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(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西南寧 530004；3.廣西工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點實驗室， 廣西南寧530004)

在鋼筋混凝土矩形截面柱的抗震性能研究中，針對承受壓彎剪內(nèi)力組合的研究居多[1-6]，同時考慮受扭的研究尚未多見。在實際工程中，常出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)布置，在水平地震作用下，處于不利受力位置的鋼筋混凝土柱除了承受壓彎剪內(nèi)力外，還可能承受扭矩作用[7-8]，從而形成由壓彎剪扭組合的較復(fù)雜受力狀態(tài)。已有研究表明，扭矩的存在會降低柱延性受力性能[9-10]，因此，地震荷載作用下扭矩的存在會使柱的抗震性能更趨復(fù)雜，其破壞機(jī)理及破壞形態(tài)，影響因素等尚未清楚，現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范要求對不規(guī)則結(jié)構(gòu)在平面整體層面進(jìn)行考慮受扭的結(jié)構(gòu)抗震驗算[11]，尚未能在構(gòu)件層面考慮扭矩組合作用的影響，構(gòu)件截面驗算內(nèi)力仍為壓彎剪組合，因此，開展鋼筋混凝土柱在壓彎剪扭復(fù)雜受力狀態(tài)下的抗震性能研究，揭示其破壞機(jī)理及影響因素，為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供更多的理論依據(jù)是很有必要的?；谏鲜稣J(rèn)識，本文對壓彎剪扭復(fù)雜受力下的鋼筋混凝土矩形柱進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗，考慮扭轉(zhuǎn)偏心矩、軸壓比及體積配箍率的影響，研究壓彎剪扭復(fù)合作用下鋼筋混凝土矩形柱的抗震性能。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

考慮軸壓比、體積配箍率和扭轉(zhuǎn)偏心距三個試驗參數(shù)影響，并按1∶3比例設(shè)計制作4個鋼筋混凝土矩形柱模型。試件設(shè)計參數(shù)見表1，試件具體尺寸及配筋情況如圖1?；炷猎O(shè)計強(qiáng)度等級為C40，試件制作后實測混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為42.9 MPa，彈性模量為3.3×104MPa。試件縱向鋼筋全部采用HRB335，箍筋采用HPB235，鋼筋的力學(xué)性能試驗結(jié)果如表2。

表1 試件設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of specimens

(a) RC-1、RC-2 (b) RC-3 (c) RC-4

圖1 試件尺寸及配筋圖(單位：mm)Fig.1 Dimensions and reinforcement drawings of specimens

1.2 試驗裝置及加載方案

試驗加載裝置如圖2，水平荷載P和豎向荷載分別由電液伺服協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)和液壓千斤頂施加，電液伺服作動器出力量程為0～±500 kN，位移行程0～±200 mm，液壓千斤頂規(guī)格為1 500 kN。試件底座用反力梁通過螺桿與地槽實現(xiàn)固接，在千斤頂和反力架間設(shè)有滾軸，以此模擬柱上端鉸接。底座加載方向側(cè)面安裝一個位移傳感器，監(jiān)測試驗過程中試件底座是否出現(xiàn)水平位移；柱上端中心處安裝一個位移傳感器，用于測量柱頂水平位移Δ。

試驗施加的豎向荷載由設(shè)計軸壓比換算成試驗軸壓比后得到[12]，水平荷載采用先力控后位控混合控制的加載方式。力控階段按每級5 kN分級加載，加載至試件屈服，記下此時對應(yīng)的屈服位移Δy，位控階段按屈服位移Δy的整數(shù)倍(1Δy、2Δy、3Δy…….)進(jìn)行加載，每倍位移循環(huán)3次，加載制度如圖3所示，當(dāng)水平荷載從峰值下降至其85 %時，終止加載。

圖2加載裝置圖
Fig.2Figureofloadingdevice

圖3加載制度
Fig.3LoadingSchemes

2 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

2.1 力控階段

各試件裂縫分布圖如圖4，隨著水平推力的不斷增大，RC-1、RC-2、RC-3均在距柱底部10 cm左右的地方出現(xiàn)了第一條裂縫，裂縫稍為斜向，原因顯然是由于扭轉(zhuǎn)偏心距的影響，之后在距柱底10 cm到50 cm之間相繼出現(xiàn)第二條斜裂縫、第三條斜裂縫……，其中RC-1與 RC-3的第一條裂縫開裂部位相似，說明配箍率對前期的開裂影響不大；RC-2較RC-1開裂晚，表明軸壓比較大時可提高開裂荷載，正反面裂縫均為斜向分布，側(cè)面為V形交叉裂縫；RC-4沒有扭轉(zhuǎn)偏心距，裂縫均為水平裂縫，第一條裂縫出現(xiàn)在距柱底部20 cm左右的地方。

