高強鋼筋配筋混凝土框架結構抗震性能的試驗研究

張鑫　 韋合　葉列平

山東建筑大學　山東濟南250014　清華大學　北京l00084

引言

    中國現行的《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001)(2008年版)采用“三水準，兩階段”的設計方法來實現抗震設防的目標。普通鋼筋混凝土材料建造的建筑結構在罕遇地震作用下不可避免地要發生破壞，即使在基本烈度下，為了實現“中震可修”的設防目標，結構要部分進入彈塑性工作階段，依靠結構的塑性變形來吸收和消耗地震能量以減小結構的地震響應，避免造成生命和財產損失。

    傳統鋼筋混凝土框架結構采用“強柱弱梁”的設計方法，引進柱端彎矩增大系數，使框架柱在強震下不出現塑性鉸，或推遲出現塑性鉸，達到“強柱弱梁”的效果，以實現“中震可修，大震不倒”的設防目標。但是正如文獻[3]中指出的，在強震作用下柱底截面會不可避免地出現塑性鉸。從汶川大地震震害情況看，框架結構也難以實現“強柱弱梁”[4]，而且由于地震的不確定性及其對結構影響的復雜性，地震中框架結構多形成破壞形式比較復雜的混合鉸破壞機制，即柱和梁中均出現塑性鉸，使結構出現倒塌的危險，難以達到“大震不倒”的設防目標。對于框架結構，即使實現了“中震可修”的設防目標，但是由于普通材料的強度過低，柱底塑性鉸的形成會使結構在地震作用下產生過大的水平側移，而這些變形大多是不可恢復的塑性變形，所以震后的殘余變形勢必會很大，這就給震后的修復工作帶來了很大困難，修復費用也會大大提高。為了解決上述問題，本文根據文獻[5]提出的采用高強配筋減小結構震后殘余變形的方法，在框架柱中用高強鋼絞線代替普通鋼筋，對其抗震性能進行了試驗研究。

1、試驗概況

    本試驗以兩榀三層兩跨的平面框架為研究對象，結構模型按1：2的縮尺設計而成。模型的具體尺寸見圖1，兩榀框架的區別為：一榀框架結構模型的柱中縱筋采用HRB335級鋼筋，而另一榀框架結構模型的柱中縱筋按照等面積代換的方法用咖812.7鋼絞線，其他位置配筋都相同。鋼絞線在柱腳和柱頂采用錨板和錨具固定，但不張拉。鋼筋及混凝土的力學性能見表和表2。

圖1框架試驗模型

表1混凝土的力學性能指標

    試驗在山東建筑大學結構工程實驗室進行。圖2為試驗現場，模型底座固定在靜力臺座上。豎向荷載采用堆載方法施加，在梁及其翼緣部位堆積鐵塊直到每層荷載達到11kN/m為止；水平荷載通過MTS作動器作用于每層框架節點上，水平力或側移按倒三角分布施加往復荷載。普通框架采用力和位移的混合控制方法，即首先由力控制，框架結構屈服后改用位移控制；高強配筋框架采用力控制的方法。

    在框架控制截面(即梁柱節點上下左右端容易產生塑性鉸的部位)的鋼筋和混凝土表面粘貼應變片，圖3為鋼筋及混凝土應變片的布置情況，試驗數據由計算機自動采集。水平荷載及水平位移由MTS數據采集系統自動采集。

2、試驗現象

    普通框架在總水平推力達到l6kN時邊柱底部開始出現裂縫，隨著荷載增加，一層梁端也出現裂縫；荷載繼續增加，其他部位也陸續出現裂縫，裂縫的寬度也隨著荷載的增加而不斷加大；當總的水平推力達到35kN時，框架的水平位移比前幾個循環明顯增大，所以改用位移控制加載；此后框架的承載力仍有提高，直到總水平推力達到57kN時，框架柱底混凝土已有較大裂縫，當頂層水平位移達到l00mm時停止加載，邊柱柱底的混凝土已壓碎，破壞情況見圖4(a)、圖4(b)。

圖4框架邊柱破壞情況對比

    高強配筋框架在總水平推力達到l8kN時邊柱底部出現裂縫，其他現象與普通框架基本相同，但是在相同荷載下高強配筋框架的破壞程度和裂縫寬度都明顯小于普通框架，停止加載時總的水平推力達到67kN，而且從滯回曲線可以看出，此時的曲線仍處于上升段，說明水平承載力還有提升的幅度，出于安全考慮停止了加載。邊柱柱底混凝土破壞情況見圖4(c)、圖4(d)。

