基于平面框架拟静力试验的RC框架柱的破坏模式研究

2022-10-11范晓庆刘爱文李祥秀

地震工程学报 2022年5期

范晓庆,郭迅,刘爱文,李祥秀

(1.中国地震局地球物理研究所,北京 100081;2.中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室,河北三河 065201)

0 引言

在地震作用下,钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)框架柱受到竖向荷载和水平荷载的共同作用,受力状态十分复杂[1]。对于RC框架柱的受力性能、破坏模式及其影响因素,国内外学者做了很多相关的试验研究。路湛沁等[2]通过对43根RC框架柱进行拟静力试验,得出柱的破坏模式有3种:弯曲破坏、黏结破坏及剪切破坏,具体情况还取决于轴压比和配箍率的大小;初步分析了RC框架柱的抗弯强度和高轴压条件下的延性,并基于延性系数的要求,给出了轴压比与配箍率的关系。Wong等[3]对16根剪跨比为2.0的RC圆柱进行拟静力试验,发现小剪跨比且低轴压比的圆柱会产生明显的剪切变形。Nakamura等[4]对剪切破坏模式下RC柱的地震倒塌破坏机理做了试验,发现柱剪切破坏后易引发结构倒塌。Sezen等[5]对低配箍足尺RC方柱进行试验研究发现,柱的抗震性能受轴压比和加载制度影响很大。Boyes等[6]对低配箍率的RC柱进行拟静力试验,得出柱配箍率越低越易发生剪切破坏和轴压破坏。孙治国等[7]通过拟静力试验对高强度箍筋高强和普通强度的混凝土柱的抗震性能进行对比研究,结果发现两者均发生弯剪破坏,但高强度混凝土可使试件轴压比减小且可提高其延性和耗能能力。Ghannoum等[8]通过对三层三跨的平面框架缩尺模型进行振动台试验研究,发现RC柱的抗剪强度受侧向位移和疲劳损伤程度的影响。史庆轩等[9]发现面积配箍率较大、混凝土强度等级较低、轴压比0.1≤n≤0.5、剪跨比1.25<λ<2.5、配筋率较大且纵筋直径较大、低周往复荷载作用下的钢筋混凝土柱易于发生剪切黏结破坏。

总结学者们的研究成果可知,剪跨比λ作为反映柱端截面弯矩与对应的截面剪力和有效高度乘积相对大小的参数,影响着RC框架柱的破坏模式,但还未有人对此进行系统的研究。目前普遍认为:剪跨比λ<1.5为短柱,一般发生剪切破坏;剪跨比1.5≤λ<2为中长柱,一般发生弯剪破坏;剪跨比λ≥2为长柱,一般发生弯曲破坏。而多次震害调查显示,RC框架结构在近年来的强震中破坏及倒塌比例高,其破坏模式几乎均为弱柱强梁机制。这些事实表明,以往关于RC框架结构弱柱强梁倒塌机理的认识与实际震害相比还存在很大的反差,因此还需深入研究倒塌机理。为探讨RC框架结构的倒塌机理,本人所在科研团队开展了多次以映秀镇漩口中学教学楼为原型的结构整体模型振动台试验研究[10-15]。漩口中学教学楼地震前后面貌如图1所示。试验结果表明,即使是剪跨比λ为2.9的长柱,也会发生明显的剪切破坏,如图2所示[10]。另外,震害调查也发现长柱发生剪切破坏的实例[16]。

图1 漩口中学教学楼地震前后面貌Fig.1 Appearance of the teaching building of Xuankou Middle School before and after the earthquake

图2 结构整体模型试验中长柱发生剪切破坏(据文献[10])Fig.2 Shear failure of long column in structural model test (After reference [10])

基于以上研究背景并进一步探讨剪跨比对RC框架柱破坏模式的影响,本文以汶川地震中漩口中学倒塌的教学楼中的柱为原型,设计了3组不同剪跨比(λ=3、λ=4.25以及λ=6)的框架柱模型进行拟静力试验,提出了RC框架柱抗震性能系数α;基于抗震性能系数α总结出了RC框架柱的破坏规律,可用于指导RC框架柱的抗震设计。同时,基于试验应变数据反演出了RC框架柱端真实受力状态。

