多维动力加载条件下钢筋混凝土柱力学性能的研究

王德斌, 范国玺， 张　皓

(1.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连　116028； 2.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛　266100； 3.沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳　110168)



多维动力加载条件下钢筋混凝土柱力学性能的研究

王德斌1, 范国玺2， 张皓3

(1.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连116028； 2.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛266100； 3.沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳110168)

摘要：通过钢筋混凝土柱在多维动力加载下的试验，研究了钢筋混凝土柱在不同加载速率下的动态力学性能。试验结果表明：加载速率的提高会有效提高构件的承载能力；随加载速率的提高，构件的刚度退化、强度退化和损伤进程均有不同程度的增强；双向加载及变轴力加载受加载速率的影响更为显著；构件发生破坏的区域更加局部化；构件的延性和变形能力有所降低，在双向加载并伴随有轴力变化的加载条件下表现尤为明显。

关键词：钢筋混凝土柱；加载速率；双向加载；延性；破坏模式

地震荷载作用形式是极其复杂的，其作用于某一钢筋混凝土构件不仅要反应地震动的多维性同时也要能够反应其显著的动力特性，只有这样才能充分反应钢筋混凝土构件在真实地震荷载作用下的力学性能。

根据地震动的多维性，国内外学者主要研究了钢筋混凝土构件在双向加载及变轴力加载条件下的力学性能。Otani等[1-5]通过对钢筋混凝土柱进行双向复合加载作用下的试验研究发现：① 双向加载会加剧构件的刚度退化、强度退化进程；② 由于双向加载的偶联作用，使构件的延性及变性能力明显降低；③ 加载路径对构件的承载能力、破坏过程均会产生显著影响。Abrams等[6-9]对钢筋混凝土柱进行了变轴力加载作用下的试验研究，得到的结论主要表现在：① 变轴力加载导致荷载-位移曲线存在明显的不对称现象；② 随着加载周数的增加，变轴力在构件的强度退化、刚度退化和损伤进程方面影响增强；③ 构件的耗能能力也会有所下降。

考虑到地震荷载的动力特性，近些年来，学者们在钢筋混凝土构件动态力学性能方面也做了大量的研究。Mutsuyoshi等[10]试验研究了混凝土柱在不同加载速率下的力学性能。结果表明，构件的屈服承载力、极限承载力和初始刚度均随加载速率的增加而增加。构件承载力受加载速率的影响主要体现在加载初期，随着荷载的继续增加，加载速率对构件承载力的影响逐渐降低；而在加载后期，位移曲线与钢筋曲线基本保持一致，且在位移转折点处钢筋应变率为零。在破坏模式方面，Mutsuyoshi的试验结果表明构件在静力加载条件下产生弯曲破坏而在快速加载条件下则产生剪切破坏，Kulkarni等[11]通过试验得到了相反的结论。Otani等[12]通过试验研究了不同加载速率下构件的力学性能，试验结果表明：在动力加载条件下，构件的承载力比静载时提高7%～20%；其中一组构件由静载时的弯曲破坏转变为动载时的剪切破坏；不论受弯承载力还是受剪承载力在快速加载时均有不同程度的提升，其中，受弯承载力提升较多，总的来说快速加载时构件延性下降。陈俊名等[13-16]通过试验和数值模拟对钢筋混凝土构件的力学性能进行了研究，其结论基本与国外学者得到的结论是一致的。李敏等[19]利用大型动三轴试验设备对钢筋混凝土梁进行了不同加载速率下的试验研究，结果表明，梁的承载能力随加载速率的提高而提高；混凝土材料的强度与构件承载能力提高的程度成反比；随着加载速率的增加，构件的刚度退化速度加快，延性也随之降低。

上述试验研究的均是简单动力荷载作用下钢筋混凝土梁、柱的力学性能或者是多维静力加载条件下构件的力学性能，并没有综合考虑实际地震过程中地震动的多维性和动力特性，因此有必要综合考虑地震动的多维性及其动力特性，研究钢筋混凝土构件在多维动力加载条件下的力学性能。

