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轴向约束下钢筋混凝土框架梁的抗震性能研究

Liping Wang1; Ying Tian, M.ASCE2; Wenwen Luo3; Guichen Li4; Wei Zhang5; Siwei Liu6; and Chunyu Zhang

摘要：钢筋混凝土梁在受弯开裂和屈服后会产生伸长，但在框架结构中，钢筋混凝土梁的伸长会受到周围结构构件的约束。在七个1：2比例的内梁柱上进行了试验，研究了在不设楼板的情况下轴向约束对钢筋混凝土框架梁和梁柱节点抗震性能的影响。试验装置允许对梁端施加轴向约束，并测量梁中产生的轴向压应力。试验中的主要变量包括梁的抗弯配筋率和轴向约束刚度。在无轴向约束且横向位移为3%的情况下，梁的总伸长量达到梁高的3.75%。而在考虑轴向约束刚度的情况下，梁中产生了较大的轴向压应力，这直接导致轴力比达到0.25。轴向约束提高了梁的抗弯刚度和强度。根据受拉配筋率，梁的抗弯承载力在3%的位移下增加了40%-150%。与无约束试件相比，受轴向约束试件在梁塑性铰区和梁柱节点处受剪破坏较大，对钢筋混凝土框架结构的抗震性能有不利影响。编号：10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.00023 06.2019年美国土木工程师协会。

作者关键词：钢筋混凝土框架；轴向约束；梁伸长率；梁柱节点

简介

根据ACI 318（ACI 2014）中的承载力设计原则和抗震设计规定，钢筋混凝土框架梁的抗弯承载力是柱抗弯设计的基础。因此，在多遇地震作用下，正确确定梁的抗弯强度对于达到所需的强柱弱梁力学性能具有重要意义。钢筋混凝土构件（如梁和墙）很容易伸长，尤其是在弯曲屈服后（Fenwick和Fong 1979；Kokusho等人1988年；Dhakal等人2014年；Encina等人2016）。梁的伸长，也称为梁的变形，主要发生在塑性铰区。在强度退化之前，悬臂梁在反向循环荷载下的延伸率为梁高的2%至5%（Fenwick和Megget 1993；Cooper等人2005）。在梁柱组件的循环横向荷载试验中，可以发现类似水平的梁自由伸长（Zerbe和Durrani 1989；Ashtiani等人2014）。

在钢筋混凝土框架的抗震设计中，梁的伸长通常被忽略，然而，无论是通过实验方式还是数学运算方式的验证都揭示了其对弯矩和剪力分布的显著影响。（Zerbe和Durrani 1989；Kim 2004年；Kabeyasawa 2000）例如在2004年Kim等人的分析中，钢筋混凝土框架在发生了2%的位移情况下，其层间剪力增加了86%。此外，无论是沿钢筋混凝土框架高度方向还是在同一楼层当中，梁的屈服都不会同时发生。其结果是，由于早期铰接而产生的梁的伸长，在较低的楼层也不会发生，因此，相邻的结构构件仅受到有限程度的损伤，可以对梁的伸长产生强烈的约束。约束梁的抗弯刚度过大可能会使柱发生屈服，从而产生一个软弱层效应。2008年汶川7.9级地震检验了我国设计和建造的钢筋混凝土框架的性能。尽管这些建筑符合中国现代设计规范，但大量钢筋混凝土框架建筑在一层柱的上下两端形成了塑性铰，从而导致了软弱层甚至倒塌。

图1展示的是一个RC框架建筑倒塌的案例，该建筑建于2007年(Lu et al. 2012)。除了填充墙在改变结构性能方面可能存在的影响外，在中国设计规范中，结构的意外破坏很大程度上归结为对板抗弯承载力的低估(Ye etal.2008;Lu etal.2012)。在意识到梁伸长的有害影响后，新西兰的混凝土设计规范《NZS 3101.1:2006》（新西兰标准2017）中要求考虑梁伸长对梁抗弯承载力、柱弯曲变形以及剪切变形的影响，并考虑抗侧力结构体系的局部残余变形。如果考虑到混凝土框架中抗弯构件的伸长，则描述塑性铰区的发展过程的表述方式会变得复杂起来（Dhakal和芬威克2008）。不同复杂性的力学模型被发展应用于模拟行为，从而更好地对RC框架和墙的结构体系上的水平地震反应进行捕捉计算。

受到约束的梁上的压应力也会显著增加梁柱节点上的剪力(Zerbe和Durrani，1989；Kim等，2004年)。然而以往的大多数约束梁延伸率试验都是在没有梁柱节点相互作用的单悬臂梁上进行的。此外，在一些高湾结构中，混凝土框架结构可以不建造楼板。在这种情况下，采用有效楼板的翼缘宽度来间接提高梁的抗弯强度是不恰当的。

本文进行了一系列的试验，目的是进一步研究梁柱节点处受约束的框架梁的性能及其对梁抗弯承载力和剪应力的影响。不同于以前的梁柱构件试验，本实验设计为对被动发展的梁轴向压应力进行直接测量和系统地表征。测试数据允许对模拟钢筋混凝土框架梁受轴向约束的行为的数值模型进行发展或验证。

