变轴力钢筋混凝土足尺柱抗震性能试验研究

郭玉荣，吕 聪

(1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082; 2.建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南 长沙 410082)

近些年来结构抗震领域不断深入的研究表明：在地震作用下，框架柱因受到水平和竖向地震作用的影响轴力会发生变化，且轴力变化的幅度不仅与地震烈度有关，还与框架结构类型和框架柱在结构中的位置等多重因素有关。

轴力变化会对RC柱的抗震性能产生影响，国内外专家学者对此开展了一些研究。钟树生[1]通过8根规则变轴力柱与8根定轴力柱试验对比，发现变轴力柱的滞回曲线呈现出不对称性，且轴力变化在构件屈服后对刚度有较大影响；贾德登[2]对6根缩尺柱进行变轴力试验研究，结果表明轴力变化会使RC柱的刚度退化加快，延性系数降低；陈嵘[3]等对6根钢筋混凝土墩柱进行了变轴力试验研究，结果表明变轴力柱在轴力变化到最大时破坏，其两侧损伤程度会有较大差异，表现为裂缝开展呈现明显的不对称性；ABRAMS D P[4]对 10根缩尺RC柱进行了变轴力试验研究，结果表明变轴力对RC柱的承载力和刚度等均有较大影响，且抗弯承载力与轴力加载过程无关，取决于最终轴力；LI K N[5]等对一系列缩尺RC柱进行了变轴力试验研究，结果表明变轴力柱的滞回曲线呈现不对称性，且轴力变化的幅度越大其延性就越差；RODRIGUES H[6]等对6根足尺钢筋混凝土矩形柱进行了双向水平荷载作用下的变轴力试验研究，结果表明变轴力对柱子的承载力、刚度和强度退化、耗能等方面有显著影响。ESMAEILY A[7]等对6根圆形RC柱进行了变轴力试验研究，结果表明轴力变化会使RC柱的承载能力低于预测值，在评估RC柱承载能力及延性时需考虑轴力变化的影响。

上述研究均表明轴力变化对RC柱的抗震性能会产生不利影响，但这些研究都是在仅考虑水平地震作用的基础上进行的，采用轴力随水平位移同频率变化的加载方式，并未将竖向地震引起的柱轴力变化频率考虑在内。较多的震后灾害分析表明，竖向地震对结构的破坏作用不容忽视，钱培风[8]通过震后灾害分析指出竖向地震对结构破坏有着重要影响；白国良[9]等通过振动台试验研究表明竖向地震对结构产生的影响不能忽视，且近些年来国内外已发现较多近场地震动中竖向加速度峰值超过水平加速度峰值的现象，如1989年的Loma Prieta地震、1994年的北岭地震和Northridge地震、1995年的神户地震，因此开展水平和竖向地震共同作用引起的RC柱轴力变化对其抗震性能影响的研究显得十分重要。

目前有关变轴力柱抗震性能的试验研究大多都未考虑竖向地震，此外由于试验设备加载能力的限制，有关大尺寸柱的抗震性能研究相对较少。本文采用湖南大学大型多功能结构加载装置HNU-MUST，对两根大尺寸RC柱开展水平和竖向双向拟静力试验研究，其中一根为恒定轴力加载，另一根采用轴力变化频率为水平位移3倍的变轴力加载方式，对比分析两个试件的试验结果来研究轴力变化对RC柱抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验设计了两根相同的足尺RC柱，试件配筋及尺寸如图1所示，截面尺寸为600 mm×600 mm，柱身高度3 600 mm，试件底座和加载顶梁完全相同，各高850 mm，试件总高5 300 mm；钢筋等级均为HRB400级，纵筋为12C25，配筋率为1.64%，箍筋为C10@100/150，在柱底和加载顶梁各1 050 mm高度范围内箍筋加密，体积配箍率为1.13%。

