压弯剪扭复合作用下钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

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(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西南宁 530004；3.广西工程防灾与结构安全重点实验室， 广西南宁530004)

在钢筋混凝土矩形截面柱的抗震性能研究中，针对承受压弯剪内力组合的研究居多[1-6]，同时考虑受扭的研究尚未多见。在实际工程中，常出现不规则结构布置，在水平地震作用下，处于不利受力位置的钢筋混凝土柱除了承受压弯剪内力外，还可能承受扭矩作用[7-8]，从而形成由压弯剪扭组合的较复杂受力状态。已有研究表明，扭矩的存在会降低柱延性受力性能[9-10]，因此，地震荷载作用下扭矩的存在会使柱的抗震性能更趋复杂，其破坏机理及破坏形态，影响因素等尚未清楚，现行的抗震设计规范要求对不规则结构在平面整体层面进行考虑受扭的结构抗震验算[11]，尚未能在构件层面考虑扭矩组合作用的影响，构件截面验算内力仍为压弯剪组合，因此，开展钢筋混凝土柱在压弯剪扭复杂受力状态下的抗震性能研究，揭示其破坏机理及影响因素，为结构抗震设计提供更多的理论依据是很有必要的。基于上述认识，本文对压弯剪扭复杂受力下的钢筋混凝土矩形柱进行了低周反复荷载试验，考虑扭转偏心矩、轴压比及体积配箍率的影响，研究压弯剪扭复合作用下钢筋混凝土矩形柱的抗震性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

考虑轴压比、体积配箍率和扭转偏心距三个试验参数影响，并按1∶3比例设计制作4个钢筋混凝土矩形柱模型。试件设计参数见表1，试件具体尺寸及配筋情况如图1。混凝土设计强度等级为C40，试件制作后实测混凝土立方体抗压强度为42.9 MPa，弹性模量为3.3×104MPa。试件纵向钢筋全部采用HRB335，箍筋采用HPB235，钢筋的力学性能试验结果如表2。

表1 试件设计参数Tab.1 Design parameters of specimens

(a) RC-1、RC-2 (b) RC-3 (c) RC-4

图1 试件尺寸及配筋图(单位：mm)Fig.1 Dimensions and reinforcement drawings of specimens

1.2 试验装置及加载方案

试验加载装置如图2，水平荷载P和竖向荷载分别由电液伺服协调加载控制系统和液压千斤顶施加，电液伺服作动器出力量程为0～±500 kN，位移行程0～±200 mm，液压千斤顶规格为1 500 kN。试件底座用反力梁通过螺杆与地槽实现固接，在千斤顶和反力架间设有滚轴，以此模拟柱上端铰接。底座加载方向侧面安装一个位移传感器，监测试验过程中试件底座是否出现水平位移；柱上端中心处安装一个位移传感器，用于测量柱顶水平位移Δ。

试验施加的竖向荷载由设计轴压比换算成试验轴压比后得到[12]，水平荷载采用先力控后位控混合控制的加载方式。力控阶段按每级5 kN分级加载，加载至试件屈服，记下此时对应的屈服位移Δy，位控阶段按屈服位移Δy的整数倍(1Δy、2Δy、3Δy…….)进行加载，每倍位移循环3次，加载制度如图3所示，当水平荷载从峰值下降至其85 %时，终止加载。

图2加载装置图
Fig.2Figureofloadingdevice

图3加载制度
Fig.3LoadingSchemes

2 试验现象及破坏形态

2.1 力控阶段

各试件裂缝分布图如图4，随着水平推力的不断增大，RC-1、RC-2、RC-3均在距柱底部10 cm左右的地方出现了第一条裂缝，裂缝稍为斜向，原因显然是由于扭转偏心距的影响，之后在距柱底10 cm到50 cm之间相继出现第二条斜裂缝、第三条斜裂缝……，其中RC-1与 RC-3的第一条裂缝开裂部位相似，说明配箍率对前期的开裂影响不大；RC-2较RC-1开裂晚，表明轴压比较大时可提高开裂荷载，正反面裂缝均为斜向分布，侧面为V形交叉裂缝；RC-4没有扭转偏心距，裂缝均为水平裂缝，第一条裂缝出现在距柱底部20 cm左右的地方。

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

2.2 位控阶段

1Δy时，没有出现新裂缝，裂缝只在原来的基础上进一步延伸，2Δy到4Δy时在距柱子底部10 cm到50 cm的地方出现与水平线夹角小于45°的螺旋状斜裂缝，RC-1、RC-2在5Δy时，两侧面出现两条交叉的主斜裂缝，继续加载直到承载力下降到极限荷载的85 %，试件四角的混凝土严重剥落露出钢筋，位控阶段RC-1、RC-2、RC-3为弯扭型破坏，破坏特征基本相似，弯压区混凝土被压碎。RC-3在7Δy时才出现上述破坏现象，说明提体积高配箍率可以使试件承受更大的变形，延性性能提高。RC-4为弯曲型破坏，6Δy前主要在距柱子底部100 mm到500 mm之间出现大量水平裂缝，在7Δy时，承载力进一步下降，弯压区混凝土被压碎，发生弯曲破坏。破坏形态如图5。

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

3 试验结果与分析

3.1 滞回曲线

试件RC-1～ RC-4的滞回曲线如图6所示。从图中可看出，无扭转偏心距的试件RC-4的变形能力和耗能能力较好，滞回环外包面积较大，抗震性能明显高于存在扭转偏心距的RC-1，轴压比大的试件RC-2的滞回曲线较RC-1陡，荷载下降快，滞回环数量少，有“捏拢”的迹象，抗震性能不如RC-1；而配箍率高的试件RC-3，其滞回曲线较为丰满，最大位移超过30 mm，极限变形能力比较大，抗震性能优于配箍率低的RC-1。

