高强钢筋约束混凝土柱的抗震性能

由 尧

(淮北职业技术学院 建筑工程系,安徽 淮北 235000)

0 引言

随着建筑材料的开发和建筑结构形式的不断演变,钢筋混凝土结构已成为我国建筑的主要结构形式,在我国近年来地震频发的背景下,如何加强钢筋混凝土结构抵御地震所带来的危害的能力已成为建筑行业科研工作者共同关注的话题。为了减少地震对人民生命和财产带来的损失,从建筑材料和结构设计角度出发,开发出具有高抗震性能的钢筋混凝土结构势在必行[1]。对于钢混结构来说,影响整体结构抗震性能的关键部位在混凝土柱部位。已有的试验结果表明,地震发生过程中混凝土柱会发生表层剥落以及钢材屈曲等现象[2],因此,需要从提升混凝土柱抗震性能的角度去开发新的建筑材料和进行新型结构设计。虽然近年来建筑行业在结构设计上已经取得了较快的进展,如开发出不同的箍筋形式去约束混凝土、提高水泥强度和改变配合比设计等[3-4],但是这些固有方案都无法改变混凝土自身脆性的问题,而箍筋可以对混凝土起到较好的约束作用,增加整体结构的强度和延性[5]。目前,国内外在钢筋约束混凝土的研究和应用上,还多采用普通热轧钢筋(强度通常在400 MPa左右)[6],在我国建筑钢材产量和消耗量居于世界前列的背景下,目前钢混结构使用的钢筋力学性能指标显然与钢筋的生产能力与技术严重不符,虽然国内较多钢材生产企业已经可以生产出强度1 000 MPa以上的钢筋原材,但就产量和技术水平与日本等发达国家相比差距较大[7],相较而言,我国的钢混结构设计和应用仍然处于一个较低水平,有关行业单位及部门尚未意识到高强箍筋的潜在作用,对其应用与推广不够积极。在此基础上,为了充分利用我国现有钢铁生产能力以及发挥高强钢筋混凝土结构的抗震性能,本文对比分析了普通钢筋和高强钢筋对于钢筋混凝土柱抗震性能的差异,结果将有助于高强建筑钢材在钢混结构建筑中的应用。

1 材料与试件制作

试验材料包括唐山水泥公司提供的强度等级PO 42.5的硅酸盐水泥,江苏沙钢集团有限公司提供的热轧箍筋(强度400 MPa,直径6～8 mm)、调质热处理箍筋(1 100 MPa,直径5～6 mm)和热轧带肋纵向钢筋(强度400 MPa,直径12 mm)。

高强钢筋高强混凝土柱的设计参数如表1。其中,混凝土立方体抗压强度=59.2 MPa、剪跨比=1.4、轴压比=0.5,A1、B1和C1试件为普通箍筋混凝土柱,B1、B2和B3试件为高强箍筋混凝土柱,所有试件的纵筋(直径12 mm)均为12根(配筋率2.36%)、箍筋形式均为螺旋箍,高强钢筋高强混凝土柱的保护层厚度统一设计为25 mm。6组高强钢筋高强混凝土柱的设计主要考虑了间距、配筋率等的影响。

表1 高强箍筋约束高强混凝土柱的设计参数Table 1 Design parameters of high-strength concrete columns confined by high-strength stirrups

在钢混结构实验室进行了6组箍筋约束混凝土试件的制作,具体包括制作捆绑箍筋、混凝土制作、浇注和养护等步骤,然后对高强钢筋混凝土试件进行应变片粘贴和对试件进行编号。采用建研式加载设备对6组试件进行加载,加载装置示意图如图1。采用荷载和位移两种模式进行加载[8],其中,前者对应于屈服前的加载阶段,后者对应于屈服后的加载,实验过程中如发现整体试件的承载力降低至峰值载荷1/2以下时停止试验。应变片的设置示意图如图2,其中,所有的数据都采用TDS-540型静态数据采集仪进行收集,截面形貌中可见每组试件设置有10个应变片,前6个为纵筋应变片,后4个为箍筋应变片。

图1 6组箍筋约束混凝土试件的加载装置示意图Fig.1 Schematic diagram of loading device of 6 groups of concrete specimens confined by stirrups

图2 6组箍筋约束混凝土试件的应变片布置示意图Fig.2 Schematic diagram of arrangement of strain gauge of 6 groups of concrete specimens confined by stirrups

