不同轴压比下区域约束混凝土圆柱抗震性能试验研究

张琪　朱明增　曹新明

摘 要：本文对3根截面直径300mm、高950mm的区域约束混凝土圆柱进行了往复荷载试验研究，在不同设计轴压比（0.9、1.1和1.25）的条件下，对比分析了混凝土柱的滞回曲线、骨架曲线、变形性能、水平承载力等变化规律。试验表明，区域约束混凝土圆柱在轴压比为1.1时表现出较高的水平承载力和延性，具有良好的抗震性能。

关键词：区域约束混凝土柱;轴压比;抗震性能

中图分类号：U456.3+1            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）05-0118-03

1引言

柱是房屋结构和桥梁结构抵抗竖向和水平地震荷载的主要构件，结构整体的倒塌多表现为柱的破坏，是造成地震灾害的主要原因。

随着高层和超高层建筑的快速发展，竖向荷载的逐层传递使得结构底部构件的内力较大，传统约束混凝土柱很难有效防止在高轴压比下的脆性破坏，如1999年郭子雄等[1]研究发现，在轴压比为0.9的情况下，约束混凝土柱在达到屈服荷载后刚度和强度退化明显，说明了高轴压比对箍筋约束混凝土柱抗震性能的不利影响;2006年阎石等[2]研究表明在其他条件不变的情况下，随着轴压比增大，预应力钢棒作为高强箍筋约束的混凝土柱延性下降明显;2009年吕西林等[3]研究得到，高轴压比的箍筋约束混凝土柱呈现出较差的延性性能和耗能能力，滞回曲线捏缩现象明显，骨架曲线表现出达到峰值荷载后明显的刚度和强度退化，而且在高轴压比下，随着混凝土强度的增加，柱的滞回曲线越来越捏缩，抗震性能较差。因此规范[4]对柱子的轴压比作了严格限制，将其按抗震等级和结构类型分级且规定柱子的轴压比不应大于1.05。然而限制轴压比会导致截面面积的加大，形成“胖柱”，造成使用空间的浪费，同时混凝土自重加大也会导致地震反应强烈。

针对这一问题，区域约束混凝土[5]应运而生。区域约束改变了传统箍筋约束的约束机制，将约束核心区从中心转移到了四角，解决了由于结构布置和施工误差导致的实际工程中的轴心受压柱多处于偏心受压状态使得截面边缘受力最大，核心区的钢筋材料得不到充分发挥的问题。前期的研究[6]表明，区域约束混凝土柱在高轴压比下具有良好的力学性能和抗震性能，且轴压比越大抗震性能越好。然而目前关于区域约束混凝土的研究涉及矩形截面柱较多，但在房屋结构和桥梁结构中，会有很多混凝土圆形柱结构。因此，研究区域约束混凝土圆柱在低周往复荷载下抗震性能的试验就显得尤为重要。

2014年，曹新明教授在其专利[7]中给出了区域约束混凝土圆柱的截面形式（如图1），其特征在于：区域约束混凝土圆形柱由圆柱形混凝土柱（1）和圆形钢筋笼（2）组成，圆形钢筋笼设置在圆柱形混凝土柱内，圆形钢筋笼由边缘纵筋（3）、中心纵筋（4）、圆形横向箍筋（5）和箍筋（6）连接组成，箍筋（6）由一根钢筋弯曲形成四个三角形（7）和四边形（8），在箍筋内设置有边缘纵筋和中心纵筋。

2试验概况

2.1试件设计

试验共进行了3根截面直径300mm、净高950mm、剪跨比为4、混凝土强度为C40的区域约束混凝土柱（regional confined concrete，RCC）在设计轴压比分别为0.9、1.1、1.25下的往复荷载试验，试件命名为RCC-0.9、RCC-1.1和RCC-1.25。其中底座尺寸为1300 mm×800 mm×480 mm，顶部横梁尺寸为600 mm×340 mm×500 mm。试件配筋如图2所示。

2.2加载装置与加载方案

试验中柱子一端固定一端铰接，先对柱子施加轴向力，然后在柱子的顶梁处施加往复的水平荷载，以此来模拟地震荷载。竖向轴压力由YAW-10000J电液伺服压剪试验机加载，水平力由MTS液压伺服系统提供，采用先荷载后位移的加载方式，即试件屈服前由荷载控制，屈服后以屈服位移为级差逐级施加水平位移，每级循环三次，直至构件完全破坏或构件水平承载力降为峰值荷载的85%以下为止。试件下端固定于试验机上，水平力加载端的水平横梁可以自由滑动及转动，为了防止水平力加载时试件底座与试验机发生相对位移，在试件底座两侧分别用千斤顶顶紧，加载装置如图3所示。

