鋼筋混凝土柱地震破壞方式及性能研究

■李 曉 ■南昌大學(xué)，江西 南昌 330031

我國地處地震多發(fā)區(qū)域，地震的發(fā)生造成的災(zāi)難十分嚴(yán)重。鋼筋混凝土柱是公路橋梁、房屋等結(jié)構(gòu)的豎向承重構(gòu)件，在地震作用下容易遭受破壞，并嚴(yán)重危及整體結(jié)構(gòu)的完整與可靠。對地震作用下鋼筋混凝土柱的破壞方式及性能進(jìn)行研究，才能在設(shè)計過程中確保對承載力及延性的合理設(shè)置，有利于避免構(gòu)件嚴(yán)重破壞的發(fā)生。

1 地震破壞方式

1.1 彎曲破壞

柱剪跨比大、軸壓比小、配筋合理的情況容易發(fā)生彎曲破壞。受彎承載力的控制作用，受拉縱向鋼筋屈服，發(fā)生塑性變形后混凝土柱至極限壓應(yīng)變，受彎承載力對應(yīng)的力小于抗剪承載力［1］。破壞形態(tài):柱端塑性鉸區(qū)，分布有水平彎曲裂縫，縱筋屈服后產(chǎn)生塑性鉸，遭受破壞后混凝土壓潰，對地震能量的吸收較大，形成為延性破壞。

1.2 彎剪破壞

柱抗震設(shè)計中所需注意的是剪切破壞，由于客觀條件的影響，設(shè)計過程中無法完全避免剪切破壞，而應(yīng)對結(jié)構(gòu)的變形能力進(jìn)行控制。構(gòu)件變形增大致使柱縱筋屈服，柱端產(chǎn)生塑性鉸，隨著剪切斜裂縫的不斷擴展，混凝土有效抗剪面積逐漸減小，經(jīng)塑性變形后柱的受剪承載力隨著變形增大而減小［2］。由于變形持續(xù)增大，箍筋開始屈服，剪切破壞后受壓邊緣混凝土的極限壓應(yīng)變不足。整個過程當(dāng)中，縱筋屈服、鋼筋外露、縱筋壓曲。在彎剪破壞開始之前，構(gòu)件彎曲響應(yīng)穩(wěn)定，具有一定的延性。

1.3 剪切破壞

軸壓比大、剪跨比小、箍筋約束不足的條件下，容易發(fā)生剪切破壞。因為配箍不足導(dǎo)致箍筋約束不足，箍筋彎鉤為90°等因素是導(dǎo)致箍筋約束不足的重要因素［3］。受剪承載力的作用，箍筋屈服而縱筋未屈服，達(dá)到抗剪承載力后，隨變形的增大，柱承擔(dān)的水平力開始降低。混凝土剪切滑移斜裂縫明顯，出現(xiàn)脆性破壞，沒有延性。

2 破壞方式及性能研究

鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性影響嚴(yán)重，縱向鋼筋及鋼筋骨架銹蝕損壞都會導(dǎo)致混凝土柱縱筋裂縫的產(chǎn)生，混凝土逐漸剝落，構(gòu)件破壞方式發(fā)生變化致使承載力下降，嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)的性能及質(zhì)量。試驗在低周反復(fù)作用下對銹蝕鋼筋混凝土柱的破壞方式進(jìn)行分析，研究其對鋼筋混凝土柱性能的影響。

2.1 試驗概況

制作鋼筋混凝土柱試件共13 根，土柱截面直徑260mm，高1000mm，剪跨比3.15，基座為400mm ×360mm ×1300mm，保護(hù)層厚度30mm，截面尺寸與配筋見圖1。水灰比0.65，混凝土強度等級C25。箍筋為HPB235 級光圓鋼筋，直徑8mm，屈服強度327MPa，極限強度510.7MPa;縱筋為HRB335 級熱軋帶肋鋼筋，直徑16mm，屈服強度373.2MPa，極限強度572.3MPa。

表1 試件名稱及相關(guān)參數(shù)

圖1 試件截面尺寸與配筋

除試件C0 -15、C0 -25、C0 -40 外，其余均為鋼筋銹蝕試件。銹蝕試件表面可見沿縱筋的裂縫及銹蝕產(chǎn)物，裂縫長度約為800mm，最大寬度可達(dá)2.5mm。將試件中的銹蝕縱筋取出，采用稀鹽酸10%進(jìn)行清洗，經(jīng)清水漂洗后使用石灰水進(jìn)行中和，最后沖洗干凈。對銹蝕試件的鋼筋重量損失率進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。由結(jié)果可知，除試件C4 -25外，其余試件的鋼筋重量損失率達(dá)9 -15%。箍筋的直徑比縱筋直徑小，箍筋銹蝕程度更為嚴(yán)重。試件C14 -32、C12 -90、C15 -90、C13 -75 箍筋銹蝕十分嚴(yán)重，導(dǎo)致混凝土約束作用降低。

