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箍筋不同配置钢筋混凝土柱的力学性能分析

2020-12-15包恩和张梓涵赵亚涛

科学技术与工程 2020年32期
关键词:轴向剪切承载力

包恩和, 张梓涵, 赵亚涛, 李 丽*

(1.广西新能源与建筑节能重点实验室, 桂林 541004; 2.贵州省岩土力学与工程安全重点实验室, 贵阳 550025)

2008年发生的中国汶川地震中,因砖混结构构造柱和钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)结构柱的构造措施不当等,导致了部分民用建筑的破坏[1-3]。2010年修订抗震及混凝土设计规范时,进一步细化了RC柱箍筋配置措施[4-5]。近期,围绕RC柱的构造措施,展开了大量研究。例如:砖混结构采用普通井字箍、区域约束矩形箍、区域约束小方箍的3种不同配箍形式浇注RC柱试件;通过低周反复加载试验,研究不同配箍形式对RC柱变形性能的影响[6];通过4种不同配箍形式(普通矩形箍、井字复合箍、八角复合箍、矩形箍加角箍)的8根型钢混凝土柱(steel reinforced concrete columns,SRC)的低周反复加载试验,研究配箍形式、体积配箍率和剪跨比等参数对SRC柱抗震性能的综合影响[7];对几种不同增大截面加固形式(一边加固、一角加固、四周加固、一边一角加固、一边两角加固)的低配箍率钢筋混凝土柱进行低周往复试验,研究增大截面加固对柱的破坏形态、承载力、刚度、耗能等抗震性能的影响[8];箍筋配置与RC柱主筋的混凝土保护层裂缝发展的关系[9];RC柱箍筋加密区范围的分析[10];研究RC柱端部的箍筋配置与RC柱的抗弯性能之间的关系[11-12]等。RC柱箍筋加密区范围的分析配置与RC柱主筋的混凝土保护层裂缝发展的关系。

但关于RC柱箍筋的不同加密配置,对RC柱的滞回曲线、骨架曲线、承载力、刚度、剪切变形、轴向变形及耗能性能等多个角度分析RC柱的抗震性能的相关研究不多。现通过箍筋不同加密配置的4根RC柱的反复加载试验,研究不同配置箍筋对RC柱的滞回曲线、骨架曲线、承载力、刚度、变形能力及耗能性能等的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

图1 柱尺寸和配筋

工字形RC柱试件的总高为2 050 mm,加载和固定用柱端头高为525 mm,截面尺寸为1 000 mm×450 mm;柱高为1 000 mm,截面尺寸为250 mm×250 mm。试件的主筋和箍筋均采用HRB400型号钢筋,主筋和箍筋的直径分别为16 mm和6 mm,柱采用标号为C60的混凝土。试件的配筋及尺寸详情如图1所示。从柱的混凝土、主筋及箍筋中均取一组(3个标准试件)进行了材料性能试验,对每组试件的试验数据都进行了均值法处理,之后的混凝土及钢筋的应力-应变关系如图 2(a)、图2(b)所示;具体值如表1所示。对4个不同箍筋配置的RC柱试件进行反复加载试验。试件1的柱高在1 m范围内,箍筋间距为50 mm,体积配箍率ρsv=7‰;试件2的柱高在1 m范围内,箍筋间距为17 mm,体积配箍率为ρsv=20.5‰;试件3的箍筋配置,在试件1的柱箍筋配置基础上,对柱两端轴向150~200 mm范围内的箍筋进行加密,箍筋间距为17 mm;试件4的箍筋配置,在试件1的柱箍筋配置基础上,对柱两端轴向0~50 mm和150~200 mm范围内的箍筋进行加密,箍筋间距为17 mm。试件3和4的箍筋加密区的体积配箍率为ρsv=20.5‰,试件3和4的柱端箍筋加密区详情如图3(a)、图3(b)所示。

图2 混凝土与钢筋的应力-应变关系曲线

表1 配筋和混凝土的力学性能

图3 柱端箍筋加密区

1.2 试验加载方式与检测

RC柱试件的加固和位移计布置如图4所示。为检测柱端裂缝发展,柱端轴向0~180 cm范围内预埋两端加工成圆锥形的钢筋检测点,每个检测点预先埋置钢筋,钢筋直径4 mm,长15 cm,一共38个监测点,如图5所示。试验中的定值轴向压力(轴压比为0.5)通过连接导轨的竖向作动器完成;而试件的剪力通过水平方向作动器完成。加载采用位移控制法,用试件的位移角控制,控制位移为±0.5 cm(0.005 rad)、±1 cm(0.01 rad)、±2 cm(0.02 rad)、±3 cm(0.03 rad)、±5 cm(0.05 rad)5段,每段反复作用3次;如试件未达最大荷载,则按第5段(±5 cm)继续加载,直至试件破坏,试件加载制度如图6所示。

图4 试件的加固和位移计布置

图5 裂缝检查点

图6 加载制度

2 试验结果与分析

2.1 各试件的承载力及变形曲线关系

各试件的剪力-剪切变形滞回曲线关系如图7所示。

图7 试件的滞回曲线

由图7可知,试件1和试件3第4段加载(±3 cm)的正向(推出)的第2次循环加载中发生破坏;试件2第5段加载(±5 cm)的负向(拉回)的第3次循环加载中发生破坏;试件4第5段加载(±5 cm)的正向(推出)的第1次循环加载中发生破坏。试件1~4的最大承受剪力分别为229.5、235.5、230.5、233.5 kN,对柱箍筋进行不同程度的加密,可以有效提升柱的最大承载能力。第4段加载(±3 cm)中发生破坏的试件1和试件3,试件1的剪切变形明显大于试件3的剪切变形,对柱端轴向150~200 mm范围内的箍筋进行加密,有控制试件破坏之前的剪切变形量的作用。

