焊接封闭箍筋混凝土柱抗震性态指标试验研究

颜 军， 李泽良， 左 工， 李升才

(1.宿迁学院 建筑工程学院，江苏 宿迁 223800； 2.华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021)

焊接封闭箍筋可有效约束柱核心区混凝土，使之处于三向受压状态，具有提高混凝土轴心抗压强度、减少柱截面尺寸及增强柱在地震作用下的延性及耗能能力等优点[1]。同时焊接箍筋没有弯钩，方便混凝土的浇筑及振捣，可防止箍筋弯钩被拉直的现象出现[2]。李升才等[3-6]主要针对高轴压比下焊接箍筋柱的受力性能展开系统的研究，分析了不同轴压比、箍筋间距等因素对该柱的延性、耗能及抗剪性能的影响，并提出了相应的恢复力模型。杨勇等[7-10]对焊接箍筋混凝土长、短柱与绑扎箍筋混凝土柱的抗震性能进行了对比试验研究，结果显示：焊接复合箍筋长、短柱的延性及耗能性能均较好，抗剪承载能力满足我国现有规范的规定。李智能等[11-12]应用试验和数值模拟的方式对焊接箍筋混凝土柱的轴压性能展开了分析，结果显示焊接箍筋混凝土柱的轴压承载力高于规范的计算值。上述研究工作较为全面的研究了焊接箍筋柱的抗震性能，但均未对焊接箍筋混凝土结构的变形能力及不同性能水平的抗震变形允许值展开系统研究。因此，本文针对焊接封闭箍筋混凝土柱在剪跨比、轴压比、配箍率及混凝土强度等因素影响下的抗震性能及抗震性态指标进行研究，为焊接封闭箍筋混凝土柱的地震反应分析和工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

共设计制作13个1/2缩尺比例的焊接封闭箍筋混凝土柱(Butt-welded Closed Composite Stirrups Concrete Columns，BCCSC)试件。所有试件，截面尺寸均为250 mm×250 mm，试验所用混凝土强度采用C40和C50两种，其强度指标见表1，所用钢筋均为HRB400级，纵筋直径为20 mm，箍筋直径为8 mm和10 mm两种，其强度指标见表2。由《混凝土结构设计规范》[13]规定焊接箍筋的间距最大不超过80mm，最小也不能小于40 mm，同时考虑方便施工，故取箍筋间距为40 mm， 60 mm及80 mm。李升才等已对高轴压比(n≥0.7)及较小剪跨比(λ≤2.0)的焊接箍筋柱展开相关的研究，故选取轴压比为0.2，0.4和0.6，剪跨比为2.6，3.6和4.6。试件详细设计参数见表3，试件尺寸及配筋见图1。

表1 混凝土强度指标Tab.1 Test mechanical properties of concrete

表2 钢筋材料性能Tab.2 Properties of steel

图1 试件尺寸及截面配筋Fig.1 Sizes and reinforcement details of specimens

表3 试件详细设计参数Tab.3 Design details of specimens

1.2 加载制度及量测内容

为测试各试件的抗震性能，采用拟静力试验方法[14]。试验采用MTS电液伺服加载结构试验机进行低周反复加载试验，加载装置如图2所示，加载装置照片如图3所示。竖向荷载由千斤顶通过超高压稳压油泵施加于柱顶并保持在整个试验过程中恒定不变，在柱顶通过MTS施加水平荷载，水平加载时柱顶与低摩阻滑动小车相连进行水平移动，柱底采用地锚螺杆与刚性地面相连，确保在加载过程中试件底部不发生整体水平滑移。

具体加载制度如下：屈服前按照位移角分别为1/800，1/500，1/250，1/200，1/150…位移进行加载，每级位移循环1次；屈服后分别按照1.0Δy，1.5Δy，2.0Δy，2.5Δy，3.0Δy…位移进行加载，每级位移循环3次，直至试件所加荷载下降至最大荷载的85%左右，停止加载。

在试验过程中主要针对试件裂缝开展及分布情况、试件的荷载-位移滞回曲线、柱根部纵筋及箍筋的应变等进行观测。

①—反力梁；②—低摩阻滑动轨道；③—低摩阻滑动小车；④—加载垫梁；⑤—千斤顶；⑥—作动器；⑦—连接试件端板；⑧—试件；⑨—地锚螺杆；⑩—反力墙图2 加载装置示意图Fig.2 Test load set-up

