HRB400级钢筋混凝土短柱抗震试验研究.pdf

第 2 9卷第 2期 2 0 0 8 年 4月 建筑结构学报 J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s Vo 1 ． 2 9， No ． 2 Ap r i l 2 008 文章编号 1 0 0 0 6 8 6 9 2 0 0 8 0 2 - 0 1 1 4 - 0 4 H R B 4 0 0级钢筋混凝土短柱抗震试验研 究 王全凤， 沈章春， 杨勇新， 黄奕辉， 曾志兴 华侨大学 土木工程学院， 福建泉州 3 6 2 0 2 1 摘要 通过对 H R B 4 0 0级钢筋混凝土短柱在水平反复荷载作用下的抗震试验研究 ， 分析了 H R B 4 0 0级钢筋和 C 6 0 ， C 7 0 ， C 8 0 高强混凝土匹配下 的配箍率为 0 ． 2 6 9 ％、 剪跨 比为 1 ． 9的混凝土短柱破坏形态、 滞回特性 ， 并将试验得到的承载力与采用现 行规范公式计算结果进行 了比较 。研究结果表明 试验柱承载力随混凝土强度的增大而增大 ； 试验柱在水平反复荷载作用 下发生 的都是脆性 的剪切破坏 ， 延性极差 ； 采用现行规范计算 HR B 4 0 0级钢筋混凝土短柱的受剪承载力过于保守。 关键词 高强混凝土 ； 短柱 ； 试验研究 ； 延性 ； 抗震性能 中图分类号 T U 3 9 8 ． 5 0 2 T U 3 7 5 ． 0 2 文献标识码 A S e i s mi c b e h a v i o r o f HRB 4 0 0 r e i n f o r c e me n t c o n c r e t e s h o r t c o l u mn s WA NG Q u a n f e n g ， S HE N Z h a n g c h u n， rA N G Yo n g x i n， HUA NG Yi h u i ，Z E NG Z h i x i n g C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ，Hu a q i a o U n i v e r s i t y ，Qu a n z h o u 3 6 2 0 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n s e wa s mi c e x p e ri me n t al s t u d y o f HRB 4 O 0 r e i n f o r c e me n t c o n c r e t e s h o r t c o l u mn s u n d e r c y c l i c l a t e r a l l o a d i ng，t h e f a i l u r e s h a p e s a n d h y s t e r e t i c c ha r a c t e r wa s t i c s we r e a n a l y z e d i n t h i s p a p e r ．T he r e q u i r e d s t i r r u p a r e a p e r u n i t a r e a o f c o l u mn wi t h t h e s t r e n g t h c l a s s e s o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e o f C6 0．C7 0 a n d C8 0 wa s 0 ． 2 6 9％ ．a n d r a t i o o f s h e a r s p a n t o d e p t h wa s 1 ． 9．