鋼筋混凝土柱地震破壞模式影響因素研究綜述

胡煥偉，仇實，廖濱 （中建八局第二建設有限公司廣東分公司，廣東 深圳 518057）

1 引言

鋼筋混凝土柱在建筑工程中是主要的受力構件，房屋建筑在承受外力荷載時很依賴鋼筋混凝土柱。國際與國內學者對歷次的地震災害展開了大量的研究[1-2]，發現鋼筋混凝土柱最終破壞形態很大程度上取決于構件的抗彎承載力與抗剪承載力之間的相互競爭關系，由彎曲主導和剪力主導所引起的破壞有著較大的差別。鋼筋混凝土柱在反復荷載作用下的破壞模式主要分為彎曲型破壞、剪切型破壞及彎剪型破壞三種。其中彎曲破壞在破壞前具有明顯的預兆，破壞時鋼筋混凝土柱各部分材料性能得到充分發揮，而剪切破壞和大部分的彎剪破壞鋼筋混凝土柱屬于脆性破壞，會在較短的時間內失去承載地震作用的能力，進而出現急劇破壞，破壞前沒有征兆，存在較大安全隱患。因此，正確認識鋼筋混凝土柱破壞模式的影響因素，并根據影響因素做出合理的破壞模式預測對評估抗震能力和后期加固具有重要的研究意義和工程應用價值。

2 RC柱地震破壞模式影響因素研究現狀

針對地震下鋼筋混凝土柱破壞模式的影響因素，國際和國內研究人員進行了很長時間的研究，通過力學分析和工程試驗兩個角度對鋼筋混凝土柱抵抗地震作用的性能進行研究，并深入分析了影響鋼筋混凝土柱破壞模式的關鍵因素。

2.1 RC柱地震破壞模式影響因素國外研究現狀

Ghee等[3]通過對25根鋼筋混凝土柱進行循環反復加載試驗，發現位移延性系數對鋼筋混凝土柱在地震下的破壞有顯著的影響，位移延性大的鋼筋混凝土柱抗震性能越好。Wong等[4]在Ghee的基礎上，通過反復加載試驗研究了較小剪跨比的情況下不同配箍率、軸壓比及荷載加載方式，對鋼筋混凝土柱地震破壞模式的影響，分析發現在軸壓比小的鋼筋混凝土柱易發生剪切變形，配箍率小的鋼筋混凝土柱在破壞前沒有明顯的征兆，出現脆性破壞。Xiao[5]設計了多種鋼筋混凝土柱試件，并對其進行循環反復加載試驗,發現具有小配箍率的鋼筋混凝土柱在模擬地震作用的反復荷載作用下會出現抗剪強度不足，柱的底部塑性鉸區域會發生彎剪破壞，試件對作用力表現出部分延性后迅速發生破壞。Lynn等[6]對不同設計參數的鋼筋混凝土柱進行地震破壞試驗，發現施加的軸向壓力和配箍率高的試件能夠承受較長時間的外力作用，表現出的延性和抗震性能較好。Maekawa和An[7]研究發現截面尺寸較小、剪跨比大的鋼筋混凝土柱延性較好，這類鋼筋混凝土柱在地震下通常發生彎曲破壞，而截面尺寸較大、剪跨比較小、縱筋和箍筋配筋率較低的鋼筋混凝土柱則延性較差，會在短時間內出現較寬的斜裂縫并被破壞，這類試件在地震荷載作用下易發生剪切和彎剪破壞。Sezen和Moehle[8]通過對鋼筋混凝土柱進行不同加載模式的抗震性能試驗，發現對配箍率小的構件施加較小軸向壓力時通常會發生彎剪破壞，施加較大軸向壓力時會發生剪切破壞。Mat?amoros等[9]通過對2根不同軸壓比的鋼筋混凝土柱進行循環反復試驗，通過對比發現鋼筋混凝土柱在承受較大軸向壓力時，其承載能力和側向剛度會出現較快的退化，進而發生剪切破壞，由此得出軸壓比是影響鋼筋混凝土柱破壞模式的重要因素。Boyes等[10]對低配箍率的鋼筋混凝土柱分別進行不同加載模式的地震加載試驗，結果表明，配箍較少的柱更易發生脆性破壞，在短時間內發生失穩；而鋼筋混凝土柱在承受雙向力的情況下其延性會降低，研究得出合適的配箍率會對鋼筋混凝土柱的破壞模式產生較大影響。Elwood和Moehle[11]通過振動臺試驗模擬地震荷載，研究了不同軸力對鋼筋混凝土柱的影響作用，試驗發現鋼筋混凝土柱在承受單向力時，配箍率越小其發生剪切破壞的可能性就越大，而承受軸向壓力相對較小的鋼筋混凝土柱在地震作用下表現出更好的延性。Ghannoum和Moehle[12]通過試驗研究發現，低配箍率鋼筋混凝土柱在地震作用下會首先在彎矩作用下屈服，然后抗剪強度退化發生剪切破壞，因此鋼筋混凝土柱的地震破壞模式和破壞過程與軸壓力水平、地震動強度和延續時間相關。