图3 加载装置照片Fig.3 Test set-up

2 试验现象及破坏形态

各试件的裂缝开展及破坏形态见图4(图中小图为各试件侧面破坏形态)，具体描述如下：

图4 各试件的破坏形态Fig.4 The failure patterns of columns

(1)对比试件BCCSC1～BCCSC3。试件BCCSC1～BCCSC3，出现第一条裂缝的水平位移角分别为1/185，1/90和1/350，各试件初裂荷载与峰值荷载的比值分别为0.37，0.72和0.38。试件BCCSC2裂缝出现的最迟，主要原因是该试件保护层较厚。随着位移幅值的不断增大，各试件裂缝不断延伸、变宽，试件BCCSC1开展最为充分，该试件正面底部区域保护层混凝土完全脱落，箍筋外露，混凝土剥落高度达280 mm，该试件最终的破坏形态为呈剪切破坏。试件BCCSC2，正面交叉裂缝较为明显，最大裂缝宽度为23 mm，侧面塑性铰高度为34 mm，试件最终的破坏形态呈弯剪破坏。试件BCCSC3，第一条裂缝出现在右侧面根部，正面出现裂缝较少且裂缝宽度较窄，始终没有交叉裂缝的出现，裂缝集中于试件左右两侧，其峰值荷载与试件BCCSC1和BCCSC2的比值分别为0.42和0.58，试件BCCSC3的最终破坏形态为弯曲破坏。由分析可知，剪跨比的越大，试件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均越小，但极限位移和延性增加较为明显。

(2)对比试件BCCSC5～BCCSC7。试件BCCSC5，BCCSC6和BCCSC7出现第一条裂缝的水平位移角分别为1/250，1/480和1/480，各试件初裂荷载与峰值荷载的比值为0.46，0.33，0.26。随位移角的不断增大，裂缝不断出现、延伸，当位移角为1/100，1/90和1/90时，各试件的正面形成交叉裂缝，此时纵筋应变均发展至2 500 με以上，试件进入屈服状态，屈服荷载与峰值荷载的比值为0.77，0.76和0.81。此后，各试件的荷载继续增大，裂缝均在原有裂缝的基础上变宽，最终在各试件的左右两侧面根部形成塑性铰，各试件的最终破坏形态均为弯曲破坏。试件BCCSC5～BCCSC7的塑性铰平均高度分别为11.2 mm，13.7mm，17.4 mm，极限位移分别为35.0 mm，31.50 mm和31.25 mm，试件BCCSC5的极限荷载最大，为178.57 kN，试件BCCSC7的极限荷载最小，为175.68 kN。由分析可知，试件的极限荷载和极限位移均随着箍筋间距的减小而增大。

(3)对比试件BCCSC8～BCCSC10。当位移角为1/240时，试件BCCSC8和BCCSC10背面根部出现第一条水平裂缝，而试件BCCSC9出现第一条裂缝时的位移角为1/120，此时该试件已进入屈服状态。各试件初裂荷载与峰值荷载的比值分别为0.38，0.41和0.55。随着位移幅值的不断增加，裂缝不断开展，试件BCCSC8～BCCSC10形成交叉裂缝的位移角分为1/90 mm，1/60 mm和1/50 mm。此后，新裂缝不再出现，各试件的左右两侧面混凝土逐渐被压碎形成塑性铰，试件BCCSC8～BCCSC10形成塑性铰时的位移幅值分别为25 mm，26.25 mm和22.5 mm，其峰值荷载分别为162.48 kN，177.49 kN和134.78 kN，各试件的破坏形态均为弯曲破坏。由分析可知，随着轴压比的增大，裂缝出现的越晚，裂缝数量越少，试件开裂荷载和峰值荷载越大，但屈服荷载、屈服位移和极限位移值越小。

(4)对比试件BCCSC7、BCCSC12可知。试件BCCSC12的第一条裂缝出现正面，此时位移角为1/476，初裂荷载与峰值荷载的比值为0.295。当水平位移角为1/60时，试件背面形成交叉裂缝；当水平位移角为1/40时，试件达到最大承载力，Pu=146.94 kN。试件BCCSC7的开裂、峰值荷载分别为试件BCCSC12的81.7%，96.18%，而屈服荷载却比BCCSC12高出15.2%。可见，提高混凝土强度对试件开裂和极限荷载提高效果不明显，屈服荷载有所降低。

