加載方法對(duì)鋼筋混凝土柱低周反復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果的影響

加載方法對(duì)鋼筋混凝土柱低周反復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果的影響

1物理試驗(yàn)的研究中國(guó)是一個(gè)地震嚴(yán)重的國(guó)家。在中國(guó)近2900個(gè)城市中，約87%的城市需要防滑設(shè)施。地震造成的損失往往是相當(dāng)慘痛的。近年來(lái)更是地震頻發(fā),2008年的汶川地震和2010年的玉樹(shù)地震使數(shù)萬(wàn)人失去了生命,造成了數(shù)百萬(wàn)間房屋的倒塌。國(guó)內(nèi)外學(xué)者歷來(lái)非常重視工程結(jié)構(gòu)的抗震研究,而物理試驗(yàn)是其中最基本的研究手段。目前研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)最為理想的試驗(yàn)方式是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),但受試驗(yàn)成本限制,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外大量的結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)還是采用低周反復(fù)荷載試驗(yàn)進(jìn)行研究。另一方面,柱是框架、底框和框剪結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件,其抗震性能決定著整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能,所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者常取柱作為對(duì)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能研究。在柱的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中,有整柱模型和半柱模型兩大類(lèi)。在半柱模型試驗(yàn)中,所采用試驗(yàn)加載裝置往往有較大的差異,以致于在其所模擬的反彎點(diǎn)處產(chǎn)生的約束條件也不同,甚至于試驗(yàn)結(jié)果不具備可比性。本文通過(guò)一個(gè)全柱模型和兩個(gè)采用不同加載裝置的半柱模型的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),比較分析不同加載方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。2“王”抗封柱試件用于研究鋼筋混凝土柱低周反復(fù)荷載試驗(yàn)的試件模型可分為全柱試件和半柱試件兩大類(lèi);全柱試件有“王”字形(圖1(a))和“工”字形(圖1(b))兩種,半柱試件有“T”字形(圖1(c))和“十”字形(圖1(d))兩種,分別用于模擬底層和中間樓層柱。“王”字形全柱取自兩個(gè)相鄰樓層的整柱,底部為一固定支座,頂部簡(jiǎn)化為一個(gè)定向支座,能夠發(fā)生豎向位移,但是其水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)受到限制?！笆弊中伟胫嚰厝蓚€(gè)相鄰樓層框架柱反彎點(diǎn)之間的部分,上下兩個(gè)反彎點(diǎn)視作鉸支座;與“王”字形全柱類(lèi)似,水平荷載施加于位于中間的加載梁上,豎向荷載作用在柱頂上。“工”字形全柱取自一個(gè)樓層的整柱,其下部簡(jiǎn)化為一個(gè)固定支座,上部簡(jiǎn)化為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)約束?！癟”字形半柱[10,11,12,13,14,15,16]將柱在反彎點(diǎn)處截?cái)?形成一個(gè)半柱,其底部為一固定支座,頂部為自由端。從約束條件出發(fā),“王”字形全柱最容易實(shí)現(xiàn),但是由于其試件尺寸龐大,在試驗(yàn)研究中反而最少使用?！癟”字形半柱模型是目前最為常用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?其底座部分在試驗(yàn)中需要限制其在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng),使其成為一個(gè)固定支座,水平荷載和豎向荷載一般都施加在頂部,其關(guān)鍵問(wèn)題是柱頂部是否能夠形成理想鉸接點(diǎn)。3銷(xiāo)鉸加載端與柱頂連接低周反復(fù)荷載作用下“T”字形半柱模型的加載裝置主要有三種形式,如圖2所示。