由 堯

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著建筑材料的開發(fā)和建筑結(jié)構(gòu)形式的不斷演變,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為我國(guó)建筑的主要結(jié)構(gòu)形式,在我國(guó)近年來(lái)地震頻發(fā)的背景下,如何加強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抵御地震所帶來(lái)的危害的能力已成為建筑行業(yè)科研工作者共同關(guān)注的話題。為了減少地震對(duì)人民生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的損失,從建筑材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā),開發(fā)出具有高抗震性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行[1]。對(duì)于鋼混結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),影響整體結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵部位在混凝土柱部位。已有的試驗(yàn)結(jié)果表明,地震發(fā)生過(guò)程中混凝土柱會(huì)發(fā)生表層剝落以及鋼材屈曲等現(xiàn)象[2],因此,需要從提升混凝土柱抗震性能的角度去開發(fā)新的建筑材料和進(jìn)行新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雖然近年來(lái)建筑行業(yè)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上已經(jīng)取得了較快的進(jìn)展,如開發(fā)出不同的箍筋形式去約束混凝土、提高水泥強(qiáng)度和改變配合比設(shè)計(jì)等[3-4],但是這些固有方案都無(wú)法改變混凝土自身脆性的問(wèn)題,而箍筋可以對(duì)混凝土起到較好的約束作用,增加整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延性[5]。目前,國(guó)內(nèi)外在鋼筋約束混凝土的研究和應(yīng)用上,還多采用普通熱軋鋼筋(強(qiáng)度通常在400 MPa左右)[6],在我國(guó)建筑鋼材產(chǎn)量和消耗量居于世界前列的背景下,目前鋼混結(jié)構(gòu)使用的鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)顯然與鋼筋的生產(chǎn)能力與技術(shù)嚴(yán)重不符,雖然國(guó)內(nèi)較多鋼材生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)可以生產(chǎn)出強(qiáng)度1 000 MPa以上的鋼筋原材,但就產(chǎn)量和技術(shù)水平與日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大[7],相較而言,我國(guó)的鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用仍然處于一個(gè)較低水平,有關(guān)行業(yè)單位及部門尚未意識(shí)到高強(qiáng)箍筋的潛在作用,對(duì)其應(yīng)用與推廣不夠積極。在此基礎(chǔ)上,為了充分利用我國(guó)現(xiàn)有鋼鐵生產(chǎn)能力以及發(fā)揮高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能,本文對(duì)比分析了普通鋼筋和高強(qiáng)鋼筋對(duì)于鋼筋混凝土柱抗震性能的差異,結(jié)果將有助于高強(qiáng)建筑鋼材在鋼混結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用。

1 材料與試件制作

試驗(yàn)材料包括唐山水泥公司提供的強(qiáng)度等級(jí)PO 42.5的硅酸鹽水泥,江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司提供的熱軋箍筋(強(qiáng)度400 MPa,直徑6～8 mm)、調(diào)質(zhì)熱處理箍筋(1 100 MPa,直徑5～6 mm)和熱軋帶肋縱向鋼筋(強(qiáng)度400 MPa,直徑12 mm)。

高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土柱的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。其中,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度=59.2 MPa、剪跨比=1.4、軸壓比=0.5,A1、B1和C1試件為普通箍筋混凝土柱,B1、B2和B3試件為高強(qiáng)箍筋混凝土柱,所有試件的縱筋(直徑12 mm)均為12根(配筋率2.36%)、箍筋形式均為螺旋箍,高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土柱的保護(hù)層厚度統(tǒng)一設(shè)計(jì)為25 mm。6組高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土柱的設(shè)計(jì)主要考慮了間距、配筋率等的影響。

表1 高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of high-strength concrete columns confined by high-strength stirrups

