土木建筑与环境工程  2017, Vol. 39 Issue (2): 148-154   PDF    
配置600 MPa级高强钢筋T形柱抗震性能试验研究
戎贤, 段微微, 王浩    
河北工业大学 土木与交通学院, 天津 300401
收稿日期：2016-08-25
基金项目：河北省自然科学基金（E2015202035）；河北省建设科学技术研究计划（2014—122）
作者简介：戎贤 (1965-), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事结构抗震研究, (E-mail)xrong516@126.com。
摘要：600 MPa级钢筋是一种新型高强度钢筋，为研究该钢筋应用于异形柱结构体系的可行性，对7根不同轴压比、体积配箍率和钢筋强度的混凝土T形柱试件进行低周往复荷载试验，分别对其承载力、位移、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化和耗能性能进行研究，综合评估其抗震性能。研究结果表明：配置600 MPa级钢筋的混凝土T形柱具有良好的变形能力和承载能力，提高配箍率能有效提高试件的抗震性能，提高轴压比可以提高试件的承载力，但降低其变形能力。随着钢筋强度的提高，试件的承载力显著提高。
关键词：T形柱    600 MPa级钢筋    抗震性能    低周反复荷载    
Experimental analysis of seismic behavior of 600 MPa RC T-shaped columns
Rong Xian, Duan Weiwei, Wang Hao    
School of Civil and Transportation Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P. R. China
Received: 2016-08-25
Foundation item: Natural Science Foundation of Hebei Province (No.E2015202035); Construction Science and Technology Research of Hebei Province (2014-122)
Author brief: Rong Xian (1965-), professor, doctoral supervisor, main research interest: aseismic structures, (E-mail) xrong516@126.com.
Abstract: 600 MPa steel bar was a new type of high-strength reinforcing bar. Seven T-shaped column specimens varying in stirrup ratios, axial compression ratios and steel strength were tested under low cyclic loading to investigate the feasibility of using this type of reinforcement in specially shaped column. Behaviors in bearing capacity, displacement, hysteretic behavior, skeleton characteristic, rigidity degradation and energy dissipation were investigated to analysis the seismic performance of columns. The results showed that 600 MPa RC T-shaped columns had favorable deformation capacity and bearing capacity. Improving stirrup ratios could effectively improve the seismic performance. With the increase of axial compression ratios, the bearing capacity of columns was bigger, but the deformation capacity deteriorated. With the improvement of the strength of steel, bearing capacity, deformation capacity significantly increased.
Key Words: T-shaped column    600 MPa    Seismic behavior    Low cyclic loading    

异形柱结构体系具有减少结构自重、节约材料、增大使用面积等优点[1-3]，广泛应用于中国各地，对异形柱框架及节点的试验研究[4-6]表明，异形柱构件是整个结构体系抗震性能的关键部位，而T形柱由于其截面的不规则性使得抗震性能较为复杂，有必要进行更深入的试验研究。研究者对高强钢筋混凝土构件进行了一些抗震性能试验研究[7-10]，研究表明，进行合理设计的配置高强钢筋的混凝土构件在强度和变形上表现出与传统钢筋混凝土构件相似的性能；在中国，600MPa级钢筋是一种新型钢筋，具有强度高、延性好等特点[11-14]，现已被纳入《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB 1499.2—2013) 中，但是部分混凝土规范[15-16]还未涉及此类钢筋。为改善异形柱抗震性能并推广600 MPa级高强钢筋的应用，对配置600 MPa级高强钢筋的混凝土T形柱试件进行低周往复荷载试验，研究其抗震性能并对比分析轴压比、体积配箍率和钢筋强度对抗震性能的影响。

