全矿渣混凝土柱的刚度退化试验研究

冯士千,王 伟,李小伟,彭 龙,陈科材

(攀枝花学院，四川攀枝花617000)

混凝土柱是建筑结构体的主要承重结构，所以许多专家和学者对混凝土柱展开了一系列的研究。起初主要对高强混凝土材料性能进行研究。如1988年同济大学金孝洲做了高强混凝土强度、断裂性能、脆性及破坏特性的研究。1990年大连理工大学李东陆做了约束高强混凝土应力-应变关系及高强混凝土柱配箍率的试验研究。1988年天津大学李强做了高强混凝土应力-应变全曲线的试验研究。1987年清华大学许锦峰做了高强混凝土应力应变全曲线的试验研究。1990年清华大学胡海涛、叶知满做了高强约束混凝土应力应变全曲线性能的试验研究[1]。后来，逐步过渡到对高强混凝土应用到构件和结构整体的抗震性能的研究。对于高强混凝土框架柱的研究问题有:正截面承载力、斜截面承载力、影响高强混凝土柱延性的主要因素、轴压比限值问题、箍筋加密区最小体积配箍特征等[2]。

在高强混凝土框架柱抗震变形性能方面，主要研究的问题有:影响高强混凝土柱延性的主要因素、轴压比限值问题、箍筋加密区最小体积配箍率等[3]。影响高强混凝土框架柱位移延性的主要因素是剪跨比、轴压比、配箍率、箍筋强度和纵筋配筋率。在相同配箍特征系数和轴压比下，高强混凝土柱的延性低于普通混凝土[2]。实验结果表明:剪跨比能大体反映出截面上弯曲正应力和剪应力的比例关系，是决定框架柱延性破坏还是脆性破坏的主导因素，钢筋硷框架柱剪跨比越大，延性越好[4]。在其它条件不变的情况下，构件随着轴压比的增加其延性降低。

本文设计了3根不同轴压比、不同配筋的全矿渣混凝土柱，然后采用拟静力试验得出了全矿渣混凝土柱的强度退化曲线和刚度退化曲线。

1 试验概况

1.1 试件设计

根据混凝土强度等级、两种柱子配筋方式(图1)和两种实验轴压比(0.3、0.5)所设计的试件编号见表1。

图1 试件设计

试件编号混凝土形式混凝土立方体强度等级/MPa实验轴压比/n设计轴压比/nd配筋方式1全矿渣混凝土C52.50.30.503普通箍2全矿渣混凝土C52.50.50.835普通箍3全矿渣混凝土C52.50.30.503复合直箍

1.2 试验装置设计

试验装置如图2所示，设计试件基础置于试件下方，将试件置于加载框架内，试件底部通过球铰保证铰接条件，试件顶部通过劲性横梁保证顶部的铰接条件。试件顶部置力传感器，传感器上置千斤顶，千斤顶与加载框架横梁相连。水平加载设备连在反力墙上，通过反力墙提供反力[5]。

图2 试验装置

1.2.1 水平加载设备

本实验是低周反复荷载实验。水平加载设备是美国West-Shock公司生产的电液伺服结构实验系统。此产品的配置是：505.60型静音油泵，流量200 LPM，工作压力21 MPa,油箱容量950 L；293.11型4站台分油器，总流量190 LPM，蓄能器3.8 L，工作压力21 MPa；243.45型作动器，推力640 kN，拉力445 kN，行程500 mm，正负250 mm；Flex Test GT数字控制器，总线结构为4站台8通道，用户自定义数字输入、输出为16通道，配置793.00 Flex Test GT系统软件。

1.2.2 竖向加载设备

竖向加载设备采用自动稳压的千斤顶配合稳压设备稳压，压力通过千斤顶下的力传感器采集。

1.3 测点布置

1.3.1 钢筋上的测点布置

每根柱子应变片布置如图3所示。主筋上的应变片布置在对角主筋上，每根主筋上7片；箍筋上的应变片在梁上下各3道，节点中间一道。

图3 钢筋表面应变片布置

1.3.2 混凝土柱上的测点布置

混凝土柱上应变片和外位移计布置如图4所示。

图4 混凝土表面应变片布置

1.3.3 位移计布置

沿加载段中点和两端支撑点布置3个主要位移计，编号为W7、W8、W9。在加载段两边的塑性铰区布置4个位移计，编号为W1、W2、W3、W4，以测量塑性铰区的剪切变形。

2 试验过程

2.1 试件的试验过程

实验开始前，首先检查应变片及其测试设备是否异常，通过分载梁顶的竖向千斤顶施加欲加竖向荷载一半预平衡，来消除实验装置的初始缺陷。卸载后，重新加载到预加竖向荷载，持荷2～3 min。预平衡后实验正式开始，通过MTS作动器以0.3/s的加载速率施加水平往复荷载。