在鋼混結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了6組箍筋約束混凝土試件的制作,具體包括制作捆綁箍筋、混凝土制作、澆注和養(yǎng)護(hù)等步驟,然后對(duì)高強(qiáng)鋼筋混凝土試件進(jìn)行應(yīng)變片粘貼和對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)。采用建研式加載設(shè)備對(duì)6組試件進(jìn)行加載,加載裝置示意圖如圖1。采用荷載和位移兩種模式進(jìn)行加載[8],其中,前者對(duì)應(yīng)于屈服前的加載階段,后者對(duì)應(yīng)于屈服后的加載,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)整體試件的承載力降低至峰值載荷1/2以下時(shí)停止試驗(yàn)。應(yīng)變片的設(shè)置示意圖如圖2,其中,所有的數(shù)據(jù)都采用TDS-540型靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行收集,截面形貌中可見每組試件設(shè)置有10個(gè)應(yīng)變片,前6個(gè)為縱筋應(yīng)變片,后4個(gè)為箍筋應(yīng)變片。

圖1 6組箍筋約束混凝土試件的加載裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading device of 6 groups of concrete specimens confined by stirrups

圖2 6組箍筋約束混凝土試件的應(yīng)變片布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of arrangement of strain gauge of 6 groups of concrete specimens confined by stirrups

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 破壞形態(tài)

圖3為高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的破壞形態(tài),包括普通箍筋約束混凝土和高強(qiáng)箍筋約束混凝土。對(duì)比分析可知,在相同的加載制度下,不同配筋率和箍筋間距的普通箍筋約束混凝土和高強(qiáng)箍筋約束混凝土柱都發(fā)生了剪切破壞,最終破壞過(guò)程都相似。按照加載方式對(duì)6組鋼筋混凝土試件的破壞過(guò)程進(jìn)行分析,在第一個(gè)加載階段,即屈服前的荷載控制加載階段,所有試件在開始承受載荷時(shí)都表現(xiàn)為彈性形變特征,隨后的卸載過(guò)程中也未發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土試件有明顯塑性變形,這主要與混凝土為脆性材料有關(guān);隨著加載的進(jìn)行,普通鋼筋混凝土柱和高強(qiáng)鋼筋混凝土柱的東西側(cè)表面都會(huì)首先出現(xiàn)細(xì)小裂紋,而南北側(cè)表面則主要以斜裂紋為主;在反復(fù)作用下,這些裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展和延伸并最終交叉形成“X”型。在第二個(gè)加載階段,即屈服后的位移控制加載階段,6組鋼筋混凝土試件的外表面防護(hù)層會(huì)不同程度地發(fā)生剝落并伴隨著噼里啪啦的響聲;主裂紋位于1/3柱高處,隨著位移控制加載的進(jìn)行,裂紋逐漸擴(kuò)展并連通,循環(huán)加載過(guò)程中主裂紋的寬度會(huì)不斷增加,直至第4周次循環(huán)時(shí)達(dá)到2 mm左右。此時(shí)外表面保護(hù)層已經(jīng)發(fā)生明顯剝落,局部可見內(nèi)部設(shè)置的鋼筋發(fā)生屈曲,整體試件的承載能力很快下降至1/2峰值載荷以下;雖然普通箍筋約束混凝土和高強(qiáng)箍筋約束混凝土都發(fā)生了外側(cè)保護(hù)層剝落以及內(nèi)置鋼筋屈曲現(xiàn)象,但是核心區(qū)域的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)卻未見壓碎,體現(xiàn)出螺旋箍形式對(duì)混凝土的良好約束作用。

圖3 高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of high-strength concrete columns confined by high-strength stirrups

2.2 箍筋約束混凝土柱的承載能力及延性

在對(duì)鋼筋約束混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析時(shí),考察鋼混結(jié)構(gòu)的承載能力和延性是常用的方式,這主要是因?yàn)檠有院玫慕Y(jié)構(gòu)或構(gòu)件可以通過(guò)屈服后的較大變形吸收和耗散地震能量。本文采用位移延性系數(shù)來(lái)分析普通箍筋約束混凝土柱和高強(qiáng)箍筋約束混凝土柱的延性性能,其表達(dá)式為μ=Δu/Δy.式中Δu為構(gòu)件的極限位移,取骨架曲線上荷載下降至峰值荷載的85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移,Δy為構(gòu)件的屈服位移,采用等能量法確定。表2為高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的承載能力與延性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的承載能力與延性指標(biāo)Table 2 Bearing capacity and ductility index of high-strength concrete columns confined by high-strength stirrups

