鋼筋混凝土框架柱端塑性鉸斷裂原因分析

鋼筋混凝土框架柱端塑性鉸斷裂原因分析

1框架柱塑性鉸區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)國(guó)家的抗洪規(guī)范規(guī)定了混凝土構(gòu)件“強(qiáng)切割、弱曲線(xiàn)”的設(shè)計(jì)原則。然而，由于結(jié)構(gòu)梁的實(shí)際抗彎能力可能會(huì)增加，因此，由于地震的影響和高振動(dòng)的影響，柱中的彎曲點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受到影響。為了避免柱子中的重疊，應(yīng)避免形成完整的彎曲。各國(guó)的歷次震害調(diào)查表明,允許框架柱端出現(xiàn)塑性鉸但并不形成柱鉸型破壞機(jī)構(gòu)是防止結(jié)構(gòu)倒塌最現(xiàn)實(shí)可行的設(shè)計(jì)原則之一,因此如何保證框架柱塑性鉸區(qū)的抗剪強(qiáng)度是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。但我國(guó)對(duì)混凝土構(gòu)件塑性鉸區(qū)的剪切破壞進(jìn)行的試驗(yàn)研究很少,為配合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ10—89)的修訂,有效防止框架柱的脆性剪切破壞,保證結(jié)構(gòu)具有良好的變形及耗能能力,實(shí)現(xiàn)在中、強(qiáng)震作用下所期待的延性破壞機(jī)構(gòu)。作者采用了仿建研式加載裝置模擬框架中柱,試驗(yàn)研究其在反復(fù)荷載作用下塑性鉸形成后的受力性能,尤其是抗剪性能,共進(jìn)行了10個(gè)框架柱構(gòu)件塑性鉸區(qū)抗剪承載能力試驗(yàn)研究,以明確了反復(fù)荷載下框架柱中箍筋與混凝土的抗剪貢獻(xiàn)及抗剪機(jī)理,限于篇幅,本文重點(diǎn)討論混凝土框架柱塑性鉸區(qū)域剪切破壞形態(tài)及其判定標(biāo)準(zhǔn)。2“nb與n+n與n+”加載體系(仿建研式裝置)如圖1所示,N4提供恒定軸力,P提供反復(fù)水平力,N1與N1+(N2與N2+)為一對(duì)同步千斤頂,可調(diào)整上端框架梁的變形,以確保柱上下端面大致平行,因其提供荷載數(shù)值相等,方向相反,故不影響柱中軸力大小。整個(gè)試驗(yàn)加載方法簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求低,同時(shí)能較好的滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。3試件屈服及加載根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101-96),采用荷載—位移雙控制的加載方法,即:(1)施加軸向荷載,并保持穩(wěn)定(定軸力);(2)試件屈服前,采用荷載控制,并按預(yù)計(jì)屈服荷載的30%為級(jí)差分級(jí)加載,并在接近開(kāi)裂及屈服荷載前適當(dāng)減少級(jí)差進(jìn)行加載;(3)試件屈服后采用變形控制。屈服位移取柱縱筋屈服時(shí)的構(gòu)件位移,并以該位移值的整數(shù)倍為級(jí)差進(jìn)行加載控制;(4)試件屈服后每級(jí)荷載反復(fù)三次,如圖2所示。4試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)本文采用較大尺寸試件,共設(shè)計(jì)了剪跨比分別為1.2、1.8、2.4、3.0的短柱(A類(lèi)構(gòu)件)、中長(zhǎng)柱(B、C類(lèi)構(gòu)件)、較長(zhǎng)柱(D類(lèi)構(gòu)件)等四類(lèi)構(gòu)件,以研究其受力性能(尤其是剪切性能),同時(shí)考慮到不同軸壓比的影響,試件形狀如圖1所示。