2.2 试件的失效形式

压弯构件在压、弯、剪作用下，其破坏形态主要为：弯曲破坏、剪切破坏、黏接开裂破坏、压溃黏接开裂破坏等。

本次试验的试件为中长柱，由于轴压比加的不大，破坏全部为大偏压破坏。破坏发生在柱试件中部扩大段上部和下部预估的塑性铰区域，在中部扩大段上下部的裂纹各为3～5条。试件实验过程中裂纹发展的主要阶段见表2。

试件破坏过程大致分四个阶段。

第一阶段：发生在初裂以前，初裂位移基本为2～3 mm，初裂位移时，中部加载段两侧形成水平受弯裂纹条数为1～3条不等。初裂水平受弯裂缝的位移随轴压比增大而增大。裂缝宽度约为0.005～0.01 mm，当反向加载时裂缝能完全闭合。由于裂缝数量不多，宽度不大，对试件强度及刚度影响较小。

第二阶段：发生在初裂以后，通裂以前，通裂时的位移基本为7～9 mm，在本阶段，水平受弯裂纹随着位移的增加继续水平方向延长，在反向加载时可以闭合。

第三阶段：发生在通裂以后，峰值荷载以前，峰值荷载位移基本为7～11 mm，在达到峰值荷载时，加载段相邻的角部会发生竖向的微小裂纹，开始萌生压碎区。

第四阶段：发生在峰值荷载以后，极限位移以前，极限位移差别较大，处于7～19 mm，随着轴压比增大，极限位移减小。在此阶段水平受弯斜纹开始斜向发展，形成弯剪裂纹。压碎区的竖向裂纹扩展，使压碎区扩大。在反向加载时，压碎区的竖向裂纹不能闭合。

从试验观察发现，混凝土压弯试件大偏心受压破坏有如下特点。

(1)水平裂缝位置、条数固定。

(2)水平裂缝在峰值荷载后斜向发展，表明试件抗剪能力适中，裂纹呈弯剪型。

(3)从纵筋实测应变看，先是受压纵筋屈服，其压应变发展相当迅速，此时受压区混凝土及受压纵筋所提供的抗弯能力增长减慢，由水平荷载增大和轴力引起的P-Δ产生的弯矩由受拉纵筋迅速屈服来抵抗。

(4)在保护层脱落后及部分纵筋开始压屈的情况下，试件承受水平荷载的能力迅速下降，轴压比越大，下降越快。这时试件完全依靠由纵筋和箍筋构成的钢筋骨架及其受约束的核心混凝土来抵抗轴力、水平荷载及轴力引起的附加弯矩。

表2 裂纹发展主要阶段

3 试验结果及分析

刚度退化有三种定义：(1)刚度随着位移的增加而减小。(2)峰值荷载不变，随着循环次数增加，峰值位移增加，导致刚度减小现象。(3)目标位移不变，随着循环次数的增加，峰值强度变小，导致刚度减小现象。刚度退化一般用同一目标位移下的环线刚度来表示。

(1)

图5～图7是试件的刚度退化曲线，从图中可以看出，相同混凝土强度等级和配筋的情况下，在相对位移△y小于1时，低轴压比的柱1试件的刚度退化缓慢，高轴压比的柱2试件的刚度退化较快；另外高轴压比柱2试件的最大相对位移△y小于低轴压比柱1试件，说明高轴压比柱2试件的延性较差。相同混凝土强度等级和轴压比的情况下，在相对位移△y小于1时，采用复合直箍的柱3试件的刚度退化迅速，采用普通箍的柱1试件的刚度退化较慢；另外复合直箍的柱3试件的最大相对位移△y小于采用普通箍的柱1试件，说明采用复合直箍的柱3试件比采用普通箍的柱1试件的延性差。总之，柱1延性最好。

图5 柱1刚度退化曲线

图6 柱2刚度退化曲线

图7 柱3刚度退化曲线

4 结论

通过拟静力试验可以得出如下结论。

(1)高轴压比柱2试件比低轴压比柱1的延性差。

(2)采用复合直箍的柱3试件比采用普通箍的柱1试件的延性差。

(3)总之，柱1延性最好，刚度退化最慢。

[1] 张国军.大型火力发电厂高强混凝土框架柱的抗震性能研究[D].西安建筑科技大学,2003

[2] 张国军,白国良.高强混凝土框架柱的研究与进展[J].西安建筑科技大学学报, 2002,45(1):53-56

[3] 董正方,王君杰,韩鹏.工程结构柱式构件的抗震性能试验研究进展[J].震灾防御技术,2010,4(1):43-52

[4] 李视令,李思明.谈钢筋砼框架柱的轴压比限值[J].住宅科技,1998,18(6):35-38

[5] 李小伟.高钛重渣砂HRC柱抗震性能试验研究[J].世界地震工程,2013,29(2):39-45

[6] 李小伟.高钛重渣骨料高强混凝土柱抗震性能试验研究[J].世界地震工程,2013,43(9):96-100