低温状态下不同轴压比混凝土短柱的抗震性能试验研究

0 引言

通常把剪跨比λ≤2的柱子定义为短柱,短柱是多层和高层建筑发展的产物,易发生脆性剪切破坏,所以关于混凝土短柱抗震设计在规范中都有相关规定.低温状态下混凝土的研究,国内外学者也都做过大量研究,但大都集中在混凝土的冻害性能和钢筋混凝土粘结强度[1-3].据此本文对不同轴压比钢筋混凝土结构短柱在低温环境中受外荷载作用的性能展开研究.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

根据《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》、《建筑抗震设计规范(GB50011-2010)》[4-5]设计了2个截面尺寸、配筋完全相同的钢筋混凝土短柱.柱子截面尺寸:300mm×300mm×950mm；支座截面尺寸:500mm×500mm×1 600mm,柱子采用对称配筋,共设置8根纵向受力钢筋,支座除了纵筋外另配有两根腰,试件具体参数和试件配筋图分别见表1和图1.

 

表1 试件具体参数Table 1 Design parameters of specimens

  

SpecimennumberCutacrossthanλAxialcompressionratioμTemperature/℃Columnlongitudinalreinforcementratio/%ColumnstirrupsMatchingrate/%Z11.580.3低温1.79Φ10@1000.523Z21.580.1低温1.79Φ10@1000.523

Note：The low temperature is about 30℃.

  

图1 试件配筋图Fig.1 Specimen of reinforcement schemes

表1中轴压比为设计轴压比,轴压比μ=N/(fc·A).其中,N为设计轴力；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；A为截面面积,试验时采用试验轴压比μ′,μ′=μ/1.68[6].

1.2 材料性能

试验选用的混凝土强度等级为C35，保护层厚度为30mm.混凝土拌合物是由水泥、沙、石、水按照配合比1∶1.14∶2.54∶0.42制成，用150mm×150mm×150mm立方体试块测得低温下立方体抗压强度为40.72MPa,轴心抗压强度为30.94MPa.

本次试验短柱的纵向钢筋采用直径为16mm的HPB400级钢筋,箍筋直径为10mm的HPB300级钢筋,支座的纵向钢筋和腰筋均为直径22mm的HRB400级钢筋,支座箍筋采用直径为12mmHPB300级钢筋.钢筋的物理学性能见表2.

 

表2 钢筋力学性能Table 2 Mechanical properties of reinforcement

  

ReinforcednameDiametre/mmYieldstrength/MPaUltimatestrength/MPaElasticmodulus/×105(N.mm-2)HRB400Longitudinalbar16420.7573.92.00HPB300Strrup10367.9485.82.10HRB400Longitudinalbar22457.3604.32.00HPB300Strrup12347.4449.52.10

1.3 加载装置及测量

可对路基的宽度、边坡进行自动设置，也可设置路段中心线的挖填深度，确保中心线的坡度大小能满足要求。在进行开挖与填筑平衡设计的过程中，自动寻找并确定能确保开挖与填筑保持平衡的深度值，当该值为正时为开挖；当该值为负时，为填筑，结果应精确至0.1m。设计成果需要存储在磁盘当中[4]。

(2) 滞回曲线都出现捏缩现象,主要是因为剪切变形斜裂缝张合造成的,此过程会发生较大的滑移,相对而言,轴压比较大的试件Z1捏缩现象较Z2更明显,峰值荷载过后,滞回曲线比较稳定,刚度退化较为缓慢.

角位移在1 /350,1 /300,1 /250,1 /200,1 /150,1 /125,1 /100 ,1 /75时，每级反复荷载循环两次,此后改为等位移加载,直至试件荷载下降到峰值荷载的85%以下或丧失承载力.试件通过地锚固定于地面,人工绘制裂缝发展并由裂缝测宽仪量测缝宽.图2为-31℃下实验加载装置.

  

图2 加载装置Fig.2 Test setup

2 试验破坏

Z1,Z2最终破坏形式见图3.为方便描述说明,柱子1,2,3,4面方位见图1.试验通过裂缝的出现、明显加宽、裂缝增长和贯通为观察点,试验均以推为正,拉为负.

(1) 竖向荷载加载至630kN,没有试验现象. Z1在位移角为1/300,水平推力为21.47kN时出现了第一条裂缝,当位移角为1/150,水平推力44kN时出现了贯通裂缝并且出现十字交叉状,随着位移增大到20mm,混凝土出现剥落,当位移达到24mm时,水平荷载下降到了最大荷载的72.18%,认为试件破坏.

