全礦渣混凝土柱的剛度退化試驗研究

馮士千,王 偉,李小偉,彭 龍,陳科材

(攀枝花學院，四川攀枝花617000)

混凝土柱是建筑結構體的主要承重結構，所以許多專家和學者對混凝土柱展開了一系列的研究。起初主要對高強混凝土材料性能進行研究。如1988年同濟大學金孝洲做了高強混凝土強度、斷裂性能、脆性及破壞特性的研究。1990年大連理工大學李東陸做了約束高強混凝土應力-應變關系及高強混凝土柱配箍率的試驗研究。1988年天津大學李強做了高強混凝土應力-應變全曲線的試驗研究。1987年清華大學許錦峰做了高強混凝土應力應變全曲線的試驗研究。1990年清華大學胡海濤、葉知滿做了高強約束混凝土應力應變全曲線性能的試驗研究[1]。后來，逐步過渡到對高強混凝土應用到構件和結構整體的抗震性能的研究。對于高強混凝土框架柱的研究問題有:正截面承載力、斜截面承載力、影響高強混凝土柱延性的主要因素、軸壓比限值問題、箍筋加密區最小體積配箍特征等[2]。

在高強混凝土框架柱抗震變形性能方面，主要研究的問題有:影響高強混凝土柱延性的主要因素、軸壓比限值問題、箍筋加密區最小體積配箍率等[3]。影響高強混凝土框架柱位移延性的主要因素是剪跨比、軸壓比、配箍率、箍筋強度和縱筋配筋率。在相同配箍特征系數和軸壓比下，高強混凝土柱的延性低于普通混凝土[2]。實驗結果表明:剪跨比能大體反映出截面上彎曲正應力和剪應力的比例關系，是決定框架柱延性破壞還是脆性破壞的主導因素，鋼筋鹼框架柱剪跨比越大，延性越好[4]。在其它條件不變的情況下，構件隨著軸壓比的增加其延性降低。

本文設計了3根不同軸壓比、不同配筋的全礦渣混凝土柱，然后采用擬靜力試驗得出了全礦渣混凝土柱的強度退化曲線和剛度退化曲線。

1 試驗概況

1.1 試件設計

根據混凝土強度等級、兩種柱子配筋方式(圖1)和兩種實驗軸壓比(0.3、0.5)所設計的試件編號見表1。

圖1 試件設計

試件編號混凝土形式混凝土立方體強度等級/MPa實驗軸壓比/n設計軸壓比/nd配筋方式1全礦渣混凝土C52.50.30.503普通箍2全礦渣混凝土C52.50.50.835普通箍3全礦渣混凝土C52.50.30.503復合直箍

1.2 試驗裝置設計

試驗裝置如圖2所示，設計試件基礎置于試件下方，將試件置于加載框架內，試件底部通過球鉸保證鉸接條件，試件頂部通過勁性橫梁保證頂部的鉸接條件。試件頂部置力傳感器，傳感器上置千斤頂，千斤頂與加載框架橫梁相連。水平加載設備連在反力墻上，通過反力墻提供反力[5]。

圖2 試驗裝置

1.2.1 水平加載設備

本實驗是低周反復荷載實驗。水平加載設備是美國West-Shock公司生產的電液伺服結構實驗系統。此產品的配置是：505.60型靜音油泵，流量200 LPM，工作壓力21 MPa,油箱容量950 L；293.11型4站臺分油器，總流量190 LPM，蓄能器3.8 L，工作壓力21 MPa；243.45型作動器，推力640 kN，拉力445 kN，行程500 mm，正負250 mm；Flex Test GT數字控制器，總線結構為4站臺8通道，用戶自定義數字輸入、輸出為16通道，配置793.00 Flex Test GT系統軟件。

1.2.2 豎向加載設備

豎向加載設備采用自動穩壓的千斤頂配合穩壓設備穩壓，壓力通過千斤頂下的力傳感器采集。

1.3 測點布置

1.3.1 鋼筋上的測點布置

每根柱子應變片布置如圖3所示。主筋上的應變片布置在對角主筋上，每根主筋上7片；箍筋上的應變片在梁上下各3道，節點中間一道。

圖3 鋼筋表面應變片布置

1.3.2 混凝土柱上的測點布置

混凝土柱上應變片和外位移計布置如圖4所示。

圖4 混凝土表面應變片布置

1.3.3 位移計布置

沿加載段中點和兩端支撐點布置3個主要位移計，編號為W7、W8、W9。在加載段兩邊的塑性鉸區布置4個位移計，編號為W1、W2、W3、W4，以測量塑性鉸區的剪切變形。

2 試驗過程

2.1 試件的試驗過程

實驗開始前，首先檢查應變片及其測試設備是否異常，通過分載梁頂的豎向千斤頂施加欲加豎向荷載一半預平衡，來消除實驗裝置的初始缺陷。卸載后，重新加載到預加豎向荷載，持荷2～3 min。預平衡后實驗正式開始，通過MTS作動器以0.3/s的加載速率施加水平往復荷載。

