地鐵車站中柱抗震性能試驗研究*

馬乾瑛， 趙廣旗， 姜存玉

(長安大學(xué)建筑工程學(xué)院， 西安 710061)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)中采用的分體柱將截面較大的柱剖分為若干截面較小的柱，以減小柱體的剪切剛度，增加其長細(xì)比，從而避免較大柱體出現(xiàn)典型的剪切破壞。然而，針對在地鐵地下車站中采用分體柱的情況，目前尚未有工程實例及相關(guān)研究成果。

鋼筋混凝土分體柱就是采用隔板將矩形截面劈分成2根或4根獨立配筋的等截面柱，這樣柱截面尺寸變小，長細(xì)比加大，使短柱的剪跨比增大一倍，變短柱為“長柱”[1-2]，柱延性有明顯提高。隨著地鐵建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，針對地鐵地下車站的抗震性能研究也得到了越來越多的重視。針對地鐵地下車站中柱在地震時易發(fā)生剪切破壞[3-4]的情況，如果通過增大截面面積來增大強度的方法，則不僅引發(fā)了與地鐵車站使用功能之間的矛盾，另一方面其變形能力變差，導(dǎo)致中柱與側(cè)墻之間的變形更加不一致，有可能引起脆性破壞。

迄今為止，研究者已經(jīng)開展了分體柱的抗震性能[5-7]、分體柱框架梁柱節(jié)點的抗震性能[8-9]、分體柱框架的抗震性能試驗研究[10]及分體柱非線性有限元分析[11]等，獲得了諸如分體柱的受力機理、剛度取值、抗震性能及分體柱對框架節(jié)點受力和抗震性能的影響等初步成果。

地鐵地下車站中柱具有強度高、配筋率大、截面為異形且弱軸受力等特點。本文利用常規(guī)的試驗裝置進(jìn)行了地鐵地下車站普通中柱及相同工況下分體柱的低周往復(fù)加載試驗研究，總結(jié)了不同柱體的破壞模式，為之后分體柱在實際地鐵工程中的應(yīng)用提供一些參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

根據(jù)南寧地鐵清平坡站中柱設(shè)計配筋，進(jìn)行1∶2縮尺比例模型制作，為了更好地進(jìn)行對比測試，分別進(jìn)行了普通柱PTZ及分體柱FTZ的長柱、短柱設(shè)計。

普通柱PTZ由上部加載塊、柱體及下部固定塊組成，其中上部加載塊尺寸為800mm×650mm×250mm；底部固定塊尺寸為1 000mm×850mm×400mm；柱體截面尺寸為500mm×350mm，柱體高度：長柱1 750mm，剪跨比2.5；短柱高度為1 050mm，剪跨比為1.5。分體柱試件模型同樣由上部加載塊、柱體與底部固定塊組成，其中上部加載塊、底部固定塊及柱體高度尺寸與普通柱相同，柱體用10mm厚十字交叉竹膠板分為4個獨立柱體，柱體在上部與加載塊及下部與固定塊交接部位設(shè)置100mm的過渡柱區(qū)。考慮普通柱PTZ與分體柱FTZ承受相同工況，F(xiàn)TZ柱體的4個獨立柱體共同承擔(dān)軸力、彎矩及剪力，因此不考慮分體柱截面減小情況，根據(jù)鋼筋截面面積相等原則，將普通柱PTZ截面的鋼筋平均分配到分體柱FTZ的4個獨立柱體中。PTZ及FTZ兩種柱體混凝土強度等級為C50，縱向鋼筋強度等級為HRB400，箍筋強度等級為HRB400，上部500mm和下部500mm范圍內(nèi)為箍筋加密區(qū)。分別根據(jù)普通柱PTZ和分體柱FTZ的高度制作兩種高度的普通柱和分體柱。兩種柱體試件參數(shù)如表1所示，配筋如圖1～4所示。

