不同约束系数区域约束混凝土柱抗震性能对比分析＊

常 亚，曹新明* ，邵建力，蒋亚星，姚志刚，彭 景

(1.贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳550003;2.贵州建工集团第四建筑工程有限责任公司，贵州 贵阳550004;3.贵州工程应用技术学院，贵州 毕节551700)

在高层及超高层建筑中，常在建筑下部楼层框架柱中产生很大的轴向压力，［1］一般采用较大轴压比的柱子能有效降低构件截面，节约房屋使用空间及降低造价，然而柱子在较大的轴向压力下，受到往复作用的水平力时常发生脆性破坏现象，我国《建筑抗震设计规范》(GB50011 -2010)［2］对不同结构类型和抗震等级柱的轴压比作了严格限制，以防止脆性破坏现象的发生。

研究表明，柱子采用区域约束截面形式可以使用较大轴压比［3］(约1.2)，区域约束混凝土有效的约束形式能够提高构件极限压应力及极限压应变，相对传统约束混凝土柱而言，区域约束混凝土约束核心区从截面中部向截面四个角转移，即使是小偏心受压情况下，也能保证构件是延性破坏［4］。保证区域约束混凝土构件延性破坏的主要因素是其有效的约束形式能够大幅提高构件的变形能力，其约束的强弱可通过约束系数K［5］衡量，K 值同时考虑了纵筋、横向箍筋及混凝土对混凝土强度提高的贡献。区域约束混凝土把约束的概念从传统只考虑横向箍筋贡献的平面约束转变为同时考虑纵筋、横向箍筋的空间约束，并认为纵筋、箍筋及混凝土组成了三位一体、不可分割的约束体。混凝土提高后强度按式(1)～(2)计算。

式中，ρs为纵筋配筋率，ρv为箍筋体积配箍率，fy为纵筋屈服强度，fyv为箍筋屈服强度，fc为混凝土抗压强度，K 为约束系数，fcc为区域约束混凝土约束后强度。

根据区域约束混凝土本构关系［6］，可知约束系数K 的增大能显著提高区域约束混凝土的强度，其变形能力相应增加，即约束系数K 对其抗震性能的改善有着密切关系。

本文对轴压比为1.1 和1.25 的共4 根约束混凝土柱的各项抗震性能指标进行对比分析，其中包括具有不同约束系数K 的区域约束混凝土NRCC组试件及用于对比分析的传统井字箍筋NTCC 组试件。本文主要分析区域约束混凝结构中约束系数K 对区域约束混凝土柱抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 构件信息

试件分两组共4 个试件，两种箍筋形式，分别为:普通井字箍(NTCC)和区域约束矩形箍(NRCC)。纵筋采用直径分别为10 mm 和12 mm的HRB400 级钢筋，箍筋采用直径为6.5 mm 的HRB400 级钢筋，箍筋间距为50 mm，采用闪光对焊。为了防止构件局部压坏，在构件两端设置250 mm×250 mm×25 mm 钢板，并在构件距两端200 mm 处加密箍筋，间距为40 mm。构件尺寸及配筋见图1，钢筋各项力学性能实测值见表1，试件分组及编号见表2。

图1 构件截面尺寸及配筋(图中尺寸以mm 计)

表1 钢筋力学性能

表2 试件分组及编号

1.2 加载制度

首先按设计轴压比对试件施加轴向压力，然后采用荷载—位移混合加载方式对试件施加水平力。具体为先以20 kN 为级差递增逐级施回水平力，直至构件屈服，构件屈服后以屈服时位移为级差逐级施加水平位移，每个级差水平位移循环三次，直至构件完全破坏，加载原理及加载制度如图2 所示。

图2 加载原理及加载制度

2 试验现象

2.1 设计轴压比1.1 试件

轴压比为1.1 的NTCC-1、NRCC-1 构件在加载过程中，水平力在80 kN 之前各构件加卸载曲线几乎重合，构件处于弹性阶段，两个试件均在80 kN到100 kN 的水平力加载阶段开裂，在柱中部截面扩大处与上下柱身交界处出现受拉弯曲裂缝。同时各构件钢筋出现不同程度的粘结滑移现象，以纵筋应变为0.002 作为钢筋屈服标志，继续逐级施加水平力，两个构件均在水平位移约为16 mm 时纵筋屈服，进而转入位移控制加载。

在位移控制加载阶段，在往2Δ(Δ 为屈服位移，下同)加载阶段，各试件裂缝宽度随加载次数不断增多而增宽，各试件的最大水平力均出现在该阶段，NTCC-1 在水平位移21.6 mm 时出现最大水平力231.3 kN，NRCC-1 在水平位移26.2 mm 时出现最大水平力231.8 kN。在往3Δ 加载阶段试件保护层开始大量脱落，试件中部扩大部分与柱身交界处出现X 形交叉裂缝，构件刚度下降严重，在随后4Δ 加载阶段，NTCC-1 破坏，5Δ 加载阶段，NRCC-1 破坏(如图3(1)、(2)所示)。

2.2 设计轴压比1.25 试件

轴压比为1.25 的NTCC-2、NRCC-2 构件在加载过程中，NTCC-2、NRCC-2 分别在120kN 到140 kN与80 kN 到100 kN 力控制加载过程中于受拉区出现第一条受拉裂缝，与NTCC-1 及NRCC-1 不同的是NTCC-2 与NRCC-2 中钢筋粘结滑移现象不明显。同样以纵筋应变0.002 作为屈服标志，各构件屈服位移均在15 mm 左右，进而转入位移控制加载阶段。