2.2 試件的失效形式

壓彎構件在壓、彎、剪作用下，其破壞形態主要為：彎曲破壞、剪切破壞、黏接開裂破壞、壓潰黏接開裂破壞等。

本次試驗的試件為中長柱，由于軸壓比加的不大，破壞全部為大偏壓破壞。破壞發生在柱試件中部擴大段上部和下部預估的塑性鉸區域，在中部擴大段上下部的裂紋各為3～5條。試件實驗過程中裂紋發展的主要階段見表2。

試件破壞過程大致分四個階段。

第一階段：發生在初裂以前，初裂位移基本為2～3 mm，初裂位移時，中部加載段兩側形成水平受彎裂紋條數為1～3條不等。初裂水平受彎裂縫的位移隨軸壓比增大而增大。裂縫寬度約為0.005～0.01 mm，當反向加載時裂縫能完全閉合。由于裂縫數量不多，寬度不大，對試件強度及剛度影響較小。

第二階段：發生在初裂以后，通裂以前，通裂時的位移基本為7～9 mm，在本階段，水平受彎裂紋隨著位移的增加繼續水平方向延長，在反向加載時可以閉合。

第三階段：發生在通裂以后，峰值荷載以前，峰值荷載位移基本為7～11 mm，在達到峰值荷載時，加載段相鄰的角部會發生豎向的微小裂紋，開始萌生壓碎區。

第四階段：發生在峰值荷載以后，極限位移以前，極限位移差別較大，處于7～19 mm，隨著軸壓比增大，極限位移減小。在此階段水平受彎斜紋開始斜向發展，形成彎剪裂紋。壓碎區的豎向裂紋擴展，使壓碎區擴大。在反向加載時，壓碎區的豎向裂紋不能閉合。

從試驗觀察發現，混凝土壓彎試件大偏心受壓破壞有如下特點。

(1)水平裂縫位置、條數固定。

(2)水平裂縫在峰值荷載后斜向發展，表明試件抗剪能力適中，裂紋呈彎剪型。

(3)從縱筋實測應變看，先是受壓縱筋屈服，其壓應變發展相當迅速，此時受壓區混凝土及受壓縱筋所提供的抗彎能力增長減慢，由水平荷載增大和軸力引起的P-Δ產生的彎矩由受拉縱筋迅速屈服來抵抗。

(4)在保護層脫落后及部分縱筋開始壓屈的情況下，試件承受水平荷載的能力迅速下降，軸壓比越大，下降越快。這時試件完全依靠由縱筋和箍筋構成的鋼筋骨架及其受約束的核心混凝土來抵抗軸力、水平荷載及軸力引起的附加彎矩。

表2 裂紋發展主要階段

3 試驗結果及分析

剛度退化有三種定義：(1)剛度隨著位移的增加而減小。(2)峰值荷載不變，隨著循環次數增加，峰值位移增加，導致剛度減小現象。(3)目標位移不變，隨著循環次數的增加，峰值強度變小，導致剛度減小現象。剛度退化一般用同一目標位移下的環線剛度來表示。

(1)

圖5～圖7是試件的剛度退化曲線，從圖中可以看出，相同混凝土強度等級和配筋的情況下，在相對位移△y小于1時，低軸壓比的柱1試件的剛度退化緩慢，高軸壓比的柱2試件的剛度退化較快；另外高軸壓比柱2試件的最大相對位移△y小于低軸壓比柱1試件，說明高軸壓比柱2試件的延性較差。相同混凝土強度等級和軸壓比的情況下，在相對位移△y小于1時，采用復合直箍的柱3試件的剛度退化迅速，采用普通箍的柱1試件的剛度退化較慢；另外復合直箍的柱3試件的最大相對位移△y小于采用普通箍的柱1試件，說明采用復合直箍的柱3試件比采用普通箍的柱1試件的延性差。總之，柱1延性最好。

圖5 柱1剛度退化曲線

圖6 柱2剛度退化曲線

圖7 柱3剛度退化曲線

4 結論

通過擬靜力試驗可以得出如下結論。

(1)高軸壓比柱2試件比低軸壓比柱1的延性差。

(2)采用復合直箍的柱3試件比采用普通箍的柱1試件的延性差。

(3)總之，柱1延性最好，剛度退化最慢。

[1] 張國軍.大型火力發電廠高強混凝土框架柱的抗震性能研究[D].西安建筑科技大學,2003

[2] 張國軍,白國良.高強混凝土框架柱的研究與進展[J].西安建筑科技大學學報, 2002,45(1):53-56

[3] 董正方,王君杰,韓鵬.工程結構柱式構件的抗震性能試驗研究進展[J].震災防御技術,2010,4(1):43-52

[4] 李視令,李思明.談鋼筋砼框架柱的軸壓比限值[J].住宅科技,1998,18(6):35-38

[5] 李小偉.高鈦重渣砂HRC柱抗震性能試驗研究[J].世界地震工程,2013,29(2):39-45

[6] 李小偉.高鈦重渣骨料高強混凝土柱抗震性能試驗研究[J].世界地震工程,2013,43(9):96-100