試件設(shè)計參數(shù) 表1

圖2 分體柱長柱FTZ1尺寸及配筋

圖3 普通短柱PTZ2尺寸及配筋

圖4 分體柱短柱FTZ2尺寸及配筋

1.2 材料性能

試件制作流程為：加工鋼筋→粘貼鋼筋應(yīng)變片→連接應(yīng)變片引線→綁扎鋼筋籠→安裝模板→澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)。

試件制作均采用自密實商品混凝土，接照綁扎鋼筋→支模板→澆筑的順序進(jìn)行制作，澆筑時先澆筑底部固定塊，養(yǎng)護(hù)兩周后，將底部固定塊頂面與柱體連接處進(jìn)行鑿毛處理，再澆筑柱體和頂部加載塊。在制作試件的同時澆筑3組(每組3個，共9個) 150mm×150mm×150mm的混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)塊，并與試件進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)。試驗開始前對立方體標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行抗壓強度測試，結(jié)果見表2。

混凝土力學(xué)性能指標(biāo) 表2

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[12]，試件鋼筋骨架采用HRB400級熱軋帶肋鋼筋綁扎制作。在綁扎鋼筋時，留取各類直徑的鋼筋試樣，試樣長300mm，3個試樣為一組，各類直徑鋼筋各取一組。對鋼筋的力學(xué)性能進(jìn)行測定，結(jié)果如表3所示。

鋼筋力學(xué)性能指標(biāo) 表3

1.3 加載方案

擬靜力水平加載試驗裝置由豎向加載裝置和水平加載裝置組成。試驗加載裝置示意圖及試驗加載裝置實景圖分別見圖5和圖6。

圖5 試驗加載裝置示意圖

圖6 試驗加載裝置實景圖

試驗采用了恒定軸力條件下，施加水平低周往復(fù)荷載的加載方案。按軸壓比為0.2施加荷載，根據(jù)截面尺寸和混凝土抗壓強度，豎向荷載取800kN。水平荷載采用固定在反力墻上的MTS電液伺服作動器加載，通過作動器連接頭將作動器與試驗柱連接，從而水平力通過連接頭傳遞給試驗柱。其最大推力為1 000kN，最大拉力為1 000kN。

為避免試件滑移，用壓梁把試件基座固定在地面臺座上，為保證試件頂部在水平推、拉作用時能自由移動和轉(zhuǎn)動，在豎向千斤頂與水平橫梁之間加設(shè)水平移動的滾輪。保持豎向荷載值不變，普通長柱PTZ1和分體長柱FTZ1以10mm為級差施加水平荷載，每級加載往復(fù)循環(huán)3次，普通短柱PTZ2和分體短柱FTZ2以5mm為級差施加水平荷載，每級加載往復(fù)循環(huán)3次。當(dāng)水平荷載降至拉力或推力最大值的85%時認(rèn)定試件破壞，停止試驗。試件屈服以外圍受壓側(cè)縱向鋼筋全部屈服或滯回曲線上出現(xiàn)明顯拐點為準(zhǔn)。試驗加載制度如圖7所示。

圖7 試驗加載制度

1.4 試驗數(shù)據(jù)的采集

本次試驗的測量裝置包括變形測量裝置和應(yīng)變測量裝置。

柱頂所受的水平荷載利用電液伺服作動器內(nèi)的力傳感器進(jìn)行測量；在頂座側(cè)面的中間位置設(shè)置量程為±150mm(長柱)、±100mm(短柱)水平位移計A，測量柱頂加載點在循環(huán)水平荷載下的位移；對于長柱，沿柱高均勻布置2個水平位移計B和C，對于短柱，在柱高中間位置設(shè)置水平位移計B，測量試件不同高度處的位移情況；在底座側(cè)面設(shè)置水平位移計D，觀測試件是否出現(xiàn)整體移動。位移計布置圖見圖8。