水平荷載通過(guò)水平千斤頂或作動(dòng)器和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置施加于試件頂部;豎向荷載通過(guò)豎向千斤頂施加,千斤頂上方布置一系列輥軸,使千斤頂能夠與柱頂發(fā)生同步位移,確保施加的荷載能夠保持豎直。三種加載方式的差別主要集中在豎向千斤頂與柱頂?shù)慕佑|方式上:方式一中豎向千斤頂直接擱置于柱端(圖2(a));方式二中千斤頂與柱頂之間放置一個(gè)球鉸(圖2(b));方式三中豎向千斤頂與柱頂通過(guò)一個(gè)銷(xiāo)鉸加載端連接(圖2(c))。早期部分試驗(yàn)中,豎向千斤頂直接擱置于柱端,如圖2(a)所示,其中η為實(shí)際反彎點(diǎn)高度與柱高的比值。此時(shí),千斤頂與柱端為面接觸,當(dāng)柱頂產(chǎn)生水平位移時(shí),會(huì)限制柱頂?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng),相當(dāng)于在柱頂施加了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧,使反彎點(diǎn)下移、反彎點(diǎn)高度下降,從而導(dǎo)致承載能力試驗(yàn)值(Pt)偏大。千斤頂與柱頂接觸面越大,轉(zhuǎn)動(dòng)約束越強(qiáng)。設(shè)柱頂轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧相對(duì)剛度kmEI/l,其中E,I,l分別為柱的等效彈性模量、截面慣性矩和柱高,km為轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧剛度系數(shù)。運(yùn)用力法可以求出承載能力試驗(yàn)值與理論值之比Pt/P0和柱頂約束系數(shù)km的關(guān)系,如圖3所示。理論上,隨著彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)約束的不斷加強(qiáng),Pt/P0不斷增大并趨于定值2,即相當(dāng)于固定支座,反彎點(diǎn)位于柱中。為減少方式一中反彎點(diǎn)高度減小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,有學(xué)者在豎向千斤頂與柱頂之間放置一個(gè)球鉸,如圖2(b)方式二所示,也有學(xué)者采用如圖2(c)方式三所示的銷(xiāo)鉸進(jìn)行加載。方式二中,水平加載端中心與豎向球鉸中心不在同一水平面上,實(shí)際反彎點(diǎn)高度應(yīng)取作水平力至底梁頂面的豎向距離(圖2(b)),反彎點(diǎn)位于豎向荷載和水平荷載交匯處的虛擬鉸上,而這個(gè)虛擬鉸是否能夠有效地模擬反彎點(diǎn)還存在一定的疑問(wèn)。采用方式三時(shí),豎向加載端和水平加載端匯聚于一個(gè)實(shí)際存在的物理轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,銷(xiāo)鉸軸中心為柱的反彎點(diǎn),如圖2(c)所示,這時(shí)柱的實(shí)際高度為銷(xiāo)鉸軸中心到試件底座頂面的豎向距離。下面通過(guò)兩個(gè)半柱試件和一個(gè)整柱試件的低周反復(fù)加載試驗(yàn)來(lái)研究方式二與方式三在模擬柱反彎點(diǎn)時(shí)的差異,及其帶來(lái)的影響。4混凝土柱的低周重復(fù)負(fù)荷試驗(yàn)方案4.1試件結(jié)構(gòu)及制作為比較不同加載方式和約束條件對(duì)半柱試件低周反復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)并制作了1個(gè)全柱試件BC-1和兩個(gè)半柱試件BC-2,BC-3,試件截面尺寸、配筋和混凝土材料均相同。試件采用邊長(zhǎng)為200mm的方柱,沿受力方向單側(cè)縱筋為3?ˉ123?ˉ12,箍筋為?6@100?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C15,配合比為水泥∶水∶細(xì)砂∶粗骨料=1∶0.7∶2.96∶4.07,水泥采用海螺牌325號(hào)復(fù)合硅酸鹽水泥,細(xì)砂采用河沙,粗骨料為碎石。實(shí)測(cè)混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度為12.13MPa?？v筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為298MPa和461MPa。全柱試件BC-1凈高(不含底梁和加載梁)2080mm;半柱試件BC-2和BC-3柱高(不含底梁)分別為1120mm和700mm,以使試驗(yàn)時(shí)水平荷載加載點(diǎn)至柱底距離均為BC-1柱高的一半1040mm。