钢筋混凝土箱型柱强轴方向应力加载下的受力性能试验研究

张 涵 刘 凡

(苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215000)

0 引言

钢筋混凝土箱型柱壁厚小、截面闭合，具有较好的空间受力性能，在大型的结构中被广泛采纳应用。然而，在风荷载、地震这样的水平荷载作用下，箱型柱强轴方向的性能及表现还有待研究[1-2]。本文研究不同翼缘厚度、不同腹板厚度和不同配筋率对混凝土箱型柱强轴方向应力加载的受力性能的影响。

1 试件的设计

本课题试验按照工程实例陕西省葫芦河特大桥的桥墩1∶10等比缩尺设计钢筋混凝土箱型柱试件。设计参数、配筯和钢筋混凝土实际测的各项力学指标分别见图1、表1～表3所示。4个试件的编号分别为HC-1、HC-2、HC-3、HC-4，其中HC-1为参考柱。试件HC-2和HC-1为对比研究不同翼缘厚度对钢筋混凝土箱型柱强轴方向应力加载的受力性能的影响；试件HC-3和HC-1为对比研究不同腹板厚度对钢筋混凝土箱型柱强轴方向应力加载的受力性能的影响；试件HC-4和HC-1为研究不同配筋率对混凝土箱型柱强轴方向应力加载的受力性能的影响。

表1 试件尺寸及配筋表

表2 灌浆料试块抗压试验统计表

表3 钢筋材料性能

图1 试件柱身剖面图

2 设计试件的拟静力试验

2.1 试验加载设备与加载方案

本试验的加载装置为四连杆。试验开始前，按照0.1的设计轴压比计算出竖向恒载，并取50%的竖向恒载进行预加载，再缓慢加载至竖向荷载的100%。水平方向的荷载采用先力后位移的控制方法[3-4]来加载，如图2所示。

图2 加载方案示意图

2.2 试验主要测量内容

（1）记录钢筋混凝土箱型柱在强轴方向下加载过程中裂缝出现的位置、长度、角度以及宽度；

（2）利用位移计和作动器上的压力传感器测得逐级循环往复加载下关于水平力与水平位移之间的关系并绘制滞回曲线与骨架曲线。

3 试验结果与分析

3.1 试件的最终破坏形态

（1）HC-1试件在第一级至第五级加载时无明显变化，处于弹性阶级。在加载到120kN时出现第一道长约3cm，宽度很小的裂缝，裂缝位置在柱身的腹板受拉区底部。在加载到180kN时，少部分钢筋应变值达到极限，钢筋屈服，裂缝开始出现数量增多和宽度较明显的迹象。随即转为位移控制加载，在加载到1个△即3mm时，试件翼缘出现明显横向贯穿裂缝，裂缝宽度增到0.2～0.3mm；试件腹板裂缝数量骤增，且多与腹板的竖向中心线形成45°左右的夹角。在位移控制加载到11个△即33mm时，试件受压区翼缘板固端混凝土被压酥，受拉区翼缘底部裂缝增至2.5mm左右。当位移控制加载到15个△即45mm时，试件严重破坏，柱身腹板出现斜向贯穿裂缝，翼缘板部分混凝土脱落，箱型柱丧失承载力。

（2）HC-2试件在第一级至第五级加载时无明显变化，处于弹性阶级。在加载到110kN时在翼缘底部出现第一道长约2cm，宽度很小的裂缝。在加载到160kN时，试件翼缘出现明显大批横向贯穿裂缝，裂缝宽度增至0.2mm左右。在位移控制加载到10个△即30mm时，试件腹板裂缝交错明显，宽度增加到0.6mm左右。当位移控制加载到15个△即45mm时，此时水平荷载达到420kN，由于柱身和基础分批浇筑和柱身强度过大的缘故，最终导致柱身与基础脱节。

（3）HC-3试件在第一级至第八级加载时无明显变化，处于弹性阶级。在加载到180kN时在墩角出现第一批裂缝，其中一条是横向裂缝，长约5cm宽约0.2mm，位置在翼缘板；另一条裂缝由翼缘直接延伸到腹板，宽度约为0.2mm。继续加载到200kN时，少部分钢筋屈服，翼缘板新增两条裂缝，一条裂缝将之前的两条柱身底部裂缝贯通起来；另一条是在距离固端约300mm处的横向贯穿裂缝，宽度为0.2mm左右。转为位移控制加载，接着加载到1个△即3mm时，试件腹板出现大批与腹板纵向中心线成30°～60°的斜向裂缝，部分裂缝直接从腹板顶部斜向延伸下来，裂缝宽度增至0.3mm左右。在位移控制加载到8个△时，试件柱脚出现混凝土被压溃的现象，受拉侧翼缘板的主裂缝宽度开展到1mm左右。当位移控制加载到15个△即45mm时，柱脚混凝土被轻微压溃，可能是试件本身浇筑的问题，该试件没有做到预期的破坏状态。