圖8 位移計位置

2 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)描述

為了方便描述試驗現(xiàn)象及破壞特征，用T表示“推”，L表示“拉”，第一個數(shù)字代表位移的大小，第二個數(shù)字代表該位移下的第幾次循環(huán)。如“T-5-1”即為柱頂?shù)?次向推的方向產(chǎn)生了5mm的位移。定義：東面為實景圖(圖6)中受拉力的一面，西面為受推力的一面，南面、北面為柱體的兩個側(cè)面。

(1)普通長柱PTZ1

加載過程中，T-10-1時，西面距柱底34，56cm處出現(xiàn)長約5.5，9.6cm的橫向裂縫，北面距柱底35，56cm處出現(xiàn)長約10.5，5.5cm的橫向裂縫；L-10-1時，南面距柱底12，46cm處出現(xiàn)長約6，9cm的橫向裂縫，東面距柱底46cm處出現(xiàn)長約40cm的橫向裂縫，北面距柱底36cm處出現(xiàn)長約13cm的裂縫；T-10-3時，原有裂縫有一定延伸，裂縫最大寬度約0.05mm；L-20-1時，南面距離柱底63，96cm處出現(xiàn)長約16，7cm的橫向裂縫，東面在距柱底36～76cm范圍內(nèi)出現(xiàn)3條橫向貫通裂縫,此時裂縫最大寬度約為0.1mm；T-20-3時，原有裂縫有一定延伸，各面裂縫最大寬度約為0.1mm；L-30-1時，各面裂縫有一定延伸，南面裂縫最大寬度約為0.15mm；L-40-1時，此時各面裂縫最大寬度約0.2mm；L-50-1時，東面、南面和北面部分裂縫均斜向下有所延伸，此時裂縫最大寬度約為0.25mm，此時東面裂縫最大寬度達(dá)到0.4mm；T-60-3時，南面、北面斜裂縫向中部延伸，因貫通而形成“X”形裂縫，南面和西面裂縫最大寬度可達(dá)0.57mm，北面裂縫最大寬度約為0.35mm；T-80-1時，柱腳處的混凝土被壓碎，而此時裂縫不再出現(xiàn)；T-100-1時，東面、西面距柱腳10cm處的混凝土開始爆起脫落；T-120-1時，柱底混凝土嚴(yán)重脫落并露出鋼筋。最終破壞狀態(tài)如圖9所示。

圖9 普通長柱PTZ1各面最終破壞狀態(tài)

(2)分體長柱FTZ1

柱頂水平推力為70kN時，南面中間隔板處出現(xiàn)即將貫通的豎向裂縫，南面距柱底37，22cm出現(xiàn)長約8cm的橫向裂縫，北面隔板處的裂縫間斷出現(xiàn)，在距柱底20～55cm的范圍內(nèi)出現(xiàn)8條短小的斜裂縫，西面距柱底37，22cm處出現(xiàn)長約8，6cm的橫向裂縫；柱頂水平拉力為70kN時，南面在柱底和柱中部出現(xiàn)3條橫向裂縫，東面距柱底60，90cm處出現(xiàn)長約25，15cm的橫向裂縫，北面距柱底30cm處出現(xiàn)長約10cm的橫向裂縫；T-10-1～L-20-3時，南面原有橫向裂縫延伸與此面中間豎向裂縫相連，并出現(xiàn)新的橫向裂縫，北面中間間斷豎向裂縫延伸連接出現(xiàn)新的橫向裂縫，東、西面在柱中部和底部出現(xiàn)1條橫向裂縫并逐漸延伸貫通；T-30-1～L-40-3時，南面豎向裂縫在柱頂和柱底向兩邊斜向延伸，北面豎向裂縫即將上下貫通，在柱頂和柱底與斜裂縫相連，東面隔板處出現(xiàn)貫通的豎向裂縫；T-50-1～L-70-3時，南、北面豎向裂縫寬度變大，東、西面橫向裂縫主要在柱腳發(fā)展，裂縫寬度明顯比其他裂縫寬；T-80-1～L-100-3時，南面柱腳處裂縫寬度變大，北面柱角側(cè)棱處和豎向裂縫兩側(cè)的混凝土壓碎，露出隔板，東面和西面柱腳處混凝土剝落，西面隔板處出現(xiàn)橫向裂縫；T-110-1～L-120-3時，南面和北面柱腳處的橫向裂縫和斜裂縫寬度增加，東、西面柱腳處的混凝土被壓碎，保護(hù)層混凝土爆起剝落，露出已經(jīng)明顯屈服的鋼筋。各面最終破壞狀態(tài)如圖10所示。