2 试验结果与讨论

2.1 破坏形态

图3为高强箍筋约束高强混凝土柱的破坏形态,包括普通箍筋约束混凝土和高强箍筋约束混凝土。对比分析可知,在相同的加载制度下,不同配筋率和箍筋间距的普通箍筋约束混凝土和高强箍筋约束混凝土柱都发生了剪切破坏,最终破坏过程都相似。按照加载方式对6组钢筋混凝土试件的破坏过程进行分析,在第一个加载阶段,即屈服前的荷载控制加载阶段,所有试件在开始承受载荷时都表现为弹性形变特征,随后的卸载过程中也未发现钢筋混凝土试件有明显塑性变形,这主要与混凝土为脆性材料有关;随着加载的进行,普通钢筋混凝土柱和高强钢筋混凝土柱的东西侧表面都会首先出现细小裂纹,而南北侧表面则主要以斜裂纹为主;在反复作用下,这些裂纹会逐渐扩展和延伸并最终交叉形成“X”型。在第二个加载阶段,即屈服后的位移控制加载阶段,6组钢筋混凝土试件的外表面防护层会不同程度地发生剥落并伴随着噼里啪啦的响声;主裂纹位于1/3柱高处,随着位移控制加载的进行,裂纹逐渐扩展并连通,循环加载过程中主裂纹的宽度会不断增加,直至第4周次循环时达到2 mm左右。此时外表面保护层已经发生明显剥落,局部可见内部设置的钢筋发生屈曲,整体试件的承载能力很快下降至1/2峰值载荷以下;虽然普通箍筋约束混凝土和高强箍筋约束混凝土都发生了外侧保护层剥落以及内置钢筋屈曲现象,但是核心区域的钢筋混凝土结构却未见压碎,体现出螺旋箍形式对混凝土的良好约束作用。

图3 高强箍筋约束高强混凝土柱的破坏形态Fig.3 Failure mode of high-strength concrete columns confined by high-strength stirrups

2.2 箍筋约束混凝土柱的承载能力及延性

在对钢筋约束混凝土结构进行抗震性能分析时,考察钢混结构的承载能力和延性是常用的方式,这主要是因为延性好的结构或构件可以通过屈服后的较大变形吸收和耗散地震能量。本文采用位移延性系数来分析普通箍筋约束混凝土柱和高强箍筋约束混凝土柱的延性性能,其表达式为μ=Δu/Δy.式中Δu为构件的极限位移,取骨架曲线上荷载下降至峰值荷载的85%时所对应的位移,Δy为构件的屈服位移,采用等能量法确定。表2为高强箍筋约束高强混凝土柱的承载能力与延性指标统计结果。

表2 高强箍筋约束高强混凝土柱的承载能力与延性指标Table 2 Bearing capacity and ductility index of high-strength concrete columns confined by high-strength stirrups

对钢筋混凝土结构而言,地震作用下的钢混结构的延性系数越大,相应吸收的地震能量会越多,即保证整体结构虽然会经过较大的塑性变形,但是不至于造成整体破坏和倒塌,尤其是当延性系数高于3.00时会取得较好的抵御地震的作用。通过表2的高强箍筋约束高强混凝土柱的承载能力与延性指标可见,A2、B2和C2试件的位移延性分别为4.49、4.71和3.88,A1、B1和C1试件的位移延性分别为3.17、3.59和2.67,普通钢筋约束混凝土试件的位移延性均低于相同配筋率下的高强钢筋约束试件,可见普通钢筋约束混凝土试件的位移延性更小,相应地抵御地震的作用会相对较弱,即高强钢筋可以发挥更好的抵御地震的作用[9]。从极限位移角测试结果可知,配箍率为1.00%和1.34%时,普通钢筋约束混凝土试件和高强钢筋约束高强混凝土柱的极限位移角都满足GB50011—2016《建筑抗震设计规范》中对具有抗震设防能力钢筋混凝土结构极限位移角都高于1/50的要求,而配箍率为0.85%的C组试件中,只有高强钢筋约束高强混凝土柱试件C2的极限位移角高于1/50,而普通钢筋约束混凝土试件C1的极限位移角小于1/50,不满足GB50011—2016的要求。由此可见,无论是普通钢筋约束混凝土试件还是高强钢筋约束高强混凝土柱,其配箍率需要高于1.00%时才满足GB50011—2016对极限位移角的要求,且高强钢筋约束混凝土的极限位移角都大于普通钢筋约束混凝土试件,即相同配箍率下高强钢筋约束混凝土会具有更好的延性和抗震性能。整体而言,采用1 100 MPa钢筋的约束混凝土柱在低周反复水平加载试验过程中体现出了较大的延性系数和更高的极限位移角,在强震作用下能够承受更高的塑性变形而吸收更多的地震能量[10-12],保证钢混结构建筑不破坏倒塌。究其原因,这主要与高强箍筋可以更好地约束混凝土和提升整体结构的应变能力有关[13-15]。