1 试验模型

漩口中学位于汶川县映秀镇,教学楼主体为5层的全现浇RC框架填充墙结构,当地抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度峰值0.10g,框架抗震等级为三级,抗震设防类别为丙类;2008年汶川地震中两个极震区之一的映秀镇烈度达到Ⅺ度,教学楼发生倒塌,其倒塌形式为底层柱失效引发的整体倒塌[11]。本文采用拟静力试验,试验设计关键变量为剪跨比λ。

1.1 模型设计和制作

设计并制作了3组不同剪跨比(λ=3、4.25和6)的RC框架柱模型进行拟静力试验。此处以剪跨比λ=3的RC框架柱模型为例对其设计和制作过程进行说明。RC框架柱模型以漩口中学倒塌的教学楼中柱的截面和配筋为原型,缩尺比例为1∶4。每四根柱上端固结于一根混凝土梁、下端固结于混凝土底板,形式上呈两榀平面框架,每榀框架均为三跨一层。RC框架柱和梁的主要参数列于表1～2。图3为柱及梁配筋图,图4为模型柱网布置图,图5为A/B轴立面图,图6为①～④轴立面图。

图3 模型柱及梁配筋图(单位：mm)Fig.3 Model column and beam reinforcement drawing (Unit:mm)

图4 模型柱网布置图(单位：mm)Fig.4 Layout of the model column network (Unit:mm)

图5 模型A/B轴立面图(单位：mm)Fig.5 A/B axis elevation diagram of model (Unit:mm)

图6 模型①～④轴立面图(单位：mm)Fig.6 ①～④ axis elevation diagram of model (Unit:mm)

表1 RC框架柱的主要参数Table 1 Main parameters of the RC frame column

1.2 模型材料性能试验

模型制作材料为微粒混凝土和带肋钢筋。微粒混凝土的配合比为1∶2.6∶4.0(水泥∶砂子∶石子),水灰比为0.7,水泥强度等级为42.5 MPa。微粒混凝土具有同原型结构混凝土相似的力学性能,并且弹性模量较小,容易满足相似关系要求[17]。采用混凝土力学性能标准方法[18]对混凝土试件进行抗压强度试验,得到立方体抗压强度标准值fcu为17.79 MPa,轴心抗压强度fc为13.03 MPa。依照金属材料拉伸标准方法[19]对钢筋试样进行拉伸试验,得到钢筋抗拉强度fu为547.82 MPa。

表2 RC框架梁的主要参数Table 2 Main parameters of the RC frame beam

2 平面框架拟静力试验

拟静力试验装置体系包括反力架、工字钢梁、计算机、控制器、液压系统、作动器、力传感器、位移传感器、数据采集器及配重块[20]。在RC框架柱模型上放置18 t配重(含2 t重的钢筋混凝土盖板)来模拟原型柱的实际受力状态,以保证8根柱模型承受相同的压力;3组平面框架拟静力试验的轴压比均为0.37,满足规范[22]要求:水平荷载由作动器施加至钢筋混凝土盖板的中轴线处,以保证试验加载过程中模型发生平动而非扭转;作动器的两端通过长螺栓分别与反力架上的工字钢梁和浇筑在钢筋混凝土盖板内的厚钢板紧密相连。模型试验加载装置如图7所示。

图7 平面框架拟静力试验装置简图Fig.7 Brief diagram of the plane frame quasi-static test device

试验中测量的物理量主要有力、位移及应变。小位移加载工况(0.2～1.2 mm)下,在模型结构两侧梁头各布置一个DT-10位移传感器,两者测得的相位和幅值基本一致,说明在加载过程中模型结构仅发生平动,未发生扭转;如图8(a),此处以剪跨比λ=3的RC框架柱模型0.2 mm工况为例进行说明。如图8(b)所示,本试验模型共布置92片应变片。在柱上、下端分别布置应变片,比如A2-UW2/1(A2-DW2/1)表示A轴与②轴相交处的A2柱上端(下端)西侧的两片互为备份的应变片,用于测量柱端应变,从而计算柱端内力。在柱中部45°方向上布置应变片,如A2-MN1代表A轴与②轴相交处的A2柱中部北侧的应变片,A2-MS1代表南侧的应变片,二者互为备份,用于测量剪应变,从而计算柱身剪力。每组拟静力试验均采用变位移控制的加载方式,每个工况进行3个循环加载,直至RC框架柱模型发生严重破坏。加载制度如图9所示,由于3组平面框架拟静力试验最终加载工况不尽相同,本图中仅画出相同的前3个工况的示意图。