圖10 分體長柱FTZ1各面最終破壞狀態(tài)

(3)普通短柱PTZ2

加載過程中，L-5-1時，東面距柱底20cm處出現(xiàn)了1條橫向貫通裂縫；T-5-3時，距柱底座26～46cm范圍內(nèi)出現(xiàn)4條橫向裂縫；L-5-3時，東面距柱底13，30cm處出現(xiàn)2條橫向裂縫；L-10-3時，東面距柱底63cm處出現(xiàn)了1條橫向貫通裂縫，并通過側(cè)棱向南面延伸，南面距柱底46cm處出現(xiàn)新的斜裂縫；T-15-1時，南面距柱底30cm處出現(xiàn)了1條斜向裂縫，北面距柱底10～50cm的范圍內(nèi)出現(xiàn)4條斜裂縫，西面距離柱底62cm處出現(xiàn)了1條橫向貫通裂縫；L-15-1時，南面距離柱底10cm處出現(xiàn)1條斜裂縫；T-20-1時，西面距柱底70cm處出現(xiàn)橫向裂縫，北面和南面距柱底58cm處分別出現(xiàn)斜向裂縫；L-20-3時，南面距柱底5cm處出現(xiàn)1條斜裂縫；T-25-1時，西面距柱底70cm處的橫向裂縫延伸貫通整個截面；T-30-1時，南面距柱底64cm處出現(xiàn)1條新的斜裂縫，東面距柱頂16cm和26cm處出現(xiàn)新的橫向裂縫，其中1條橫向貫通；T-35-1時，南面和北面距柱頂10～25cm范圍出現(xiàn)斜裂縫；T-35-3時，南面和北面上部的斜裂縫向斜下方延伸，與其他斜裂縫交叉并貫通形成“X”形裂縫；L-40-1時，南面和北面斜裂縫向中部延伸，形成交叉的“X”形裂縫；T-55-2時，柱腳處混凝土被壓碎。各面最終破壞狀態(tài)如圖11所示。

圖11 普通短柱PTZ2各面最終破壞狀態(tài)

(4)分體短柱FTZ2

加載過程中，T-5-1時，西面距柱底30，50，60cm處出現(xiàn)長約15，17，27cm的橫向裂縫，柱中間隔板處出現(xiàn)長約20cm的豎向裂縫，南面距柱底25cm處出現(xiàn)長約15cm、寬約0.1mm的裂縫，北面中間隔板處原有裂縫向上延伸了約35cm，距柱底12～57cm的范圍內(nèi)出現(xiàn)4條長約9cm的裂縫，寬度約為0.1mm; T-5-3～L-15-3時，北面中間隔板處的豎向裂縫幾乎貫通整個柱身，豎向裂縫上端和下端向兩邊延伸形成斜裂縫，柱身均勻地出現(xiàn)多條橫向裂縫，這些裂縫與中間豎向裂縫相連，北面裂縫最大寬度約為0.75mm，南面的上部和中部的斜裂縫延伸，在隔板處出現(xiàn)交叉，形成“X”形裂縫，并且在隔板處分叉延伸，南面裂縫最大寬度約為1.15mm；T-20-1～L-30-3時，北面與此面中間豎向裂縫相連的裂縫增多，北面中間豎向裂縫變寬，露出中間隔板，南面隔板處的豎向裂縫與上部和下部的斜裂縫相連，形成貫通柱身上下的斜裂縫；T-40-1～L-60-3時，南面中間隔板處的裂縫擴(kuò)展，并且隨著往復(fù)荷載的作用，裂縫處的混凝土來回搓動將混凝土壓碎，北面豎向裂縫寬度變大，北面右邊側(cè)棱柱腳處混凝土壓碎，形成1條向上發(fā)展的斜裂縫，東面和西面柱腳處的混凝土壓碎，保護(hù)層混凝土爆起剝落，露出已經(jīng)明顯屈服的鋼筋。各面最終破壞狀態(tài)如圖12所示。