2.2 破壞方式

對完好試件進(jìn)行反復(fù)荷載試驗，試件根部混凝土受拉區(qū)出現(xiàn)水平裂縫，反復(fù)荷載的增大致使水平裂縫不斷加寬，受壓區(qū)出現(xiàn)豎向裂縫，并集中在根部350mm 范圍之內(nèi)，因混凝土壓碎致使試件受到破壞，表現(xiàn)為彎曲破壞。銹蝕試件C9 -25、C9 -40、C14 -32、C9 -15、C4 -25軸壓比小于0.5，水平荷載施加后受拉區(qū)出現(xiàn)水平彎曲裂縫。由于混凝土與銹蝕鋼筋的粘結(jié)力降低，屈服前水平裂縫少于未銹蝕試件。屈服后新水平裂縫的產(chǎn)生不明顯，豎向裂縫較寬，加載過程中無斜裂縫。混凝土保護(hù)層剝落，受壓縱筋向外屈曲。試件Cll-75、C13 -75、C12 -90、C15 -90、C11 -60 軸壓比小于0.5，初期進(jìn)行加載，原有縱向裂縫擴展，至開裂荷載時于土柱根部250mm 范圍內(nèi)出現(xiàn)水平裂縫。因水平荷載的增加，裂縫逐漸變寬，并發(fā)展為斜裂縫。持續(xù)加載，受壓側(cè)出現(xiàn)新裂縫，受壓鋼筋屈服。屈服后豎向裂縫與斜裂縫繼續(xù)延伸，至混凝土剝落后，縱筋外露并屈服，箍筋屈服拉斷致使發(fā)生脆性破壞。部分時間銹蝕程度嚴(yán)重，混凝土箍筋的約束作用消失，抗剪承載力逐漸降低，因箍筋屈服拉斷或斜裂縫變寬致使脆性破壞明顯。試件C14 -32 和C15 -90 根部以上250mm 范圍內(nèi)的混凝土剝落，混凝土受壓出現(xiàn)斜裂縫。與軸壓比相近的試件C0 -40 相比，銹蝕嚴(yán)重破壞試件，銹蝕率增大，試件由彎曲破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕羝茐摹?/p>

2.3 滯回曲線

滯回曲線能夠?qū)?gòu)件的抗震性能進(jìn)行體現(xiàn)，可反映構(gòu)件的強度衰減、延性特性及剛度退化［4］。滯回曲線越為豐滿，構(gòu)件消耗地震能量的能力就越強，說明抗震性能較好。研究表明，混凝土強度、縱筋配箍率和配筋率以及剪跨比對試件滯回特性、耗能能力等具有較大影響［5］。例如，對軸壓比相同的試件C4 -25、C0 -25、C9 -25 的滯回曲線進(jìn)行比較，可知鋼筋銹蝕率增加的情況下，滯回曲線面積逐漸減少，不再顯得豐滿，極限荷載與位移同樣減小，說明試件延性和耗能能力降低。試件C0 -25、C4 -25、C9 -25 的滯回曲線分別見圖2、3、4。

圖2 試件C0 -25 的滯回曲線

圖3 試件C4 -25 的滯回曲線

圖4 試件C9 -25 的滯回曲線

3 結(jié)束語

在地震作用下，鋼筋混凝土柱易受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致橋梁、房屋等柱式結(jié)構(gòu)的建筑物發(fā)生倒塌，嚴(yán)重危及人們的生命與財產(chǎn)安全。地震過程中，除了彎曲破壞之外，塑性鉸的出現(xiàn)引起彎剪破壞的發(fā)生也比較的多見［6］，這就要求必須重視對建筑物抗震能力的設(shè)計，以此確保建筑物的抗震性能。

［1］程志杰.近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究［D］.湖南大學(xué)，2011.

［2］李鵬.基于性能抗震設(shè)計的鋼筋混凝土柱試驗研究［D］.湖南大學(xué)，2013.

［3］王敏.抗震鋼筋混凝土柱的破壞準(zhǔn)則及截面混凝土纖維的損傷累積性能研究［D］.重慶大學(xué)，2005.

［4］張和平.鋼筋混凝土柱抗震性能試驗及優(yōu)化模擬分析［D］.重慶大學(xué)，2012.

［5］董旭華.GFRP 加固鋼筋混凝土橋梁短柱抗震性能研究［D］.湖南大學(xué)，2006.

［6］伍凱，薛建陽，趙鴻鐵，等.SRC-RC 轉(zhuǎn)換柱箍筋設(shè)置方式與破壞區(qū)域變遷［J］.地震工程與工程振動，2012.