1构件动力加载试验

1.1构件设计

试验过程中，共设计了4组钢筋混凝土柱式构件，每组均包含两根材料、几何尺寸完全相同的钢筋混凝土柱，其编号分别取为S1，D1，S2，D2，S3，D3，S4，D4(S代表静力加载，D代表动力加载)。各组构件的横截面尺寸均为200 mm×200 mm，保护层厚度为15 mm。纵筋强度等级HRB335，强度为343.4 MPa；箍筋强度等级HPB235，强度为414.3 MPa。构件的详细几何尺寸见图1，各参数取值见表1，混凝土配合比见表2。

图1　构件几何尺寸及配筋示意图(mm)Fig.1 Dimensions and reinforcement of the RC column(mm)

构件编号混凝土强度/MPa纵筋强度/MPa轴压比配筋率/%箍筋间距/mm剪跨比S1/D1S2/D2S3/D3S4/D426.2426.2426.2426.24343.4343.4343.4343.40.0950.0950.0950.0952.262.262.262.26505050504.34.32.82.8

表2　混凝土配合比

1.2试验装置介绍

本次试验在大连理工大学结构大厅完成。加载装置主要由两个水平作动器FCS和一个轴力加载装置MTS组成，见图2(a)。为保证两个水平加载方向在加载过程中互不干扰，在水平作动器支架上放置自由滑动的滚轴以保证水平作动器能够左右自由滑动，见图2(b)。同时，为了能够让轴力进行稳定的传递，自行设计了轴力加载装置，其主要有三部分构成：① 上部是直径为600 mm的高强刚性圆盘，固定于轴向作动器底端；② 中间设计成直径为400 mm的普通圆盘，其内部钻有一定数量圆孔并放置高强刚性滚珠，使其能够自由滑动；③ 下部是直径400 mm的高强刚性圆盘，与构件顶端通过球铰连接, 见图2(c)。此装置可有效传递垂向MTS施加于构件顶端的轴力，并保证下部刚性圆盘在上部刚性圆盘范围内进行自由滑动。应变片除粘贴于构件塑性铰区域的纵筋和箍筋外，在构件中部及上部的纵筋也进行了应变片粘贴，通过NI-DAQ数据采集系统对钢筋应变、构件顶点位移进行同步采集。

图2　试验装置图Fig.2 Loading setup

1.3加载方案介绍

试验过程中，采用位移控制的加载模式。构件S1/D1采用单向往复加载，其余构件均采用双向往复加载。以5 mm作为位移加载初始值，位移加载增量也取为5 mm，各幅值均往复加载3周，直至构件发生破坏。试验过程中共采用两种加载速率，其中静力加载(S1、S2、S3、S4)取为0.2 mm/s,动力加载(D1、D2、D3、D4)取为50 mm/s，加载过程中保持加载速率恒定。变轴力加载过程中，轴力变化与水平位移幅值的变化保持一致，即：同时达到最大值、最小值。各组构件的详细加载方案见表3。

表3　加载路径

2试验结果分析

通常对钢筋混凝土构件力学性能的分析，主要从承载力、刚度退化、强度退化、损伤、耗能、变形能力以及破坏形式等方面进行研究。

2.1骨架曲线及主要试验结果

通过整理试验结果可以得到各组构件的荷载-位移骨架曲线，见图3，其能够很好的反映构件在整个试验过程中的破坏过程。同时，本文对试验数据进行分析给出了能够反映构件力学性能的主要数据，见表4。