（4）HC-4试件在第一级至第七级加载时无明显变化，处于弹性阶级。在加载到160kN时在翼缘板距离固端大约300mm和400mm处同时出现三条第一批裂缝。继续加载到240kN时，少部分钢筋屈服，在翼缘板距离固端600mm处新增两条宽度约为0.2mm的裂缝。随即转为位移控制加载，接着加载到1个△即4mm时，试件翼缘板出现5条清晰可见的横向贯穿裂缝，上下每条裂缝之间距离均在4cm左右。在位移控制加载到2个△即8mm时，裂缝从柱帽向下沿45°夹角斜向交错开展，主裂缝宽度增加至0.8mm左右。试件柱脚出现混凝土被压溃的现象，可能是试件本身设计的配筋率过高的问题，该试件没有做到预期的破坏状态。

3.2 滞回曲线分析

试件的滞回曲线结果如图3所示。

图3 滞回曲线汇总图

本课题基于设计参数的不同对于试件滞回曲线的影响，采用了定量分析法来探究滞回曲线，所以需要计算出滞回环的面积【5】。滞回环面积的计算公式为：

式中：

n——积分点的个数。个数越多，结果越精准；

Δn，Δn-1——滞回曲线中两个相邻的位移点；

Pn，Pn-1——滞回曲线中两个相邻的位移点分别对应的恢复力数值。

计算出的滞回环面积如表4所示。

表4 滞回环总面积

（1）因为HC-2试件本身浇筑的问题，导致柱身没达到极限承载力而与柱底脱节，在此不再做对比。

（2）通过对试件HC-1和试件HC-3的滞回曲线对比分析可知，两个试件的腹板厚度不同，试件HC-1的腹板厚度为70，对比试件HC-3的腹板厚度为100，腹板厚度加大，滞回环的面积变化不是很明显，从变化趋势上来看应该是有一定程度的提高，只是由于试验有一定的缺陷，滞回曲线没能充分显示。

（3）通过对试件HC-1和试件HC-4的滞回曲线对比分析可知，两个试件的受拉区和受压区纵筋均从14根增加至18根，对比试件HC-4的滞回环的面积比参考柱HC-1的滞回环面积有较为明显的增大，说明增大翼缘和腹板的配筋率可以有效地提升构件的抗震耗能能力。

3.3 骨架曲线的对比分析

通常情况下，通过骨架曲线来反映试件从加载初始阶段到最后被压溃的受力性能。4个试件的骨架曲线对比如图4所示。

图4 骨架曲线对比图

（1）对比试件HC-1和HC-2的骨架曲线变化趋势，翼缘板厚度从70增加至100，变化了大约43%，试件没有屈服之前，两个试件的割线刚度近乎相同。由于HC-2试件没达到极限承载力和柱底脱节，所以屈服后的阶段会进行有限元模拟分析。

（2）对比试件HC-1和HC-3的骨架曲线图，两个试件腹板厚度不同，从70增加到100，变化了约43%。屈服前两个试件的割线刚度大致是重合的。对于水平极限承载力,从变化趋势上来看有一定程度的提高,只是由于试验有一定的缺陷，骨架曲线没能充分显示。

（3）对比试件HC-1和试件HC-4的骨架曲线图，两个试件配筋率不同，在试验加载的弹性阶段二者的骨架曲线几乎重合，割线刚度也是近乎相同。从骨架曲线的变化趋势上来看，HC-4的水平极限承载力高于HC-1的极限承载力，由此可以得知，强轴向加载箱型柱时，增大配筋率有助于提升构件的水平承载力[6]。

4 结束语

综上所述，依据抗震设计规范以滞回曲线和骨架曲线为主要参考，分析了箱型柱在强轴向加载下的受力性能，得出以下结论：

（1）钢筋混凝土箱型柱翼缘板厚度的增大可以有效提升柱子的抗震性能，增大腹板厚度对其抗震性能有一定的提升。

（2）钢筋混凝土箱型柱截面配筋率的增大会提升构件的水平承载能力。