鋼筋混凝土框架柱端塑性鉸斷裂原因分析

1框架柱塑性鉸區強度設計國家的抗洪規范規定了混凝土構件“強切割、弱曲線”的設計原則。然而，由于結構梁的實際抗彎能力可能會增加，因此，由于地震的影響和高振動的影響，柱中的彎曲點運動受到影響。為了避免柱子中的重疊，應避免形成完整的彎曲。各國的歷次震害調查表明,允許框架柱端出現塑性鉸但并不形成柱鉸型破壞機構是防止結構倒塌最現實可行的設計原則之一,因此如何保證框架柱塑性鉸區的抗剪強度是框架結構抗震設計的重要內容之一。但我國對混凝土構件塑性鉸區的剪切破壞進行的試驗研究很少,為配合《混凝土結構設計規范》(GBJ10—89)的修訂,有效防止框架柱的脆性剪切破壞,保證結構具有良好的變形及耗能能力,實現在中、強震作用下所期待的延性破壞機構。作者采用了仿建研式加載裝置模擬框架中柱,試驗研究其在反復荷載作用下塑性鉸形成后的受力性能,尤其是抗剪性能,共進行了10個框架柱構件塑性鉸區抗剪承載能力試驗研究,以明確了反復荷載下框架柱中箍筋與混凝土的抗剪貢獻及抗剪機理,限于篇幅,本文重點討論混凝土框架柱塑性鉸區域剪切破壞形態及其判定標準。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提供反復水平力,N1與N1+(N2與N2+)為一對同步千斤頂,可調整上端框架梁的變形,以確保柱上下端面大致平行,因其提供荷載數值相等,方向相反,故不影響柱中軸力大小。整個試驗加載方法簡單、對設備要求低,同時能較好的滿足試驗要求。3試件屈服及加載根據《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ101-96),采用荷載—位移雙控制的加載方法,即:(1)施加軸向荷載,并保持穩定(定軸力);(2)試件屈服前,采用荷載控制,并按預計屈服荷載的30%為級差分級加載,并在接近開裂及屈服荷載前適當減少級差進行加載;(3)試件屈服后采用變形控制。屈服位移取柱縱筋屈服時的構件位移,并以該位移值的整數倍為級差進行加載控制;(4)試件屈服后每級荷載反復三次,如圖2所示。4試驗構件設計本文采用較大尺寸試件,共設計了剪跨比分別為1.2、1.8、2.4、3.0的短柱(A類構件)、中長柱(B、C類構件)、較長柱(D類構件)等四類構件,以研究其受力性能(尤其是剪切性能),同時考慮到不同軸壓比的影響,試件形狀如圖1所示。5試件a破壞機制試驗觀測到框架柱塑性鉸區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,發生梁柱節點破壞。5.1加載循環過程中柱的變形性能試件A2發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,框架柱出現水平彎曲裂縫,同時形成受拉塑性鉸,隨后彎曲裂縫逐漸傾斜而轉化為彎剪裂縫,且裂縫大致分布于距柱端h0長度范圍內。位移控制階段,隨著循環次數的增加,正反兩方向的彎剪裂縫明顯發展,延伸到距柱中心線附近,第3次加載循環完成后,柱端附近正反兩方向的彎剪裂縫、剪切斜裂縫相互交叉,使得柱端部兩側混凝土成龜裂狀,保護層也發生剝落傾向,試件變形剛度產生不同程度的衰減,荷載總體上也相應發生衰減,但試件無論豎向或橫向方向均表現出較穩定的承載及變形性能。第二加載等級的第一次施加反向荷載(P21,以下同)時,柱中部突然產生腹剪斜裂縫,并迅速與柱兩端原有的彎剪裂縫基本貫通成對角主斜裂縫,同時柱兩端原有彎剪斜裂縫突然迅速發展,同時在主對角裂縫的兩側產生大致平行的約呈45°的斜裂縫,使柱中混凝土變成多條大致平行的斜壓柱,柱端部混凝土出現較嚴重的剝落現象,變形更加集中,由于剪切變形成份的增大而產生嚴重的剪切錯動,受壓縱筋因剪壓作用而屈曲,柱兩端混凝土沿柱對角斜裂縫方向出現明顯壓潰跡象,荷載也由463.7kN迅速下降到367.9kN以下,柱豎向變形明顯,表現出明顯的不穩定性,構件破壞。彎曲剪切斜壓破壞發生得突然而迅速,試件隨之立即失去承載能力,試件延性較差。5.2彎剪斜裂縫的實踐因試驗目的所需,試驗中絕大部分試件均發生設計期待的彎曲剪切受壓破壞。如圖4所示(以C2為例),荷載控制階段當加載至水平力Ph=49.03kN時,出現水平彎曲裂縫,而且彎曲裂縫發展很快,正反第一次加載循環完成時,柱端彎矩最大截面處彎曲裂縫已接近貫通相交,其他彎曲裂縫已轉為彎剪裂縫,并朝柱端對角處發展,受拉塑性鉸開始形成;至第二級加載循環時,柱頂處正反加載時形成的彎剪裂縫在柱端150～200mm范圍時已經相交,形成交叉裂縫;至第三級加載循環時,彎剪斜裂縫寬度、長度及數量不斷發展,塑性鉸區的混凝土成龜裂狀,剪壓區的面積不斷縮小,變形更加集中,最終在P32時,柱頂截面受壓區混凝土保護層開始剝落,受壓區混凝土呈壓壞跡象,但仍保持較穩定的承載能力,荷載雖隨加載循環及加載次數的增加而退化,但退化程度不大,直至P42時,交叉彎剪斜裂縫的不斷發展,使受壓區混凝土(尤其是柱頂范圍內)分割為不規則的小塊,試件剛度退化明顯,柱達到承載力極限狀態(水平荷載退化為最大荷載的85%)但此時柱仍保持穩定的承載及變形狀態。隨著試驗的繼續,交叉彎剪裂縫的不斷發展、延伸,受壓區混凝土不斷減少,試件剛度不斷退化,造成荷載不斷緩慢衰減,至-P72時,柱端保護層混凝土已明顯剝落,荷載退化為最大荷載的30%以下,但仍能保持穩定的受力狀態。