2.3 耗能能力分析

由上述高强箍筋约束高强混凝土柱的承载能力与延性指标可知,普通钢筋约束混凝土试件和高强钢筋约束高强混凝土柱的配箍率高于1.00%时才能保证具有良好的抗震性能。在此基础上,进一步对钢筋混凝土结构的等效粘滞阻尼系数与位移的关系进行分析[16],结果如图4。对比分析可见,当配箍率为1.00%时,普通钢筋约束混凝土试件和高强钢筋约束高强混凝土柱的等效粘滞阻尼系数都会随着位移的增加而增大,但是高强箍筋约束混凝土试件的位移会更大,且最大等效粘滞阻尼系数会较高;当配箍率为1.34%时,普通钢筋约束混凝土试件和高强钢筋约束高强混凝土柱的等效粘滞阻尼系数与位移的关系曲线与配箍率为1.00%时相似,即高强箍筋约束混凝土试件的位移和最大等效粘滞阻尼系数都会更大。

图4 相同配箍率下钢筋混凝土结构的等效粘滞阻尼系数与位移的关系曲线Fig.4 Relation curve between equivalent viscous damping coefficient and displacement of reinforced concrete structure at the same stirrup ratio

图5为钢筋混凝土结构的等效粘滞阻尼系数与位移的关系。其中,配箍率分别为1.00%和1.34%,而箍筋间距均为60 mm。对比分析可知,在相同箍筋间距下,普通钢筋约束混凝土试件和高强钢筋约束高强混凝土柱的等效粘滞阻尼系数都会随着位移的增加而增大,但是配箍率更低的高强钢筋约束混凝土试件的位移会更大,且最大等效粘滞阻尼系数会较高。结合图4和图5的钢筋混凝土结构的等效粘滞阻尼系数与位移的关系曲线可知,无论是在相同配箍率还是在相同箍筋间距条件下,高强钢筋约束高强混凝土柱的等效粘滞阻尼系数都会高于普通钢筋约束混凝土试件,即高强箍筋可以相较普通钢筋更好的发挥钢混试件的抗震能力[17-18]。

图5 不同配箍率下钢筋混凝土结构的等效粘滞阻尼系数与位移关系曲线Fig.5 Relation curve between equivalent viscous damping coefficient and displacement of reinforced concrete structure at the different stirrup ratio

表3为6组箍筋约束混凝土试件的耗能统计结果。对比分析可知,随着循环次数从1次增加至21次,普通钢筋约束混凝土柱和高强钢筋约束高强混凝土柱的位移和耗能都表现为逐渐增加的趋势;A2、B2和C2试件的总耗能分别为113 474 J、114 134 J和42 425 J,而A1、B1和C1试件的总耗能分别为27 483 J、60 507 J和31 920 J.可见,在相同配箍率条件下,高强钢筋约束高强混凝土柱的总耗能会明显高于普通钢筋约束混凝土柱,且A2/A1、B2/B1和C2/C1的比值分别为4.13、1.89和1.33,即当配箍率分别为1.00%、1.34%、0.85%时,高强钢筋约束高强混凝土柱的总耗能分别为普通钢筋约束混凝土柱的4.13、1.89和1.33倍,进一步说明采用高强钢筋替代普通钢筋作为箍筋使用可以明显改善钢筋混凝土结构的耗能能力。

3 结论

1)虽然普通箍筋约束混凝土和高强箍筋约束混凝土都发生了外侧保护层剥落以及内置钢筋屈曲现象,但是核心区域的钢筋混凝土结构却未见压碎,体现出螺旋箍形式相比矩形箍对混凝土具有良好约束作用。

2)A2、B2和C2试件的位移延性分别为4.49、4.71和3.88,A1、B1和C1试件的位移延性分别为3.17、3.59和2.67,普通钢筋约束混凝土试件的位移延性分别低于相同配筋率下的A2、B2和C2试件,可见普通钢筋约束混凝土试件的位移延性更小。

表3 6组箍筋约束混凝土试件的耗能统计Table 3 Energy dissipation statistics of 6 groups of concrete specimens confined by stirrups

3)无论是在相同配箍率还是在相同箍筋间距条件下,高强钢筋约束高强混凝土柱的等效粘滞阻尼系数都会高于普通钢筋约束混凝土试件。

4)无论是普通钢筋约束混凝土试件还是高强钢筋约束高强混凝土柱,其配箍率需要高于1.00%时才满足GB50011—2016对极限位移角的要求,且高强钢筋约束混凝土的极限位移角都大于普通钢筋约束混凝土试件,即相同配箍率下高强钢筋约束混凝土会具有更好的延性和抗震性能。

5)在相同配箍率条件下,高强钢筋约束高强混凝土柱的总耗能会明显高于普通钢筋约束混凝土柱,试验结果表明当配箍率分别为1.00%、1.34%、0.85%时,高强钢筋约束高强混凝土柱的总耗能分别为普通钢筋约束混凝土柱的4.13、1.89和1.33倍。

6)综上所述，高强钢筋约束的构件不仅延性好、阻尼系数得到提高,更重要的是有利于其对地震能量的吸收,结构的抗震性能得到大幅度提高,增加了钢筋混凝土结构的安全度,应积极推广与应用。