KJNRCC-11.11.0304.62113.81419.48938.954SRCC-11.11.1317.04612.73015.52436.431NRCC-21.250.8174.12213.80618.58637.331SRCC-21.250.9006.11012.40819.43238.85

从滞回曲线上可以看出所有的试件都呈明显的梭形，没有出现捏拢现象，说明钢筋区域约束混凝土和角钢区域约束混凝土都具有较好的耗能能力。从表2中可以看出：

1)对于NRCC试件，随着轴压比的增加，其每一滞回环的耗能能力都有所下降，并且总耗能有所降低，但降低的幅度并不明显，说明在一定的轴压比范围内，轴压比能够降低钢筋区域约束混凝土的耗能能力，但影响并不大。

2)对于SRCC试件，随着轴压比的增加，在前三个滞回循环中，耗能能力有所下降，但在第四个滞回循环中，其耗能能力是有上升的，并且1.25轴压比试件的总耗能能力强于1.1轴压比的试件，但增加的并不多。

3)在同样的轴压比下，都是前两个循环SRCC的耗能大于NRCC，后两个循环的耗能SRCC小于NRCC，而总耗能则呈现1.1的轴压比下SRCC的耗能小于NRCC，1.25轴压比下SRCC的耗能大于NRCC，这可能在前两个循环中角部角钢在一定程度上增加了试件的耗能，但随着位移的增加，角部角钢屈服之后就降低了对混凝土的约束效果。

3.2骨架曲线

在试件的骨架曲线上可以明显的看出试件的延性等特征，试件的骨架曲线如图6所示。

图6　骨架曲线

从图6中可以看出：

1)试件NRCC随着轴压比的增加，其初始刚度、水平承载力以及延性都基本一致，说明一定范围内的轴压比对钢筋区域约束混凝土的影响不大。

2)试件SRCC在1.1和1.25的轴压比下，其水平承载力的差别不大，但SRCC-2的延性较SRCC-1好，说明对于SRCC而言，在一定的轴压比范围内，随着轴压比的增加，其延性会有改善，这可能时轴压比较低的时候无法充分发挥角钢区域约束混凝土的优势。

3)在1.1的轴压比下，试件NRCC和SRCC的承载力基本相同，但NRCC的延性较SRCC稍好，这可能时由于在较低的轴压比下不能充分发挥角钢区域约束的原因。

4)在1.25的轴压比下，试件NRCC和SRCC的延性、承载力等各方面指标较类似，这就说明在较低的轴压比下SRCC的性能可能不太理想，或许是由于较低的轴向力不能使混凝土产生较大的横向变形，无法使混凝土和角钢之间产生较大的黏结力。

3.3水平承载力、层间位移角及延性系数

水平承载力反映试件的能够承受水平荷载的大小，是构件很重要的一项指标。位移角和延性都是反映构件延性的重要指标。现将构件的各项指标列于表3，其中水平承载力取试件正向和负向承载力最大的绝对值的平均值。屈服位移取试件屈服时的位移，极限位移取试件推向和拉向的出现极限承载力后，承载力下降至最大承载力的85%的平均值。延性系数为试件极限位移和屈服位移的比值。

表3　主要试验结果

从表3可以看出：

1)试件NRCC的水平承载力在1.1的轴压比下和SRCC基本相同，但在1.25的轴压比下NRCC的承载力较SRCC高10%左右，说明对于区域约束混凝土而言。在试件的角部用角钢代替纵向钢筋对承载力帮助不大，甚至会有所下降，这可能是角钢和混凝土之间存在一定的粘结滑移。

2)试件NRCC的延性系数在1.1和1.25的轴压比下都较SRCC高，说明在一定的轴压比范围内，用角钢代替区域约束混凝土角部纵筋并不能提高试件的延性。值得注意的是，随着轴压比的增加，NRCC的延性系数随之下降，而SRCC的延性系数却有所提高。由于条件限制，试件所做的轴压比较少，无法更进一步判断。

3)虽然试件的延性系数均在2～3范围之内，但由于试件在弹性阶段的位移较大，弹性位移角远远超过文献1中的规定，故可以满足实际工程的需要。

3.4刚度比较

表4　刚度退化

从表4可以看出：

1)无论在哪个轴压比下，试件NRCC的刚度均较SRCC大，说明钢筋区域约束混凝土的刚度较角钢区域约束混凝土大。可能是选用的角钢较小，不能十分有效的提高试件的刚度。

2)随着轴压比的增加，试件NRCC的各项刚度均在下降，而SRCC的刚度除破坏刚度以外其他的刚度亦在下降。

4　结论

1)对于区域约束混凝土而言，在试件的角部用角钢代替纵筋，并没有使试件出现掏空现象，但角钢区域约束混凝土并没有显著提高试件的承载力、延性、耗能等性能，这可能是试件选用的轴压比小不能充分发挥角钢区域约束的性能，其次可能是由于角钢表面较光滑，不能达到钢筋与混凝土之间的粘结力。

2)随着轴压比的增加，钢筋区域约束混凝土的各项性能均在降低，而角钢区域约束混凝土的部分性能却有所上升，需要更多的轴压比试验以探求角钢区域约束混凝土合理的轴压比限制。

3)钢筋区域约束混凝土和型钢区域约束混凝土柱的层间位移角、延性系数等可以满足工程的需要，因此对区域约束混凝土而言可以适当的放宽规范中对轴压比限值的规定。

[1] GB50011-2010《建筑抗震结构设计规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 贾金青, 赵国藩. 高强混凝土框架短柱力学性能的试验研究[J]. 建筑结构学报, 2001, 22(3): 43-47.

[3] 尹衍樑. 矩形混凝土柱新的约束型式之研发(Ⅰ)一笔箍、格网箍筋及电焊方箍[J]. 土木工程学报, 2004, 37(8): 1-10.

[4] 李忠献. 钢筋混凝土分体柱理论与技术[J]. 工程力学, 2005, 22(6): 127-140.

[5] 曹新明, 肖常安, 肖建春, 等. 区域约束混凝土浅析[J]. 工程抗震与加固改造, 2008, 30(5): 112-115.

[6] 曹新明, 莫志刚, 任廷坚, 等. 超高轴压比区域约束混凝土柱抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2012, 33(10): 103-106.

[7] JGJ101-96, 《建筑抗震试验方法规程》[S].

(责任编辑：王先桃)

Research on the Seismic Performance of Angle-steel Regional Confined Concrete and Bar Regional Confined Concrete

SHAO Jianli, CAO Xinming, CHANG Ya, JIANG Yaxing, YANG Zhiyong

(Space Structures Research Center, Guizhou University, Guiyang 550003, China)

In order to improve the performance of bar regional confined concrete columns further, angle steel can be used to replace the corner longitudinal bar. Low cyclic loading tests for these two types of regional confined concrete columns under axial compression ratio at 1.1、1.25 were conducted to the performance of regional confined concrete columns. The skeleton curve, ductility and energy dissipation capacity were studied and compared with each other. The results indicate that the angle-steel regional confined concrete does not improve the performance of the bar regional confined concrete. As a result ,it is very necessary to study one new section form to improve the performance of regional confined concrete.

angle-steel regional confined concrete; bar regional confined concrete; ductility；energy dissipation capacity

1000-5269(2016)02-0112-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.02.25

2016-02-10

贵州省地方标准黔建科通[2013]367号

邵建力(1989-)，男，在读硕士，研究方向：区域约束混凝土结构，Email：726365430@qq.com.

曹新明，Email：xcaol@yahoo.com.

TU352.1

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