T形和L形柱低剪跨比正反向受剪特性研究

李其廉,張學(xué)輝,鄭世奪

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

T形和L形柱低剪跨比正反向受剪特性研究

李其廉,張學(xué)輝,鄭世奪

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

由于 T形和L形柱特殊的截面形式,正反受剪時存在腹板和翼緣分別受壓和受拉2種狀態(tài),其正反向受剪承載力和變形能力往往存在差異,且剪跨比越小這種差異越顯著。對剪跨比λ=2.5時的T形和L形柱進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗,分析了低剪跨比狀態(tài)下T形和L形柱正反向加載破壞特征、承載能力、變形能力和延性、剛度退化等抗震性能指標(biāo)。研究表明,T形和L形柱正反2個方向受剪承載能力和變形能力存在顯著差異,腹板受壓時,柱腳腹板混凝土破壞嚴(yán)重,降低了異形柱的截面剛度和承載力,成為異形柱結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

異形柱;剪跨比;抗震性能;低周反復(fù)荷載

采用L形、T形及十字形等異形截面柱可以避免房間邊角因采用矩形柱時所產(chǎn)生的棱角突出,使房間平整、布置靈活,具有良好的發(fā)展前景。目前世界上對各種截面形式的異形柱構(gòu)件正截面承載力進(jìn)行了大量試驗和理論研究,取得了豐富的研究成果[1-6]。中國國內(nèi)對L形、T形和十字形柱構(gòu)件斜截面受剪承載力也進(jìn)行了相關(guān)試驗研究,對異形柱斜截面承載力特性有了一定的共識[7-14]。由于異形柱正截面存在翼緣和腹板2部分,且T形柱僅有一個對稱軸,L形柱沒有對稱軸,正反受剪時存在腹板和翼緣分別受壓和受拉2種狀態(tài),故其正反向受剪承載力與十字形柱相比差異較大。通過閱讀文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn),低周反復(fù)加載時T形和L形柱滯回曲線和骨架曲線存在不對稱現(xiàn)象,即正反2個方向的承載能力和變形能力不對稱,不同文獻(xiàn)中T形和L形柱滯回曲線不對稱程度有所差異。研究表明,由于 T形柱和L形柱自身的截面特性,其正反向承載能力和變形能力不對稱性是不可避免的。

筆者通過閱讀文獻(xiàn),初步總結(jié)出影響T形和L形柱正反向滯回曲線不對稱的主要因素為剪跨比,另外軸壓比、暗柱[14]等因素對 T形和L形柱正反向滯回曲線不對稱程度也有所影響。框架柱端一般同時存在著彎矩 M和剪力V,定義λ=M/Vh0為廣義剪跨比,a/h0為狹義剪跨比,其中h0為柱截面有效高度,a為剪力作用點到柱端的距離。根據(jù)剪跨比λ不同,可將柱分為長柱(λ>2)、短柱(1.5<λ<2)和極短柱(λ≤1.5),剪跨比越大,框架柱易發(fā)生彎曲破壞,剪跨比越小,框架柱易發(fā)生剪切破壞。筆者所研究的剪跨比為狹義剪跨比,即剪力作用點到柱底的距離與異形柱腹板有效高度的比值。通過對比 T形柱已有文獻(xiàn)可以初步認(rèn)為:狹義剪跨比小于3.0時,T形柱隨剪跨比的減小逐漸表現(xiàn)出剪切破壞特征,其正反向斜截面受剪承載力和變形能力存在顯著的不對稱特性[10-11];狹義剪跨比大于3.0時,T形柱隨剪跨比的增大逐漸表現(xiàn)出彎曲破壞特征,其正反向斜截面受剪承載力不對稱性不再顯著[12]。L形柱與 T形柱相同,也有類似特征。

因此筆者設(shè)計制作了T形柱和L形柱,并對其進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗,研究剪跨比為2.5左右時,T形柱和L形柱的破壞特征、承載力、變形能力和延性、剛度退化等抗震性能指標(biāo)。