综上所述，随着剪跨比的增大，试件的极限承载能力逐渐减少，但极限位移逐渐增大，耗能能力逐渐增强；随着轴压比的增大，裂缝出现推迟，但受压区的竖向裂缝增多；箍筋间距越大(配箍率越小)，裂缝出现越早，塑性铰区域混凝土剥落越显著。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

图5为各试件在低周反复荷载作用下的水平荷载P和柱顶位移Δ滞回曲线。对比各试件的滞回曲线可知：

(1)对比试件BCCSC1～BCCSC3的滞回曲线可知，试件BCCSC3的饱满程度最好，峰值荷载分别为试件BCCSC1的0.7倍和试件BCCSC2的0.43倍。由试件BCCSC3的滞回曲线可知，当焊接环式箍筋屈服后可有效约束柱的核心区混凝土，使核心混凝土处于三向受压的状态从而提高柱的极限承载力。

(2)对比试件BCCSC5～BCCSC7和试件BCCSC11～BCCSC13两组滞回曲线可以看出，各试件的峰值荷载较为接近，配箍率越小的试件滞回曲线捏缩现象越明显，饱满度越差，耗能能力也越差。

(3)对比试件BCCSC8～BCCSC10可知，轴压比越大，滞回曲线的饱满度越来越好，试件的极限位移越来越大，后期荷载下降速率越小，说明随着轴压比的降低，焊接封闭箍筋混凝土柱的耗能性能而提高。

(4)对比试件BCCSC5和BCCSC9，可以看出，试件BCCSC9的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别为试件BCCSC5的141.7%，84.3%和115.6%。试件BCCSC9与BCCSC5相比，开裂位移较大而屈服位移和极限位移均略小。可见，随着混凝土强度的提高，试件的开裂荷载提高较为明显，但屈服荷载有所降低，极限荷载略有提高。

图5 试件滞回曲线Fig.5 The hysteretic curves of specimens

3.2 骨架曲线

骨架曲线是滞回曲线各循环峰值点(屈服以后取第一循环)的连线，骨架曲线可宏观反映出试件的各特征点的位移和荷载、延性、强度退化和刚度退化等抗震性能信息。图6给出了各试件的骨架曲线。

(1)对比试件BCCSC1～BCCSC3的骨架曲线可知：随着剪跨比的增大，柱的抗侧刚度及水平承载力减小，曲线上升段较为平缓；随着剪跨比的增大，试件的峰值荷载减小，曲线下降段更为平缓，延性和耗能能力增强。

(2)对比试件BCCSC5～BCCSC7及试件BCCSC8，BCCSC11～BCCSC13骨架曲线可知：试件的配箍率越大，极限承载力越大，曲线下降段越平缓，延性性能越好。

(3)对于试件BCCSC8～BCCSC10的骨架曲线可知：试件BCCSC9的轴压比最大，为0.6，其骨架曲线上升段及上升段的斜率均最大，初始刚度也最大，试件BCCSC10的轴压比最小，为0.2，其曲线上升段和下降段最为平缓。由此说明，轴压比越大的试件，极限承载能力越大，但延性和变形能力越小。

(4)分别对比试件BCCSC5和BCCSC9的骨架曲线可知：随着混凝土强度的提高，试件峰值荷载提高可平均提高11.6%，但骨架曲线下降段较陡，延性及耗能能力略有降低。

3.3 刚度退化

采用环线刚度来描述试件的刚度退化情况。每级循环位移下环线刚度可通过下式计算：

(1)

(1)所有试件的刚度退化曲线均较光滑，刚度退化较为平缓，说明焊接封闭式箍筋混凝土柱在地震作用后期损伤发展较平稳，仍具有良好的刚度。

(2)从图7(a)可以看出，剪跨比越大的试件，初始刚度越小，峰值荷载后的刚度退化越缓慢，残余变形越小。试件BCCSC1的变形以剪切变形为主，而试件BCCSC1和BCCSC2的变形以弯曲变形为主。

