鋼筋混凝土框架柱端塑性鉸斷裂原因分析

鋼筋混凝土框架柱端塑性鉸斷裂原因分析

1框架柱塑性鉸區(qū)強度設(shè)計國家的抗洪規(guī)范規(guī)定了混凝土構(gòu)件“強切割、弱曲線”的設(shè)計原則。然而，由于結(jié)構(gòu)梁的實際抗彎能力可能會增加，因此，由于地震的影響和高振動的影響，柱中的彎曲點運動受到影響。為了避免柱子中的重疊，應(yīng)避免形成完整的彎曲。各國的歷次震害調(diào)查表明,允許框架柱端出現(xiàn)塑性鉸但并不形成柱鉸型破壞機構(gòu)是防止結(jié)構(gòu)倒塌最現(xiàn)實可行的設(shè)計原則之一,因此如何保證框架柱塑性鉸區(qū)的抗剪強度是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要內(nèi)容之一。但我國對混凝土構(gòu)件塑性鉸區(qū)的剪切破壞進行的試驗研究很少,為配合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10—89)的修訂,有效防止框架柱的脆性剪切破壞,保證結(jié)構(gòu)具有良好的變形及耗能能力,實現(xiàn)在中、強震作用下所期待的延性破壞機構(gòu)。作者采用了仿建研式加載裝置模擬框架中柱,試驗研究其在反復(fù)荷載作用下塑性鉸形成后的受力性能,尤其是抗剪性能,共進行了10個框架柱構(gòu)件塑性鉸區(qū)抗剪承載能力試驗研究,以明確了反復(fù)荷載下框架柱中箍筋與混凝土的抗剪貢獻及抗剪機理,限于篇幅,本文重點討論混凝土框架柱塑性鉸區(qū)域剪切破壞形態(tài)及其判定標(biāo)準(zhǔn)。2“nb與n+n與n+”加載體系(仿建研式裝置)如圖1所示,N4提供恒定軸力,P提供反復(fù)水平力,N1與N1+(N2與N2+)為一對同步千斤頂,可調(diào)整上端框架梁的變形,以確保柱上下端面大致平行,因其提供荷載數(shù)值相等,方向相反,故不影響柱中軸力大小。整個試驗加載方法簡單、對設(shè)備要求低,同時能較好的滿足試驗要求。3試件屈服及加載根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ101-96),采用荷載—位移雙控制的加載方法,即:(1)施加軸向荷載,并保持穩(wěn)定(定軸力);(2)試件屈服前,采用荷載控制,并按預(yù)計屈服荷載的30%為級差分級加載,并在接近開裂及屈服荷載前適當(dāng)減少級差進行加載;(3)試件屈服后采用變形控制。屈服位移取柱縱筋屈服時的構(gòu)件位移,并以該位移值的整數(shù)倍為級差進行加載控制;(4)試件屈服后每級荷載反復(fù)三次,如圖2所示。4試驗構(gòu)件設(shè)計本文采用較大尺寸試件,共設(shè)計了剪跨比分別為1.2、1.8、2.4、3.0的短柱(A類構(gòu)件)、中長柱(B、C類構(gòu)件)、較長柱(D類構(gòu)件)等四類構(gòu)件,以研究其受力性能(尤其是剪切性能),同時考慮到不同軸壓比的影響,試件形狀如圖1所示。5試件a破壞機制試驗觀測到框架柱塑性鉸區(qū)的主要破壞形式有彎曲斜壓破壞、彎曲剪壓破壞及彎曲破壞等,試件A1在縱筋屈服并形成受拉塑性鉸后,發(fā)生梁柱節(jié)點破壞。