图1 试件配筋与尺寸

1.2 加载方案

采用湖南大学大型多功能结构加载装置(HNU-MUST)进行加载，装置构成如图2所示。该装置4个垂向作动器行程为0～500 mm，最大可施加20 000 kN轴力，2个水平作动器行程为+250 mm，最大可提供4 000 kN水平力[10]。试件安装就位如图3所示，试件底座和加载顶梁各通过8根螺杆与实验室地面和HNU-MUST顶板连接，边界条件为底端完全固定，顶端只能产生竖向位移和沿加载方向的水平位移。

图2 HNU-MUST三维模型

图3 试件安装就位

两个试件水平方向位移循环加载方式相同，如图4所示，在位移幅值5、10、15 mm各循环一次，20、30、40、50、60、70、80、90 mm各循环两次，100、110、120、130、140、150、160 mm各循环一次(试件2在+140 mm加载完成时已严重破坏，结束试验)。试件1为恒定轴力加载，轴力为4 300 kN(试验轴压比约为0.3)；试件2轴力变化方式如图5所示，结合竖向地震频率一般高于水平地震的特征[11]，采取轴力变化频率为水平位移3倍的加载方式，即位移每循环一次轴力循环三次，轴力以4 300 kN为基准，在1 300～7 300 kN范围内变化，每一级位移加载对应的轴力变化幅度(位移达峰值时的轴力相对于初始轴力4 300 kN的变化量)如表1所示。

图4 水平位移加载方式

图5 试件2轴力变化方式

表1 每一级荷载轴力变化幅度Table1 Axialloadvariationamplitudeofeachstageload位移Δy/mm轴力变化ΔN/kN位移Δy/mm轴力变化ΔN/kN位移Δy/mm轴力变化ΔN/kN位移Δy/mm轴力变化ΔN/kN520030100070220011030001040040120080260012030001560050140090300013030002080060160010030001403000

1.3 材料性能

采用C35商品混凝土浇筑试件，浇筑时预留标准立方体和圆柱体试块，与试件同条件养护，混凝土实测力学性能如下：混凝土等级C35，圆柱体抗压强度41.32 MPa，立方体抗压强度52.71 MPa,轴心抗压强度40.06 MPa。其中轴心抗压强度由立方体抗压强度计算得到。钢材力学性能实测值如表2所示。

表2 钢材力学性能实测值Table2 Measuredvalueofmechanicalpropertiesofstee强度等级直径/mm屈服强度/MPa极限强度/MPa断后伸长率/%HRB40025413.7559320.810416.57577.2521

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

图6中箭头方向为加载正向，即从N到S向的加载为正向加载，从S到N向的加载为负向加载。试验过程中在每一级峰值位移处暂停3 min观察裂缝开展情况，试件的最终破坏形式如图7所示。从试验现象来看两个试件均发生压弯破坏。在加载初期，两个试件均在W面和E面出现斜裂缝，底部斜裂缝向下延伸，顶部斜裂缝向上延伸。试件1的E面和W面斜裂缝在各面中线两侧分布较为对称[见图7(b)]，试件2的裂缝开展未呈现出对称性；试件1的N面和S面均可观察到水平裂缝，但试件2的S面底部无明显裂缝，负向加载位移达峰值时轴力较大，S面底部混凝土受拉，未出现裂缝表明较大的轴力限制了裂缝的开展。随着荷载级的加大，N面和S面的水平裂缝逐渐贯通，W面和E面的斜裂缝不断延伸，各面均有竖向裂缝产生，混凝土开始有剥落趋势，当水平位移较大时，试件底部和顶部的混凝土剥落较为严重，试件2的底部混凝土剥落高度明显大于试件1。最终两个试件的裂缝开展高度为柱底1 000 mm范围内，柱顶800 mm范围内，两个试件均有纵筋受压屈曲和箍筋脱离钢筋骨架的现象，但试件2表现的更为明显。

图6 加载方向示意图

图7 试件不同部位破坏照片

2.2 滞回曲线

两个试件的滞回曲线如图8所示。从曲线形状来看试件1滞回曲线较为对称，每一级加载的峰值承载力都出现在水平位移最大处；试件2滞回曲线表现出明显的不对称性，正向位移较大时每一圈加载的水平承载力峰值均不在水平位移最大时出现，结合图5分析滞回曲线不对称的原因为：试件2在正向加载时的轴力变化方式与负向加载时的轴力变化方式是相反的，所以在正负向位移相同时轴力是不同的，轴力不同使RC柱的承载力不同，也即滞回曲线呈现出不对称性。