BC-3縱筋伸出柱頂100mm并加工螺紋用于與加載裝置連接。試件尺寸及配筋見(jiàn)圖4。試件制作時(shí),采用立式澆筑。養(yǎng)護(hù)28d后,采用石灰水將試件表面刷白,并用鉛筆畫(huà)上間隔50mm的方格,便于觀測(cè)和定位加載過(guò)程中裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。4.2半柱試件bc-3加載裝置試件的低周反復(fù)加載試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)建筑工程系建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室大型多功能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。加載方式為常軸力的同時(shí)施加水平反復(fù)荷載,豎向軸力采用液壓千斤頂施加,水平反復(fù)荷載采用液壓伺服作動(dòng)器施加,豎向千斤頂能夠與水平作動(dòng)器同步移動(dòng),試件軸壓比均取0.5。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,兩個(gè)半柱試件的水平加載端中心到柱底梁頂面的距離均為1040mm。全柱試件BC-1的柱端直接與豎向液壓千斤頂連接,如圖5(a)所示。半柱試件BC-2在柱頂通過(guò)球鉸與豎向液壓千斤頂連接,如圖5(b)所示。半柱試件BC-3采用特制的加載裝置進(jìn)行加載,如圖5(c)所示,加載裝置由L形傳力件和連接件兩部分組成,兩者通過(guò)銷(xiāo)鉸連接。L形傳力件兩端分別通過(guò)球鉸與試驗(yàn)機(jī)的水平向液壓伺服作動(dòng)器和豎向液壓千斤頂連接。試件BC-3試驗(yàn)前首先通過(guò)伸出柱頂?shù)目v筋與連接鋼板采用螺栓固定,并在鋼板與柱頂之間涂抹一層粘鋼膠,以防鋼板與柱頂之間產(chǎn)生滑移;然后采用螺栓固定柱頂連接鋼板和加載裝置中的連接件。安裝就位后,豎向加載點(diǎn)球鉸、銷(xiāo)鉸均位于柱子中軸線;水平加載點(diǎn)球鉸與銷(xiāo)鉸連線位于同一水平面,垂直于試件柱,離柱底距離為1040mm。試驗(yàn)采用位移控制加載法,控制位移取半柱試件的柱頂位移、全柱試件的柱頂位移,加載制度見(jiàn)表1。在BC-2和BC-3的柱頂以及BC-1柱中布置位移計(jì)和轉(zhuǎn)角儀,測(cè)量加載過(guò)程中相應(yīng)位置的水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng);柱根部設(shè)置5個(gè)位移計(jì)用來(lái)測(cè)量根部150mm范圍內(nèi)混凝土的平均變形;同時(shí)通過(guò)粘貼于塑性鉸區(qū)縱筋上的鋼筋應(yīng)變片來(lái)測(cè)量鋼筋的應(yīng)變,詳見(jiàn)圖5。5低周重復(fù)負(fù)荷試驗(yàn)的結(jié)果分析5.1混凝土被壓碎、縱筋壓屈所有試件均發(fā)生受彎破壞,表現(xiàn)為柱根部塑性鉸區(qū)混凝土被壓碎、縱筋壓屈,見(jiàn)圖6。試件BC-1,BC-2和BC-3的塑性鉸實(shí)測(cè)長(zhǎng)度依次分別為200mm,240mm和170mm。5.2滯回曲線對(duì)比圖7和圖8分別為各試件的荷載-位移滯回曲線以及荷載-轉(zhuǎn)角滯回曲線。BC-1的位移以及轉(zhuǎn)角取自柱跨中,BC-2以及BC-3的則均取自柱頂相應(yīng)位置(見(jiàn)圖5)。在低周反復(fù)荷載作用下,3個(gè)試件的滯回曲線均呈現(xiàn)出紡錘狀。通過(guò)比較可發(fā)現(xiàn),BC-1和BC-3的荷載-位移和荷載-轉(zhuǎn)角滯回曲線基本類(lèi)似,而B(niǎo)C-2的極限荷載明顯偏大。5.3累計(jì)能量耗散量將試件在一次循環(huán)中的能量耗散量定義為荷載-變形滯回曲線所包圍的面積,則通過(guò)積分可以計(jì)算得到在所有循環(huán)中試件的累計(jì)能量耗散量,如表2所示。從表中可以發(fā)現(xiàn),BC-2,BC-3的累積耗能量分別比BC-1高12.5%和8.8%,可以看出BC-3的試驗(yàn)結(jié)果與BC-1的較為接近。5.4在測(cè)件極限荷載、極限位移和極限轉(zhuǎn)角的情況下,bc-1是在測(cè)圖9和圖10分別為各試件的荷載-位移骨架曲線和荷載-轉(zhuǎn)角骨架曲線,表3給出了各試件極限荷載、極限位移和極限轉(zhuǎn)角的比較。從圖表中可以看出,BC-1與BC-3的骨架曲線幾乎相同,說(shuō)明采用試驗(yàn)中的銷(xiāo)鉸加載裝置能夠很好地模擬全柱中反彎點(diǎn)的受力特點(diǎn)。BC-2的平均水平極限荷載