區域約束矩形箍混凝土柱往復荷載作用軸壓比限值研究

羅 玚

（蘭州工業學院，甘肅 蘭州 730050）

區域約束混凝土作為新型結構型式，依靠優于普通約束混凝土的性能，已經應用于實際工程。根據我國抗震設計的基本原則，由于地震發生的偶然性，假如一味追求結構強度以保證中震甚至是大震作用下結構不壞，這將使大量材料在整個壽命期內都處于不能充分發揮作用的狀態。所以在這一設計原則指導下，要求我們所設計的工程結構滿足規定的延性指標。軸壓比的大小直接影響鋼筋混凝土框架柱的抗震性能，對鋼筋混凝土框架柱的延性起到決定性作用。影響鋼筋混凝土框架柱延性的主要因素有軸壓比、剪跨比、配箍特征值[2]、縱向鋼筋的配筋率及配筋形式，近年來國內外關于軸壓比的研究很多，但大多未考慮約束的作用，試驗研究中軸壓比取值不高。根據對區域約束混凝土柱特點的分析，保證結構可靠度前提下，取用比規范限值高許多的軸壓比，為此，本文對兩根不同軸壓比的矩形箍區域約束混凝土柱進行了反復低周期加載的模型試驗，通過對區域約束混凝土框架柱在反復低周期水平荷載作用下的試驗，對比分析不同軸壓比區域約束混凝土框架柱的抗震性能。

1 試驗現象

1.1 配置區域約束矩形箍的混凝土柱試驗分析

力循環階段，在水平力增至60kN 之前試件處于完全彈性狀態，當水平荷載達到60kN 時，受拉區下部出現水平向的細而密的彎曲裂縫；當水平荷載加到80kN時，受拉區水平向的彎曲裂縫增多，彎曲裂縫范圍逐步擴大，但分布均勻；-100kN時受拉區上部產生水平向的細而密的彎曲裂縫；當水平荷載增至+125kN 時，壓區邊緣部位縱向鋼筋屈服，此時構件水平位移為22.00mm，力循環階段結束，位移循環開始，取屈服位移Δ的倍數進行加載；2Δ循環內，+2Δ時候，混凝土內部發出開裂聲，側面開始出現裂縫；繼續加載，橫向彎曲裂縫加寬，壓區混凝土內部有響聲，不斷出現豎向裂縫，側面有斜剪裂縫出現；3Δ循環內，壓區混凝土保護層壓崩，且同在+3Δ、-3Δ出現斜裂縫，保護層開始脫落；4Δ循環，+4Δ時壓區角部縱筋屈服，繼而受壓區鋼筋全部屈服，但箍筋并無明顯變形。在4Δ第三個循環的時候，核心約束區以外混凝土壓碎崩落現象嚴重，且縱向鋼筋開始斷裂；5Δ循環，另一側縱筋斷裂，試驗結束。試驗最后破壞形態，箍筋無明顯變形，只有一個方向的斜裂縫，試件側面未出現斜剪裂縫，塑性鉸區范圍較小，可以判斷，RCC-1A 在力循環階段，最大變形為22.00mm，屈服荷載為124kN，位移循環階段極限荷載為162.61kN，最大變形為65.97mm。

1.2 試件試驗現象

力循環階段加載至+80kN 之前的循環中，試件基本處于彈性工作狀態，卸載后基本無殘余變形；加載至85kN 時，受拉區出現第一條彎曲裂縫；繼續加載，已有裂縫不斷加寬，新的裂縫不斷出現；正方向在100kN 加載循環，縱向鋼筋并沒有屈服；RCC-1B 在力循環階段，最大變形為15.76mm，水平力為+180kN；隨后以Δ=16mm 的倍數進入位移控制加載，每級循環三次；在進入第一次循環的途中，混凝土橫裂縫驟然增長增寬，位移至26.23mm 時出現最大水平力231.8kN，此時受壓縱筋屈服，并且伴隨著出現受拉區橫向裂縫貫通，此后循環中剛度退化嚴重；在3Δ階段中，保護層開始大量脫落，試件中間擴大部分的上下端側面均出現“X”形交叉裂縫；至4Δ階段第三循環負方向，受拉區角部一根鋼筋拉斷；至5Δ階段第一循環正方向過程中，壓區鋼筋全部斷裂，此時認為試件已破壞，加載停止，試件喪失承載力后，角部箍筋外鼓，角部鋼筋籠中的混凝土掏空；位移循環階段屈服荷載為231.8kN，最大變形為78.85mm。

2 破壞形態分析

縱觀本次試驗中2 根試件，其整個破壞過程有如下規律：在水平力達到約0.3～0.4 倍極限荷載時，首先在柱中靠下受拉側面出現水平彎曲裂縫；荷載反向加載時，在柱中靠下另一側面出現水平彎曲裂縫；隨著荷載的增加，側面的水平裂縫逐漸開展，位移循環階段尤為明顯，該階段彎矩二階效應較明顯，但壓區混凝土由于受到約束混凝土分體柱的約束，限制其發生大的變形，裂縫轉為斜向發展，繼而在試件中間擴大部分的上下端側面均出現“X”形交叉裂縫，隨著柱端軸壓力的提高，裂縫的出現與發展延緩，使得試件的開裂荷載與極限荷載均有所提高；同時受壓柱體混凝土出現細微豎向裂縫，并向兩端發展；繼續增加荷載，斜裂縫發展緩慢，而水平裂縫迅速發展并隨著荷載的往復循環在柱橫截面貫通，最大寬度約0.5mm，當荷載加到極限荷載的0.8～0.85 倍時，試件隨即達到屈服狀態；伴隨荷載的往復循環以及控制位移的增大，柱體上的橫向裂縫增多，相互貫通的橫向裂縫增多，柱體四條棱邊上的混凝土開始脫落，內部傳出混凝土劈裂聲，此時水平荷載下降，但下降速度不大，這是由于彎曲破壞時，約束混凝土分體柱限制了荷載的迅速下降。當縱筋局部屈服時，混凝土才出現大面積的脫落，此時水平荷載開始迅速下降，試件破壞；破壞時，貫通的彎曲水平裂縫最大寬度達到1mm左右，柱體加強區域混凝土保護層脫落，箍筋、縱筋幾乎完全暴露，縱筋壓屈、外鼓現象也非常明顯，但多數試件縱筋所圍部分混凝土成對角錐體，并未掏空。

總體來說，本試驗中兩組相對較高軸壓比試件的破壞是由于受壓區混凝土應力達到極限承載力，混凝土進入完全塑性狀態，受壓區縱筋屈服，整個柱子逐漸喪失承載力引起的，符合彎曲型破壞的特征。這種形態的破壞過程比較緩慢，是一個延性耗能的過程，因而試件延性較好。普通混凝土柱的最終破壞是由于受壓區混凝土破壞，縱向鋼筋被壓曲，從而導致整個截面被壓潰，構件失去承受軸向力的能力，而區域約束混凝土柱由于其分體柱的約束，雖然隨著往復變形的增大與混凝土被逐漸受壓破壞（在試驗中表現為混凝土柱子的承載力逐漸減?。?，但承載力減小的速度較為緩慢，延性耗能能力明顯好于普通混凝土柱。

3 結論

1、試件的彈性變形隨著軸壓比的增大而增大，極限承載力相應提高；

2、同等條件下，低軸壓比試件具有相對較好的塑性發展機制；

3、試件的延性隨著軸壓比的增大而增大，同等軸壓比剛度相差不大；