1 T形和L形柱試驗研究

1.1 試驗概況

圖1 T形和L形柱配筋情況Fig.1 Reinfo rcement details of T and L-shaped columns

T形和L形柱模型及配筋情況如圖1所示(圖中數(shù)據(jù)單位為mm),其中異形柱縱筋為 HRB400級鋼筋,箍筋為 HPB235級鋼筋,混凝土強(qiáng)度等級為C45。

T形柱頂端軸力為300 kN,軸壓比為0.198;L形柱頂端軸壓力為200 kN,軸壓比為0.132,2個異形柱的剪跨比均為2.5左右。加載制度為荷載-位移聯(lián)合控制,即施加的水平荷載在試件屈服前,采用荷載控制,分3—5級加載至結(jié)構(gòu)屈服,每級加載、卸載、反向加載、再卸載循環(huán)1次;試件屈服后采用位移控制,并以屈服位移的整數(shù)倍加載、卸載、反向加載、再卸載循環(huán)3次,當(dāng)豎向力下降到最大荷載的85%時即認(rèn)為試件破壞,試驗結(jié)束。

1.2 破壞特征

T形柱:試驗過程中,始終對混凝土裂縫開展及破壞情況進(jìn)行觀測,當(dāng)正向荷載加至50 kN時,柱腹板兩側(cè)同時出現(xiàn)多條剪切裂縫,隨著荷載的增大,混凝土裂縫不斷向下延伸,裂縫寬度不斷增大,且腹板內(nèi)又陸續(xù)出現(xiàn)多條剪切裂縫,這些裂縫多集中在構(gòu)件中下部;當(dāng)反向加載至110 kN時,T形柱底翼緣外側(cè)出現(xiàn)第1條水平彎曲裂縫,反向加載至130 kN后,翼緣外側(cè)水平裂縫不斷增多;荷載加至正向150 kN時,腹板內(nèi)斜裂縫開始向下逐漸延伸至翼緣內(nèi),當(dāng)正向加載至2Δy時,腹板外側(cè)陸續(xù)出現(xiàn)數(shù)條水平彎曲裂縫;而反向加載過程中,翼緣外側(cè)水平彎曲裂縫發(fā)展緩慢;正向加載至3Δy時,T形柱底腹板混凝土保護(hù)層逐漸出現(xiàn)豎向裂縫,局部混凝土壓碎剝落,隨著變形的不斷增大,柱底腹板混凝土保護(hù)層破壞較嚴(yán)重,柱底縱筋外露;反向加載至3Δy時,柱底翼緣外側(cè)混凝土保護(hù)層也出現(xiàn)局部壓碎破壞現(xiàn)象。試驗結(jié)束時,T形柱底腹板混凝土破壞情況較翼緣外側(cè)混凝土破壞更為嚴(yán)重,T形柱底腹板和翼緣混凝土破壞情況如圖2所示。

L形柱:當(dāng)正向荷載加至50 kN時,柱下部腹板兩側(cè)同時出現(xiàn)1條彎曲裂縫;當(dāng)正向荷載加至70 kN時,柱腹板中下部陸續(xù)出現(xiàn)多條剪切斜裂縫;反向加載至70 kN時,柱底翼緣外側(cè)出現(xiàn)2條水平彎曲裂縫;隨著正向荷載的不斷增大,腹板中斜裂縫不斷向兩側(cè)開展延伸,且裂縫寬度不斷增大,反向加載過程中,翼緣外側(cè)水平裂縫開展緩慢,且裂縫寬度較小;當(dāng)正向和反向加載均達(dá)到Δy后,翼緣外側(cè)裂縫逐漸延伸至腹板外側(cè)并與正向裂縫形成X形交叉斜裂縫,腹板內(nèi)側(cè)同時也形成多個X形交叉斜裂縫;正向加載至3Δy時,腹板混凝土保護(hù)層開始發(fā)生部分剝落現(xiàn)象;正向加載至4Δy時,柱底腹板出現(xiàn)豎向裂縫,混凝土保護(hù)層裂縫寬度較大;隨著變形的繼續(xù)增大,柱底腹板混凝土保護(hù)層全部剝落,同時正向加載造成翼緣內(nèi)混凝土也出現(xiàn)了破壞剝落現(xiàn)象。試驗結(jié)束時,柱底腹板混凝土完全剝落,縱筋壓彎,柱底箍筋綁扎處被拉開。L形柱的破壞情況如圖3所示。