圖12 分體短柱FTZ2各面最終破壞狀態(tài)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 滯回曲線

圖13為普通柱PTZ和分體柱FTZ的滯回曲線。可以看出:

圖13 各柱滯回曲線

(1)試驗加載初期，柱處于彈性階段，無殘余變形，各柱的滯回曲線基本為一條直線。

(2)各柱的滯回曲線都比較飽滿，說明各柱都有較好的耗能性能。普通長柱PTZ1和普通短柱PTZ2在加載初期滯回曲線均呈現(xiàn)梭形；隨著位移的增加，柱混凝土開裂、鋼筋滑移，滯回曲線出現(xiàn)“捏縮”現(xiàn)象，開始向弓形發(fā)展；隨著位移進(jìn)一步的增加，柱出現(xiàn)了大量滑移，使滯回曲線表現(xiàn)為反S形。

(3)對比普通長柱PTZ1和分體長柱FTZ1的滯回曲線得出，普通長柱PTZ1的最大承載力為241.01kN，分體長柱FTZ1的最大承載力為167.2kN。對比普通短柱PTZ2和分體短柱FTZ2的滯回曲線曲線得出，普通短柱PTZ2的最大承載力為345.43kN，分體短柱FTZ2的最大承載力為298.22kN，由此表明，相同截面面積、相似縱筋配筋率時，分體柱比普通柱的水平承載力有所減小，并且柱的剪跨比越大，水平承載力減小得越明顯。相同水平荷載時，分體柱滯回環(huán)包圍的面積要大于普通柱，說明相同水平荷載時，分體柱的耗能性能要優(yōu)于普通柱。

3.2 剛度退化分析

依據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ 101—2015)[13]，混凝土構(gòu)件的剛度可以用割線剛度來表示，割線剛度Ki應(yīng)按式(1)計算。

(1)

式中：Pi為第i次加載時的峰值荷載；Xi為第i次加載時峰值位移；Ki為第i次加載時試件的剛度。

經(jīng)過計算得出，各短柱和各長柱的剛度退化對比如圖14所示。從圖14可以看出，長柱PTZ1和FTZ1，短柱PTZ2和FTZ2的初始剛度相差不大。各柱的剛度退化曲線比較平滑，無大的剛度突變。開始時由于新裂縫的不斷出現(xiàn)及已有裂縫的開展，各柱剛度退化曲線較陡，剛度退化較快。隨著位移的不斷增加，達(dá)到極限荷載之后，主要裂縫已經(jīng)形成，剛度退化曲線變得平緩。各柱在極限荷載之后剛度趨近一致，普通柱PTZ的剛度均略大于分體柱FTZ的剛度。

圖14 剛度退化對比

3.3 骨架曲線

根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ 101—2015)[13]，混凝土柱的骨架曲線應(yīng)取荷載-位移曲線中各級加載下第一循環(huán)的峰值點所連成的包絡(luò)線。各柱的骨架曲線如圖15所示。

圖15 骨架曲線

由圖15可知，在初始階段普通柱和分體柱隨著位移的增加，荷載與位移基本上成線性增長關(guān)系，峰值荷載點之后分體柱隨著位移的增加，荷載下降較平緩，而普通柱的荷載下降段較陡峭，斜率較大。

