钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱的抗震性能试验研究.pdf
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1、第 44 卷 第 1 期 2014 年 1 月上 建筑结构 Building Structure Vol 44 No 1 Jan 2014 钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱的 抗震性能试验研究 * 李青宁 1, 张振成1, 于庆荣2, 姜维山1 ( 1 西安建筑科技大学土木工程学院,西安 710055; 2 天津大学建筑工程学院,天津 300072) 摘要 提出装配框架柱的一种新型连接型式 钢板栓筋连接型式。采用足尺模型, 设计了 2 个钢板栓筋连接 高强箍筋约束混凝土柱和 2 个对比现浇普通箍筋柱。通过拟静力低周反复加载试验, 并与现浇普通箍筋柱对比, 研究钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱的
2、承载能力和抗震性能。观测了 4 个试件受力变形损伤裂缝 屈服的全过程, 并分析各试件的破坏特征、 滞回曲线、 骨架曲线、 刚度衰减、 位移延性、 耗能能力等。试验表明: 在相 同条件下, 钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱具有与现浇普通箍筋柱相当的承载力, 其抗震性能良好; 连接处采 用焊接及水平栓筋的钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱是可靠的。 关键词 高强螺旋箍筋;约束混凝土;装配式柱;水平栓筋;抗震性能 中图分类号: TU756. 4 +1文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2014) 01- 0042- 07 Experimental research on seismi
3、c performance of the fabricated confined concrete columns with steel plate and horizontal strengthened bars Li Qingning1,Zhang Zhencheng1,Yu Qingrong2,Jiang Weishan1 ( 1 School of Civil Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China; 2 Architectural and Civil Engineerin
4、g Institute,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstract: A new connection type of frame fabricated columns with steel plate and horizontal strengthened bars was proposed By using of the comparable full scale model test method, two new confined concrete columns with steel plate and horizontal s
5、trengthened bars and two cast- in- site columns with plain stirrups were designed and constructed Through the pseudo- static test,the carrying capacity and seismic performance of the fabricated confined concrete column with steel plate and horizontal strengthened bar were studied and compared with t
6、he cast- in- site columns with plain stirrups The whole process of deformingdamagingcrackingyieldingfailure was observed during the test Damage characteristics, hysteretic curves, skeleton curves, stiffness degradation, displacement ductility and energy dissipation capacity of the four columns were
7、discussed The test results show that under the same condition,bearing capacity of the new fabricated confined concrete columns with steel plate and horizontal strengthened bar is equal to the cast- in- site columns with plain stirrups,and it also has good seismic performance Junction of the new fabr