试验装置和试样性能

试验测试了七个以1：2比例制作的样品。试验模型模拟了一个跨度8米、层高3.2米的多跨多层钢筋混凝土框架建筑的内梁柱下部结构。每个试件是对称的，由两根梁和一个中心柱组成。图2显示测试设置，图2所示为试验装置，其与测试内部梁柱节点抗震性能的典型装置相似，只是对梁施加了轴向约束。以前大多数研究约束梁伸长效应的实验都是通过对梁施加恒定的轴向压力来进行的。然而本研究的目的是模拟随梁的塑性变形增加而变化的被动产生的轴向力。

在模拟原型结构在侧向荷载作用下的梁反弯点位置时，采用两根钢管立杆，并在其上下两端加上固定铰支座来抑制梁的垂直位移。支柱的长度是可调节的，以适应试样和支撑部件尺寸的一些误差和缺陷。柱底端与完全固定在坚固地板上的钢梁夹紧连接，如图二b，同时采用两个钢支撑框架来防止试件在横向荷载作用下发生平面外失稳。每根钢筋混凝土梁的远端与分布梁连接，分布梁由两个槽钢截面组成并用加强筋加固。分布梁的方向垂直于加载面，并与安装在支撑框架上的滚轴相对，其目的在于对钢筋混凝土梁施加轴向约束。为了避免由于分布梁对钢筋混凝土梁施加的支承应力分布不均而导致梁端产生较大的弯矩，在这些构件之间插入钢板。安装在梁端中心的钢板厚20 mm，宽250 mm，高100 mm。两个钢棒，一个在试样的正面，另一个在背面，与钢分布梁相连。钢筋与钢筋混凝土梁的纵轴对齐，并与梁垂直面保持100 mm的净距。在横向荷载作用下，钢棒和分布梁形成的整体限制了梁的伸长。直径为50和60 mm的钢筋用于实现在不存在现浇板的钢筋混凝土框架中可能会出现的较低或较高轴向约束刚度的情况。

试件是根据ACI 318（ACI 2014）中关于特殊框架的抗震设计规定和中国抗震设计规范（CMC 2010）设计的，并进行了详细说明。图3表示出了试样尺寸和一些加固措施。在梁端的垂直支撑杆件之间的试样的纵向有效尺寸为4 米。在原结构中，柱下方拐点处的横向荷载处设置了固定铰支座。柱的有效高度为1.6米（有效高度定义为这两个位置之间的垂直距离）。梁的截面尺寸为b*h=250mm*400mm。柱的截面尺寸在加载方向为350 mm，横向方向为300 mm。试验前猜想抗弯承载力的轴向约束效应是梁抗弯配筋率和约束刚度的函数，两者都是主要的试验变量。如表1所示，大多数标本都是用数字和字母来表示的。数字（3或4）表示梁顶钢筋的数量。字母N、L和H分别表示对应于零、低和高约束刚度的约束刚度级别。3N和4N为无轴向约束的对照组。

纵向钢筋的梁直径为16毫米，柱钢筋直径为25毫米。横向箍筋直径为10毫米，箍筋间距为90毫米。在梁柱节点处的箍筋为四肢箍筋，直径为12毫米，柱端箍筋加密间距为75毫米，柱中箍筋间距为80毫米，所有的钢筋均为螺纹钢。梁的保护层厚度为15毫米，柱的保护层厚度为20毫米。表一给出了试验后测得的钢筋屈服强度、抗拉强度和混凝土的抗压强度。所有试件的梁底均采用了直径为16毫米的加强筋。梁顶配有三根钢筋（3N、3L和3H）的试件的顶部配筋率rho;top为0.66%，而梁顶配有四根钢筋（4N、4L、4lm和4H）的试件的顶部配筋率rho;top为0.88%。D16钢筋的屈服强度为FY 493或471兆帕。因此，如果使用60级钢（fy 414 MPa），上述配筋率将相当于约0.75%和1.0%。由于试验的重点是梁和梁柱节点的受力性能，因此每根柱均用12根D25钢筋进行了大量加固，以确保在侧向荷载作用下的弹性响应。

当忽略轴向约束效应的情况下，并根据ACI 318（ACI 2014）考虑强度折减系数时，柱的尺寸要根据梁柱节点的抗剪设计进行选择，以确保抗剪强度满足要求。根据在两个梁中产生塑性铰链所需的预期横向荷载和接缝一侧梁顶纵向钢筋和另一侧底部钢筋的总拉力确定剪切需求，假定拉伸钢筋产生了1.25fy的应力，以考虑可能产生的应变硬化。

加载协议与仪器

在侧向加载之前，通过拧紧用钢分布梁固定杆的螺母，将1kN的后张拉力施加到受约束试样的每个钢分布梁上。位移控制的准静态横向载荷被施加到柱顶上的液压致动器具有500 kN的承载能力。由于柱的挤压力有利于节理抗剪强度，而柱的挤压力对柱没有施加轴向载荷，地震横向荷载可以显著地减小重力荷载引起的柱轴向力。采用承载能力为500kN的液压作动器对柱顶施加位移控制的准静态横向载荷。由于柱的受压会提高节点的抗剪强度，所以试验中没有对柱施加轴向荷载，而地震作用产生的侧向荷载可以显著地减小重力荷载产生的轴力。