5.1加載循環(huán)過程中柱的變形性能試件A2發(fā)生彎曲剪切斜壓破壞。如圖3所示,荷載控制階段水平力Ph=50kN時,框架柱出現(xiàn)水平彎曲裂縫,同時形成受拉塑性鉸,隨后彎曲裂縫逐漸傾斜而轉(zhuǎn)化為彎剪裂縫,且裂縫大致分布于距柱端h0長度范圍內(nèi)。位移控制階段,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,正反兩方向的彎剪裂縫明顯發(fā)展,延伸到距柱中心線附近,第3次加載循環(huán)完成后,柱端附近正反兩方向的彎剪裂縫、剪切斜裂縫相互交叉,使得柱端部兩側(cè)混凝土成龜裂狀,保護層也發(fā)生剝落傾向,試件變形剛度產(chǎn)生不同程度的衰減,荷載總體上也相應(yīng)發(fā)生衰減,但試件無論豎向或橫向方向均表現(xiàn)出較穩(wěn)定的承載及變形性能。第二加載等級的第一次施加反向荷載(P21,以下同)時,柱中部突然產(chǎn)生腹剪斜裂縫,并迅速與柱兩端原有的彎剪裂縫基本貫通成對角主斜裂縫,同時柱兩端原有彎剪斜裂縫突然迅速發(fā)展,同時在主對角裂縫的兩側(cè)產(chǎn)生大致平行的約呈45°的斜裂縫,使柱中混凝土變成多條大致平行的斜壓柱,柱端部混凝土出現(xiàn)較嚴(yán)重的剝落現(xiàn)象,變形更加集中,由于剪切變形成份的增大而產(chǎn)生嚴(yán)重的剪切錯動,受壓縱筋因剪壓作用而屈曲,柱兩端混凝土沿柱對角斜裂縫方向出現(xiàn)明顯壓潰跡象,荷載也由463.7kN迅速下降到367.9kN以下,柱豎向變形明顯,表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定性,構(gòu)件破壞。彎曲剪切斜壓破壞發(fā)生得突然而迅速,試件隨之立即失去承載能力,試件延性較差。5.2彎剪斜裂縫的實踐因試驗?zāi)康乃?試驗中絕大部分試件均發(fā)生設(shè)計期待的彎曲剪切受壓破壞。如圖4所示(以C2為例),荷載控制階段當(dāng)加載至水平力Ph=49.03kN時,出現(xiàn)水平彎曲裂縫,而且彎曲裂縫發(fā)展很快,正反第一次加載循環(huán)完成時,柱端彎矩最大截面處彎曲裂縫已接近貫通相交,其他彎曲裂縫已轉(zhuǎn)為彎剪裂縫,并朝柱端對角處發(fā)展,受拉塑性鉸開始形成;至第二級加載循環(huán)時,柱頂處正反加載時形成的彎剪裂縫在柱端150～200mm范圍時已經(jīng)相交,形成交叉裂縫;至第三級加載循環(huán)時,彎剪斜裂縫寬度、長度及數(shù)量不斷發(fā)展,塑性鉸區(qū)的混凝土成龜裂狀,剪壓區(qū)的面積不斷縮小,變形更加集中,最終在P32時,柱頂截面受壓區(qū)混凝土保護層開始剝落,受壓區(qū)混凝土呈壓壞跡象,但仍保持較穩(wěn)定的承載能力,荷載雖隨加載循環(huán)及加載次數(shù)的增加而退化,但退化程度不大,直至P42時,交叉彎剪斜裂縫的不斷發(fā)展,使受壓區(qū)混凝土(尤其是柱頂范圍內(nèi))分割為不規(guī)則的小塊,試件剛度退化明顯,柱達到承載力極限狀態(tài)(水平荷載退化為最大荷載的85%)但此時柱仍保持穩(wěn)定的承載及變形狀態(tài)。