1 试验概况

试验设计了7根1/2缩尺的T形截面混凝土异形柱试件，以轴压比、体积配箍率和钢筋强度为变化参数。试件设计参数如表 1所示。柱肢截面尺寸为350 mm×350 mm，肢宽肢厚比均为2.9，试件的剪跨比均为3.29，试件几何尺寸及配筋如图 1所示。测量混凝土立方体抗压强度并取得实测平均值为60.1 MPa，根据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50512—2012) 中的相关公式，计算出混凝土轴心抗压强度实测平均值48.1 MPa以及弹性模量36 GPa。试件纵筋和箍筋直径分别为16、8 mm，钢筋力学性能见表 2。

表 1 设计参数 Table 1 Design parameters of specimens

图 1 试件尺寸和配筋 Fig. 1 Details of specimen/mm

表 2 钢筋的力学性能 Table 2 Properties of reinforcing bars

试验采用拟静力加载，加载装置和加载程序如图 2所示。采用荷载和位移混合控制的加载制度，首先用竖向千斤顶在异形柱上端施加压力并保持恒定，水平加载分为两个阶段：荷载控制和位移控制。在试件屈服前采用荷载控制，每级循环一次，当钢筋屈服后采用位移控制，以屈服位移整数倍循环3次，直到荷载下降到极限荷载的85%时，试验结束。

图 2 加载装置及加载程序 Fig. 2 Loading equipment and loading system

2 破坏特征

各试件的裂缝发展情况与破坏形式基本一致，部分试件破坏形态如图 3所示。

图 3 试件破坏形态 Fig. 3 Failure characteristic of specimen

在试件屈服前，腹板和翼缘正面柱脚处首先出现微小水平裂缝，随着荷载的增加，水平裂缝不断延伸并向腹板侧面斜向发展形成斜裂缝，钢筋屈服后，试件出现残余变形，裂缝继续扩展，腹板侧面出现交叉裂缝，受压区混凝土沿竖向裂缝不断起皮脱落，试件达到最大承载力，此后变形继续增大而荷载减小直到钢筋屈曲、腹板柱底混凝土压碎，试件破坏。

轴压比较大的试件裂缝和柱底塑性铰出现的较晚，斜裂缝倾角较小，混凝土压碎更为严重，但试件的承载力有所提高，表明增大轴压比可以改善骨料的咬合作用并推迟裂缝的产生。配箍特征值较大的试件，斜裂缝出现较晚，裂缝数量增多而宽度减小，能够缓解柱底混凝土压溃现象，承载力有所提高。钢筋强度高的试件，裂缝数量较少，混凝土剥落长度较大，但塑性铰长度较小，说明随着钢筋强度提高，试件塑性性能降低。

3 试验结果分析
3.1 试件主要试验结果

极限位移角是表征试件变形能力的重要指标，但各学者对极限位移的定义各不相同，李静等[17]是取水平力下降到峰值85%时对应的位移来研究柱的变形能力，顾冬生等[18]取峰值荷载所对应的位移来计算极限位移角，对于高强钢筋混凝土柱，王君杰等[19]用各加载阶段的位移角来综合评估试件的变形能力，采用此种方法评价试件的变形能力。各试件主要研究结果如表 3所示。其中，正向荷载指T形柱腹板侧受拉的荷载，反向荷载指T形柱翼缘侧受拉的荷载，屈服荷载通过等面积法确定，破坏荷载为经历最大承载力后下降到极限荷载85%时对应的荷载值。

表 3 试件主要试验结果 Table 3 Test results of specimens

从表 3可知：

1) 由于T形截面柱正负向性能的不同，正负向荷载和位移具有不对称性，负向加载时的屈服和极限荷载较正向有不同程度的提高。

2) 对比轴压比相同，配箍率不同的试件，试件CT1和CT2较CT3的破坏位移分别提高9.5%和7.4%，表明加密箍筋可以增强核心混凝土抵抗横向变形的能力，缓解试件斜裂缝的出现，提高试件的承载力，随着箍筋间距的增大，破坏位移角随之减小，说明提高配箍率可以提高试件变形能力。

