高強(qiáng)鋼筋配筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗(yàn)研究

張鑫　 韋合　葉列平

山東建筑大學(xué)　山東濟(jì)南250014　清華大學(xué)　北京l00084

引言

    中國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)(2008年版)采用“三水準(zhǔn)，兩階段”的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防的目標(biāo)。普通鋼筋混凝土材料建造的建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不可避免地要發(fā)生破壞，即使在基本烈度下，為了實(shí)現(xiàn)“中震可修”的設(shè)防目標(biāo)，結(jié)構(gòu)要部分進(jìn)入彈塑性工作階段，依靠結(jié)構(gòu)的塑性變形來吸收和消耗地震能量以減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，避免造成生命和財(cái)產(chǎn)損失。

    傳統(tǒng)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)方法，引進(jìn)柱端彎矩增大系數(shù)，使框架柱在強(qiáng)震下不出現(xiàn)塑性鉸，或推遲出現(xiàn)塑性鉸，達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”的效果，以實(shí)現(xiàn)“中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。但是正如文獻(xiàn)[3]中指出的，在強(qiáng)震作用下柱底截面會不可避免地出現(xiàn)塑性鉸。從汶川大地震震害情況看，框架結(jié)構(gòu)也難以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”[4]，而且由于地震的不確定性及其對結(jié)構(gòu)影響的復(fù)雜性，地震中框架結(jié)構(gòu)多形成破壞形式比較復(fù)雜的混合鉸破壞機(jī)制，即柱和梁中均出現(xiàn)塑性鉸，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌的危險(xiǎn)，難以達(dá)到“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。對于框架結(jié)構(gòu)，即使實(shí)現(xiàn)了“中震可修”的設(shè)防目標(biāo)，但是由于普通材料的強(qiáng)度過低，柱底塑性鉸的形成會使結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生過大的水平側(cè)移，而這些變形大多是不可恢復(fù)的塑性變形，所以震后的殘余變形勢必會很大，這就給震后的修復(fù)工作帶來了很大困難，修復(fù)費(fèi)用也會大大提高。為了解決上述問題，本文根據(jù)文獻(xiàn)[5]提出的采用高強(qiáng)配筋減小結(jié)構(gòu)震后殘余變形的方法，在框架柱中用高強(qiáng)鋼絞線代替普通鋼筋，對其抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1、試驗(yàn)概況

    本試驗(yàn)以兩榀三層兩跨的平面框架為研究對象，結(jié)構(gòu)模型按1：2的縮尺設(shè)計(jì)而成。模型的具體尺寸見圖1，兩榀框架的區(qū)別為：一榀框架結(jié)構(gòu)模型的柱中縱筋采用HRB335級鋼筋，而另一榀框架結(jié)構(gòu)模型的柱中縱筋按照等面積代換的方法用咖812.7鋼絞線，其他位置配筋都相同。鋼絞線在柱腳和柱頂采用錨板和錨具固定，但不張拉。鋼筋及混凝土的力學(xué)性能見表和表2。

圖1框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

表1混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)

    試驗(yàn)在山東建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。圖2為試驗(yàn)現(xiàn)場，模型底座固定在靜力臺座上。豎向荷載采用堆載方法施加，在梁及其翼緣部位堆積鐵塊直到每層荷載達(dá)到11kN/m為止；水平荷載通過MTS作動器作用于每層框架節(jié)點(diǎn)上，水平力或側(cè)移按倒三角分布施加往復(fù)荷載。普通框架采用力和位移的混合控制方法，即首先由力控制，框架結(jié)構(gòu)屈服后改用位移控制；高強(qiáng)配筋框架采用力控制的方法。

    在框架控制截面(即梁柱節(jié)點(diǎn)上下左右端容易產(chǎn)生塑性鉸的部位)的鋼筋和混凝土表面粘貼應(yīng)變片，圖3為鋼筋及混凝土應(yīng)變片的布置情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動采集。水平荷載及水平位移由MTS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集。

2、試驗(yàn)現(xiàn)象

    普通框架在總水平推力達(dá)到l6kN時(shí)邊柱底部開始出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增加，一層梁端也出現(xiàn)裂縫；荷載繼續(xù)增加，其他部位也陸續(xù)出現(xiàn)裂縫，裂縫的寬度也隨著荷載的增加而不斷加大；當(dāng)總的水平推力達(dá)到35kN時(shí)，框架的水平位移比前幾個(gè)循環(huán)明顯增大，所以改用位移控制加載；此后框架的承載力仍有提高，直到總水平推力達(dá)到57kN時(shí)，框架柱底混凝土已有較大裂縫，當(dāng)頂層水平位移達(dá)到l00mm時(shí)停止加載，邊柱柱底的混凝土已壓碎，破壞情況見圖4(a)、圖4(b)。

圖4框架邊柱破壞情況對比

    高強(qiáng)配筋框架在總水平推力達(dá)到l8kN時(shí)邊柱底部出現(xiàn)裂縫，其他現(xiàn)象與普通框架基本相同，但是在相同荷載下高強(qiáng)配筋框架的破壞程度和裂縫寬度都明顯小于普通框架，停止加載時(shí)總的水平推力達(dá)到67kN，而且從滯回曲線可以看出，此時(shí)的曲線仍處于上升段，說明水平承載力還有提升的幅度，出于安全考慮停止了加載。邊柱柱底混凝土破壞情況見圖4(c)、圖4(d)。

