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

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。