图3　骨架曲线Fig.3. Skeleton curves

从骨架曲线的对比情况可以看出，动力加载条件下构件的承载能力均有不同程度提高，其增长最大值可达15.4%(S2/D2-Y方向)，在整个骨架曲线的变化过程中，承载力的增长幅度在加载初期表现更为显著。荷载值达到峰值点后，加载速率对构件承载力的影响程度减弱，这主要体现在加载后期，静载时的承载力值往往高于动载条件下的承载力值，并且动载时的骨架曲线提前达到构件的破坏点(即极限承载力下降20%所对应的位置)。通过观察骨架曲线由峰值点到破坏点之间的软化台阶发现，动载时的软化台阶缩短，两点间的斜率急剧下降，由此可知，构件的变形能力也将随之下降，构件有向脆性破坏发展的趋势，这与Bertero等[17]得到的试验结论是一致的。另外，通过对比该现象受加载速率的影响状况发现：双向加载受加载速率的影响要高于单向加载(S1/D1-S2/D2)；变轴力加载相较于定轴力加载受加载速率影响更为明显(S3/D3-S4/D4)；综合考虑构件的变形和承载力变化状况可知，低剪跨比构件受加载速率影响要低于高剪跨比试件(S2/D2-S3/D3)。

表4　试验结果

表4给出了有关构件力学性能的主要结果，从中可以看出，不论单向加载还是双向加载构件的屈服承载力和极限承载力均不同程度提高，且屈服承载力提高幅度更大，在变轴力加载(S 4/D4-X方向)条件下，屈服承载力增加值高达29.9%，而极限承载力的增加值均局限于16%以内，该结论可以通过钢筋屈服强度的应变率敏感性高于极限强度的应变率敏感性[18-19]来解释。除构件S3/D3在Y方向的延性有所提高外，其余各构件的延性均随着加载速率的增加而降低，这与骨架曲线所给出的现象是一致的。同时，构件的初始刚度也随着加载速率的增加显著提高，其中，第四组构件的初始刚度变化最大，在Y方向增长幅度达19.3%。构件的延性也随加载速率发生明显变化，构件(S2/D2)延性在两个水平加载方向分别降低12.3%和15.38%，而单向加载条件下的构件(S1/D1)其延性仅降低3.54%。可见，双向加载会增强构件的率敏感性，且其塑性变形能力也会随之下降。

2.2滞回曲线及轴力变化曲线

通过对不同加载速率下的各组构件滞回曲线(图4)进行对比，可以看到，动力加载相较于静力加载，构件滞回曲线的形状基本没有变化，捏缩现象略有增强。综合分析各组构件的骨架曲线及滞回曲线可知，构件的强度退化、刚度退化过程均随着加载速率的增加有增强的趋势，相应的，其破坏进程也会显著加速，其中，变轴力加载工况体现最为明显，受加载速率影响也就最为显著。

另外，通过对试验数据进行分析发现，构件在每级加载的第一周承载力受加载速率影响最为显著，而加载的第二、三周有所下降。相似的结论，也可以在X与Y方向的加载过程中发现，即先加载的X方向承载力增长情况受加载速率的影响更为显著。究其原因可以理解为随着钢筋的逐渐软化，其受加载速率的影响逐渐降低，同时，混凝土在加载过程中不断开裂，其受加载速率的影响也在逐渐降低。

对于变轴力加载工况，可以看出，变轴力加载工况其滞回曲线存在一定程度的非对称性，这在Y方向表现尤为明显，整个曲线的变化过程受加载速率影响也更加显著。本文也给出了试验测得的轴力随时间变化曲线(图5),通过分析可知，在加载初期轴力变化还是较为稳定的，直至加载后期，动力加载条件下的构件逐渐失稳，此时已很难有效的对轴力进行控制并施加于构件顶端，这也直接说明对于变轴力加载构件来说，加载速率的提升会导致构件提前发生破坏。

2.3累计耗能

构件各级位移幅值下对应的滞回环面积总和称为累计耗能。本文对应单向加载和双向加载累计耗能的计算方法分别如下式，即单向加载累计耗能采用最常见的表达式，双向加载的累计耗能则为两个加载方向的耗能之和[4]。

Ex=∫Fxdx

(1)

Ey=∫Fydx

(2)

E=Ex+Ey

(3)