位移控制加载阶段中，同样在往2Δ 加载时，各试件裂缝增多增宽，NTCC-2 到水平位移20.8 mm 时出现最大水平力217.9 kN，NRCC-2 在水平位移26.7 mm 时出现最大水平力226.1 kN。在往3Δ加载时，试件刚度下降严重，保护层开始大量脱落，试件中部扩大部分与柱身交界处出现X 形交叉裂缝。在随后4Δ 加载阶段，NTCC-2 破坏，5Δ 加载阶段，NRCC-2 破坏(如图3(3)、(4)所示)。

图3 各构件破坏情况

3 试验结果

3.1 滞回曲线

各试件的滞回曲线如图4 所示，从图中可以看出各组试件滞回曲线没有明显捏拢现象，说明抗震性能良好。对比轴压比为1.1 与1.25 试件滞回曲线，可以看出NTCC 组试件在轴压比1.25 时的滞回环向位移轴偏离较快，且滞回环循环次数减少，说明其耗能能力下降较快。而NRCC 组试件在轴压比从1.1 到1.25 时，滞回曲线有趋于饱满的趋势。说明对于区域约束混凝土柱，由于约束系数K值的提高，即便轴压比有所增大，区域约束混凝土柱的滞回性能亦有变好趋势。

3.2 耗能能力

结构构件的耗能能力，可用滞回曲线所包围的面积的大小衡量［7］，各试件滞回耗能如表3，为了对比各试件耗能能力，图5 给出了各试件滞回耗能柱状对比图。

对比NTCC、NRCC 组试件可以发现，NTCC 组试件轴压比从1.1 到1.25 时，构件总滞回耗能显著降低，尤其4Δ 时滞回耗能减小幅度较大，总滞回耗能降低幅度为23.4%。NRCC 组试件随轴压比提高其总滞回耗能相应增大，总滞回耗能提高幅度为8.9%，可见对于区域约束混凝土柱，在提高轴压比的同时，约束系数K 值从0.587 升高到0.703 可以有效提高构件耗能能力。

对比轴压比1.1、1.25 组试件可以发现，NRCC 组试件的耗能能力均优于NTCC 组试件，且在轴压比升高至1.25 时，NTCC-2 的滞回耗能降到77.563 kJ，而NRCC-2 的耗能能力不降反升高至119.903 kJ。

3.3 刚度退化

图4 试件滞回曲线

表3 试件滞回耗能

图5 试件滞回耗能柱状图

结构构件在往复荷载作用下，构件的刚度会随往复次数的增多而逐渐减小，一般用环线刚度［8］表征结构构件刚度退化情况，环线刚度Ki=，为每个循环正、负向水平力绝对值平均值除以水平位移绝对值平均值。利用构件环线刚度Ki除以构件初始刚度K1即可得到构件相对刚度，可以利用相对刚度表征构件刚度退化情况。Ki取2Δ 及其后各级位移第一循环的环线刚度，K1取1Δ 第一循环的环线刚度，得到构件前4Δ相对刚度变化情况(如图6)。

图6 试件相对刚度变化情况

由NTCC、NRCC 组的相对刚度曲线变化情况可以看出，随轴压比的增大，NTCC 的刚度退化较快，图上表现为NTCC-2 图形位于NTCC-1 图形下侧。NRCC-2 图形始终位于NRCC-1 图形上侧，说明随轴压比提高，NRCC-2 刚度退化反而较慢，可见对区域约束混凝土柱，约束系数K 的提高对构件刚度退化有明显改善。

对比设计轴压比1.1 与1.25 的两组试件，可以发现，NRCC 组试件的相对刚度曲线均处在NTCC 之上，尤以轴压比1.25 时更为明显，说明区域约束混凝土柱约束形式的改变能有效改善其刚度退化情况。

4 结论

1)同一轴压比下，区域约束混凝土柱的滞回曲线、耗能情况及刚度退化均优于传统井字箍筋柱，说明约束形式的改变能有效提高构件抗震性能。

2)本试验中，在两个区域约束混凝土柱(NRCC-1 及NRCC-2)的轴压比增大的同时增大约束系数K，构件的滞回曲线、耗能能力、刚度退化情况明显改善，可以推论同一轴压比下，约束系数的增大可以有效改善构件抗震性能。

3)从试验结果可知，一定轴压比下，在区域约束混凝土结构中引入约束系数K 作为衡量结构抗震性能的一个参考指标有一定合理性。

4)本次试验试件数量较少，未能定量给出构件约束系数与各项抗震指标之间的关系，还需进一步深入研究。

［1］刘程鹏，王晓斌，姚常伟. 贵阳市白云区德成官邸项目超限高层主体结构设计［J］. 贵州师范大学学报:自然科学版，2014，32(4):110 -114.

［2］GB50011 -2010《建筑抗震设计规范》［S］北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］曹新明，莫志刚，任廷坚，等.超高轴压比区域约束混凝土柱抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2012，33(10):102 -109.

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［5］潘金和，复合槽钢区域约束混凝土柱在往复荷载作用下的性能研究［D］.贵阳:贵州大学硕士研究生论文，2014:16 -17.

［6］曹新明，肖长安，肖建春，杨力列.区域约束混凝土浅析［J］.工程抗震与加固改造，2008，30(5):112 -115.

［7］赵国藩.高等钢筋混凝土结构学［M］.北京:机械工业出版社，2015:403.

［8］庞新宾，区域约束混凝土柱往复荷载作用下轴压比限值研究［D］.贵阳:贵州大学硕士研究生论文，2011:45 -46.