圖2 T形柱底破壞照片F(xiàn)ig.2 Damaged picturesof T-shaped column

1.3 滯回曲線

試驗測得 T形和L形柱水平荷載-位移滯回曲線如圖4所示,T形和L形柱骨架曲線如圖5所示。

圖5中A,B,C分別為正向加載時T形和L形柱荷載-位移曲線上的屈服點、極限點及破壞點,A′,B′,C′分別為反向加載時T形和L形柱荷載-位移曲線上的屈服點、極限點及破壞點。其中屈服點由骨架曲線根據(jù)等面積法確定,破壞點為極限荷載下降到85%時所對應(yīng)的荷載點。

圖3 L形柱底破壞照片F(xiàn)ig.3 Damaged pictures of L-shaped column

圖4 T形和L形柱滯回曲線Fig.4 Hysteretic curves of T and L-shaped column

圖5 T形和L形柱骨架曲線Fig.5 Skeleton curvesof T and L-shaped columns

本次試驗T形和L形柱的剪跨比為2.5左右,因此量測得到的水平荷載-位移滯回曲線和骨架曲線表現(xiàn)出了明顯的不對稱性。由 T形柱破壞特征及滯回曲線可知,開始加載時,正反2方向承載能力和變形能力比較相近,滯回曲線不對稱性并不顯著,而在加載后期,由于柱底腹板受壓時混凝土破壞嚴(yán)重,截面曲率增大,水平變形較大,而承載能力增長緩慢,柱底翼緣受壓時混凝土破壞程度較輕,截面曲率增長速率緩慢,即截面剛度下降緩慢,因此水平變形較小,承載能力較大。正是由于T形柱正反受剪時存在腹板和翼緣分別受壓和受拉2種狀態(tài),從而造成了水平荷載-位移滯回曲線不對稱的特性。由此可知,T形柱滯回曲線不對稱的特性是不可避免的,增大剪跨比僅能緩解不對稱性,而不能消除不對稱性。低剪跨比時T形柱滯回曲線和骨架曲線的不對稱性表明了正反兩個方向承載能力和變形能力的不對稱性,即2個方向的抗震性能存在顯著差異,因此《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 149—2006)[15]中的斜截面受剪承載力計算公式中沒有考慮這一因素是不合理的,不能正確反應(yīng)T形柱2個方向?qū)嶋H的受剪承載力。L形柱的滯回曲線和骨架曲線也表現(xiàn)出了不對稱現(xiàn)象,但與 T形柱不同,其主要表現(xiàn)為變形的不對稱,正反2個方向的極限承載力相差不大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因為L形柱翼緣對構(gòu)件正反向抗剪作用較小,故構(gòu)件主要通過腹板承受剪力,與《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 149-2006)中的斜截面受剪承載力計算公式規(guī)定一致。

本次試驗 T形和L形柱2個方向承載能力和變形能力如表1、表2所示。

表1 T形柱承載能力和變形能力Tab.1 Load and deformation of T-shaped column

表2 L形柱承載能力和變形能力Tab.2 Load and deformation of L-shaped column

圖6 T形柱剛度退化曲線Fig.6 Rigidity degeneracy curve of T-shaped column

由表1可知,T形柱剪跨比為2.5左右時,反向加載極限荷載約為正向加載極限荷載的1.23倍,而反向加載極限位移僅約為正向加載極限位移的0.5倍。T形柱的破壞位移為破壞點對應(yīng)的位移。反向加載時T形柱達(dá)到極限位移后不久就達(dá)到了破壞位移,兩者之間的差值為4.76 cm。正向加載時 T形柱達(dá)到極限位移后又經(jīng)過較大的變形才達(dá)到破壞位移,兩者的差值為21.24 cm,而表1中的位移延性系數(shù)為破壞位移與屈服位移的比值,因此計算得到的 T形柱正向位移延性系數(shù)僅約為5.47,反向位移延性系數(shù)約為2.68,正反向位移延性系數(shù)的差值為2.79。由此可見,剪跨比為2.5左右時T形柱2個方向的延性存在較大差異。