5試件a破壞機(jī)制試驗(yàn)觀測(cè)到框架柱塑性鉸區(qū)的主要破壞形式有彎曲斜壓破壞、彎曲剪壓破壞及彎曲破壞等,試件A1在縱筋屈服并形成受拉塑性鉸后,發(fā)生梁柱節(jié)點(diǎn)破壞。5.1加載循環(huán)過(guò)程中柱的變形性能試件A2發(fā)生彎曲剪切斜壓破壞。如圖3所示,荷載控制階段水平力Ph=50kN時(shí),框架柱出現(xiàn)水平彎曲裂縫,同時(shí)形成受拉塑性鉸,隨后彎曲裂縫逐漸傾斜而轉(zhuǎn)化為彎剪裂縫,且裂縫大致分布于距柱端h0長(zhǎng)度范圍內(nèi)。位移控制階段,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,正反兩方向的彎剪裂縫明顯發(fā)展,延伸到距柱中心線(xiàn)附近,第3次加載循環(huán)完成后,柱端附近正反兩方向的彎剪裂縫、剪切斜裂縫相互交叉,使得柱端部?jī)蓚?cè)混凝土成龜裂狀,保護(hù)層也發(fā)生剝落傾向,試件變形剛度產(chǎn)生不同程度的衰減,荷載總體上也相應(yīng)發(fā)生衰減,但試件無(wú)論豎向或橫向方向均表現(xiàn)出較穩(wěn)定的承載及變形性能。第二加載等級(jí)的第一次施加反向荷載(P21,以下同)時(shí),柱中部突然產(chǎn)生腹剪斜裂縫,并迅速與柱兩端原有的彎剪裂縫基本貫通成對(duì)角主斜裂縫,同時(shí)柱兩端原有彎剪斜裂縫突然迅速發(fā)展,同時(shí)在主對(duì)角裂縫的兩側(cè)產(chǎn)生大致平行的約呈45°的斜裂縫,使柱中混凝土變成多條大致平行的斜壓柱,柱端部混凝土出現(xiàn)較嚴(yán)重的剝落現(xiàn)象,變形更加集中,由于剪切變形成份的增大而產(chǎn)生嚴(yán)重的剪切錯(cuò)動(dòng),受壓縱筋因剪壓作用而屈曲,柱兩端混凝土沿柱對(duì)角斜裂縫方向出現(xiàn)明顯壓潰跡象,荷載也由463.7kN迅速下降到367.9kN以下,柱豎向變形明顯,表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定性,構(gòu)件破壞。彎曲剪切斜壓破壞發(fā)生得突然而迅速,試件隨之立即失去承載能力,試件延性較差。5.2彎剪斜裂縫的實(shí)踐因試驗(yàn)?zāi)康乃?試驗(yàn)中絕大部分試件均發(fā)生設(shè)計(jì)期待的彎曲剪切受壓破壞。如圖4所示(以C2為例),荷載控制階段當(dāng)加載至水平力Ph=49.03kN時(shí),出現(xiàn)水平彎曲裂縫,而且彎曲裂縫發(fā)展很快,正反第一次加載循環(huán)完成時(shí),柱端彎矩最大截面處彎曲裂縫已接近貫通相交,其他彎曲裂縫已轉(zhuǎn)為彎剪裂縫,并朝柱端對(duì)角處發(fā)展,受拉塑性鉸開(kāi)始形成;至第二級(jí)加載循環(huán)時(shí),柱頂處正反加載時(shí)形成的彎剪裂縫在柱端150～200mm范圍時(shí)已經(jīng)相交,形成交叉裂縫;至第三級(jí)加載循環(huán)時(shí),彎剪斜裂縫寬度、長(zhǎng)度及數(shù)量不斷發(fā)展,塑性鉸區(qū)的混凝土成龜裂狀,剪壓區(qū)的面積不斷縮小,變形更加集中,最終在P32時(shí),柱頂截面受壓區(qū)混凝土保護(hù)層開(kāi)始剝落,受壓區(qū)混凝土呈壓壞跡象,但仍保持較穩(wěn)定的承載能力,荷載雖隨加載循環(huán)及加載次數(shù)的增加而退化,但退化程度不大,直至P42時(shí),交叉彎剪斜裂縫的不斷發(fā)展,使受壓區(qū)混凝土(尤其是柱頂范圍內(nèi))分割為不規(guī)則的小塊,試件剛度退化明顯,柱達(dá)到承載力極限狀態(tài)(水平荷載退化為最大荷載的85%)但此時(shí)柱仍保持穩(wěn)定的承載及變形狀態(tài)。