2.2 鋼筋混凝土柱地震破壞模式影響因素國內研究現狀

路湛沁等[13]通過對鋼筋混凝土柱進行抗震性能試驗，發現剪跨比相同的鋼筋混凝土柱，其破壞模式主要取決于軸壓比，軸壓比越小，試件的延性越好，越容易發生彎曲破壞。徐賤云等[14]對縱筋屈服發生的鋼筋混凝土柱進行了多次循環加載試驗，發現剪跨比和配箍率較大的鋼筋混凝土柱能夠長時間的承受地震荷載作用，并且在破壞前有明顯的預兆，延性較好，容易發生彎曲破壞。姜維山和白國良[15]通過研究配箍形式對短柱抗震性能的影響，發現復合箍和X型配筋相對普通的配箍形式能夠提高短柱的抗震性能。但無論采用何種配箍形式，相較于普通柱，短柱的抗震效果依然較差，更容易發生脆性破壞，在實際工程中應避免短柱的出現。管品武[16]通過對鋼筋混凝土柱的抗震試驗研究，對比多種試件發現剪跨比較大，并且縱筋和箍筋配筋率適當的鋼筋混凝土柱延性最好，承受地震作用的能力最強，容易發生彎曲破壞，而箍筋配置不足或過量的鋼筋混凝土柱則容易出現脆性破壞，在短時間內發生倒塌。王震宇等[17]通過對鋼筋混凝土柱進行試驗發現軸壓比越小、配箍率越大、剪跨比越大的鋼筋混凝土柱，在地震作用下的延性和能承受的承載力就越大，越容易發生彎曲破壞。鞠彥忠等[18]通過對低縱筋率的鋼筋混凝土柱抗震性能的試驗研究，發現地震荷載作用下低配筋率的鋼筋混凝土柱都會表現出脆性破壞，而增大剪跨比可以提高鋼筋混凝土柱的延性，使其具有更好的抗震性能。孫治國等[19]通過擬靜力試驗，對不同剪跨比的RC柱抗震性能進行研究，結果表明，剪跨比為1.5～2，受拉縱筋配筋率≥1%且混凝土強度低的鋼筋混凝土柱不能持續承受地震作用，容易出現脆性的剪切破壞，破壞前沒有表現出延性，破壞過程較為急速。劉鳴等[20]對混凝土抗壓強度、縱筋配筋率、體積配箍率等多個參數進行雙參數相關分析和偏相關分析，認為彎曲破壞受縱筋率和剪跨比的影響較為顯著，剪切破壞和彎剪破壞體積配箍率的影響較為顯著。馬穎[21]通過對不同設計參數（試件尺寸、軸向壓力、配筋率等）的鋼筋混凝土柱進行靜力試驗和循環反復試驗，對比發現受軸向壓力較小的長柱、受軸向壓力小且配箍較為稀疏的短柱延性更好，能夠較長時間承受地震作用，更趨向于發生彎曲破壞；受軸向壓力較大的長柱、受軸向壓力較小且配箍較為緊密的短柱有部分延性，更趨向于發生彎剪破壞；剪跨比較小、受軸向壓力較大的鋼筋混凝土柱延性最差，其破壞前沒有明顯征兆，趨向于發生剪切破壞。劉飛等[22]通過有限元分析發現，縱筋應變率大于箍筋應變率是鋼筋混凝土柱由彎曲破壞模式發展為剪切破壞模式的重要原因，并且隨著軸壓比的增大，RC柱的抗震性能就相對變差，其破壞模式會由延性破壞（彎曲破壞）向脆性破壞轉變（彎剪破壞或剪切破壞）。崔濟東[23]對469個鋼筋混凝土柱的破壞模式與各影響參數之間關系進行研究分析，發現剪跨比和抗剪需求能力比Vp/Vn對鋼筋混凝土柱的破壞具有明顯關系：隨著剪跨比的增大，鋼筋混凝土柱更趨向于發生彎曲破壞；隨著Vp/Vn增大，鋼筋混凝土柱表現出的延性就越差，更易發生剪切破壞。

3 結語

通過國內外對于鋼筋混凝土柱地震破壞模式影響因素研究現狀的分析可以發現，鋼筋混凝土柱在地震作用下的抗震性能與眾多因素有關：柱的尺寸、軸向壓力、剪跨比、配箍和配筋情況位移延性及材料強度等的改變，對鋼筋混凝土柱破壞模式產生影響，并且各種因素對破壞模式的影響程度不相同。但現有的研究還未認識到何種因素對鋼筋混凝土柱的破壞模式起主導作用，導致在對破壞模式進行判別時，不能合理地選擇判別參數，理論依據較為缺乏。因此，在進一步研究鋼筋混凝土柱地震破壞模式的影響因素時，需要重點關注各參數對破壞模式的影響程度，從而篩選出對破壞模式影響最大的幾種因素，并據此可以對鋼筋混凝土柱在地震下可能發生的破壞模式做出有效的預測判別。