Th e be a rin g c a pa c i t y o b t a i n e d b y t h e t e s t wa s c o mp a r e d wi t h t h e r e s u l t c o mp u t e d b y f o r mu l a f r o m c u r r e n t c o d e f 0 r d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s ．I t s h o ws t h a t t h e b e a rin g c a p a c i t y o f t h e e x p e rime n t al c o l u mn i n c r e a s e s a s t h e c o n c r e t e i s s t r e n g t h e n e d．Th e f a i l u r e c h a r a c t e r wa s t i c o f e x p e rime n t al c o l u mn s i s b rit t l e s h e a r f a i l u r e ．a n d i t s d u c t i l i t y i s v e r y b a d．T h e s h e a r c a p a c i t y o f t h e s h o rt c o l u mn g i v e n b y c u rre n t c o d e f o r d e s i g n o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s i S v e ry c o n s e r v a t i v e ． Ke y wo r d sh i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ；s h o rt c o l u mn；t e s t s；d u c t i l i t y；s e i s mi c b e h a v i o r 0 引言 目前在发 达 国家 ， 钢 筋混 凝土 结 构 中多用 4 0 0 MP a 及其以上强度的钢筋。随着我国综合国力的提高， 社会 对建筑结构 安全 性 、 适用 性和 耐久性 的关 注 E t 益增 加 ， 低强度 钢筋也 已不能 满足经 济建设 的需要 。为进 一步 优化混凝土结构设计 ， 为新规范下一次全面修订做准 备 ， 建设部及时组织 了“ 混凝土结构设计规 范” 第 六批科 研课题。“ 混凝土结构用钢筋优化的研究” 是第六批课 题之一。新修订的 混凝土结构设计规范 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ⋯力求将 H R B 4 0 0级钢筋列为主导钢筋， 同时将 混凝 土等 级 提 高 到 C 8 0级。而 国 内对 高 强 混 凝 土 和 H R B 4 0 0 级钢筋 匹配 的结构构件研究不多 ， 因此 “ 高 强钢 筋在建筑中应用的关键技术研究”已获得 国家高技术 基金项 目 国家 高技术研究发展计划 8 6 3 项 目 2 0 0 7 A A 0 3 Z 5 5 0 。 作者简介 王全凤 1 9 4 5 一 ， 男， 福建莆田人， 工学博士， 教授。 收稿 日期 2 0 0 7年4月 l l 4 研究 发展计 划 8 6 3 立项 。本 文对 H R B 4 0 0级钢 筋混 凝土短柱进行抗震 试验研 究 ， 以研究两 种高强材料 匹配 下短柱的抗震性能、 延性及受剪破坏机理。并验证新修 订的混凝土结构 设计 规范 ⋯中有关 设计 计算 规定 与试 验所得结果是否一致 必要 时根据 H R B 4 0 0级钢筋 的特 点给出建议 和意见 ， 以利于工 程技术人员应用 ， 并 为混 凝土结构设计规范局部或全面修订提供依据。 1 试验概况 1 ． 1 试件设计 本次试验一共 制作 了4个试件， 柱截面尺寸都为 维普资讯 2 5 0 m m 2 5 0 m m， 柱 纵筋 和箍 筋 全部 采 用 H R B 4 0 0级钢 筋。