式中，F为试验测得的荷载值；x,y分别为加载过程中两个水平加载方向的位移值；Ex、Ey、E分别为X,Y加载方向的累计耗能和两个方向总的耗能。

图4　滞回曲线Fig.4 Hysteresis curves

图5　轴力变化曲线Fig.5 Axial force curves

根据上述计算方法得到各组构件的累计耗能随加载周数的变化曲线见图6。可以看到，随着加载速率的提高，构件的累计耗能均有所提高，相较于双向加载，单向加载提升的比例更高。但是从数值上看累计耗能的增加程度非常有限，甚至可以忽略不计，这与Kulkarni等[11]得到的结论是一致的。

2.4破坏模式分析

作者通过对不同加载速率下各构件的破坏过程、破坏模式和钢筋应变数据进行分析发现：① 动力加载条件下混凝土脱落、压碎的区域更加局部化，也就是说构件的破坏区域更加有限；② 动力加载条件下，底部塑性铰区域纵筋应变幅度最大，并随着纵筋距构件底部距离的增加应变幅度逐渐减小，同时，除构件底部纵筋应变幅度大于静力加载外，中、上部钢筋的应变幅度均小于静力加载。这也间接说明，动力加载条件下构件的变形区域缩小，变形能力也自然随之降低(见图7)。

图6　累计耗能Fig.6 Energy absorption

图7　破坏模式试验结果Fig.7 Failure mode in test

综上所述：静力加载条件下构件内部混凝土与钢筋间的黏结滑移在时间及空间上传递的更加充分，这样可以充分保证黏结滑移和力的传递能够在构件内部更为薄弱的基质内展开。而随着加载速率的提高，由于在空间和时间上均受到一定程度的限制，使力的传递和粘结滑移发生在更短的路径范围内，这样才能减少能量的更多消耗，相应地，通过构件内部基质强度较高及黏结强度较高区域的概率随之增加，这在宏观上即表现为承载力的提高及破坏区域的缩小。

3结论

基于对上述试验结果的介绍和研究分析，从钢筋混凝土柱受荷的多维性及动力特性出发，可以得出如下结论：

(1) 钢筋混凝土构件随加载速率的增加其加载各阶段的承载力均有不同程度的提高，且加载初期受加载速率的 影响最为显著；

(2) 随着加载速率的增加，构件的强度退化、刚度退化加剧，变形能力下降，耗能能力略有提高；

(3) 双向加载对加载速率的敏感性相较于单向加载有所增强，变轴力加载则表现更为显著；

(4) 动力加载条件下，混凝土脱落、压碎的区域更加有限，钢筋变形更为集中与塑性铰区域内，也就是动力加载构件破坏区域更加局部化。

参 考 文 献

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Dynamic behaviors of reinforced concrete columns under multi-dimensional dynamic loadings

WANGDe-bin1,FANGuo-xi2,ZHANGHao3

(1. School of Civil and Safety Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China;2. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;3. Civil Engineering College, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Abstract:The dynamic behaviors of reinforced concrete (RC) columns under multi-dimensional dynamic loadings were investigated here. The test results showed that the load-bearing capacity of RC columns can be enhanced with increase in loading rate; their stiffness degradation, strength degradation and damage significantly increase with increase in loading rate; the effects of loading rate under bi-directional loading and varying axial loading on RC columns are more obvious; with increase in loading rate, the damage region distribution is more localized; the ductility and deformation capacity of RC columns decrease obviously with increase in loading rate, especially, under bi-directional loading with varying axial load.

Key words:RC column; loading rate; bi-directional loading; ductility; failure mode

中图分类号:TU375；TU528.571

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.006

通信作者范国玺 男，博士，讲师，1987年生

收稿日期：2015-05-22修改稿收到日期：2015-07-19

基金项目：国家自然科学青年基金(51408093;51308356)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2015098)；沈阳市科技计划项目(F13-158-9-00)

第一作者 王德斌 男，博士，讲师，1984年生