8、icated confined concrete columns with steel plate and horizontal strengthened bar used welding and horizontal bar as its attended mode is reliable Keywords: high- strength spiral stirrup;confined concrete;fabricated column;horizontal strengthened bar;seismic performance * 国家自然科学基金项目 ( 10572107) , 河北
9、省地方科技项目 ( 2011188) 。 作者简介: 李青宁, 教授, 硕士, Email: lqn952163 com。 0引言 建筑的现浇式施工模式工业化水平低、 劳动强 度大、 生产成本高, 加之目前日益严峻的用工荒, 已 经在很大程度上影响了我国建筑业的可持续发展。 工厂化、 装配化、 精细化的现代施工模式正成为建筑 业的发展趋势。近年来, 装配整体式结构体系在国 内外得到了越来越多的重视和发展。 但是目前装配式框架的连接在不同程度上存在 着构造复杂、 传力不直接、 不易施工、 造价较高等问 题 1, 2 , 而采用密置高强箍筋可以增强混凝土柱的 外部约束, 限制混凝土的横向变形, 进
10、而有效改善核 心混凝土自身原有的受压特性, 显著提高混凝土的 抗压强度和变形能力3 。基于此, 本文提出一种新 型装配整体柱 钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝 土柱。其柱段采用高强箍筋约束混凝土构件, 连接 采用钢板栓筋连接节点。具体构造过程为: 先将预 埋钢板焊在上、 下柱的纵向钢筋上处, 然后用外贴钢 板盖在上、 下柱的预埋钢板上; 预埋钢板与外贴钢板 都在指定位置穿孔, 用水平栓筋穿过钢板与混凝土 柱预留孔, 末端与外贴钢板焊接, 将上、 下两段柱连 接成整体柱。 第 44 卷 第 1 期李青宁, 等 钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱的抗震性能试验研究 本文通过拟静力低周反复加载试验, 并与
11、现浇 普通箍筋柱进行对比, 研究钢板栓筋连接高强箍筋 约束混凝土柱的抗震性能。分析和验证低周反复荷 载作用下, 柱与柱连接的可行性、 优劣性和可靠性, 进而为钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱在实际 工程的应用和发展提供科学依据。 1试验概况 1. 1 试件设计 试验共设计 4 个足尺模型, 其中 2 个现浇普通 箍筋柱( 试件 C- 01, C- 02) 为对照模型、 2 个钢板 栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱( 试件 PCC- 01, PCC- 02) 。现浇普通箍筋柱混凝土强度等级为 C40, 纵筋为 8 根直径 22mm 的 HB400 级钢筋, 箍 筋采用直径 10mm 的 HPB300
12、 级钢筋, 箍筋形式为 复合箍, 非加密区箍筋间距为 200mm, 试件 C- 01 的加密区箍筋间距为 100mm, 试件 C- 02 的加密区 箍筋间距为 80mm, 柱截面为 400mm 400mm, 试验 柱高1 800mm( 加载点到柱底距离) , 试件高2 000 mm; 加密区高度为从柱底往上 500mm 范围内。 钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱( 试件 PCC- 01, PCC- 02) 混凝土强度等级为 C40, 纵筋为 8 根直径 22mm 的 HB400 级钢筋, 箍筋采用的是 中国钢铁研究院提供的强度 1 100MPa 的直径 5mm 的高强箍筋, 箍筋形式为复合螺旋
13、箍, 箍筋间距为 50mm, 柱截面为 400mm 400mm, 试验柱高1 800 mm( 加载点到柱底距离) , 试件高 2 000mm, 上柱段 高 1 400mm, 下柱段高 600mm。预埋钢板( Q235) 厚 12mm, 高 100mm; 外贴钢板 ( Q235)厚 12mm, 高 120mm; 在连接处, 有 2 根直径 22mm 栓筋穿过东、 西两侧的预埋钢板及外贴钢板作为上、 下柱的第 2 道连接, 焊条采用 E43 型, 焊角高度为 10mm, 焊缝 质量等级为三级。试件尺寸及配筋如图 1 所示, 试 件参数见表 1。 图 1试件尺寸及配筋图 试件参数表 1 试件编号 体
14、积配箍率 v/% 配箍特征值 v 试件轴压比 nt 剪跨比 C- 011. 650. 2690. 24. 5 C- 022. 060. 3360. 54. 5 PCC- 010. 790. 2800. 24. 5 PCC- 020. 790. 2800. 54. 5 1. 2 材性试验 混凝土强度等级为 C40, 采用商品混凝土一次 浇筑成型, 混凝土立方体试块与试件同等条件下养 护至试验开始, 材性试验测得立方体抗压强度标准 值 f cu, k=57. 17MPa, 混凝土轴心抗压强度标准值根 据 混凝土结构设计规范 ( GB 500102010) 4 取 fck=0 88c1c2fcu,