纵筋 为对称 配筋 ， K Z 1 、 K Z 3 K T A 纵筋 配 8 1 6的 钢筋 ， K Z 2配 4韭 2 5的钢筋 。箍筋都 是 韭 8 1 5 0双肢 箍 。试件 采用 倒 梯形 结 构 ， 柱 头 尺寸 及 配筋 均 适 当加 大 。为使试件 发 生 剪切 破 坏 ， 在满 足 最 小 配筋 率 得 同 时。 要取较小的配筋率。配置双肢 8 1 5 0箍筋， 配箍 率为0 ． 2 6 9 ％。为便于与现有规范对照， 混凝土强度等 级取 C 6 0 ， C 7 0 ， C 8 0三种 。柱 子顶部 由于要 承受 较高 的 轴向压力， 为保证加轴压力时柱头不被局部压坏， 在柱 端加设钢筋网片。依据混凝土规范， 柱受剪承载力计算 公式 中的剪跨 比取值范 围是 1 ． 0～ 3 ． 0 ， 工程 中常用 的剪 跨 比范围是 1 ． 5～ 3 ． 0 ， 同时 ， 为了使试件 发生剪切破坏 ， 本次试验的试 件为剪跨 比较 小 的短 柱 ， 水平作 用点到柱 底的距离为4 1 0 m m， 剪跨比为 1 ． 9 。柱底底座高4 0 0 m m， 在加载时可以起到固定柱的作用， 令柱底的支撑形式为 固定支座。试件参数及材料力学性能见表 1 。 表 1 试件参数及 主要材料 力学性 能 Ta bl e 1 Pa r a m e t e r s a nd m a t e r i a l me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s p e c i m e n s 试件 箍筋 纵向钢筋 配筋 f v ／ M P a E ／ M P a 配筋f v ／ M P a E ／ MP a 轴向荷载 N ／ k N K Z 1 6 7 1 K Z 2 6 7 ． 1 K Z 3 7 5 ． 9 K z 4 7 0 ． 7 曲8 1 5 0 曲8 1 5 0 曲8 1 5 0 曲8 1 5 0 4 0 5 2 0 1 4 7 9 8 曲1 6 4 0 5 2 0 1 4 7 9 4 曲2 5 4 0 5 2 0 1 4 7 9 8 曲1 6 4 0 5 2 0 1 4 7 9 8 曲1 6 4 5 1 2 0 1 6 7 5 4 0 5 4 8 4 2 0 3 5 6 6 4 8 1 4 5 1 2 0 1 6 7 5 5 5 6 4 5 1 2 0 1 6 7 5 6 2 8 注 、 E 分别为混凝土立方体抗压强度、 钢筋屈服强度和钢筋弹性模量。 1 ． 2 试 验加载装置 、 加载制度及量测 试件与地梁通过两对地脚螺栓固定， 柱顶利用油压 千斤顶通过固定的反力架上的横梁施加轴向荷载， 并在 试验中保持轴向荷载稳定 ， 加载时可以随上部滑动小车 水平移动。水平 荷 载通过 固定 在反 力架 上 的拉压 千斤 顶在柱高 4 1 0 m m处施加 ， 加载装置 如图 1 。整 个试验在 华侨大学 结构实 验室进行 。 试验采用荷载、 变形混合控制的加载制度。在模型 柱开裂之前 ， 水平荷载与柱侧向位移关系基本是线性 f 7 ＼ I A 4 ＼ 3 、 rf 、 J I U I l ／ l 9／ 1 ．试件{2 ． 拉压千斤顶 l 3 ． 传感器 ；4 ． 反力架； 5 ． 竖向千斤顶；6 ． 球彀； 滑动小车{8 ．地粱{9 ．地脚螺栓 图 1 加载装置图 Fi g ．1 Te s t s e t u p 的， 而且变形增量不大， 采用荷载控制并分级加载 ， 每级 加载 不超过计算 极 限荷 载 的 1 ／ 5 ， 接近开 裂时减少 级差 进行加载。试件开裂后用位移来控制 ， 以开裂时柱顶位 移为增量加载， 每级荷载下反复加载循环三次， 加载至 试 件破坏 为止 。水 平荷 载通 过连接 在水 平拉 压千 斤顶 上的传感器量测。竖向荷载 由竖向千斤顶上 自带的传 感器量测。位移计用于量测柱顶水平力作用点的侧 向 位 移及柱底可能 发生的滑移 ， 位移计均对 称布 置于试件 两侧 以消 除扭 转 影 响。