(2) 竖向荷载加载至211kN,没有试验现象. Z2在位移角为1/200,水平推力为24.5kN时出现第一条裂缝并伴随有斜裂缝贯通,当水平位移加载到23.95mm时,混凝土出现剥落,位移加载到35mm,最大水平推力下降到了最大荷载的79.4%,认为试件破坏.

  

Z1 Z2图3 试件的最终破坏形态Fig.3 Failure patterns of specimens

(2) 轴压比越大,混凝土短柱的延性比越小,试件的延性有随轴压比增大而降低的趋势,随着轴压比的增大,构件的延性系数降低且降低幅度较大,表现为抗震性能越差.

3 试验分析

3.1 滞回曲线

低周反复试验中,加卸载一周所得的荷载-位移曲线(P-Δ曲线)称为滞回曲线.一般情况下,滞回曲线可归纳为四种情况:梭形、弓形、反S形和Z形.试件的滞回曲线见图4.由滞回曲线可以得知:

(1) 由图可以看出刚度退化曲线都是随着位移的增大而减小,曲线大致分为三个阶段,开始时下降阶段较为明显,说明短柱在开裂后刚度退化较快,而之后的曲线相对来说趋于平缓,说明试件的刚度退化较慢而进入弹塑形发展阶段,最后曲线又有一个相对较快的下降段,说明试件在达到最大承载力后刚度有所下降.

黄河内蒙古封冻河段全线开通。3月31日10时，黄河内蒙古河段全线开河，较常年偏晚5天，封河历时134天。黄河内蒙古封冻河段的全部开通标志着2009～2010年度黄河防凌工作胜利结束。

为研究抗震性能本试验采用拟静力试验,轴向压力和水平荷载共同作用.预加载后,轴向压力加载到轴压比,并保持竖向轴力不变,然后按照角位移控制加载,分别在 1 /900,1 /800,1 /700,1 /600,1 /500,1 /400的时候循环一次.

  

(a)Z1 (b)Z2图4 试件的滞回曲线图Fig.4 Hysteretic loops of specimens

3.2 骨架曲线

骨架曲线是指将各次滞回曲线的峰值点连接后形成的包络线.骨架曲线能够分析构件的变形能力和承载能力,试件的骨架图见图5.

(1) 在各试件的加载初期,骨架曲线都是呈直线,骨架曲线的初始刚度大,承载力高,但是骨架曲线的下降段大都比较陡峭,这是因为混凝土短柱通常发生脆性剪切破坏,试件承载力迅速下降导致的.

(2) 随着轴压比的增加,骨架曲线对应的最大荷载是增大的,其他条件相同,轴压比为0.3的骨架曲线下降段比轴压比为0.1的骨架曲线下降段陡峭,这说明轴压比越大,骨架曲线下降段越陡,试件强度衰减越快,且幅度越大,延性越差.

尤其重要的是，项目完成后要对系统进行更深层次的管理员培训，确保系统开发人员撤离后，我们的系统管理员能够快速地接收系统问题并进行系统的维护。

  

图5 骨架曲线Fig.5 Skeleton curves of specimens

  

图6 刚度退化曲线Fig.6 Stiffness degradation of specimens

3.3 刚度退化

试件在低周往复荷载的作用下导致结构内部产生塑性损伤,随着塑性损伤的不断积累,试件的抗变形能力逐渐减弱,即试件产生刚度退化,为描述这种现象,本试验采用等效刚度K表示,见公式(1).刚度退化曲线见图6.

 

(1)

(1) 试验在加载初期基本可以认为是弹性阶段,力和位移大致呈线性关系,并且卸载时残余变形较小,刚度退化不明显,随着位移和加载次数的增加,混凝土开裂,钢筋屈服,构件刚度降低,表明试件刚度在不断退化.

此向斜轴为东西走向，向斜中心(核)为二叠系上统地层，由向斜中心(核)向两侧分别变为二叠系下统，石炭系上统，石炭系中统以及奥陶系中统不同岩性的地层.受内、外力共同作用的结果，本地区形成了典型的“向斜成山、背斜成谷”的“地形倒置”现象(图4).此地质现象虽然尺度不大，但表现非常完整，对分析本地区地貌成因有重要作用.

(2) 轴压比越大,试件的初始刚度越大,并且在试验初期,轴压比大的试件刚度退化较慢,随着试验的继续进行,轴压比小的反而越平缓,退化速率越慢.

当前，我国建立的独董制度相关法律体系仍旧存在巨大的缺陷。即使独董的法律地位得到了广大公司的认可，但仍然没有对独董制度的限制与规范提出明确细致的规定。

3.4 承载力及延性

表3所示为试验所得各个试件的位移、荷载和延性系数.延性系数一般用μ=Δu/Δy来表示.其中,Δu为极限变形,是结构达到极限状态时试件的位移值;Δy是结构达到屈服荷载时所对应的位移值[6].由几何作图法得表3,其中开裂荷载和极限承载力取两个方向最大荷载的平均值(Cracking load and Ultimate bearing capacity).