(a) 試件RC-1(b) 試件RC-2(c) 試件RC-3(d) 試件RC-4

2.2 位控階段

1Δy時，沒有出現(xiàn)新裂縫，裂縫只在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸，2Δy到4Δy時在距柱子底部10 cm到50 cm的地方出現(xiàn)與水平線夾角小于45°的螺旋狀斜裂縫，RC-1、RC-2在5Δy時，兩側(cè)面出現(xiàn)兩條交叉的主斜裂縫，繼續(xù)加載直到承載力下降到極限荷載的85 %，試件四角的混凝土嚴(yán)重剝落露出鋼筋，位控階段RC-1、RC-2、RC-3為彎扭型破壞，破壞特征基本相似，彎壓區(qū)混凝土被壓碎。RC-3在7Δy時才出現(xiàn)上述破壞現(xiàn)象，說明提體積高配箍率可以使試件承受更大的變形，延性性能提高。RC-4為彎曲型破壞，6Δy前主要在距柱子底部100 mm到500 mm之間出現(xiàn)大量水平裂縫，在7Δy時，承載力進(jìn)一步下降，彎壓區(qū)混凝土被壓碎，發(fā)生彎曲破壞。破壞形態(tài)如圖5。

(a) 試件RC-1(b) 試件RC-2(c) 試件RC-3(d) 試件RC-4

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 滯回曲線

試件RC-1～ RC-4的滯回曲線如圖6所示。從圖中可看出，無扭轉(zhuǎn)偏心距的試件RC-4的變形能力和耗能能力較好，滯回環(huán)外包面積較大，抗震性能明顯高于存在扭轉(zhuǎn)偏心距的RC-1，軸壓比大的試件RC-2的滯回曲線較RC-1陡，荷載下降快，滯回環(huán)數(shù)量少，有“捏攏”的跡象，抗震性能不如RC-1；而配箍率高的試件RC-3，其滯回曲線較為豐滿，最大位移超過30 mm，極限變形能力比較大，抗震性能優(yōu)于配箍率低的RC-1。

3.2 骨架曲線

為便于比較，將各試件的骨架曲線繪于同一坐標(biāo)系，如圖7，從圖中可以看出，各試件都經(jīng)歷了彈性、彈塑性、極限破壞三個階段。比較RC-1和RC-4，體積配箍率和軸壓比一致情況下，RC-1由于存在扭轉(zhuǎn)偏心距，骨架曲線比RC-4較短，下降段較陡，說明其延性變差；比較RC-1和RC-2，在相同扭轉(zhuǎn)偏心距和體積配箍率下，軸壓比較大的RC-2的骨架曲線短，下降段陡峭，說明延性較差；比較RC-1和RC-3，扭轉(zhuǎn)偏心距和軸壓比兩者相同時，RC-3的體積配箍率較高，骨架曲線下降平緩，延性較好，RC-3的骨架曲線與無扭轉(zhuǎn)偏心距RC-4較接近，說明提高體積配箍率，可有效提高在壓彎剪扭復(fù)合作用下柱的延性。

3.3 基本特征指標(biāo)

圖7 骨架曲線Fig.7 Skeleton curves

延性是指構(gòu)件在荷載作用下屈服后至破壞前這一階段的非彈性變形能力，可用延性系數(shù)μu來表示[13-14]，μu=Δy/Δu，其中Δy是由能量等效法求得的屈服點所對應(yīng)的位移，Δu是試件承載力下降到峰值荷載85 %時破壞點對應(yīng)的位移，μu值越大，構(gòu)件延性越好。各試件骨架曲線特征點試驗值以及延性系數(shù)如表3所示，其中Py是屈服荷載，Pmax是峰值荷載，Pu是破壞荷載，Δmax是峰值荷載對應(yīng)的水平位移。