钢 筋用 电阻 应变 片 进 行量 测 。 纵筋应变 片布置在柱底 塑性铰 区域 ， 以监 测此 区域 内纵 筋应变发 展情况 。箍筋应 变 片用来 捕捉 可能 发生 的剪 切变形和侧 向膨胀。所有 力、 位移、 应变信号均通过 D H 3 8 1 6数据采集仪由计算机自动采集。 2 试验结果及分析 2 ． 1 破坏特征 力控制 阶段 ， 试 件基 本处 于 弹性 阶段 ， 随着 水平 荷 载加大， 试件根部首先出现水平弯曲裂缝 ， 试件开裂继 而转为位 移控制 。之后 柱 中部 出现斜裂缝 并 向上 下扩 展 ， 反向加载后形成 x形斜裂缝。临近破坏时， 柱侧面 中上部也 出现水平裂缝 ， 混凝 土 压区出 现竖 向裂缝 。之 后试件 随着 x形斜裂缝 扩展发生突然性 的剪切 破坏 ， 见 图 2 。试验 现象 出现的原 因 由于配置足够 的纵 向钢筋 ， 在柱侧 面的横 向弯 曲破坏之 前 ， 箍筋 屈服 ， 柱角压 区混 图 2 试件 最终破坏状态 F i g ． 2 L a s t f a i l u r e s o f s p e c i me n s 1 1 5 维普资讯 凝 土破碎 区加大 ， 受压区混凝 土的压碎先 于纵 向钢筋 屈 服 ， 两条 主斜裂缝交汇 处被压碎 ， 发生剪切破坏 。4个试 件在水平反复荷载作用下发生的都是脆性的剪切破坏， 混凝 土强度等级 的变化对试件破坏形态没有影响。 2 ． 2 试验结果 主要试验数据见表 2 ， 各柱滞回曲线及骨架曲线见 图 3及 图 4 。 表 2 主要试验结果一览 Ta b l e 2 M a i n t e s t r e s u l t s 开裂 屈服 屈服 极 限 极 限倚载 位移延 试件 荷载 荷载 位移 荷载 对应的位移 性系数 v o ／ k N Vy ／k N△ ／ram V o ／k N △ ／ram KZ 1 8 2 ． 5 2l 2 2 ． 6 4 2 8 7 6 ． 6 5 2 ． 5 2 KZ 2 l 0 2． 4 2 3 7 2 ． 3 9 3 2 6 6 ． O 5 2 ． 5 3 KZ 3 l O 2． 0 2 7 0 2 ． 42 3 6 6 5 ． 8 8 2 ． 4 3 KZ 4 】 O 8． 0 2 3 8 2 ． 】 6 3 4 7 5 ． 4 4 2 ． 5 2 从表 中可以看 出 ， 随 着的混 凝 土强度 增大 ， 试 件 屈 服位移和极限位移减少。 2 ． 3 滞 回曲线及骨架 曲线 H R B 4 0 0级钢筋混凝土柱在反复荷载作用下 的滞 回 曲线 图 3 ， 可 以反映构件在 反复荷载作用 下 的受力性 能 ， 直接反映地震作用 下结 构 的反应 行为。如每个循 环 的承载力变化 、 破坏形 态 、 往 复荷载作 用下刚度变化 等。 滞 回曲线所 围面积还反映构 件 的耗能 能力 ， 滞 回环越 丰 ⋯ 300 纱 200 100 ． ． ’ -3 0 0 2 4 6 8 1 ／ n u r a K Z l r ， ， 3 0 0 2 0 0 1 0 0 ． 8 “jl r 2 4 6 8 】 d／mr 11 6 f c r , z 3 满 ， 说 明构 件耗散 地震能力 强 ， 在 承载力 没有 明显 降低 的情况 下有较大 的变形 ， 也 就是有较好 的延性 。总结 试验 的滞 回曲线 ， 可得 出如下规律 1 试件开裂前 ， 加载曲线 的斜率 变化小 ， 正反 向加 卸 载一次所形成 的滞 回环不 明显 ， 试件 的滞 回环 面积很 小且基本重合 ， 基本上为一直线， 试件刚度基本不变， 处 于弹性 阶段 。 2 在试件开裂之后 ， 随着位移 和循环 次数 的增加 ， 加载 曲线 的斜率不断减小 ， 特别是试件 屈服后表 现得更 明显 ， 由图 3可以看出 ， 在 较大位移 幅值下 ， 反 复荷载加 载刚度 出现 明显退化 。 3 加载至极限荷载后 ， 荷载几乎没有减小试件就 突然发生剪切性破坏 。 