加载方法对钢筋混凝土柱低周反复荷载试验结果的影响

加载方法对钢筋混凝土柱低周反复荷载试验结果的影响

1物理试验的研究中国是一个地震严重的国家。在中国近2900个城市中，约87%的城市需要防滑设施。地震造成的损失往往是相当惨痛的。近年来更是地震频发,2008年的汶川地震和2010年的玉树地震使数万人失去了生命,造成了数百万间房屋的倒塌。国内外学者历来非常重视工程结构的抗震研究,而物理试验是其中最基本的研究手段。目前研究结构地震反应最为理想的试验方式是振动台试验,但受试验成本限制,现阶段国内外大量的结构抗震试验还是采用低周反复荷载试验进行研究。另一方面,柱是框架、底框和框剪结构中的主要受力构件,其抗震性能决定着整个结构的抗震性能,所以国内外学者常取柱作为对象进行结构抗震性能研究。在柱的低周反复荷载试验中,有整柱模型和半柱模型两大类。在半柱模型试验中,所采用试验加载装置往往有较大的差异,以致于在其所模拟的反弯点处产生的约束条件也不同,甚至于试验结果不具备可比性。本文通过一个全柱模型和两个采用不同加载装置的半柱模型的低周反复荷载试验,比较分析不同加载方式对试验结果的影响。2“王”抗封柱试件用于研究钢筋混凝土柱低周反复荷载试验的试件模型可分为全柱试件和半柱试件两大类;全柱试件有“王”字形(图1(a))和“工”字形(图1(b))两种,半柱试件有“T”字形(图1(c))和“十”字形(图1(d))两种,分别用于模拟底层和中间楼层柱。“王”字形全柱取自两个相邻楼层的整柱,底部为一固定支座,顶部简化为一个定向支座,能够发生竖向位移,但是其水平位移和转动受到限制。“十”字形半柱试件截取两个相邻楼层框架柱反弯点之间的部分,上下两个反弯点视作铰支座;与“王”字形全柱类似,水平荷载施加于位于中间的加载梁上,竖向荷载作用在柱顶上。“工”字形全柱取自一个楼层的整柱,其下部简化为一个固定支座,上部简化为一个转动约束。“T”字形半柱[10,11,12,13,14,15,16]将柱在反弯点处截断,形成一个半柱,其底部为一固定支座,顶部为自由端。从约束条件出发,“王”字形全柱最容易实现,但是由于其试件尺寸庞大,在试验研究中反而最少使用。“T”字形半柱模型是目前最为常用的试验模型,其底座部分在试验中需要限制其在各个方向上的运动,使其成为一个固定支座,水平荷载和竖向荷载一般都施加在顶部,其关键问题是柱顶部是否能够形成理想铰接点。3销铰加载端与柱顶连接低周反复荷载作用下“T”字形半柱模型的加载装置主要有三种形式,如图2所示。水平荷载通过水平千斤顶或作动器和一个转动装置施加于试件顶部;竖向荷载通过竖向千斤顶施加,千斤顶上方布置一系列辊轴,使千斤顶能够与柱顶发生同步位移,确保施加的荷载能够保持竖直。三种加载方式的差别主要集中在竖向千斤顶与柱顶的接触方式上:方式一中竖向千斤顶直接搁置于柱端(图2(a));方式二中千斤顶与柱顶之间放置一个球铰(图2(b));方式三中竖向千斤顶与柱顶通过一个销铰加载端连接(图2(c))。早期部分试验中,竖向千斤顶直接搁置于柱端,如图2(a)所示,其中η为实际反弯点高度与柱高的比值。此时,千斤顶与柱端为面接触,当柱顶产生水平位移时,会限制柱顶的转动,相当于在柱顶施加了一个转动弹簧,使反弯点下移、反弯点高度下降,从而导致承载能力试验值(Pt)偏大。千斤顶与柱顶接触面越大,转动约束越强。设柱顶转动弹簧相对刚度kmEI/l,其中E,I,l分别为柱的等效弹性模量、截面惯性矩和柱高,km为转动弹簧刚度系数。运用力法可以求出承载能力试验值与理论值之比Pt/P0和柱顶约束系数km的关系,如图3所示。理论上,随着弹簧转动约束的不断加强,Pt/P0不断增大并趋于定值2,即相当于固定支座,反弯点位于柱中。为减少方式一中反弯点高度减小对试验结果的影响,有学者在竖向千斤顶与柱顶之间放置一个球铰,如图2(b)方式二所示,也有学者采用如图2(c)方式三所示的销铰进行加载。方式二中,水平加载端中心与竖向球铰中心不在同一水平面上,实际反弯点高度应取作水平力至底梁顶面的竖向距离(图2(b)),反弯点位于竖向荷载和水平荷载交汇处的虚拟铰上,而这个虚拟铰是否能够有效地模拟反弯点还存在一定的疑问。采用方式三时,竖向加载端和水平加载端汇聚于一个实际存在的物理转动轴上,销铰轴中心为柱的反弯点,如图2(c)所示,这时柱的实际高度为销铰轴中心到试件底座顶面的竖向距离。