(3)从图7(b)、图7(d)、图7(e)可以看出，配筋率越大的试件，初期刚度退化越快，屈服荷载以后的刚度退化越缓慢。

(4)从图7(c)可以看出，轴压越大的试件，初始刚度越大，屈服荷载前的刚度退化越快，屈服荷载以后的刚度退化越快，残余刚度越大。

(5)从图7(f)～图7(i)可以看出，混凝土强度越高的试件，初始刚度越大，屈服荷载前的刚度越慢，屈服荷载后的刚度退化速度较快。

图6 试件的骨架曲线Fig.6 The skeleton curves of specimens

3.4 承载力、延性与耗能

试件各特征点的荷载、位移、位移延性系数及弹塑性位移角如表4和表5所示，其中屈服位移根据能量法[15-16]来确定，极限荷载和位移取试验终止时的柱端荷载及相对应的位移值。耗能性能常采用等效阻尼系数he来表示，计算结果见图7。

(1)从表4可以看出，除试件BCCSC1以外，各试件的位移延性系数均大于3，表现出较好的延性。试件BCCSC2，BCCSC3的延性系数分为试件BCCSC1的1.35倍和3.08倍。可见，随着剪跨比的增大，试件的弯曲变形所占的比重加大，故其延性系数增大亦较明显，延性越好。试件BCCSC8和BCCSC9的开裂荷载与试件BCCSC10相比分别提高29.1%和90.1%，极限荷载与试件BCCSC10相比分别提高15.8%和18.6%，表明增大轴压比对延缓裂缝的开展具有显著的效果，试件的承载力亦提高较为明显，但屈服位移及破坏位移减小，试件的变形能力减小。

(2)对比试件BCCSC5～BCCSC7的数据可以发现，试件BCCSC5的开裂荷载比试件BCCSC6的提高35.32%，试件BCCSC6的开裂荷载比试件BCCSC7的提高38.94%。随着配筋率的增大，试件的屈服位移和极限位移增大，表明增大配筋率可提高试件的变形能力，试件BCCCS6的屈服荷载和极限荷载为三者中最大，可见，当箍筋间距小于60 mm后，增大箍筋间距并不能增大试件的承载能力。

(3)各试件的弹塑性位移角在1/24.7～1/12.7，均为《抗震结构设计规范》(GB 50010—2010)中规定的在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角限值为1/50的设计要求2倍以上，说明焊接封闭箍筋约束混凝土柱具有优异的抗倒塌能力。

(4)由图8可看出，随加载位移幅值的不断增大，所有试件的等效黏滞阻尼系数均不断增大，耗能能力增长显著。由图8(a)可知，试件BCCSC3的等效黏滞阻尼系数可达试件BCCSC1的2倍。可见，随着剪跨比的增大，试件耗能能力增大较明显。由图8(b)，图8(d)和图8(e)可知，配筋率越大的试件等效黏滞阻尼系数越大，耗能能力越好；由图8(c)可知，随着轴压比的增大，试件耗能能力降低；由图8(f)～图8(i)可知，混凝土强度较低的试件后期耗能能力较好。

图7 试件刚度退化对比Fig.7 Comparison of the stiffness degradation for specimens

表4 试验及计算结果Tab.4 Results of test and calculation

表5 试件荷载的平均值及位移角Tab.5 Average loads and rotation angle of specimens

图8 等效阻尼系数对比Fig.8 Comparison of the equivalent viscous damping coefficient

3.5 强度衰减

以在屈服后某一级位移幅值下，试件峰值荷载随循环加载次数增加而降低的现象称为强度退化，用Φi表示，计算方法为

Φi=Pj-i/Pj-1

(2)