4 试件滞 回环包 围 面积较小 ， 说 明试件 耗能 能力 较差 。 5 正 向加载 与反 向加 载 的滞 回曲线 有差异 ， 这可 能与加载之前柱 的初始状态有关 ， 也与施工质量有关。 将低周反复加载历次循环下 的峰值点 相连 ， 所得到 的包络线即为骨架曲线， 它是每次循环荷载一 位移曲线达 到最大 峰点 的轨迹 ， 如图 4所示。 由图4可以看 出 ， 本次 试验取较小 的配箍率 和剪跨 比， H R B 4 0 0级 钢筋混 凝土 柱耗能能力极差 ， 破坏时几乎没 有下降段 。混凝 土强度 和纵 向钢筋数量对试件的耗能能力几乎 没有影 响。 2 ． 4 试件的延性 40 0 V ／ K N 3 0 0 2 0 0 1 0 0 ， ． ， ． r 2 4 6 8 。 ’d ／ mr o o b K Z 2 4U U 1 3 0 0 ⋯ 2 0 0 l 0 0 r 2 4 6 8 1 A rm d K z 4 图 3 K Z 1 ～K Z A试件 的滞 回曲线 Fi g． 3 Hy s t e r e t i c l o o p s o f KZ1 一 KZ4 延性 常用 位 移延 性 系数 来表 征 ， 位移 延性系数是指极 限位 移与屈 服位移 的 比值 △ ／ △ ， △ 为屈服位移用能量等值法求 得 图 5 。能量 的等值 法采 用折线 O Y - Y U 来代 替 原 △ 曲线 。 折 线 的 确 定 原 则 为 O Y - Y U线所 围面积与 原 △ 曲线所 围面积 相等或 面积 O A B与面积 B Y U相等。 △ 为极 限位移， 一 般文献取荷 载峰 值后 降低至 8 5 ％峰值荷 载时对 应 的位移 。本次试 验所 有构件都为剪跨 比和 配箍率小 的高 强混凝 土短柱 ， 骨架 曲线几 乎没有 下降段 ， 无 法用 以上方法 来衡 量 试件 的延 性 ， 为 了更 直观 地反映试 件 的延 性 ， 本 文 用构 件达 到 极 限 荷载时所对应 的位移 作 为极 限位 移来衡量 试件 的延性。各试 件 的位 移 延性系数 见表 2 ， 可以看出4个试件的位移延性系数都非 常低 ， 而 且都很接 近 ， 可见混 凝土 强度和纵 向钢筋数 量对 试 件 的延性 系数没 有 影 响。 这跟所设计 ‘ 试件的低配箍率、 小剪跨 比和 高强混凝土有极 大关系 。 2 ． 5承载 力分析 构件的实测开裂荷载 在荷载一 位移 曲线或钢筋应变一 荷载曲线上并结合人工观 维普资讯 qU U 埘 3 0 0 2 0 0 厂 100 。 8 。 6． 4。 2 J I 2 4 6 8 1 。l o ／ A ／m r o ／- 3 o 0 a K Z l 4UU 3 0 0 ． 2 0 0 1 0 0 4 2 4 6 8 1 。 A ／ mr ／ o o ＼ ／ 4 0 n q U U ， 300 厂 _ 2 0 0 1 0 0 -8 - 6 - 4 - 2 f 2 4 6 8 -1 O A ／ r n o o b K Z 2 UU ’ V ／ k N 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0- 8 - 6 - 4 - 2 I l 2 4 6 8 l -1 O A ／ tur f 。 ／； o o r ． z 3 d 图 4 K Z 1～K Z 4试件 的骨架 曲线 Fi g． 4 Sk e l e t o n C H I V E S o f KZ1 一 KZ 4 0 D D 。 图5 能量等值 Fi g ． 5 An e q ui v a l e n t r e l a t i o n o f e ne r g y 察找到 ， 即曲线的第一个转折 点所对应 的荷载 。也 可采 用公式 1 计算 。 一 1 式 中， 为截 面抵抗 矩塑性 影响系数 ， 取 1 ． 