3.2 骨架曲线

为便于比较，将各试件的骨架曲线绘于同一坐标系，如图7，从图中可以看出，各试件都经历了弹性、弹塑性、极限破坏三个阶段。比较RC-1和RC-4，体积配箍率和轴压比一致情况下，RC-1由于存在扭转偏心距，骨架曲线比RC-4较短，下降段较陡，说明其延性变差；比较RC-1和RC-2，在相同扭转偏心距和体积配箍率下，轴压比较大的RC-2的骨架曲线短，下降段陡峭，说明延性较差；比较RC-1和RC-3，扭转偏心距和轴压比两者相同时，RC-3的体积配箍率较高，骨架曲线下降平缓，延性较好，RC-3的骨架曲线与无扭转偏心距RC-4较接近，说明提高体积配箍率，可有效提高在压弯剪扭复合作用下柱的延性。

3.3 基本特征指标

图7 骨架曲线Fig.7 Skeleton curves

延性是指构件在荷载作用下屈服后至破坏前这一阶段的非弹性变形能力，可用延性系数μu来表示[13-14]，μu=Δy/Δu，其中Δy是由能量等效法求得的屈服点所对应的位移，Δu是试件承载力下降到峰值荷载85 %时破坏点对应的位移，μu值越大，构件延性越好。各试件骨架曲线特征点试验值以及延性系数如表3所示，其中Py是屈服荷载，Pmax是峰值荷载，Pu是破坏荷载，Δmax是峰值荷载对应的水平位移。

由表3可知，RC-2的屈服荷载略高于RC-1，屈服位移和破坏位移比RC-1低，平均延性系数比RC-1低12.95 %，说明轴压比的增大可以提高试件的屈服荷载，但加快了试件的破坏，延性性能下降；RC-1与RC-4相比，平均延性系数下降了20.38 %，说明扭转的存在会降低柱的延性；RC-3的屈服荷载、峰值荷载、破坏荷载与RC-1相差不大，但破坏位移较RC-1有所提高，平均延性系数增大14.01 %，表明增加体积配箍率对试件的承载力影响不大，但可改善其延性，延缓结构破坏。

表3 试件特征点试验值及延性系数Tab.3 Characteristic points of specimens and ductility coefficients

3.4 耗能能力分析

结构在发生塑性变形时吸收的能量大小称为结构的耗能能力，一般可用等效黏滞阻尼系数来表示[15-16]，4个构件各级位移的第一个循环等效黏滞阻尼系数见表4，其变化如图8。

表4 等效黏滞阻尼系数heTab.4 Equivalent viscous damping coefficients he

图8等效黏滞阻尼系数变化图
Fig.8Diagramofequivalentviscousdampingcoefficients

有扭转偏心的RC-1变化曲线位于无扭转偏心RC-4的下方，说明扭转偏心距的存在使柱的耗能能力降低；RC-3的变化曲线在RC-1上方，说明扭转偏心距和轴压比相同时，加密箍筋可提高有扭转偏心矩试件的耗能能力；RC-2的等效黏滞阻尼系数变化曲线在RC-1下方；表明在相同扭转偏心距和体积配箍率下，轴压比越大耗能能力越低。

3.5 刚度退化

结构在同一位移幅值的反复循环作用下，结构的损伤不断累积，比如混凝土脱落、裂缝延伸等，使构件刚度随着加载循环次数的增加而不断的减小，这种现象称为结构的刚度退化，是反映结构抗震性能的一个重要指标，可采用平均环线折算刚度K来表示[17]，4个试件每级位移的平均环线折算刚度如表5，刚度退化曲线如图9。

表5 试件平均折算刚度KTab.5 Circular rigidity of specimens kN/mm

图9 刚度退化曲线Fig.9 Rigidity degradation curves

从图中可以看出试件的正向和反向刚度不对称，主要是由于先加载的方向刚度首先出现损伤以及钢材的包辛格效应。加载初期，结构的刚度退化较快，后期结构的刚度退化速度减缓。

比较RC-1和RC-4，RC-1的后期刚度下降速度较快，说明扭转偏心矩的存在会使柱的刚度退化加快；对比RC-1和RC-3，RC-3的后期下降速度较慢，说明提高体积配箍率，可以更好地约束核心混凝土，使得刚度退化速度变缓；对比RC-1和RC-2，轴压比的增大同样可加快有扭转偏心矩试件的刚度退化速度。

4 结论

① 扭转偏心矩的存在，使钢筋混凝土矩形截面柱在地震作用下的破坏形态与无扭转偏心矩的不同，具有扭转受力的特征。

② 相同条件下，存在扭转偏心矩的钢筋混凝土矩形截面柱的滞回环面积变小，延性系数降低，耗能能力下降，刚度退化速度加快，抗震性能明显下降。

③ 提高体积配箍率能明显改善具有扭转偏心矩试件的延性系数、耗能能力和刚度退化，可作为提高具有扭转偏心矩柱抗震性能的有效措施。

④ 轴压比对具有扭转偏心距试件的影响与没有扭转偏心距试件的相似，轴压比大的试件屈服荷载有所提高，但滞回环数量少，骨架曲线下降陡峭，延性和耗能能力降低，刚度退化加快，抗震设计时应严格控制轴压比。