由表2可知,L形柱剪跨比為2.5左右時,正反2個方向的極限承載力相等,但2個方向的變形能力相差較大,正向極限位移約為反向極限位移的3.23倍,正向延性系數(shù)約為4.81,反向延性系數(shù)約為3.87,L形柱正向變形能力大于反向變形能力。

圖7 L形柱剛度退化曲線Fig.7 Rigidity degeneracy curve of L-shaped column

1.4 剛度退化

剛度與承載能力和延性一樣也是構(gòu)件抗震性能的一個重要指標(biāo)。定義坐標(biāo)原點與某次循環(huán)的荷載峰值(即骨架曲線上的點)連線的斜率為等效剛度,其值由 K=F/U得到。在位移不斷增大的情況下,剛度一環(huán)比一環(huán)減小,因此,剛度將隨著循環(huán)周數(shù)和位移接近極限而減小,這就是剛度退化。圖6、圖7為 T形和L形柱正反向剛度退化曲線。

由圖6可見,低剪跨比時 T形柱正反向剛度退化曲線也存在顯著不對稱性,正向加載剛度退化曲線接近線性,反向加載剛度退化曲線經(jīng)歷了剛度速降、剛度次降和剛度緩降3個階段。對比左右剛度曲線,同一加載周期時,正向加載剛度均大于反向加載剛度,即腹板受拉時,T形柱剛度下降速率小于腹板受壓時的剛度下降速率。

由圖7可見,L形柱正反向剛度退化曲線也存在不對稱現(xiàn)象,正向加載剛度退化曲線經(jīng)歷了剛度速降、剛度次降和剛度緩降3個階段,而反向加載剛度退化曲線整個加載過程中下降速率平穩(wěn),不存在緩降階段。由于L形柱正反向承載力差別不大,但變形能力差異顯著,因此2個方向的初始剛度差別較大,由于反向剛度退化平穩(wěn),中后期同一加載周期時,反向加載剛度均大于正向加載剛度。

2 結(jié) 論

1)試驗研究表明,由于特殊的截面形式,T形柱構(gòu)件正反向加載時存在腹板和翼緣分別受壓或受拉2種狀態(tài),因此T形柱正反2個方向的承載能力和變形能力等抗震性能指標(biāo)存在差異,其荷載-位移曲線具有不對稱性,且這種不對稱性是不可避免的。當(dāng)T形柱的狹義剪跨比小于3.0時,不對稱性更為顯著,柱底腹板受壓時,柱腳混凝土破壞嚴(yán)重,降低了異形柱水平截面剛度和承載力,不利于結(jié)構(gòu)抗震。當(dāng)T形柱的狹義剪跨比大于3.0時,不對稱性將有所緩解。

2)狹義剪跨比小于3.0時,L形柱正反2個方向的承載能力較接近,但變形能力差異較大,L形柱腹板受壓時,柱腳混凝土破壞嚴(yán)重,降低了水平截面剛度,同樣不利于結(jié)構(gòu)抗震。由于L形柱沒有對稱軸,且一般位于結(jié)構(gòu)角部,此處異形柱遭受地震作用時將伴隨扭轉(zhuǎn),因此對L形柱的抗扭轉(zhuǎn)作用應(yīng)予以重視。

3)現(xiàn)行異形柱規(guī)程中未就 T形柱正反2個方向的承載能力和變形能力不對稱性問題進(jìn)行說明,然而不同受力狀態(tài)下T形柱構(gòu)件正反2個方向的承載能力和變形能力存在較大差異,因此應(yīng)對這一問題進(jìn)行深入探討,以完善規(guī)程中有關(guān)異形柱受剪承載力計算的規(guī)定。

[1] THOMAS H C.T-shaped reinforced concrete members under biaxial bending and axial comp ression[J].ACI Structural Journal,1989,86(4):460-468.