 

表3 试件承载力及延性系数Table 3 The bearing capacity and ductility coefficient of specimen

  

SpecimennumberYieldload/kNYielddisplacement/mmUltimateload/kNLimitdisplacement/mmCrackingload/kNUltimatebearingcapacity/kNDisplacementductilityratioZ168.5513.3073.5730.1721.4788.102.10Z244.2914.5851.7033.5424.5060.882.53

(1) 混凝土短柱的延性比都比较低,说明短柱延性差,容易发生剪切破坏.

(3) 轴压比为0.3的混凝土短柱较之轴压比为0.1的混凝土短柱,其开裂荷载相对增加了12.37%,极限荷载约下降30.9%.当然轴压比也不是越大越好,实际工程中一定要选择合理的轴压比.

2个试件的裂缝均首先出现在2,3面,即在低周反复荷载作用下直接受压受拉面,1,4面的裂缝一般都由2,3面发展而来,随着位移的增大,原有裂缝延伸,新裂缝出现,最终形成交叉斜裂缝.由发展过程可知,轴压比较低的试件Z2出现裂缝要晚于Z1,从短柱最终的破坏形态上可以看出,低温状态下的短柱均发生十字形交叉的剪切破坏,轴压比越大,其剪切破坏形态更加的明显.

3.1.1 科学价值。坎布拉“丹霞”地貌景观及黄河峡谷阶地地貌景观的形成，无一不显示区内第三纪以来地球内外引力作用及青藏高原隆升与气候环境演变历史事件，集我国西北地区、青藏高原和黄土高原气候演变、黄河发育历史进程与侵蚀、剥蚀等地质作用于一身的地质历史事件“万卷书”，具有很高的科学研究和保护价值。

3.5 耗能能力

当结构进入弹塑性阶段时,其抗震性能主要取决于构件的耗能能力.结构吸收能量的能力强弱,可以用滞回曲线所包围的滞回环面积及其形状来衡量.

本文用数据处理软件Origin8.0计算试件滞回环[7]的累计耗能.当位移达到28mm时,试件Z1的累计耗能为19 743.728 5kN·mm;试件Z2的累计耗能为14 560.266 7kN·mm.试件Z1的耗能能力比Z2提高了约26%,综合情况来说,轴压比越低,结构的耗能能力越差.

4 结论

通过对两个低温状态下钢筋混凝土短柱拟静力试验,对试验现象和结果综合分析,得出以下结论:

(1) 钢筋混凝土短柱的破坏形态为脆性剪切破坏,成十字交叉状,轴压比越大,破坏形态越明显.

(2) 低温环境对试件的抗震性能有显著的影响,低温环境下,试件更容易发生剪切破坏,混凝土容易出现剥落现象,极限承载力明显下降,耗能能力也比较差.

(3) 随着轴压比的增加,混凝土短柱的极限承载力和刚度增加,裂缝发展有所减缓,延性能力及开裂荷载是有下降趋势,所以工程中要控制合理的轴压比.

另外，食用火锅前，可以嗅闻一下锅底，若是太香太浓的锅底要注意。火锅熬制的香味都是自然散发的，由淡香逐渐变为越煮越香，一端上就香气冲的火锅，绝大部分可能是加了增香剂。还有各种打着营养牌的高汤锅底、骨汤底、菌汤底也要留意，它的营养价值远没有宣传的那么多。

我国《化妆品卫生规范》明确规定，化妆品中不得人为添加糖皮质激素、重金属、抗生素、或者浓度过高的角质剥脱剂。所以，只要选择正规化妆品，还是比较安全的。如果产品上明确标有“孕妇禁用、慎用”的字样肯定就不用了。

参 考 文 献

[1] 王珏.施工期受冻混凝土与钢筋的力学性能研究[D].大连:大连理工大学,2010.

[2] 刘丽霞.早期受冻对钢筋混凝土构件性能影响的试验研究[D].大连:大连理工大学,2010.

[3] 高松,程力,王天佑.寒冷地区负温混凝土早期强度发展的试验研究[J].新型建筑材料,2007(9):85-87.

[4] 混凝土结构设计规范(GB50010-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

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

[6] 钱小龙.钢筋混凝土短柱低温状态下抗震性能的试验研究[D].长春:吉林建筑大学,2016.

[7] 刘良林,王全凤,沈章春.基于损伤的累积滞回耗能与延性系数[J].地震,2008,28(4):13-49.