3) 对比配箍率相同，轴压比不同的试件CT4、CT5和CT6，随着轴压比的增大，试件承载力明显提高，而极限位移减小。

4) 对比只钢筋强度不同的试件，配置600 MPa级钢筋的试件CT2较配置HRB500钢筋的CT7的屈服位移角、极限位移角平均值较大，但随着塑性变形的发展，两试件的变形差异逐渐缩小，说明配置600 MPa级钢筋的混凝土T形柱具有良好的变形能力。

5) T形试件 (除CT2和CT6试件) 的负向极限荷载均相对正向极限荷载较高，分析试件CT2与CT6反常的原因可能为：CT2试件混凝土的浇筑不密实，导致负向极限承载力较低；CT6试件为高轴压比试件，轴压比达到0.34，而试件CT4、CT5和CT6的负向极限承载力与正向极限承载力的比值分别为1.29、1.12、0.94，可以看出，轴压比的增大能提高承载力的同时，对T形截面柱正反向承载力提高的程度是不同的，在一定程度上可以缓解正负向承载力不对称的现象，当轴压比较高时，对正向承载力提高程度过大，可能出现负向极限荷载低于正向极限荷载的情况。

3.2 T形截面偏心受压构件正截面承载力验算

T形截面偏心受压柱的破坏特征及基本假定与矩形截面柱相同，可按照规范[15]矩形截面偏心受压试件正截面承载力的计算方法进行计算，由于T形截面柱截面形状不规则，计算中只考虑腹板端部纵向受力钢筋的作用。以T形截面翼缘受压为正方向，腹板受压为负方向进行计算，计算的弯矩值与试验弯矩值如表 4所示。

表 4 承载力试验值与计算值对比 Table 4 Test and calculative results of bearing capacity

计算中试件正方向均是大偏压破坏，负方向均是小偏压破坏，此时仅考虑翼缘端部和腹板端部受力钢筋的作用进行计算。在正方向计算过程中，各试件受压区均在翼缘范围内，按照翼缘宽度所形成的矩形进行承载力计算时，没有考虑腹板宽度相对矩形宽度的削弱作用，除CT2试件外，其他试件的计算值均偏小，但由表可知，各试件计算值与试验值的差距不大；在负方向小偏压计算时，CT2和CT7由于试件混凝土不密实导致计算值比试验值略小，各试件的计算值与试验值吻合较好，差值均在15%以内。综合而看，对于配置600 MPa级钢筋的T形截面柱，其受弯承载力计算方法仍可以按照现行规范进行，适用于既有T形截面柱。

3.3 滞回曲线

各试件水平荷载柱顶位移滞回曲线如图 4所示。分析滞回曲线能够反映出T形截面柱的以下特点：

图 4 各试件滞回曲线 Fig. 4 Hysteretic loops of specimens

1) 加载初期，试件处于弹性阶段，滞回曲线基本成直线，试件出现裂缝后，由于裂缝在翼缘和腹板分布的不同造成试件正负向刚度的差异，滞回曲线出现不对称现象，试件屈服后，加载刚度与卸载刚度逐渐降低，随着位移幅值的增大及循环次数的增多，退化现象愈加剧烈。同一滞回环中负向水平荷载的衰减早于正向，且衰减速率较大。综上所见，配置600 MPa级钢筋的混凝土T形柱具有良好的承载力，刚度和强度退化比较平缓。

2) 配箍间距小的试件，滞回曲线相对较为饱满，裂缝宽度较小且曲线下降段较平缓，试件变形较大，因此加密箍筋可以增加滞回曲线的饱满程度。

3) 轴压比较小的试件，滞回曲线较为饱满，极限变形能力增大，极限荷载后，试件的强度和刚度退化较慢。

3.4 骨架曲线

在滞回曲线中，将每级循环的峰点连接起来形成的包络线为骨架曲线，各试件的骨架曲线如图 5所示，由此可以发现以下特点：

图 5 各试件骨架曲线 Fig. 5 Skeleton curves of the specimens

1) 加载初期，试件处于弹性阶段，各试件侧向刚度较为稳定，骨架曲线近似重合，随着加载的不断进行，试件变形增大速率大于荷载增大速率，骨架曲线斜率减小，不同试件的荷载变形曲线逐渐分离，直到荷载峰值，随后表现出明显的刚度和强度退化特征。此外，各试件正负向骨架曲线呈现明显的不对称性，在破坏阶段，负向加载时荷载下降较为迅速，曲线下降曲率较为一致。