式中：Pj-i为第j级位移幅值下第i次循环的峰值荷载值；Pj-1为第j级位移幅值下第1次循环的峰值荷载值；峰值荷载值取正、反向峰值荷载的平均值。

各试件的强度衰减如图9所示。

(1)从图9中可看出，各试件强度衰减均随着加载位移的增大而增大，但均未超过10%，说明焊接封闭箍筋对核心混凝土的约束效果较好。

(2)对比试件BCCSC1～BCCSC3，各试件的最大强度衰减率分别为3.9%，5.09%，6.11%，对应的位移分别为1.25Δy，2.25Δy和6.5Δy，由此可见，剪跨比越大的试件，最大强度衰减率也越大，但出现的时间较晚；试件BCCSC5～BCCSC7的最大强度衰减率分别为6.69%，4.08%和6.12%，而试件BCCSC8，BCCSC11，BCCSC12的最大强度衰减率分别为4.96%，3.95%和5.58%，可见并非配箍率最大时的强度衰减率最小；试件BCCSC8～BCCSC10的最大强度衰减率分别为4.94%，4.96%，5.92%，可见当轴压比越大时，强度衰减率越小；混凝土强度等级为C40的试件(BCCSC2，BCCSC5～BCCSC7)和混凝土强度等级为C50的试件(BCCSC8，BCCSC9，BCCSC11，BCCSC12)的最大强度衰减率平均值分别为5.495%和4.863%，可见混凝土强度越高，强度衰减越小。

图9 各试件的强度衰减Fig.9 The bearing capacity degradation of specimens

4 不同抗震性能水平的评价指标

综合国内外抗震性能水平的划分方法[17-18]，可将焊接封闭箍筋混凝土柱的抗震性能水平划分成运行、基本运行、可修及避免倒塌四个性能水平。对于焊接箍筋柱的不同性能水平的评价指标，可以综合裂缝宽度、纵筋应力、层间位移角、残余变形等参数，结合试验破坏形态加以描述和量化。

根据试验结果计算得到位移角为1/250，1/200，1/100，1/75，1/50，1/35，1/25下性能水平的量化参数如表4所示。表中α为柱纵筋应变与屈服应变之比；β为相应位移幅值下的水平荷载与最大荷载的比值；Δr表示柱残余位移角[19]。根据表6的计算结果，对应各性能水平的评价指标如下：

(1)运行极限状态取位移角为1/250的状态。此时，纵筋的应变为屈服应变的32.97%～69.5%，此时的荷载值为最大荷载的28.3%～47.9%，裂缝开展较少。

(2)基本运行极限状态取层间位移角为1/200时的状态。此时，纵筋的应变为屈服应变的55.4%～89.3%，已接近屈服状态；对应的荷载尚未达到最大荷载，约为最大荷载的47.3%～89.4%。

(3)当位移角为1/50时，试件的残余位移角Δr为1/404～1/107，但当位移角为1/35时，试件BCCSC3，BCCSC5～BCCSC7，BCCSC13的残余位移角已达到1/100以上，超过可经济修复的要求。故，建议以1/50作为可修状态时的位移角限值。

(4)当位移角为1/25时，残余变形角为1/89～1/38，荷载下降至最大荷载的85%左右，各试件的强度退化均未超过10%。因此，建议倒塌极限状态时的位移角限值取1/25。

表6 不同抗震性能水平的评价指标Tab.6 Index for different performance level

5 结 论

通过12个不同剪跨比、配箍率、轴压比及混凝土强度等因素影响下焊接封闭箍筋混凝土柱低周反复荷载试验的综合分析，得到以下几点结论：

(1)剪跨比是影响柱抗震性能的重要因素，随着剪跨比的不断增大，焊接封闭箍筋约束混凝土柱的水平承载能力不断减小，但能经受的循环次数增多，极限位移增大，耗能性能良好，水平荷载降低的速度逐渐减小，除剪跨比为2.6的试件位移延性系数为2.25外，其余所有试件的位移延性系数均大于3，表现出良好的抗震变形性能。

(2)焊接封闭箍筋混凝土柱的承载能力及位移延性随着轴压比的增大而增大，但刚度和强度退化较快。

(3)随着配箍率的提高，柱的承载能力，延性及耗能能力均有所提高。当箍筋间距小于60 mm时，减小箍筋间距并不能提高该焊接封闭箍筋混凝土柱的极限承载力。

(4)试件在各级位移幅值下的强度衰减率均未超过10%，说明在地震作用后期焊接封闭箍筋约束混凝土仍具有较好的抗震承载力。

(5)对于运行及基本运行性能水平指标根据纵筋应变、荷载与最大荷载的比值及裂缝开展来判断；对于可修及避免倒塌性能水平的评判则根据残余层间位移角及承载力退化。建议焊接箍筋柱运行、基本运行、可修及避免倒塌时的位移角限值分别取1/250，1/200，1/50，1/25。