柱箍筋加密区较大的试件2和试件4的最大剪切变形量(5 cm)较试件1和试件3的最大剪切变形量(3 cm),变形性能得到有效提升。同时,对试件1、2、3的轴向变形也进行了对比分析,如图8所示。图8的横坐标表示试件的剪切变形Δ,纵坐标表示试件的轴向变形。

图8 柱剪切变形-轴向变形关系

由图8可知,试件在第2段范围内加载时,试件1、2、3的最大轴向压缩变形均为2.5 mm左右;当试件的剪切变形±1 cm(0.01 rad)范围内,柱配箍率不影响柱的抗压缩变形能力,第2段加载(±1 cm)的第1次循环结束时的试件1、2、3的柱端裂缝形态如图9所示。第3段(0.02 rad)范围内加载时,试件1和试件3的柱轴向压缩变形约为5 mm,而试件2的轴向压缩变形约为4 mm;第4段(0.03 rad)范围内加载时,试件1和试件3的柱轴向压缩变形曲线向上离散严重;由图7可知,这时试件1和试件3的承载力快速递减,接近破坏;而试件2的滞回曲线保持稳定,柱配箍率的提高能够改善柱的抗压性能。

为进一步明确柱配箍率的影响,基于图7的各试件滞回曲线,绘制各试件的骨架曲线,如图10所示。

图9 试件柱端裂缝形态

图10 试件的骨架曲线

由图10可知,各试件的屈服荷载和刚度基本一致,剪切变形在0~±0.5 cm范围内时各试件均经历剪力和剪切变形的线性关系阶段和屈服过程,剪切变形在±0.5~±1.0 cm范围内时各试件均达到了最大承载力,之后各试件的承载力递减、刚度呈负刚度。其中,柱身配箍率ρsv=13.4‰的试件2的变形能力大于其他试件。

2.2 荷载循环次数和试件的承载能力及刚度的关系

2.2.1 试件的承载能力分析

根据各试件的剪力-剪切变形滞回曲线,绘制各试件的承载力与加载循环次数的关系曲线,如图11所示。

由图11可知,加载的前±6次循环内,各试件的承载力变化不明显,第±4次循环时达到承载力峰值。第±6次循环之后,随着循环次数的增大,各试件的承载力减小;但柱身配箍率ρsv=13.4‰的试件2的承载力值大于其他试件的承载力值;柱箍筋加密至一定程度,提升试件的大变形时承载能力。

图11 试件的承载力与加载循环次数的关系曲线

2.2.2 试件的刚度退化分析

基于文献[13]用平均割线刚度来表示每次循环加载时的试件刚度,分析各试件的刚度退化过程。平均割线刚度Ki为

3.3 本试验建立了一种定量检测HPS的ddPCR方法,同时,利用ddPCR和qPCR这2种检测方法对HPS进行测定,就灵敏性、重复性、特异性和临床样品检测 4个方面进行了比较。在定量检测相同稀释度的HPS DNA时,ddPCR和qPCR的定量值呈线性正相关,且ddPCR方法的灵敏性优于qPCR。在实际运用过程中,ddPCR方法的检出率更加可靠。

(1)

式(1)中:+Fn、-Fn为每次循环荷载中正、负向最大荷载值;+Δn、-Δn为相应的剪切变形;n为往复循环加载试验次数。

各试件的刚度与加载循环次数的关系曲线如图12所示。

图12 试件的刚度退化曲线

由图12可知,柱箍筋不同配置的各试件的刚度退化曲线基本相同。前3个循环内,各试件基本保持线弹性,刚度值变化较小;之后各试件的刚度值,随着加载循环次数的增大而减小;柱箍筋的不同配置,不影响同循环步的刚度值;但随着柱箍筋配置量的提高,至试件破坏的循环次数增大。

2.3 各试件的耗能性能分析

2.3.1 各试件的屈服点和极限点定义

基于图10的正向加载骨架曲线,采用等效能量法确定试件1~试件4的屈服位移Δy和屈服强度Py的理论值,计算示意图如图13所示。图13中过原点O作直线与过骨架曲线峰值点A的水平线相较于点B,骨架曲线OA与折线OBA围城两个阴影部分面积S1和S2,通过使面积S1和面积S2相等来确定B点位置,B点的横坐标即为试件的屈服变形理论值Δy,对应Δy的骨架曲线OA纵坐标即为试件的屈服强度理论值Py,如表2所示。

图13 屈服位移计算示意图

表2 骨架曲线特征点及位移延性系数

基于文献[13],极限点的承载力Pu=0.85Pm(Pm为峰值点承载力),对应的变形为试件的极限变形。

2.3.2 各试件的能量耗散系数分析

(2)

式(2)中:SEBC+SFBC为一次加载与卸载滞回曲线包围的面积,即为试件一次循环所耗散的能量;S△OAF+S△ODE为理想的弹性结构在达到相同位移时吸收的能量(弹性变形能)。

对应各试件在屈服点、峰值点和极限点的能量耗散系数如图15所示。

由图15可知,随着各试件的变形增大,能量耗散系数增大。柱箍筋加密之后,对应屈服点和极限点的能量耗散系数增大,峰值点的能量耗散系数无明显的变化。

图14 能量耗散系数计算简图

图15 试件的能量耗散系数

3 结论

(1)RC柱的箍筋加密之后,有增大试件的最大承载力和控制试件破坏之前的剪切变形和轴向变形的作用;随着箍筋加密区的增大,试件的变形能力和耗能性能提升。

(2)RC柱箍筋加密对试件的屈服荷载、初始刚度、第二刚度及刚度退化等没有明显的影响。

(3)各试件的承载力和刚度随着加载次数和变形的增大逐渐递减。

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