由表3可知，RC-2的屈服荷載略高于RC-1，屈服位移和破壞位移比RC-1低，平均延性系數(shù)比RC-1低12.95 %，說明軸壓比的增大可以提高試件的屈服荷載，但加快了試件的破壞，延性性能下降；RC-1與RC-4相比，平均延性系數(shù)下降了20.38 %，說明扭轉(zhuǎn)的存在會降低柱的延性；RC-3的屈服荷載、峰值荷載、破壞荷載與RC-1相差不大，但破壞位移較RC-1有所提高，平均延性系數(shù)增大14.01 %，表明增加體積配箍率對試件的承載力影響不大，但可改善其延性，延緩結(jié)構(gòu)破壞。

表3 試件特征點試驗值及延性系數(shù)Tab.3 Characteristic points of specimens and ductility coefficients

3.4 耗能能力分析

結(jié)構(gòu)在發(fā)生塑性變形時吸收的能量大小稱為結(jié)構(gòu)的耗能能力，一般可用等效黏滯阻尼系數(shù)來表示[15-16]，4個構(gòu)件各級位移的第一個循環(huán)等效黏滯阻尼系數(shù)見表4，其變化如圖8。

表4 等效黏滯阻尼系數(shù)heTab.4 Equivalent viscous damping coefficients he

圖8等效黏滯阻尼系數(shù)變化圖
Fig.8Diagramofequivalentviscousdampingcoefficients

有扭轉(zhuǎn)偏心的RC-1變化曲線位于無扭轉(zhuǎn)偏心RC-4的下方，說明扭轉(zhuǎn)偏心距的存在使柱的耗能能力降低；RC-3的變化曲線在RC-1上方，說明扭轉(zhuǎn)偏心距和軸壓比相同時，加密箍筋可提高有扭轉(zhuǎn)偏心矩試件的耗能能力；RC-2的等效黏滯阻尼系數(shù)變化曲線在RC-1下方；表明在相同扭轉(zhuǎn)偏心距和體積配箍率下，軸壓比越大耗能能力越低。

3.5 剛度退化

結(jié)構(gòu)在同一位移幅值的反復(fù)循環(huán)作用下，結(jié)構(gòu)的損傷不斷累積，比如混凝土脫落、裂縫延伸等，使構(gòu)件剛度隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加而不斷的減小，這種現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)的剛度退化，是反映結(jié)構(gòu)抗震性能的一個重要指標(biāo)，可采用平均環(huán)線折算剛度K來表示[17]，4個試件每級位移的平均環(huán)線折算剛度如表5，剛度退化曲線如圖9。

表5 試件平均折算剛度KTab.5 Circular rigidity of specimens kN/mm

圖9 剛度退化曲線Fig.9 Rigidity degradation curves

從圖中可以看出試件的正向和反向剛度不對稱，主要是由于先加載的方向剛度首先出現(xiàn)損傷以及鋼材的包辛格效應(yīng)。加載初期，結(jié)構(gòu)的剛度退化較快，后期結(jié)構(gòu)的剛度退化速度減緩。

比較RC-1和RC-4，RC-1的后期剛度下降速度較快，說明扭轉(zhuǎn)偏心矩的存在會使柱的剛度退化加快；對比RC-1和RC-3，RC-3的后期下降速度較慢，說明提高體積配箍率，可以更好地約束核心混凝土，使得剛度退化速度變緩；對比RC-1和RC-2，軸壓比的增大同樣可加快有扭轉(zhuǎn)偏心矩試件的剛度退化速度。

4 結(jié)論

① 扭轉(zhuǎn)偏心矩的存在，使鋼筋混凝土矩形截面柱在地震作用下的破壞形態(tài)與無扭轉(zhuǎn)偏心矩的不同，具有扭轉(zhuǎn)受力的特征。

② 相同條件下，存在扭轉(zhuǎn)偏心矩的鋼筋混凝土矩形截面柱的滯回環(huán)面積變小，延性系數(shù)降低，耗能能力下降，剛度退化速度加快，抗震性能明顯下降。

③ 提高體積配箍率能明顯改善具有扭轉(zhuǎn)偏心矩試件的延性系數(shù)、耗能能力和剛度退化，可作為提高具有扭轉(zhuǎn)偏心矩柱抗震性能的有效措施。

④ 軸壓比對具有扭轉(zhuǎn)偏心距試件的影響與沒有扭轉(zhuǎn)偏心距試件的相似，軸壓比大的試件屈服荷載有所提高，但滯回環(huán)數(shù)量少，骨架曲線下降陡峭，延性和耗能能力降低，剛度退化加快，抗震設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格控制軸壓比。