    試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，兩榀框架的梁柱節(jié)點(diǎn)部位都有不同程度的損傷，如圖5所示。相比而言，普通框架節(jié)點(diǎn)損傷更為嚴(yán)重，并且梁端損傷較輕，這說明即使按“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”概念設(shè)計(jì)的框架，在實(shí)際工程中由于樓板和支座負(fù)筋等因素的影響，也很難按理想順序發(fā)生破壞。在實(shí)驗(yàn)室條件下的平面框架要實(shí)現(xiàn)梁鉸機(jī)制，柱梁抗彎強(qiáng)度比要取到1.42～2.86，這勢必導(dǎo)致柱中鋼筋過多而難以在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)。而配置了高強(qiáng)配筋框架的節(jié)點(diǎn)斜裂縫出現(xiàn)明顯推遲，破壞程度也較輕。

圖5框架節(jié)點(diǎn)破壞情況對比

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

    3.1滯回曲線

    圖6為兩榀框架總水平荷載與頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線的對比情況。從圖中可以看出，高強(qiáng)配筋框架的變形能力與普通框架相當(dāng)，承載力有一定幅度的提高，而結(jié)構(gòu)的殘余變形則大大減小。這是因?yàn)樵诩虞d過程中高強(qiáng)鋼絞線一直處于彈性階段，具有較強(qiáng)的自復(fù)位性能，減少了柱在水平荷載下的殘余變形。

圖7鋼筋應(yīng)變

    3.2鋼筋應(yīng)變

    圖7為幾個(gè)主要部位鋼筋應(yīng)變的對比。由圖可見，在開始加載階段普通鋼筋和鋼絞線的應(yīng)變情況相差不大，此時(shí)框架尚未開裂，處于彈性工作階段。繼續(xù)加載至混凝土開裂后，普通鋼筋應(yīng)變的變化發(fā)生較大的波動，出現(xiàn)無規(guī)律的跳躍，而相同位置鋼絞線的應(yīng)變則隨著荷載的增大而緩慢增加。隨著荷載進(jìn)一步增大，普通鋼筋很快進(jìn)入了屈服階段，應(yīng)變的變化也更加不規(guī)則，并且在后期應(yīng)變增大迅速加快，而鋼絞線應(yīng)變持續(xù)增大一直在彈性范圍之內(nèi)，這就使柱的控制截面不宜出現(xiàn)塑性鉸，避免形成可能引起倒塌的柱鉸破壞機(jī)制。

    3.3變形能力、剛度

    框架在開裂、屈服等關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)的頂點(diǎn)位移見表3。由表3可以看出，兩榀框架在開裂時(shí)荷載大小基本相同，高強(qiáng)配筋框架的最大荷載有一定程度的提高，但是從殘余位移的對比上可以明顯看出，高強(qiáng)配筋框架顯著減小，這是因?yàn)楦邚?qiáng)鋼筋仍處于彈性階段，具有很大的自復(fù)位能力，卸載后框架柱的塑性變形可以得到有效恢復(fù)。利用高強(qiáng)鋼筋的白復(fù)位能力，便可以減小結(jié)構(gòu)的損傷和殘余變形，從而減小結(jié)構(gòu)震后修復(fù)難度。

表3框架各階段荷載與位移值

    圖8為兩榀框架各層最大位移的對比。普通框架在2、3層位移要大于高強(qiáng)框架，而底層位移大致相同。這是因?yàn)槠胀�框架在柱底截面屈服后，底層變形繼續(xù)增加而承載力不再明顯增大，相應(yīng)地作用于2、3層的荷載就會增加，導(dǎo)致變形加大，而高強(qiáng)配筋框架柱中鋼絞線一直處于彈性階段承載力可以持續(xù)提高，故上層變形可以減小。

    圖9為兩榀框架整體剛度退化過程的對比，整體剛度為框架總水平荷載與頂層水平位移的比值，可以比較加載過程中兩榀框架剛度退化情況。從圖中可以看出兩榀框架剛度退化規(guī)律基本相同，所以在地震中高強(qiáng)配筋框架不會因?yàn)橹�中鋼筋不屈服而產(chǎn)生過大地震響應(yīng)。

    3.4殘余變形比較

    圖10為兩榀框架殘余變形的對比，從圖中可以看出，兩榀框架的殘余變形都是底層最大，但是高強(qiáng)配筋框架的殘余變形很小，而普通框架有很大的殘余變形，這說明普通鋼筋由于材料強(qiáng)度過底，表現(xiàn)出顯著的塑性變形特征。因此，高強(qiáng)配筋框架可顯著減小殘余變形，這是由于柱中配置的高強(qiáng)鋼絞線在整個(gè)加載過程中一直處于彈性階段，利用其彈性恢復(fù)能力可以有效地減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。

4、結(jié)論

    通過普通配筋框架與高強(qiáng)配筋框架的試驗(yàn)對比和分析，可以得出以下結(jié)論：

    (1)柱中配置高強(qiáng)鋼筋后，由于高強(qiáng)鋼筋一直處于彈性階段，可以有效地避免框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)柱鉸破壞機(jī)制，減少結(jié)構(gòu)在地震中倒塌的危險(xiǎn)性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗倒塌能力。

    (2)由于高強(qiáng)鋼筋具有比較強(qiáng)的自復(fù)位能力，結(jié)構(gòu)在震后的殘余變形比普通配筋時(shí)明顯減小，可大大減小結(jié)構(gòu)在地震中的損傷程度，降低結(jié)構(gòu)在震后修復(fù)的難度和費(fèi)用。

    (3)從兩種框架結(jié)構(gòu)的破壞過程及破壞情況對比可以看出，盡管高強(qiáng)鋼絞線一直處于彈性階段，但是高強(qiáng)配筋框架的地震動力響應(yīng)并不會顯著增加。

    (4)由于框架柱采用高強(qiáng)配筋，結(jié)構(gòu)的抗震安全儲備得到大大提高。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)