除4LM外，施加在试样上的加载历史如图4所示，其中侧向位移的正负符号分别用于压和拉。位移加载过程包括增加0.375%、0.5%、0.75%、1%、1.5%、2%、3%和4.0%的侧移比，在每个位移水平上进行三次循环。样品4LM检查了不同加载历史对轴向约束效应的影响。在完成3%的侧移后，该试样的侧移比为0.25%、0.30%、0.50%、0.60%、1.0%、1.2%、1.7%、2.2%和3.0%，因此比其他试样经历了6个额外的循环加载。由于测试无法在一天内完成，并且担心轴向约束力会在一夜之间松弛，因此没有尝试对该试样进行超过3%的进一步加载。为了观察试样损坏情况以及检查加载和数据采集系统，在第三个循环中，当达到目标在正负加载方向上位移时，加载暂停两次。

采用LVDTs测量柱顶、梁端和梁柱界面的水平位移。通过测量梁在不同位置的水平运动，确定了梁的总伸长。此外，为了检验梁塑性铰区的伸长，附加LVDTs测量了距最近柱面380 mm处的梁水平位移。安装在执行器上的测压元件测量施加的横向载荷。垂直支板上嵌有两个拉力/压缩测力元件，测得梁端垂直反力，据此确定梁柱节点两侧的梁弯矩。如图2(b)所示，每根钢棒均采用左侧钢吊具梁上的通孔压缩测力元件支座来测量约束力。为了测量试样的局部变形，在选定的位置将应变计安装在梁、柱和节点的纵向和横向钢筋上。

试验结果

轴向约束刚度

塑性铰区梁的伸长受塑性铰外梁段和梁周围其它结构构件的共同影响。然而，由于未屈服梁部分的高轴向刚度，轴向约束试件的响应主要是由结构其余部分提供的约束刚度的函数所决定的。

图5为受约束试件沿正方向加载不同位移比时，所测得的约束力随梁伸长的变化情况。可能是由于构件之间在约束力从钢杆向梁传递的路径上缺乏良好的接触，所以在早期加载阶段约束刚度相对较低。当试样伸长超过1.5 mm时，抑制刚度完全建立，一般在0.5%位移后。对于每个试件，表1给出了基于测量的约束力和梁伸长来评估3%位移时的割线约束刚度。

滞后响应

图6为试件横向荷载随漂移的滞回响应。实测应变表明，梁顶钢筋屈服位移在0.7% ~ 1.3%之间，梁底钢筋屈服位移在0.6% ~ 1.1%之间。在完成4%的位移后，试样的强度没有下降。

无约束试样3N和4N在它们的响应包络线中呈现屈服平台。在加载至3%位移的第一个周期内，试样3N略有超载至3.6%，但随后恢复了原计划加载程序。因此，超载不应改变该试件的整体性能。这两种无约束试件均表现出严重的挤压现象，其原因可能是梁纵杆通过塑性铰区和梁柱节点时粘结性能恶化。

约束试件3L和4L的混凝土强度与无约束试件(3N和4N)相似，收缩程度有所降低。试件3H和4H受轴向约束刚度较大时，趋势更为明显。如图6所示，这些试件的滞回曲线比其他试验时要饱满得多。此外，正如随后所述，轴向抑制力随着侧向位移的增大而增大。梁的抗弯承载力可以通过轴向力-挠曲相互作用来提高，;因此，受约束的试样在响应包络曲线上没有表现出屈服平台。用两个控制试件在荷载-变形响应包络中达到一般屈服时1%侧移时的平均荷载来研究轴向约束对侧向刚度的影响。该荷载为F1.0%， 3N为101.3 kN, 4N为109.5 kN, 3L为112.4 kN, 3H为142.4 kN, 126.1 kN, 4H为156.0 kN。因此，对于约束刚度较低和约束刚度较高的试件，抗弯刚度分别提高11%和15%和40%左右。受约束试件最显著的反应是其承载能力的增强。在不考虑轴向约束影响的情况下，每个试件的抗弯强度Mu;0根据ACI 318 (ACI 2014)确定。钢筋和混凝土的实际材料性能如表1所示。图6中水平虚线所示为试件尺寸和支护条件。由于直到0.5%的位移才对试件产生较大的抑制刚度，从而延迟了梁的伸长得到预期的抑制。因此，在设计水平地震荷载作用下，钢筋混凝土框架的侧移荷载集中在3%的位移，而不是ASCE 7-16 (ASCE 2017)中规定的2%的位移极限。可以预见，如果试件从横向加载开始就能获得目标的约束刚度，那么约束效果应该会比一般屈服时增加略晚于1.0%位移的荷载。对于约束刚度较低的试件3L、4L和4LM，在忽略轴向约束作用的情况下，发生3%位移时的荷载分别比预测的承载力大72%、55%和49%。试件3H和4H抗剪刚度较大时

资料编号：[5439]