区域约束矩形箍混凝土柱往复荷载作用轴压比限值研究

罗 玚

（兰州工业学院，甘肃 兰州 730050）

区域约束混凝土作为新型结构型式，依靠优于普通约束混凝土的性能，已经应用于实际工程。根据我国抗震设计的基本原则，由于地震发生的偶然性，假如一味追求结构强度以保证中震甚至是大震作用下结构不坏，这将使大量材料在整个寿命期内都处于不能充分发挥作用的状态。所以在这一设计原则指导下，要求我们所设计的工程结构满足规定的延性指标。轴压比的大小直接影响钢筋混凝土框架柱的抗震性能，对钢筋混凝土框架柱的延性起到决定性作用。影响钢筋混凝土框架柱延性的主要因素有轴压比、剪跨比、配箍特征值[2]、纵向钢筋的配筋率及配筋形式，近年来国内外关于轴压比的研究很多，但大多未考虑约束的作用，试验研究中轴压比取值不高。根据对区域约束混凝土柱特点的分析，保证结构可靠度前提下，取用比规范限值高许多的轴压比，为此，本文对两根不同轴压比的矩形箍区域约束混凝土柱进行了反复低周期加载的模型试验，通过对区域约束混凝土框架柱在反复低周期水平荷载作用下的试验，对比分析不同轴压比区域约束混凝土框架柱的抗震性能。

1 试验现象

1.1 配置区域约束矩形箍的混凝土柱试验分析

力循环阶段，在水平力增至60kN 之前试件处于完全弹性状态，当水平荷载达到60kN 时，受拉区下部出现水平向的细而密的弯曲裂缝；当水平荷载加到80kN时，受拉区水平向的弯曲裂缝增多，弯曲裂缝范围逐步扩大，但分布均匀；-100kN时受拉区上部产生水平向的细而密的弯曲裂缝；当水平荷载增至+125kN 时，压区边缘部位纵向钢筋屈服，此时构件水平位移为22.00mm，力循环阶段结束，位移循环开始，取屈服位移Δ的倍数进行加载；2Δ循环内，+2Δ时候，混凝土内部发出开裂声，侧面开始出现裂缝；继续加载，横向弯曲裂缝加宽，压区混凝土内部有响声，不断出现竖向裂缝，侧面有斜剪裂缝出现；3Δ循环内，压区混凝土保护层压崩，且同在+3Δ、-3Δ出现斜裂缝，保护层开始脱落；4Δ循环，+4Δ时压区角部纵筋屈服，继而受压区钢筋全部屈服，但箍筋并无明显变形。在4Δ第三个循环的时候，核心约束区以外混凝土压碎崩落现象严重，且纵向钢筋开始断裂；5Δ循环，另一侧纵筋断裂，试验结束。试验最后破坏形态，箍筋无明显变形，只有一个方向的斜裂缝，试件侧面未出现斜剪裂缝，塑性铰区范围较小，可以判断，RCC-1A 在力循环阶段，最大变形为22.00mm，屈服荷载为124kN，位移循环阶段极限荷载为162.61kN，最大变形为65.97mm。

1.2 试件试验现象

力循环阶段加载至+80kN 之前的循环中，试件基本处于弹性工作状态，卸载后基本无残余变形；加载至85kN 时，受拉区出现第一条弯曲裂缝；继续加载，已有裂缝不断加宽，新的裂缝不断出现；正方向在100kN 加载循环，纵向钢筋并没有屈服；RCC-1B 在力循环阶段，最大变形为15.76mm，水平力为+180kN；随后以Δ=16mm 的倍数进入位移控制加载，每级循环三次；在进入第一次循环的途中，混凝土横裂缝骤然增长增宽，位移至26.23mm 时出现最大水平力231.8kN，此时受压纵筋屈服，并且伴随着出现受拉区横向裂缝贯通，此后循环中刚度退化严重；在3Δ阶段中，保护层开始大量脱落，试件中间扩大部分的上下端侧面均出现“X”形交叉裂缝；至4Δ阶段第三循环负方向，受拉区角部一根钢筋拉断；至5Δ阶段第一循环正方向过程中，压区钢筋全部断裂，此时认为试件已破坏，加载停止，试件丧失承载力后，角部箍筋外鼓，角部钢筋笼中的混凝土掏空；位移循环阶段屈服荷载为231.8kN，最大变形为78.85mm。

2 破坏形态分析

纵观本次试验中2 根试件，其整个破坏过程有如下规律：在水平力达到约0.3～0.4 倍极限荷载时，首先在柱中靠下受拉侧面出现水平弯曲裂缝；荷载反向加载时，在柱中靠下另一侧面出现水平弯曲裂缝；随着荷载的增加，侧面的水平裂缝逐渐开展，位移循环阶段尤为明显，该阶段弯矩二阶效应较明显，但压区混凝土由于受到约束混凝土分体柱的约束，限制其发生大的变形，裂缝转为斜向发展，继而在试件中间扩大部分的上下端侧面均出现“X”形交叉裂缝，随着柱端轴压力的提高，裂缝的出现与发展延缓，使得试件的开裂荷载与极限荷载均有所提高；同时受压柱体混凝土出现细微竖向裂缝，并向两端发展；继续增加荷载，斜裂缝发展缓慢，而水平裂缝迅速发展并随着荷载的往复循环在柱横截面贯通，最大宽度约0.5mm，当荷载加到极限荷载的0.8～0.85 倍时，试件随即达到屈服状态；伴随荷载的往复循环以及控制位移的增大，柱体上的横向裂缝增多，相互贯通的横向裂缝增多，柱体四条棱边上的混凝土开始脱落，内部传出混凝土劈裂声，此时水平荷载下降，但下降速度不大，这是由于弯曲破坏时，约束混凝土分体柱限制了荷载的迅速下降。当纵筋局部屈服时，混凝土才出现大面积的脱落，此时水平荷载开始迅速下降，试件破坏；破坏时，贯通的弯曲水平裂缝最大宽度达到1mm左右，柱体加强区域混凝土保护层脱落，箍筋、纵筋几乎完全暴露，纵筋压屈、外鼓现象也非常明显，但多数试件纵筋所围部分混凝土成对角锥体，并未掏空。

总体来说，本试验中两组相对较高轴压比试件的破坏是由于受压区混凝土应力达到极限承载力，混凝土进入完全塑性状态，受压区纵筋屈服，整个柱子逐渐丧失承载力引起的，符合弯曲型破坏的特征。这种形态的破坏过程比较缓慢，是一个延性耗能的过程，因而试件延性较好。普通混凝土柱的最终破坏是由于受压区混凝土破坏，纵向钢筋被压曲，从而导致整个截面被压溃，构件失去承受轴向力的能力，而区域约束混凝土柱由于其分体柱的约束，虽然随着往复变形的增大与混凝土被逐渐受压破坏（在试验中表现为混凝土柱子的承载力逐渐减小），但承载力减小的速度较为缓慢，延性耗能能力明显好于普通混凝土柱。

3 结论

1、试件的弹性变形随着轴压比的增大而增大，极限承载力相应提高；

2、同等条件下，低轴压比试件具有相对较好的塑性发展机制；

3、试件的延性随着轴压比的增大而增大，同等轴压比刚度相差不大；