[2] YAU C Y,CHAN S L,SO A K W.Biaxial bending design of arbitrarily shaped reinfo rced concrete column[J].ACI Structural Journal,1993,90(3):269-278.

[3] 馮建平,陳 謙,衛(wèi) 園,等.L形和 T形截面柱正截面承載力的研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(Journal of South China University of Technology),1995,23(1):54-61.

[4] 肖 芳,何放龍.L形、T形及十字形截面鋼筋混凝土異形柱配筋計算[J].四川建筑科學(xué)研究(Sichuan Building Science),2002,28(1):10-12.

[5] 趙艷靜,李忠獻(xiàn),陳云霞.四級抗震等級時鋼筋混凝土異形柱軸壓比限值的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(Journal of Building Structures),2004,25(3):58-62.

[6] 趙艷靜,陳云霞,于順泉.鋼筋混凝土異形截面框架柱軸壓比限值的研究[J].天津大學(xué)學(xué)報(Journal of Tianjin University),2004,37(7):600-604.

[7] 李 杰,吳建營,周德源,等.L形和Z形寬肢異形柱低周反復(fù)荷載試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(Journal of Building Structures),2002,23(1):9-15.

[8] 杜 琛,王鐵成,陳向上.L形截面寬肢混凝土柱破壞形態(tài)研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(Journal of Shenyang Ligong University),2007,26(2):80-83.

[9] 陳宗平,薛建陽,趙鴻鐵,等.低周反復(fù)荷載作用下型鋼混凝土異形柱的抗剪承載力分析[J].土木工程學(xué)報(China Civil Engineering Journal),2007,40(7):30-36.

[10] 郭 棣,吳敏哲,艾 兵.T形截面柱框架的抗震性能分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)(Journal of Xi’an University of A rchitecture and Technology(Natural Science Edition)),2003,35(3):205-207.

[11] 李曉莉,郭 棣,吳敏哲.T形截面柱的非線性分析[J].世界地震工程(World Earthquake Engineering),2005,21(3):122-125.

[12] 曹萬林,王光遠(yuǎn).不同方向周期反復(fù)荷載作用下 T形柱的性能[J].地震工程與工程振動(Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration),1995,15(4):76-84.

[13] 郭 棣,吳敏哲,謝異同.寬肢T形柱的滯回特性及耗能分析[J].世界地震工程(World Earthquake Engineering),2002,18(2):146-149.

[14] 曹萬林,厐國新,盧立煒,等.較小剪跨比帶暗柱 T形柱抗震性能試驗研究[J].地震工程與工程振動(Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration),1999,19(4):61-66.

[15] JGJ 149—2006,混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

Research in shear behavio r of T and L-shaped columns w ith low shear-span ratio under forward and reverse loading

L IQi-lian,ZHANG Xue-hui,ZHENG Shi-duo

(College of Civil Engineering and A rchitecture,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

Due to the special section of T and L-shaped columns,the web and the flange will bear p ressure o r tension under fo rward and reverse load.The shear capacity and defo rmation capacity are different under fo rward and reverse load,and w hen the shear-span is lower the difference is mo re obvious.Through low frequency cyclic loading experiment of T and L-shaped columns w hile the shear-span is 2.5,this paper investigated the failure characteristic,shear capacity,defo rmation capacity and rigidity degeneracy of the T and L-shaped columns w ith low shear-span ratio.The results show that the shear capacity and deformation capacity of the T and L-shaped columns are obviously different under forward and reverse load.The web concrete in column footw ill be damaged seriously under p ressure,w hich reduces the section stiffness and shear capacity,so the column footmay become the weak position of specially shaped columns.

specially shaped columns;shear-span ratio;seismic behavio r;low frequency cyclic loading

TU 375.4

A

1008-1542(2011)01-0082-06

2010-09-02;

2010-11-15;責(zé)任編輯:馮 民

國家自然科學(xué)基金資助項目(50878141);河北省教育廳自然科學(xué)基金資助項目(Z2010250);河北省科技廳自然科學(xué)基金資助項目(10215677)

李其廉(1965-),男,河北臨西人,高級工程師,碩士,主要從事建筑物檢測方面的研究。