2.3测点布置

试验中横梁截面中点的水平力及水平位移由仪器自动采用，作为校核，横梁截面中点另一端加装一个量程±100 mm且能够自动采集位移值的位移计，在底座侧表面添加量程±50 mm的位移计以此来检测底座是否存在滑移。钢筋和混凝土表面均设置应变测点，纵筋与箍筋应变测点布置在距离试件底座上表面约50 mm截面处，混凝土应变测点布置在距离试件底座上表面50mm之上的100 mm范围内，试件的测点布置图如4所示。

3试验现象

（1）从裂缝发展情况来看，RCC-0.9、RCC-1.1和RCC-1.25的情况均一致，首先在试件底部出现水平或竖向裂缝，随着水平位移的加载，先前裂缝持续发展，水平裂缝向斜下方延伸，竖向裂缝与水平裂缝形成交叉现象;

（2）从混凝土的破坏情况来看，RCC-0.9当水平位移加载至38.5 mm时，试件右后侧底部混凝土发生剥落，钢筋骨架露出;RCC-1.1当水平位移加载至-58.66 mm时，试件左前侧混凝土开始剥落;RCC-1.25当水平位移加载至-44.8 mm时，试件右前侧混凝土开始发生大面积的剥落。并且三个柱在混凝土剥落前，混凝土都有明显的凸起现象，剥落延迟发生，说明区域约束混凝土柱都属于有明显预兆的延性破坏，抗震性能良好。

4试验结果分析

4.1滞回曲线

对比RCC-0.9、RCC-1.1和RCC-1.25的滞回曲线，结果表明，①轴压比为1.1的RCC-1.1柱表现出最大的极限位移，且在1.25的较高轴压比下，极限位移下降明显，说明区域约束混凝土在轴压比为1.1时具有较好的延性，而随着轴压比的继续增大，区域约束混凝土圆柱的延性性能降低;②三个柱的滞回曲线捏拢都不是太明显，下降段也较为平缓，说明区域约束混凝土柱具有良好的延性性能和耗能能力;③三个试件滞回曲线的正向加载曲线与反向加载曲线并非完全对称，这是由于在试验过程中，反复加载导致试件存在一定的残余变形以及在高轴压力下试件顶部的滑板车存在较大摩擦，对正反向加载的位移值有一定的影響。

4.2骨架曲线

在构件反复荷载试验的滞回曲线上，将同方向各次加载的峰值点依次相连便可得到试件的骨架曲线[8]，试件的骨架曲线如图7所示。图中可以看出三个试件中RCC-1.1的峰值荷载和极限位移值最大，水平承载力和极限位移值是随轴压比的提高呈现出先增大后减小的变化趋势，在轴压比为1.1时表现出较好的承载力和延性性能。

4.3变形性能

试件的层间位移角及位移延性系数如表1所示。表中数据表明：①各试件的弹性、弹塑性层间位移角值都满足JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的钢筋混凝土框架柱的弹性、弹塑性层间位移角限值;②通常认为延性系数大于3的结构具有良好的延性性能，从表中可以看出3根区域约束混凝土圆柱都具有较好的延性，且柱的延性是随轴压比增大而降低的。

4.4水平承载力

试件在屈服、峰值、极限三种状态下的水平承载力如表2所示。从表中可以看出，区域约束混凝土圆柱的峰值荷载表现出先增大后减小的趋势，在轴压比为1.1时试件的承载力最高。

5结论

（1）区域约束混凝土圆柱在破坏时保护层混凝土凸起均匀，剥落现象延迟发生，这表明其保护层混凝土具有更好的完整性，区域约束混凝土柱的破坏是有明显预兆的延性破坏。

（2）区域约束混凝土圆柱在轴压比为1.1时表现出最高的水平承载力、延性性能和耗能能力。因此可对其适当放宽现行规范对轴压比的限值，建议设计轴压比取至1.1，使其抗震性能得到充分发挥。

参考文献：

[1]郭子雄，吕西林. 高轴压比框架柱抗震性能试验研究[J].华侨大学学报（自然科学版），1999， 20（3）：258-263.

[2]阎石，张曰果，王旭东. 圆形截面高强混凝土柱抗震性能试验研究.沈陽建筑大学学报（自然科学版），2006，22（4）：538-542.

[3]吕西林，张国军，陈绍林.高轴压比高强混凝土足尺框架柱抗震性能研究[J].建筑结构学报，2009，30（03）：20-26.

[4]GB50011-2010 抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]曹新明. 区域约束混凝土浅析[J]. 工程抗震与加固改造， 2008，30（5）： 112-115.

[6]曹新明，莫志刚，任庭坚，冉群.超高轴压比区域约束混凝土柱抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（10）：102-109.

[7]肖利平， 曹新明. 一种区域约束混凝土圆形柱[P]. 中国专利： 201420420454.X，2015-08-26.

[8]中华人民共和国住房与城乡建设部.JGJ/T 101-2015 建筑抗震试验规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.