隨著試驗(yàn)的繼續(xù),交叉彎剪裂縫的不斷發(fā)展、延伸,受壓區(qū)混凝土不斷減少,試件剛度不斷退化,造成荷載不斷緩慢衰減,至-P72時(shí),柱端保護(hù)層混凝土已明顯剝落,荷載退化為最大荷載的30%以下,但仍能保持穩(wěn)定的受力狀態(tài)。圖4、圖5及圖6所示為發(fā)生彎曲剪壓破壞的試件,試件破壞時(shí),試件變形較為集中,而且塑性鉸的作用與試件的剪跨比及配箍量有關(guān)。試件B2配箍量最大而剪跨比最小,由于箍筋的更有效約束,斜裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度均最小,剪壓區(qū)的面積最大,試件C2的配箍率最小而剪跨比最大,彎剪斜裂縫的數(shù)量、伸展長(zhǎng)度較B2、C2大。說(shuō)明合理配置箍筋可以有效控制試件的裂縫發(fā)展及破壞形態(tài),改善框架柱構(gòu)件塑性鉸區(qū)域的受力性能及變形。5.3件s1斜裂縫如圖7所示,試件A1發(fā)生梁柱節(jié)點(diǎn)的彎曲剪切斜拉破壞,在荷載控制其受力性能與試件A2類(lèi)似,首先出現(xiàn)彎曲裂縫,但很快即轉(zhuǎn)變?yōu)樾绷芽p向柱端發(fā)展。位移控制階段的P11柱頂斜裂縫即穿過(guò)柱端而進(jìn)入梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū),并隨加載的繼續(xù)進(jìn)行,柱頂斜裂縫貫通整個(gè)節(jié)點(diǎn)核心區(qū),框架梁發(fā)生大轉(zhuǎn)角位移,試件豎向失去穩(wěn)定的承載能力。試件延性很差。5.4加載階段33如圖8所示,試件C3發(fā)生彎曲破壞,當(dāng)加載至49.6kN時(shí)試件端部出現(xiàn)水平彎曲裂縫,至試件初始屈服時(shí),彎曲裂縫有向試件端部斜向發(fā)展為彎剪裂縫的趨勢(shì),但不甚明顯;位移控制階段,隨加載的進(jìn)行,原有裂縫逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕粜绷芽p,但發(fā)展較慢。至P23結(jié)束時(shí),柱端保護(hù)層混凝土開(kāi)始剝離,至第三加載等級(jí)結(jié)束時(shí),柱端保護(hù)層混凝土開(kāi)始大塊剝落,柱端出現(xiàn)較明顯的彎剪裂縫,使得受壓區(qū)混凝土破碎,但箍筋并不屈服。試件產(chǎn)生彎曲破壞。試件C3在整個(gè)加載過(guò)程中,抗剪承載力退化程度較低,表現(xiàn)出較好的延性與穩(wěn)定的承載能力。與斜裂縫相交的箍筋應(yīng)變較小,未能達(dá)到屈服,說(shuō)明較大剪跨比的柱類(lèi)構(gòu)件以彎曲受力為主,故試件延性好。6彎曲剪切斜拉破壞試件由以上試驗(yàn)研究的結(jié)果可知,構(gòu)件的破壞形態(tài)主要取決于本身的構(gòu)件的特征及受力條件,一般而言,有如下規(guī)律:(1)彎曲剪切斜拉破壞當(dāng)短柱配箍量較多,或中長(zhǎng)柱軸壓力較大時(shí),由于壓剪復(fù)合作用,易產(chǎn)生該破壞形態(tài)。由于柱沿對(duì)角線(xiàn)出現(xiàn)多條斜裂縫,柱被分割成多條大致平行的斜壓短柱,最終造成混凝土斜向壓碎,而且斜裂縫的發(fā)展嚴(yán)重削弱混凝土骨料的咬合作用,造成與斜裂縫相交箍筋應(yīng)變迅速增大,箍筋的抗剪貢獻(xiàn)急劇增大,以部分彌補(bǔ)混凝土抗剪能力的減小,試驗(yàn)中A2試件的箍筋在混凝土壓碎后一般不屈服,但某些箍筋最終基本屈服。