下面通过两个半柱试件和一个整柱试件的低周反复加载试验来研究方式二与方式三在模拟柱反弯点时的差异,及其带来的影响。4混凝土柱的低周重复负荷试验方案4.1试件结构及制作为比较不同加载方式和约束条件对半柱试件低周反复加载试验结果的影响,设计并制作了1个全柱试件BC-1和两个半柱试件BC-2,BC-3,试件截面尺寸、配筋和混凝土材料均相同。试件采用边长为200mm的方柱,沿受力方向单侧纵筋为3ϕ¯123ϕ¯12,箍筋为ϕ6@100。混凝土设计强度等级为C15,配合比为水泥∶水∶细砂∶粗骨料=1∶0.7∶2.96∶4.07,水泥采用海螺牌325号复合硅酸盐水泥,细砂采用河沙,粗骨料为碎石。实测混凝土棱柱体抗压强度为12.13MPa。纵筋实测屈服强度、极限强度分别为298MPa和461MPa。全柱试件BC-1净高(不含底梁和加载梁)2080mm;半柱试件BC-2和BC-3柱高(不含底梁)分别为1120mm和700mm,以使试验时水平荷载加载点至柱底距离均为BC-1柱高的一半1040mm。BC-3纵筋伸出柱顶100mm并加工螺纹用于与加载装置连接。试件尺寸及配筋见图4。试件制作时,采用立式浇筑。养护28d后,采用石灰水将试件表面刷白,并用铅笔画上间隔50mm的方格,便于观测和定位加载过程中裂缝的产生与发展。4.2半柱试件bc-3加载装置试件的低周反复加载试验在同济大学建筑工程系建筑结构试验室大型多功能试验机上进行。加载方式为常轴力的同时施加水平反复荷载,竖向轴力采用液压千斤顶施加,水平反复荷载采用液压伺服作动器施加,竖向千斤顶能够与水平作动器同步移动,试件轴压比均取0.5。经现场测量,两个半柱试件的水平加载端中心到柱底梁顶面的距离均为1040mm。全柱试件BC-1的柱端直接与竖向液压千斤顶连接,如图5(a)所示。半柱试件BC-2在柱顶通过球铰与竖向液压千斤顶连接,如图5(b)所示。半柱试件BC-3采用特制的加载装置进行加载,如图5(c)所示,加载装置由L形传力件和连接件两部分组成,两者通过销铰连接。L形传力件两端分别通过球铰与试验机的水平向液压伺服作动器和竖向液压千斤顶连接。试件BC-3试验前首先通过伸出柱顶的纵筋与连接钢板采用螺栓固定,并在钢板与柱顶之间涂抹一层粘钢胶,以防钢板与柱顶之间产生滑移;然后采用螺栓固定柱顶连接钢板和加载装置中的连接件。安装就位后,竖向加载点球铰、销铰均位于柱子中轴线;水平加载点球铰与销铰连线位于同一水平面,垂直于试件柱,离柱底距离为1040mm。试验采用位移控制加载法,控制位移取半柱试件的柱顶位移、全柱试件的柱顶位移,加载制度见表1。在BC-2和BC-3的柱顶以及BC-1柱中布置位移计和转角仪,测量加载过程中相应位置的水平位移和转动;柱根部设置5个位移计用来测量根部150mm范围内混凝土的平均变形;同时通过粘贴于塑性铰区纵筋上的钢筋应变片来测量钢筋的应变,详见图5。5低周重复负荷试验的结果分析5.1混凝土被压碎、纵筋压屈所有试件均发生受弯破坏,表现为柱根部塑性铰区混凝土被压碎、纵筋压屈,见图6。试件BC-1,BC-2和BC-3的塑性铰实测长度依次分别为200mm,240mm和170mm。5.2滞回曲线对比图7和图8分别为各试件的荷载-位移滞回曲线以及荷载-转角滞回曲线。BC-1的位移以及转角取自柱跨中,BC-2以及BC-3的则均取自柱顶相应位置(见图5)。在低周反复荷载作用下,3个试件的滞回曲线均呈现出纺锤状。通过比较可发现,BC-1和BC-3的荷载-位移和荷载-转角滞回曲线基本类似,而BC-2的极限荷载明显偏大。5.3累计能量耗散量将试件在一次循环中的能量耗散量定义为荷载-变形滞回曲线所包围的面积,则通过积分可以计算得到在所有循环中试件的累计能量耗散量,如表2所示。从表中可以发现,BC-2,BC-3的累积耗能量分别比BC-1高12.5%和8.8%,可以看出BC-3的试验结果与BC-1的较为接近。5.4在测件极限荷载、极限位移和极限转角的情况下,bc-1是在测图9和图10分别为各试件的荷载-位移骨架曲线和荷载-转角骨架曲线,表3给出了各试件极限荷载、极限位移和极限转角的比较。从图表中可以看出,BC-1与BC-3的骨架曲线几乎相同,说明采用试验中的销铰加载装置能够很好地模拟全柱中反弯点的受力特点。BC-2的平均水平极限荷载