图8 试件滞回曲线

此外，同一级水平位移荷载下，第二圈加载得到的最大承载力和滞回环包围的面积均小于第一圈，反映了试件的累积损伤。

2.3 骨架曲线与延性

两个试件的骨架曲线如图9所示。试件1正向峰值承载力为649 kN，试件2正向峰值承载力为496 kN，约比试件1降低了23.57%，试件1负向峰值承载力为521 kN，试件2负向峰值承载力为709 kN，约比试件1提高了36.08%，结合图5分析其原因为：试件2每一级加载正向水平位移到达峰值时轴力最小，轴力较小会使RC柱的承载力有所降低，负向加载水平位移到达峰值时轴力最大，轴力较大会使RC柱的承载力有所提升。此外试件2正负向的承载力退化速度均比试件1快，正向峰值承载力对应的位移比试件1小，负向峰值承载力对应的位移比试件1大。

图9 骨架曲线比较

屈服位移根据骨架曲线采用Park法[12]计算，经计算试件1的屈服位移正向为26.97 mm，负向为23.91 mm，正负向较为接近；试件2的屈服位移正向为19.88 mm，负向为44.45 mm，正负向差别较大。极限位移取骨架曲线中水平力下降至峰值85%时的位移[13]，极限位移与屈服位移的比值即为延性系数，表3给出了两个试件的延性系数。由表3可知：轴力变化会降低RC 柱的延性，与试件1相比，试件2正负向延性系数均有所降低，正向降低了21.35%，负向降低了43.18%，负向降低幅度较大。

表3 延性系数Table3 Ductilitycoefficient方向试件1试件2正向4.733.72负向4.032.29

2.4 刚度退化

采用每一级加载中，第一圈加载位移到达峰值时的割线刚度来衡量试件的刚度退化，试件1刚度取正负向平均值，试件2刚度正负向分别计算，两个试件的刚度如图10所示。

图10 试件刚度退化

由图10可知，试件2负向加载时刚度大于试件1，正向加载时刚度小于试件1，结合图5分析其原因为：负向加载位移到达峰值时轴力较大，刚度有所提升，正向加载位移到达峰值时轴力较小，刚度有所降低；在位移较小时，试件2负向刚度大于试件1，在130 mm级位移时，试件2负向刚度与试件1基本相同，表明在此期间试件2负向刚度退化速度比试件1快。

2.5 耗能能力

采用单圈耗能评估试件的耗能能力，单圈耗能为每一级荷载第一圈加载的滞回环面积，图11为两个试件的耗能比较。

图11 试件耗能比较

分析图11可知，在水平位移到达30 mm之前，两个试件的单圈耗能基本相同，在40～90 mm位移之间试件2的耗能更大，在100 mm以后，试件2耗能较小，且试件2的最大单圈耗能低于试件1。此外，两个试件的耗能均出现了下降段，耗能下降表明试件破坏程度已较为严重，无法耗散更多能量，试件1在140 mm级荷载之后单圈耗能开始下降，试件2在120 mm级荷载之后单圈耗能开始下降，表明相同水平位移条件下试件2破坏程度更为严重。

3 结论

本文在定轴力柱与变轴力柱拟静力试验的基础上，通过对试验结果进行分析，主要得出以下结论：

a.与定轴力柱相比，变轴力柱滞回曲线和裂缝开展呈现明显的不对称性，在相同位移条件下变轴力柱破坏更为严重，同时较大的轴力会限制裂缝的开展。

b.轴力变化会使RC柱的刚度和承载力退化速度加快，延性变差；负向加载位移到达峰值时轴力较大，水平承载力有所提高，但承载力和刚度退化速度明显加快，正向加载位移到达峰值时轴力较小，水平承载力有所降低。

c.轴力变化会使RC柱的耗能能力变差；变轴力柱的最大单圈耗能低于定轴力柱且更早进入耗能下降阶段。