圖4、圖5及圖6所示為發生彎曲剪壓破壞的試件,試件破壞時,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。試件B2配箍量最大而剪跨比最小,由于箍筋的更有效約束,斜裂縫的數量、長度均最小,剪壓區的面積最大,試件C2的配箍率最小而剪跨比最大,彎剪斜裂縫的數量、伸展長度較B2、C2大。說明合理配置箍筋可以有效控制試件的裂縫發展及破壞形態,改善框架柱構件塑性鉸區域的受力性能及變形。5.3件s1斜裂縫如圖7所示,試件A1發生梁柱節點的彎曲剪切斜拉破壞,在荷載控制其受力性能與試件A2類似,首先出現彎曲裂縫,但很快即轉變為斜裂縫向柱端發展。位移控制階段的P11柱頂斜裂縫即穿過柱端而進入梁柱節點區,并隨加載的繼續進行,柱頂斜裂縫貫通整個節點核心區,框架梁發生大轉角位移,試件豎向失去穩定的承載能力。試件延性很差。5.4加載階段33如圖8所示,試件C3發生彎曲破壞,當加載至49.6kN時試件端部出現水平彎曲裂縫,至試件初始屈服時,彎曲裂縫有向試件端部斜向發展為彎剪裂縫的趨勢,但不甚明顯;位移控制階段,隨加載的進行,原有裂縫逐漸轉變為彎剪斜裂縫,但發展較慢。至P23結束時,柱端保護層混凝土開始剝離,至第三加載等級結束時,柱端保護層混凝土開始大塊剝落,柱端出現較明顯的彎剪裂縫,使得受壓區混凝土破碎,但箍筋并不屈服。試件產生彎曲破壞。試件C3在整個加載過程中,抗剪承載力退化程度較低,表現出較好的延性與穩定的承載能力。與斜裂縫相交的箍筋應變較小,未能達到屈服,說明較大剪跨比的柱類構件以彎曲受力為主,故試件延性好。6彎曲剪切斜拉破壞試件由以上試驗研究的結果可知,構件的破壞形態主要取決于本身的構件的特征及受力條件,一般而言,有如下規律:(1)彎曲剪切斜拉破壞當短柱配箍量較多,或中長柱軸壓力較大時,由于壓剪復合作用,易產生該破壞形態。由于柱沿對角線出現多條斜裂縫,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,而且斜裂縫的發展嚴重削弱混凝土骨料的咬合作用,造成與斜裂縫相交箍筋應變迅速增大,箍筋的抗剪貢獻急劇增大,以部分彌補混凝土抗剪能力的減小,試驗中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。若橫向箍筋配量過多,橫向鋼筋一般不屈服。但若箍筋配量過少而導致箍筋拉斷,縱筋也將因失去有效側向支撐而壓曲,使柱完全失去穩定的受力及變形性能而可能產生彎曲剪切斜拉破壞。(2)彎曲剪切受壓破壞當柱的剪跨比適中(中長柱),并有足夠的抗剪腹筋時,一般發生剪切受壓破壞。彎曲剪壓破壞的特征是:柱端雖然產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展過寬,而且發展比較緩慢,最后因反復加載次數的增多及在加位移幅值的增大,交叉斜裂縫使得受壓區混凝土呈龜裂狀,同時因剪壓區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剪跨比較大(中長柱),且軸壓比與配筋率較小時,彎曲屈服時的剪力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),試件端部產生交叉斜裂縫但發展較慢,隨著彎曲屈服的進展使混凝土受壓區減小到到某種程度時,剪切裂縫突然明顯開展,試件因與斜裂縫相交的箍筋拉斷或屈服而達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明顯的突然下降過程,同時彎剪斜裂縫的傾角也相應較大。(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件一般發生彎曲破壞。由于構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,但由于斜裂縫發展迅速,使得柱中混凝土成為數條平行的斜向受力短柱而破壞,試件延性較差;彎曲破壞形態試件的破壞緣于受壓區混凝土的壓潰,箍筋的抗剪潛力并未充分發揮,故試件延性好;彎曲剪壓破壞形態試件縱筋首先屈服(彎曲破壞),隨加載繼續而逐漸產生剪壓破壞,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于反復荷載下框架柱構件縱筋屈服以后破壞形態的分類概念比較模糊,使得目前國內對此尚缺乏統一的分類標準(甚至分類名稱),從而在使用及表達上帶來許多不便甚至錯誤。根據試驗研究結果,并參考國外經驗,本文認為:構件的破壞緣于縱筋的屈服及受壓區混凝的壓潰,則構件發生彎曲破壞;(2)構件在縱筋屈服后,若構件的承載能力并未發生明顯退化,但隨著加載循環次數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,而導致構件產生剪切破壞(剪切斜壓、剪切斜拉或剪壓破壞),則構件發生彎曲剪切(斜拉、斜壓或剪壓)破壞;若橫向鋼筋用量相對較少,一般發生彎曲剪切斜拉破壞,若橫向鋼筋用量過多,則一般發生彎曲剪切斜壓破壞,若橫向鋼筋用量適當,可發生彎曲剪切受壓破壞。(3)構件縱筋屈服后,若構件