對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言,地震作用下的鋼混結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)越大,相應(yīng)吸收的地震能量會(huì)越多,即保證整體結(jié)構(gòu)雖然會(huì)經(jīng)過(guò)較大的塑性變形,但是不至于造成整體破壞和倒塌,尤其是當(dāng)延性系數(shù)高于3.00時(shí)會(huì)取得較好的抵御地震的作用。通過(guò)表2的高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的承載能力與延性指標(biāo)可見,A2、B2和C2試件的位移延性分別為4.49、4.71和3.88,A1、B1和C1試件的位移延性分別為3.17、3.59和2.67,普通鋼筋約束混凝土試件的位移延性均低于相同配筋率下的高強(qiáng)鋼筋約束試件,可見普通鋼筋約束混凝土試件的位移延性更小,相應(yīng)地抵御地震的作用會(huì)相對(duì)較弱,即高強(qiáng)鋼筋可以發(fā)揮更好的抵御地震的作用[9]。從極限位移角測(cè)試結(jié)果可知,配箍率為1.00%和1.34%時(shí),普通鋼筋約束混凝土試件和高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的極限位移角都滿足GB50011—2016《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)具有抗震設(shè)防能力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)極限位移角都高于1/50的要求,而配箍率為0.85%的C組試件中,只有高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱試件C2的極限位移角高于1/50,而普通鋼筋約束混凝土試件C1的極限位移角小于1/50,不滿足GB50011—2016的要求。由此可見,無(wú)論是普通鋼筋約束混凝土試件還是高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱,其配箍率需要高于1.00%時(shí)才滿足GB50011—2016對(duì)極限位移角的要求,且高強(qiáng)鋼筋約束混凝土的極限位移角都大于普通鋼筋約束混凝土試件,即相同配箍率下高強(qiáng)鋼筋約束混凝土?xí)哂懈玫难有院涂拐鹦阅?。整體而言,采用1 100 MPa鋼筋的約束混凝土柱在低周反復(fù)水平加載試驗(yàn)過(guò)程中體現(xiàn)出了較大的延性系數(shù)和更高的極限位移角,在強(qiáng)震作用下能夠承受更高的塑性變形而吸收更多的地震能量[10-12],保證鋼混結(jié)構(gòu)建筑不破壞倒塌。究其原因,這主要與高強(qiáng)箍筋可以更好地約束混凝土和提升整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能力有關(guān)[13-15]。

2.3 耗能能力分析

由上述高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的承載能力與延性指標(biāo)可知,普通鋼筋約束混凝土試件和高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的配箍率高于1.00%時(shí)才能保證具有良好的抗震性能。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系進(jìn)行分析[16],結(jié)果如圖4。對(duì)比分析可見,當(dāng)配箍率為1.00%時(shí),普通鋼筋約束混凝土試件和高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)都會(huì)隨著位移的增加而增大,但是高強(qiáng)箍筋約束混凝土試件的位移會(huì)更大,且最大等效粘滯阻尼系數(shù)會(huì)較高;當(dāng)配箍率為1.34%時(shí),普通鋼筋約束混凝土試件和高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系曲線與配箍率為1.00%時(shí)相似,即高強(qiáng)箍筋約束混凝土試件的位移和最大等效粘滯阻尼系數(shù)都會(huì)更大。

圖4 相同配箍率下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between equivalent viscous damping coefficient and displacement of reinforced concrete structure at the same stirrup ratio