    試驗結束時，兩榀框架的梁柱節點部位都有不同程度的損傷，如圖5所示。相比而言，普通框架節點損傷更為嚴重，并且梁端損傷較輕，這說明即使按“強柱弱梁，強節點弱構件”概念設計的框架，在實際工程中由于樓板和支座負筋等因素的影響，也很難按理想順序發生破壞。在實驗室條件下的平面框架要實現梁鉸機制，柱梁抗彎強度比要取到1.42～2.86，這勢必導致柱中鋼筋過多而難以在實際工程中實現。而配置了高強配筋框架的節點斜裂縫出現明顯推遲，破壞程度也較輕。

圖5框架節點破壞情況對比

3、試驗結果分析

    3.1滯回曲線

    圖6為兩榀框架總水平荷載與頂點位移關系曲線的對比情況。從圖中可以看出，高強配筋框架的變形能力與普通框架相當，承載力有一定幅度的提高，而結構的殘余變形則大大減小。這是因為在加載過程中高強鋼絞線一直處于彈性階段，具有較強的自復位性能，減少了柱在水平荷載下的殘余變形。

圖7鋼筋應變

    3.2鋼筋應變

    圖7為幾個主要部位鋼筋應變的對比。由圖可見，在開始加載階段普通鋼筋和鋼絞線的應變情況相差不大，此時框架尚未開裂，處于彈性工作階段。繼續加載至混凝土開裂后，普通鋼筋應變的變化發生較大的波動，出現無規律的跳躍，而相同位置鋼絞線的應變則隨著荷載的增大而緩慢增加。隨著荷載進一步增大，普通鋼筋很快進入了屈服階段，應變的變化也更加不規則，并且在后期應變增大迅速加快，而鋼絞線應變持續增大一直在彈性范圍之內，這就使柱的控制截面不宜出現塑性鉸，避免形成可能引起倒塌的柱鉸破壞機制。

    3.3變形能力、剛度

    框架在開裂、屈服等關鍵點時的頂點位移見表3。由表3可以看出，兩榀框架在開裂時荷載大小基本相同，高強配筋框架的最大荷載有一定程度的提高，但是從殘余位移的對比上可以明顯看出，高強配筋框架顯著減小，這是因為高強鋼筋仍處于彈性階段，具有很大的自復位能力，卸載后框架柱的塑性變形可以得到有效恢復。利用高強鋼筋的白復位能力，便可以減小結構的損傷和殘余變形，從而減小結構震后修復難度。

表3框架各階段荷載與位移值

    圖8為兩榀框架各層最大位移的對比。普通框架在2、3層位移要大于高強框架，而底層位移大致相同。這是因為普通框架在柱底截面屈服后，底層變形繼續增加而承載力不再明顯增大，相應地作用于2、3層的荷載就會增加，導致變形加大，而高強配筋框架柱中鋼絞線一直處于彈性階段承載力可以持續提高，故上層變形可以減小。

    圖9為兩榀框架整體剛度退化過程的對比，整體剛度為框架總水平荷載與頂層水平位移的比值，可以比較加載過程中兩榀框架剛度退化情況。從圖中可以看出兩榀框架剛度退化規律基本相同，所以在地震中高強配筋框架不會因為柱中鋼筋不屈服而產生過大地震響應。

    3.4殘余變形比較

    圖10為兩榀框架殘余變形的對比，從圖中可以看出，兩榀框架的殘余變形都是底層最大，但是高強配筋框架的殘余變形很小，而普通框架有很大的殘余變形，這說明普通鋼筋由于材料強度過底，表現出顯著的塑性變形特征。因此，高強配筋框架可顯著減小殘余變形，這是由于柱中配置的高強鋼絞線在整個加載過程中一直處于彈性階段，利用其彈性恢復能力可以有效地減小結構的殘余變形。

4、結論

    通過普通配筋框架與高強配筋框架的試驗對比和分析，可以得出以下結論：

    (1)柱中配置高強鋼筋后，由于高強鋼筋一直處于彈性階段，可以有效地避免框架結構出現柱鉸破壞機制，減少結構在地震中倒塌的危險性，增強結構在罕遇地震下的抗倒塌能力。

    (2)由于高強鋼筋具有比較強的自復位能力，結構在震后的殘余變形比普通配筋時明顯減小，可大大減小結構在地震中的損傷程度，降低結構在震后修復的難度和費用。

    (3)從兩種框架結構的破壞過程及破壞情況對比可以看出，盡管高強鋼絞線一直處于彈性階段，但是高強配筋框架的地震動力響應并不會顯著增加。

    (4)由于框架柱采用高強配筋，結構的抗震安全儲備得到大大提高。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)