2) 对比只配箍率不同的试件，CT1的变形较CT2、CT3较大，负向加载时曲线下降较为平缓，表明试件强度降低较小。

3) 对比只轴压比不同的试件可以发现，随着轴压比的提高，骨架曲线趋于对称，极限承载力提高，但相同荷载下的位移较小，变形能力变差。

4) 对比CT2和CT7试件，配置600 MPa级钢筋的CT2较配置HRB500钢筋的CT7具有更高的承载力，CT2试件负向加载时荷载下降的也较为缓慢。

3.5 刚度退化

取试件顶点的抗侧移刚度来表征试件的刚度退化特征，各试件刚度位移曲线如图 6所示，由图可以发现T形截面柱的以下特点：

图 6 各试件刚度退化曲线 Fig. 6 Curves of stiffness degradation

1) 各试件的正负向初始刚度有一定的差距，由于试件本身的不对称性及加载时某一个方向先损伤使得试件刚度表现出不对称现象，随着加载的不断进行，裂缝的开展与闭合引起的截面削弱及钢筋混凝土之间的锚固滑移作用，使试件正负向刚度趋于一致。

2) 随着轴压比的提高，试件负向刚度不断提高，刚度出现缓降时的位移减小，而正向刚度曲线较为一致且轴压比大的试件正向刚度也较大，说明提高轴压比可以提高试件整体刚度，轴压比较小的试件后期抗震性能更稳定。

3) 配置600 MPa级钢筋的CT2较配置HRB500钢筋的CT7刚度出现缓降时位移较小，说明配置HRB500钢筋的CT7后期抗震性能更稳定。配箍率对刚度退化的影响效果不显著。

3.6 耗能性能

结构或试件在反复荷载作用下通过材料内部损伤将能量转化为热能释放，可以用等效黏滞阻尼系数he来衡量结构或试件的耗能能力。各试件的耗能系数如7所示。

图 7 各试件等效黏滞阻尼系数与加载级数的关系曲线 Fig. 7 Curves of equivalent viscous damping coefficient of the specimens

对比分析各试件等效黏滞阻尼系数曲线，可以发现：

1) 在弹性阶段，试件的残余变形很小，且各试件的等效黏滞阻尼系数均较小，试件屈服后各试件等效黏滞阻尼系数迅速增长。

2) 配箍率较大的试件CT1相对试件CT2和CT3，在弹性阶段和弹塑性初期阶段耗能较大，但配箍率对耗能系数的影响并不显著。

3) 随着轴压比的提高，试件的平均耗能水平有所提高，而随着钢筋强度的提高，试件在相同位移下弹性耗能越来越多且增长速率高于塑性耗能的增长速率，故对试件耗能能力无明显影响。

4 结论

通过对配置600 MPa级钢筋T形柱的抗震性能进行试验分析，可以得出以下结论。

1)600 MPa级钢筋与混凝土能够很好的协同工作，试验过程中没有发生脆性破坏，配置600 MPa级钢筋T形柱具有良好的变形和承载力，刚度和强度退化比较平缓。

2) 对于配置600 MPa级钢筋的T形截面柱，其受弯承载力计算方法仍可以按照现行规范进行，适用于既有T形截面柱。

3) 提高配置600 MPa级钢筋T形柱的配箍率，可以使滞回曲线更为饱满，提高试件承载力、变形能力和延性；提高配置600 MPa级钢筋T形柱的轴压比，试件承载力、平均耗能水平有所提高。

4) 随着钢筋强度的提高，T形柱的承载力显著提高，对试件耗能能力无明显影响。

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