隨著試驗的繼續(xù),交叉彎剪裂縫的不斷發(fā)展、延伸,受壓區(qū)混凝土不斷減少,試件剛度不斷退化,造成荷載不斷緩慢衰減,至-P72時,柱端保護層混凝土已明顯剝落,荷載退化為最大荷載的30%以下,但仍能保持穩(wěn)定的受力狀態(tài)。圖4、圖5及圖6所示為發(fā)生彎曲剪壓破壞的試件,試件破壞時,試件變形較為集中,而且塑性鉸的作用與試件的剪跨比及配箍量有關(guān)。試件B2配箍量最大而剪跨比最小,由于箍筋的更有效約束,斜裂縫的數(shù)量、長度均最小,剪壓區(qū)的面積最大,試件C2的配箍率最小而剪跨比最大,彎剪斜裂縫的數(shù)量、伸展長度較B2、C2大。說明合理配置箍筋可以有效控制試件的裂縫發(fā)展及破壞形態(tài),改善框架柱構(gòu)件塑性鉸區(qū)域的受力性能及變形。5.3件s1斜裂縫如圖7所示,試件A1發(fā)生梁柱節(jié)點的彎曲剪切斜拉破壞,在荷載控制其受力性能與試件A2類似,首先出現(xiàn)彎曲裂縫,但很快即轉(zhuǎn)變?yōu)樾绷芽p向柱端發(fā)展。位移控制階段的P11柱頂斜裂縫即穿過柱端而進入梁柱節(jié)點區(qū),并隨加載的繼續(xù)進行,柱頂斜裂縫貫通整個節(jié)點核心區(qū),框架梁發(fā)生大轉(zhuǎn)角位移,試件豎向失去穩(wěn)定的承載能力。試件延性很差。5.4加載階段33如圖8所示,試件C3發(fā)生彎曲破壞,當(dāng)加載至49.6kN時試件端部出現(xiàn)水平彎曲裂縫,至試件初始屈服時,彎曲裂縫有向試件端部斜向發(fā)展為彎剪裂縫的趨勢,但不甚明顯;位移控制階段,隨加載的進行,原有裂縫逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕粜绷芽p,但發(fā)展較慢。至P23結(jié)束時,柱端保護層混凝土開始剝離,至第三加載等級結(jié)束時,柱端保護層混凝土開始大塊剝落,柱端出現(xiàn)較明顯的彎剪裂縫,使得受壓區(qū)混凝土破碎,但箍筋并不屈服。試件產(chǎn)生彎曲破壞。試件C3在整個加載過程中,抗剪承載力退化程度較低,表現(xiàn)出較好的延性與穩(wěn)定的承載能力。與斜裂縫相交的箍筋應(yīng)變較小,未能達到屈服,說明較大剪跨比的柱類構(gòu)件以彎曲受力為主,故試件延性好。6彎曲剪切斜拉破壞試件由以上試驗研究的結(jié)果可知,構(gòu)件的破壞形態(tài)主要取決于本身的構(gòu)件的特征及受力條件,一般而言,有如下規(guī)律:(1)彎曲剪切斜拉破壞當(dāng)短柱配箍量較多,或中長柱軸壓力較大時,由于壓剪復(fù)合作用,易產(chǎn)生該破壞形態(tài)。由于柱沿對角線出現(xiàn)多條斜裂縫,柱被分割成多條大致平行的斜壓短柱,最終造成混凝土斜向壓碎,而且斜裂縫的發(fā)展嚴(yán)重削弱混凝土骨料的咬合作用,造成與斜裂縫相交箍筋應(yīng)變迅速增大,箍筋的抗剪貢獻急劇增大,以部分彌補混凝土抗剪能力的減小,試驗中A2試件的箍筋在混凝土壓碎后一般不屈服,但某些箍筋最終基本屈服。若橫向箍筋配量過多,橫向鋼筋一般不屈服。但若箍筋配量過少而導(dǎo)致箍筋拉斷,縱筋也將因失去有效側(cè)向支撐而壓曲,使柱完全失去穩(wěn)定的受力及變形性能而可能產(chǎn)生彎曲剪切斜拉破壞。