圖5為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系。其中,配箍率分別為1.00%和1.34%,而箍筋間距均為60 mm。對(duì)比分析可知,在相同箍筋間距下,普通鋼筋約束混凝土試件和高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)都會(huì)隨著位移的增加而增大,但是配箍率更低的高強(qiáng)鋼筋約束混凝土試件的位移會(huì)更大,且最大等效粘滯阻尼系數(shù)會(huì)較高。結(jié)合圖4和圖5的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移的關(guān)系曲線可知,無(wú)論是在相同配箍率還是在相同箍筋間距條件下,高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)都會(huì)高于普通鋼筋約束混凝土試件,即高強(qiáng)箍筋可以相較普通鋼筋更好的發(fā)揮鋼混試件的抗震能力[17-18]。

圖5 不同配箍率下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between equivalent viscous damping coefficient and displacement of reinforced concrete structure at the different stirrup ratio

表3為6組箍筋約束混凝土試件的耗能統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)比分析可知,隨著循環(huán)次數(shù)從1次增加至21次,普通鋼筋約束混凝土柱和高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的位移和耗能都表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢(shì);A2、B2和C2試件的總耗能分別為113 474 J、114 134 J和42 425 J,而A1、B1和C1試件的總耗能分別為27 483 J、60 507 J和31 920 J.可見,在相同配箍率條件下,高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的總耗能會(huì)明顯高于普通鋼筋約束混凝土柱,且A2/A1、B2/B1和C2/C1的比值分別為4.13、1.89和1.33,即當(dāng)配箍率分別為1.00%、1.34%、0.85%時(shí),高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的總耗能分別為普通鋼筋約束混凝土柱的4.13、1.89和1.33倍,進(jìn)一步說(shuō)明采用高強(qiáng)鋼筋替代普通鋼筋作為箍筋使用可以明顯改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耗能能力。

3 結(jié)論

1)雖然普通箍筋約束混凝土和高強(qiáng)箍筋約束混凝土都發(fā)生了外側(cè)保護(hù)層剝落以及內(nèi)置鋼筋屈曲現(xiàn)象,但是核心區(qū)域的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)卻未見壓碎,體現(xiàn)出螺旋箍形式相比矩形箍對(duì)混凝土具有良好約束作用。

2)A2、B2和C2試件的位移延性分別為4.49、4.71和3.88,A1、B1和C1試件的位移延性分別為3.17、3.59和2.67,普通鋼筋約束混凝土試件的位移延性分別低于相同配筋率下的A2、B2和C2試件,可見普通鋼筋約束混凝土試件的位移延性更小。

表3 6組箍筋約束混凝土試件的耗能統(tǒng)計(jì)Table 3 Energy dissipation statistics of 6 groups of concrete specimens confined by stirrups

3)無(wú)論是在相同配箍率還是在相同箍筋間距條件下,高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)都會(huì)高于普通鋼筋約束混凝土試件。

4)無(wú)論是普通鋼筋約束混凝土試件還是高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱,其配箍率需要高于1.00%時(shí)才滿足GB50011—2016對(duì)極限位移角的要求,且高強(qiáng)鋼筋約束混凝土的極限位移角都大于普通鋼筋約束混凝土試件,即相同配箍率下高強(qiáng)鋼筋約束混凝土?xí)哂懈玫难有院涂拐鹦阅堋?/p>

5)在相同配箍率條件下,高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的總耗能會(huì)明顯高于普通鋼筋約束混凝土柱,試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)配箍率分別為1.00%、1.34%、0.85%時(shí),高強(qiáng)鋼筋約束高強(qiáng)混凝土柱的總耗能分別為普通鋼筋約束混凝土柱的4.13、1.89和1.33倍。

6)綜上所述，高強(qiáng)鋼筋約束的構(gòu)件不僅延性好、阻尼系數(shù)得到提高,更重要的是有利于其對(duì)地震能量的吸收,結(jié)構(gòu)的抗震性能得到大幅度提高,增加了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全度,應(yīng)積極推廣與應(yīng)用。