3.4 延性分析

采用幾何法確定各柱的名義屈服點，得出相應(yīng)屈服位移，極限點為水平荷載下降至峰值荷載的85%時的狀態(tài)點，各柱的延性系數(shù)如表4所示。

普通柱和分體柱延性系數(shù) 表4

通過表4可以得出： 分體長柱FTZ1的最大承載力比普通長柱PTZ1降低了30.7%，分體長柱FTZ1、普通長柱PTZ1的延性系數(shù)分別為3.44,2.86，分體長柱FTZ1延性系數(shù)比普通長柱PTZ1提高了20.3%。分體短柱FTZ2的最大承載力比普通短柱PTZ2降低了13.6%，分體長柱FTZ2、普通長柱PTZ2的延性系數(shù)分別為4.34，3.04，分體短柱FTZ2的延性系數(shù)比普通短柱PTZ2提高了42.8%。由此可知，分體柱的延性要優(yōu)于普通柱。

3.5 能量耗散

各柱的耗能系數(shù)E參照圖16，按照式(2)計算，等效黏滯阻尼系數(shù)ξeq按照式(3)計算。

(2)

(3)

圖16 能量耗散系數(shù)計算圖

對各柱進(jìn)行能量耗散計算時，取每一級位移加載的第一個循環(huán)計算，依據(jù)計算公式(2)，(3)得出的普通柱和分體柱在每一級位移加載下的耗能系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)ξeq如表5和表6所示。

普通長柱與分體長柱耗能性能指標(biāo)比較 表5

普通短柱與分體短柱耗能性能指標(biāo)比較 表6

由表5、表6可知，在加載位移10mm時，普通長柱PTZ1的耗能系數(shù)、等效黏滯阻尼系數(shù)大于分體長柱FTZ1的耗能系數(shù)、等效黏滯阻尼系數(shù)，在隨后的各級位移作用下普通長柱PTZ1的耗能系數(shù)、等效黏滯阻尼系數(shù)小于分體長柱FTZ1的耗能系數(shù)、等效黏滯阻尼系數(shù)，表明普通長柱PTZ1的能量耗散效率低于分體長柱FTZ1的能量耗散效率。分體長柱FTZ1、普通長柱PTZ1的耗能系數(shù)分別為1.25,0.87。在加載位移為20～55mm的過程中普通短柱PTZ2的耗能系數(shù)、等效黏滯阻尼系數(shù)基本保持不變，而分體短柱FTZ2的耗能系數(shù)、等效黏滯阻尼系數(shù)在此過程中逐漸增大；在加載位移40mm之后普通短柱PTZ2的耗能系數(shù)、等效黏滯阻尼系數(shù)均小于分體短柱FTZ2的耗能系數(shù)、等效黏滯阻尼系數(shù)，表明在此過程中隨著位移的增大，普通短柱PTZ2的耗散能量的效率低于分體短柱FTZ2的能量耗散效率，分體長柱FTZ2、普通長柱PTZ2的延性系數(shù)分別為1.47.0.59。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了2組共4個1∶2縮尺的典型長、短普通柱與分體柱的低周往復(fù)加載試驗，研究地鐵車站中柱的抗震性能，根據(jù)破壞試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，可得到以下結(jié)論：

(1)剪跨比對柱抗震性能的影響很大，剪跨比較小的普通柱其水平承載力較高；剪跨比大的分體柱承載力、位移延性系數(shù)均小于相對應(yīng)的小剪跨比柱的承載力、位移延性系數(shù)。

(2)相同截面面積、相似縱筋配筋率時，分體柱比普通柱的水平承載力有所減小，且各級加載位移下分體柱的剛度基本上均小于普通柱的剛度；分體柱的剛度退化較為緩和。

(3)分體柱具有較好的耗能能力，分體長柱FTZ1能量耗散系數(shù)達(dá)1.25，分體短柱FTZ2能量耗散系數(shù)達(dá)1.47。

(4)分體柱具有理想的變形能力和延性；分體長柱延性系數(shù)達(dá)到3.44，分體短柱延性系數(shù)達(dá)到4.34。