15、k, 由此可得, 混凝土轴心抗压强度 标准值 fck=38. 23MPa。钢筋材性指标见表 2。 钢筋材性指标表 2 钢材 屈服强度 fy/MPa 极限强度 fu/MPa 延伸率 /% 冷弯 弹性模量 Es/MPa cp5 1 0521 1775. 82. 05 105 10 31047528合格2. 10 105 22 49066323. 5合格2. 00 105 Q235 钢板290 40040合格2. 06 105 1. 3 试验加载及量测内容 1. 3. 1 加载设备 试验在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育 部重点实验室进行。采用 100t 电液伺服作动器配 合反力支架进行水平加载试
16、验。通过水平装置给试 件施加拉、 压往复水平荷载。竖向荷载由竖向油压 千斤顶提供。试验装置见图 2( 图中推方向为东向, 拉方向为西向) 。 1. 3. 2 加载制度 竖向加载: 加载点在试件顶部刚性块上, 竖向作 用线通过试件截面形心, 一次性缓慢施加至设计轴 压比值, 试验过程中保持不变; 水平加载: 在试件屈 34 建筑结构2014 年 图 2加载装置图 服前按荷载控制, 先每级 50kN 循环加载至 150kN, 然后改为每级 10kN 加载直至屈服; 屈服后按位移 控制, 每级 1 倍的 y( 屈服位移) , 循环 3 次, 加载至 构件承载力下降至极限承载力的 85% 以下时认为
17、构件破坏, 停止加载。 1. 3. 3 测点布置 加载过程中要测试的内容主要有: 水平荷载、 水 平位移。所测得数据通过 TDS- 602 数据采集仪采 集。作动器上的水平荷载及其对应的水平位移传输 到电脑监控设备中, 用来对试验加载过程进行控制。 试件的测点布置如下: 1) 在柱顶、 柱中间、 柱下部及 基础梁中部东侧布置水平位移计, 测试相应位置的 水平位移; 2) 在柱塑性铰区的北侧布置两斜向位移 计, 测试柱下部的剪切变形。位移计布置见图 3。 图 3位移计布置图 2试验结果及分析 2. 1 试验过程及破坏形态 2. 1. 1 试件 C- 01 试件 C- 01 试验轴压比为 0. 2
18、, 属大偏心受压 试件。 荷载控制阶段: 当水平荷载为 + 80kN 时, 柱子 西面南侧距根部 2cm 处出现首条水平裂缝。随着 荷载的加大, 裂缝进一步延伸。当荷载为 150kN 时, 东面出现 1 条水平贯通裂缝, 且北面东侧距根部 53cm 处, 原水平裂缝斜向发展。当荷载加至 200kN 时, 经观察纵筋已有屈服, 改由位移加载控制。 位移控制阶段: 1y循环过程中, 南、 北面裂缝 斜向开展, 北面的东、 西角根部均出现竖向裂缝。 3 y循环时, 南北两侧的剪切斜裂缝不断开展, 根部 受压区混凝土保护层压碎, 逐渐剥落, 且东北角距根 部 23cm 处, 纵筋及箍筋裸露, 推力方向
19、荷载下降至 极限承载力的 85% 左右, 相应的极限位移角为 1/29. 3。4y循环时, 柱根角部混凝土剥落, 角部纵 筋裸露, 拉力方向荷载下降至极限承载力的 85% 左 右, 相应极限位移角为 1/18. 8。至 5y循环时, 柱 根东、 西面混凝土保护层剥落, 柱根角部纵筋距柱根 10 20cm 处压屈, 推、 拉方向位移角达 1/15. 2, 试 验终止。破坏后, 观察其裂缝如图 4( a) 所示。 2. 1. 2 试件 C- 02 试件 C- 02 试验轴压比为 0. 5, 属小偏心受压 试件。 荷载控制阶段: 当水平荷载为 +200kN 时, 试件 北面西侧距根部 4cm 处出现
20、首条水平裂缝。首条 水平裂缝因小偏心受压所以出现较晚。当荷载为 +250kN时, 西面出现多条水平贯通裂缝, 经观察纵 筋已有屈服, 改由位移加载控制。 位移控制阶段: 1y循环过程中, 柱下部东、 西 面出现多条水平贯通裂缝, 南、 北面两侧均有新裂缝 开展, 柱根西北角及东北角混凝土有少量压碎。3y 循环中, 柱根角部均有混凝土碎块不断剥落, 柱根角 部纵筋裸露, 北面竖向裂缝开展较长, 从根部往上开 展长度为 95cm; 3y第 1 次循环时, 荷载下降至极 限承载力的 85%左右, 推力及拉力方向相应极限位 移角为1/48 和1/45. 7。至4y循环时, 柱北面东角 竖向劈裂裂缝变宽
21、, 缝两侧混凝土压碎剥落, 南、 北 侧 45斜向裂缝开展缝宽较大; 试件东北角及东南 角纵筋在距根部 50 60cm 处压屈, 推拉两方向极 限位移角达 1/37. 7, 试验终止。破坏后, 观察其裂 缝如图 4( b) 所示。 2. 1. 3 试件 PCC- 01 44 第 44 卷 第 1 期李青宁, 等 钢板栓筋连接高强箍筋约束混凝土柱的抗震性能试验研究 试件 PCC- 01 试验轴压比为 0. 2, 属大偏心受 压试件。 荷载控制阶段: 当水平荷载为 100kN 时, 柱子 东北角距柱根 17cm 处出现首条水平裂缝。当荷载 为 150kN 时, 柱子东面距柱根17cm 处原水平裂缝
22、 贯通。当荷载为 200kN 时, 西面距柱根 31cm 处原 水平裂缝贯通, 连接上部距柱根86cm 处出现长4cm 的水平裂缝, 南面西侧出现斜裂缝。当荷载为 +250kN时, 南面连接上部出现 30cm 长的斜裂缝, 经观察连接区域内钢板、 焊缝均未出现裂纹, 而纵筋 已有屈服, 改由位移加载控制。 位移控制阶段: 1y循环过程中, 西面连接下方 在距柱根 13, 23, 33 cm 处水平裂缝贯通; 西面连接 上方中部出现一条竖向裂缝, 并斜向向南开展。3y 第 1 次循环中, 柱子 4 个角部从根部至连接部出现 竖向裂缝, 东、 西面根部混凝土保护层不断剥落; 3y 第 2 次循环时
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