若橫向箍筋配量過(guò)多,橫向鋼筋一般不屈服。但若箍筋配量過(guò)少而導(dǎo)致箍筋拉斷,縱筋也將因失去有效側(cè)向支撐而壓曲,使柱完全失去穩(wěn)定的受力及變形性能而可能產(chǎn)生彎曲剪切斜拉破壞。(2)彎曲剪切受壓破壞當(dāng)柱的剪跨比適中(中長(zhǎng)柱),并有足夠的抗剪腹筋時(shí),一般發(fā)生剪切受壓破壞。彎曲剪壓破壞的特征是:柱端雖然產(chǎn)生明顯的彎剪斜裂縫,但由于有足夠的抗剪橫向鋼筋,裂縫寬度比較均勻而且不致擴(kuò)展過(guò)寬,而且發(fā)展比較緩慢,最后因反復(fù)加載次數(shù)的增多及在加位移幅值的增大,交叉斜裂縫使得受壓區(qū)混凝土呈龜裂狀,同時(shí)因剪壓區(qū)混凝土逐漸減小而被壓碎;與裂縫相交的箍筋均能屈服。(3)彎曲剪切受拉破壞當(dāng)剪跨比較大(中長(zhǎng)柱),且軸壓比與配筋率較小時(shí),彎曲屈服時(shí)的剪力Vy低于試件的抗剪承載能力Vu,即試件縱筋首先屈服(彎曲破壞),試件端部產(chǎn)生交叉斜裂縫但發(fā)展較慢,隨著彎曲屈服的進(jìn)展使混凝土受壓區(qū)減小到到某種程度時(shí),剪切裂縫突然明顯開(kāi)展,試件因與斜裂縫相交的箍筋拉斷或屈服而達(dá)到彎曲剪切受拉破壞。與彎曲剪切受壓破壞相比,彎曲剪切受拉破壞試件的抗剪承載力有一個(gè)明顯的突然下降過(guò)程,同時(shí)彎剪斜裂縫的傾角也相應(yīng)較大。(4)彎曲破壞剪跨比較大,且縱向鋼筋與橫向鋼筋搭配合適的構(gòu)件一般發(fā)生彎曲破壞。由于構(gòu)件的受力以受彎為主,故試件延性好。彎曲剪切斜拉破壞試件由于配置箍筋不足,斜裂縫一出現(xiàn)箍筋屈服,試件破壞,因而延性很差;彎曲剪切斜壓破壞試件盡管配置了大量箍筋,但由于斜裂縫發(fā)展迅速,使得柱中混凝土成為數(shù)條平行的斜向受力短柱而破壞,試件延性較差;彎曲破壞形態(tài)試件的破壞緣于受壓區(qū)混凝土的壓潰,箍筋的抗剪潛力并未充分發(fā)揮,故試件延性好;彎曲剪壓破壞形態(tài)試件縱筋首先屈服(彎曲破壞),隨加載繼續(xù)而逐漸產(chǎn)生剪壓破壞,因而延性雖遜于彎曲破壞試件,但總體延性較好。7彎曲剪切破壞目前對(duì)于反復(fù)荷載下框架柱構(gòu)件縱筋屈服以后破壞形態(tài)的分類(lèi)概念比較模糊,使得目前國(guó)內(nèi)對(duì)此尚缺乏統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(甚至分類(lèi)名稱(chēng)),從而在使用及表達(dá)上帶來(lái)許多不便甚至錯(cuò)誤。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果,并參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn),本文認(rèn)為:構(gòu)件的破壞緣于縱筋的屈服及受壓區(qū)混凝的壓潰,則構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞;(2)構(gòu)件在縱筋屈服后,若構(gòu)件的承載能力并未發(fā)生明顯退化,但隨著加載循環(huán)次數(shù)的增多及位移幅值的增大,與斜裂縫相交的箍筋逐漸屈服或混凝土壓桿被壓碎,而導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生剪切破壞(剪切斜壓、剪切斜拉或剪壓破壞),則構(gòu)件發(fā)生彎曲剪切(斜拉、斜壓或剪壓)破壞;若橫向鋼筋用量相對(duì)較少,一般發(fā)生彎曲剪切斜拉破壞,若橫向鋼筋用量過(guò)多,則一般發(fā)生彎曲剪切斜壓破壞,若橫向鋼筋用量適當(dāng),可發(fā)生彎曲剪切受壓破壞。(3)構(gòu)件縱筋屈服后,若構(gòu)件