加載方法對鋼筋混凝土柱低周反復(fù)荷載試驗結(jié)果的影響

加載方法對鋼筋混凝土柱低周反復(fù)荷載試驗結(jié)果的影響

1物理試驗的研究中國是一個地震嚴重的國家。在中國近2900個城市中，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。近年來更是地震頻發(fā),2008年的汶川地震和2010年的玉樹地震使數(shù)萬人失去了生命,造成了數(shù)百萬間房屋的倒塌。國內(nèi)外學(xué)者歷來非常重視工程結(jié)構(gòu)的抗震研究,而物理試驗是其中最基本的研究手段。目前研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)最為理想的試驗方式是振動臺試驗,但受試驗成本限制,現(xiàn)階段國內(nèi)外大量的結(jié)構(gòu)抗震試驗還是采用低周反復(fù)荷載試驗進行研究。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結(jié)構(gòu)的抗震性能,所以國內(nèi)外學(xué)者常取柱作為對象進行結(jié)構(gòu)抗震性能研究。在柱的低周反復(fù)荷載試驗中,有整柱模型和半柱模型兩大類。在半柱模型試驗中,所采用試驗加載裝置往往有較大的差異,以致于在其所模擬的反彎點處產(chǎn)生的約束條件也不同,甚至于試驗結(jié)果不具備可比性。本文通過一個全柱模型和兩個采用不同加載裝置的半柱模型的低周反復(fù)荷載試驗,比較分析不同加載方式對試驗結(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)荷載試驗的試件模型可分為全柱試件和半柱試件兩大類;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?！巴酢弊中稳∽詢蓚€相鄰樓層的整柱,底部為一固定支座,頂部簡化為一個定向支座,能夠發(fā)生豎向位移,但是其水平位移和轉(zhuǎn)動受到限制?！笆弊中伟胫嚰厝蓚€相鄰樓層框架柱反彎點之間的部分,上下兩個反彎點視作鉸支座;與“王”字形全柱類似,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”字形全柱取自一個樓層的整柱,其下部簡化為一個固定支座,上部簡化為一個轉(zhuǎn)動約束?！癟”字形半柱[10,11,12,13,14,15,16]將柱在反彎點處截斷,形成一個半柱,其底部為一固定支座,頂部為自由端。從約束條件出發(fā),“王”字形全柱最容易實現(xiàn),但是由于其試件尺寸龐大,在試驗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?zāi)Ｐ?其底座部分在試驗中需要限制其在各個方向上的運動,使其成為一個固定支座,水平荷載和豎向荷載一般都施加在頂部,其關(guān)鍵問題是柱頂部是否能夠形成理想鉸接點。3銷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。水平荷載通過水平千斤頂或作動器和一個轉(zhuǎn)動裝置施加于試件頂部;豎向荷載通過豎向千斤頂施加,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球鉸(圖2(b));方式三中豎向千斤頂與柱頂通過一個銷鉸加載端連接(圖2(c))。早期部分試驗中,豎向千斤頂直接擱置于柱端,如圖2(a)所示,其中η為實際反彎點高度與柱高的比值。此時,千斤頂與柱端為面接觸,當(dāng)柱頂產(chǎn)生水平位移時,會限制柱頂?shù)霓D(zhuǎn)動,相當(dāng)于在柱頂施加了一個轉(zhuǎn)動彈簧,使反彎點下移、反彎點高度下降,從而導(dǎo)致承載能力試驗值(Pt)偏大。千斤頂與柱頂接觸面越大,轉(zhuǎn)動約束越強。設(shè)柱頂轉(zhuǎn)動彈簧相對剛度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)動彈簧剛度系數(shù)。運用力法可以求出承載能力試驗值與理論值之比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)動約束的不斷加強,Pt/P0不斷增大并趨于定值2,即相當(dāng)于固定支座,反彎點位于柱中。為減少方式一中反彎點高度減小對試驗結(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)方式三所示的銷鉸進行加載。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,實際反彎點高度應(yīng)取作水平力至底梁頂面的豎向距離(圖2(b)),反彎點位于豎向荷載和水平荷載交匯處的虛擬鉸上,而這個虛擬鉸是否能夠有效地模擬反彎點還存在一定的疑問。采用方式三時,豎向加載端和水平加載端匯聚于一個實際存在的物理轉(zhuǎn)動軸上,銷鉸軸中心為柱的反彎點,如圖2(c)所示,這時柱的實際高度為銷鉸軸中心到試件底座頂面的豎向距離。下面通過兩個半柱試件和一個整柱試件的低周反復(fù)加載試驗來研究方式二與方式三在模擬柱反彎點時的差異,及其帶來的影響。4混凝土柱的低周重復(fù)負荷試驗方案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半柱試件低周反復(fù)加載試驗結(jié)果的影響,設(shè)計并制作了1個全柱試件BC-1和兩個半柱試件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)計強度等級為C15,配合比為水泥∶水∶細砂∶粗骨料=1∶0.7∶2.96∶4.07,水泥采用海螺牌325號復(fù)合硅酸鹽水泥,細砂采用河沙,粗骨料為碎石。實測混凝土棱柱體抗壓強度為12.13MPa?？v筋實測屈服強度、極限強度分別為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,以使試驗時水平荷載加載點至柱底距離均為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。試件尺寸及配筋見圖4。試件制作時,采用立式澆筑。養(yǎng)護28d后,采用石灰水將試件表面刷白,并用鉛筆畫上間隔50mm的方格,便于觀測和定位加載過程中裂縫的產(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)加載試驗在同濟大學(xué)建筑工程系建筑結(jié)構(gòu)試驗室大型多功能試驗機上進行。加載方式為常軸力的同時施加水平反復(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器施加,豎向千斤頂能夠與水平作動器同步移動,試件軸壓比均取0.5。經(jīng)現(xiàn)場測量,兩個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,兩者通過銷鉸連接。L形傳力件兩端分別通過球鉸與試驗機的水平向液壓伺服作動器和豎向液壓千斤頂連接。試件BC-3試驗前首先通過伸出柱頂?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,豎向加載點球鉸、銷鉸均位于柱子中軸線;水平加載點球鉸與銷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,加載制度見表1。在BC-2和BC-3的柱頂以及BC-1柱中布置位移計和轉(zhuǎn)角儀,測量加載過程中相應(yīng)位置的水平位移和轉(zhuǎn)動;柱根部設(shè)置5個位移計用來測量根部150mm范圍內(nèi)混凝土的平均變形;同時通過粘貼于塑性鉸區(qū)縱筋上的鋼筋應(yīng)變片來測量鋼筋的應(yīng)變,詳見圖5。5低周重復(fù)負荷試驗的結(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,見圖6。試件BC-1,BC-2和BC-3的塑性鉸實測長度依次分別為200mm,240mm和170mm。5.2滯回曲線對比圖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(見圖5)。在低周反復(fù)荷載作用下,3個試件的滯回曲線均呈現(xiàn)出紡錘狀。通過比較可發(fā)現(xiàn),BC-1和BC-3的荷載-位移和荷載-轉(zhuǎn)角滯回曲線基本類似,而BC-2的極限荷載明顯偏大。5.3累計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,則通過積分可以計算得到在所有循環(huán)中試件的累計能量耗散量,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的試驗結(jié)果與BC-1的較為接近。5.4在測件極限荷載、極限位移和極限轉(zhuǎn)角的情況下,bc-1是在測圖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,說明采用試驗中的銷鉸加載裝置能夠很好地模擬全柱中反彎點的受力特點。BC-2的平均水平極限荷載