(2)彎曲剪切受壓破壞當(dāng)柱的剪跨比適中(中長柱),并有足夠的抗剪腹筋時,一般發(fā)生剪切受壓破壞。彎曲剪壓破壞的特征是:柱端雖然產(chǎn)生明顯的彎剪斜裂縫,但由于有足夠的抗剪橫向鋼筋,裂縫寬度比較均勻而且不致擴展過寬,而且發(fā)展比較緩慢,最后因反復(fù)加載次數(shù)的增多及在加位移幅值的增大,交叉斜裂縫使得受壓區(qū)混凝土呈龜裂狀,同時因剪壓區(qū)混凝土逐漸減小而被壓碎;與裂縫相交的箍筋均能屈服。(3)彎曲剪切受拉破壞當(dāng)剪跨比較大(中長柱),且軸壓比與配筋率較小時,彎曲屈服時的剪力Vy低于試件的抗剪承載能力Vu,即試件縱筋首先屈服(彎曲破壞),試件端部產(chǎn)生交叉斜裂縫但發(fā)展較慢,隨著彎曲屈服的進展使混凝土受壓區(qū)減小到到某種程度時,剪切裂縫突然明顯開展,試件因與斜裂縫相交的箍筋拉斷或屈服而達到彎曲剪切受拉破壞。與彎曲剪切受壓破壞相比,彎曲剪切受拉破壞試件的抗剪承載力有一個明顯的突然下降過程,同時彎剪斜裂縫的傾角也相應(yīng)較大。(4)彎曲破壞剪跨比較大,且縱向鋼筋與橫向鋼筋搭配合適的構(gòu)件一般發(fā)生彎曲破壞。由于構(gòu)件的受力以受彎為主,故試件延性好。彎曲剪切斜拉破壞試件由于配置箍筋不足,斜裂縫一出現(xiàn)箍筋屈服,試件破壞,因而延性很差;彎曲剪切斜壓破壞試件盡管配置了大量箍筋,但由于斜裂縫發(fā)展迅速,使得柱中混凝土成為數(shù)條平行的斜向受力短柱而破壞,試件延性較差;彎曲破壞形態(tài)試件的破壞緣于受壓區(qū)混凝土的壓潰,箍筋的抗剪潛力并未充分發(fā)揮,故試件延性好;彎曲剪壓破壞形態(tài)試件縱筋首先屈服(彎曲破壞),隨加載繼續(xù)而逐漸產(chǎn)生剪壓破壞,因而延性雖遜于彎曲破壞試件,但總體延性較好。7彎曲剪切破壞目前對于反復(fù)荷載下框架柱構(gòu)件縱筋屈服以后破壞形態(tài)的分類概念比較模糊,使得目前國內(nèi)對此尚缺乏統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)(甚至分類名稱),從而在使用及表達上帶來許多不便甚至錯誤。根據(jù)試驗研究結(jié)果,并參考國外經(jīng)驗,本文認(rèn)為:構(gòu)件的破壞緣于縱筋的屈服及受壓區(qū)混凝的壓潰,則構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞;(2)構(gòu)件在縱筋屈服后,若構(gòu)件的承載能力并未發(fā)生明顯退化,但隨著加載循環(huán)次數(shù)的增多及位移幅值的增大,與斜裂縫相交的箍筋逐漸屈服或混凝土壓桿被壓碎,而導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生剪切破壞(剪切斜壓、剪切斜拉或剪壓破壞),則構(gòu)件發(fā)生彎曲剪切(斜拉、斜壓或剪壓)破壞;若橫向鋼筋用量相對較少,一般發(fā)生彎曲剪切斜拉破壞,若橫向鋼筋用量過多,則一般發(fā)生彎曲剪切斜壓破壞,若橫向鋼筋用量適當(dāng),可發(fā)生彎曲剪切受壓破壞。(3)構(gòu)件縱筋屈服后,若構(gòu)件