5 5 ； N为轴 向 荷载 ； W o 为换算截 面受 拉边 缘 的截 面抵 抗矩 为混 凝 土实测轴心抗 拉强 度 ， 通过 立方 体抗 压 强度 换 算 得 到； A为构件截面面积实测值 ； H为水平荷载加载点至柱 底的距离， 本文试件取4 1 0 m m。 将计算值 与实测 值 进行对比结果见表3 。 可以发现实测的开裂荷载比计算 的开裂荷 载大 ， r ／ 比值的平均值为 1 ． 5 4 5 。 规范。 中规定 ， 框架 柱的斜 截面抗 震受剪承 载力 可采用公式 2 计算 。 V o f ,b h 0 1 姒 | 0 5 6 Ⅳ 2 式中， A为柱的计算剪跨 比 为箍筋屈服强度； b 为 柱截面宽度； h 为截面有效高度； s 为箍筋间距。 将 与 比较分析 表 3 ， 可 以看 出将实 测的混凝 土强 度和实测的钢筋屈服强度代人式 2 中得到的极限 承载力 Ⅳ与试验结果 相差较大， ／ 平均值为 2 ． 0 5 。 从表 3中第一列可以看出， 随着的混凝土强度 增 大 ， 试 件承载力也增 大 ；比较 K Z 1和 K Z 2 ， 两者混 凝土强度几 乎相同 ， 纵 向钢筋数量却 不 同， 但 承载力 几乎相 同 ， 可 见纵 向钢筋 数量 对试 件 承载 力没 有影 响。因为箍筋先 于纵 向钢筋屈 服。 表 3 承载力的比较 Ta bl e 3 Compa r i s o n of s he a r c apac i t y be t we e n t e s t r e s u l t s and c a l c ul a t e d v a l ne by c ur r e n t c od e f o r mul a 试件 ／ k N ／ k N V c ／ ／ k N ／ k N ／ KZ l 1 2 8 8 2 ． 5 1 ． 5 5 2 8 7 l 5 3 1 ． 8 8 KZ 2 1 2 9 1 0 2． 4 1 ． 2 6 3 2 6 l 5 7 2 ． 0 7 KZ 3 l 8 3 1 0 2． 0 1 ． 7 9 3 6 6 l 6 7 2 ．1 9 K z4 l 7 2 1 0 8 ． 0 1 ． 5 8 3 4 7 1 68 2 ． 0 7 以上实测值 比计算值大了很多， 有些实测值是计算 值的两倍 多 ， 除了规范计 算公式的系数取 值是 由与本 文 不同材料 的构件试验数据 回归得到外 ， 分析有 两个原 因 可能使实测值增 大 滑动小 车的摩擦力和极 限荷载 时箍 筋达到极 限抗拉强 度。经分析 ， 这两方面 的原 因分别使 实测值最大增大 1 2 k N和 3 2 k N 。可以看出， 即使实测 值减 去这 两项仍 比计 算值 大很多 ， 所 以按 公式 2 计算 地震作用下 H R I M0 0级钢筋混凝土短柱斜截面受剪承 载力是过于保 守的。 3 结论 1 H R I M0 0级钢筋混 凝土 短柱 的破 坏形态 都是剪 切破坏 ， 由于其与高强混凝土匹配 ， 破 坏时脆性 明显 。 2 H R I M0 0级钢筋 混凝土 短柱 的滞 回曲线 和骨架 曲线 ， 由于其为低配箍率 、 小剪跨 比和混凝 土高强度 ， 其 下降段很陡或几乎没有 ， 延性极差 。 3 按规范公式 计算考虑地震作 用下 H R I M0 0级钢 筋混凝土短 柱斜截 面受 剪承 载力 过于保 守 的。建议规 范修订时适当进行调整。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 0 1 0 --2 0 0 2 混凝土结构设计规范[ S ] ． [ 2 ] G B 5 0 1 5 2 --9 2 混凝土结构试验方法标准[ s ] ． [ 3 ] 邱法维．结构抗 震 实验 方 法 [ M] ．北 京 科 学 出版社 ， 2 00 0． [ 4 ] 框架短柱专题组．高强混凝土框架短柱抗震性能的试 验研究[ C] ／ ／混凝土结构研究报告选集 3 ．北京 中 国建筑工业出版社，1 9 9 4 ． [ 5 ] 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