图8 0.2 mm工况下DT-10位移时程曲线及A轴应变片布置图Fig.8 DT-10 displacement time history curves under 0.2 mm condition and the layout of A axis strain gauges

图9 拟静力试验的加载制度示意图Fig.9 Schematic diagram of loading system for quasi-static test

3 试验结果分析

3.1 宏观现象分析

每组试验8根RC框架柱试件,3组试验共计24根试件。由于篇幅的限制,此处仅以每组试验中出现明显且典型破坏的RC框架柱为例展开描述。由图10(a)可知,第1组剪跨比λ=3的RC框架柱模型(边柱)呈现剪切破坏,其特征为柱身出现高角度斜裂缝,箍筋剪断。如图10(b)所示,第2组剪跨比λ=4.25的RC框架柱模型(中柱)也出现与上组试验相同的高角度受剪斜裂缝。由图10(c)可知,第3组剪跨比λ=6的RC框架柱模型(中柱)呈弯曲破坏模式,其破坏特征是柱上下端出现环状裂缝,混凝土剥落,尤其是梁柱节点处;原因是此处弯矩最大,往复加载过程中产生的位移也最大。

图10 RC框架柱发生剪切破坏Fig.10 Shear failure of RC frame column

3.2 滞回曲线和骨架曲线

剪跨比λ=3的RC框架柱模型拟静力试验加载图如图11所示。另外2组(剪跨比λ=4.25和λ=6)的拟静力试验加载图与之基本相同,此处不再赘述。采用加载频率为0.05 Hz的3次往复加载方式,依次进行10个工况(0.2 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、2 mm、3 mm、4 mm、6 mm、8 mm、12 mm)的变幅加载,先得到反映RC框架柱模型力与位移变化关系的滞回曲线,如图12(a)所示。在此基础上,将各级加载中第一次循环荷载峰值的包络连线就可得到骨架曲线。3组平面框架拟静力试验的骨架曲线如图12(b)所示。

图11 平面框架拟静力试验(λ=3)Fig.11 Plane frame quasi-static test (λ=3)

由图12(b)可知,对于剪跨比λ=3的RC框架柱模型,初始阶段力与位移呈线性关系;当加载位移增加到6 mm时,极限荷载Qu=72.04 kN。对于剪跨比λ=4.25的RC框架柱模型,随着加载位移的增加,RC框架柱刚度逐渐降低;当试验加载到8 mm时,结构所受的剪力达到最大值,极限荷载Qu为28.84 kN。对于剪跨比λ=6的RC框架柱模型,前三个工况(0.2 mm、0.4 mm和0.8 mm)的骨架曲线呈直线,斜率相近,说明RC框架柱处于弹性阶段,刚度退化较小;当试验加载到30 mm时,极限荷载Qu=27.19 kN。每组拟静力试验中8根RC柱的总轴力N为180 kN。由RC框架柱抗剪承载力与轴力之比可以得到一个无量纲系数:

图12 滞回曲线和骨架曲线Fig.12 Hysteretic curves and skeleton curves

(1)

式中:α为无量纲系数,反映RC框架柱的抗震能力,定义为抗震性能系数;Qu为抗剪承载力;N为轴力。

3.3 基于抗震性能系数α的RC框架柱的破坏规律

3组拟静力试验对应的α-λ结果列于表3。由表3和前述的宏观现象可知:当柱剪跨比λ为3,RC框架柱发生剪切破坏,此时的抗震性能系数α为0.40;当柱剪跨比λ为4.25,RC框架柱发生剪切破坏,此时的抗震性能系数α为0.16;当柱剪跨比λ为6,RC框架柱发生弯曲破坏,而此时的抗震性能系数α为0.15。因此,我们提出基于抗震能力系数α的RC框架柱的破坏规律,即当抗震性能系数α<0.16时,RC框架柱发生弯曲破坏,当α≥0.16时,RC框架柱发生剪切破坏。在以后的RC框架柱的抗震设计中应把握抗震性能系数α的取值,避免柱发生剪切脆性破坏。