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钢筋混凝土柱的动力剪切和轴向荷载破坏

Kenneth J. Elwood1 and Jack P. Moehle2

摘要:钢筋混凝土柱横向配筋较轻，在强震地动过程中容易发生剪力破坏和轴力破坏。一个实验程序检查了两个半尺度下单层框架与轴向荷载代表那些预期的多层建筑低层的表现。框架在基础上进行单向模拟地震运动。内柱的剪切破坏导致轴向荷载破坏和内力重分布到相邻框架构件。记录的数据说明了剪切和轴向破坏的细节，以及重新分布到邻近的分量。本文讨论了框架的整体响应以及临界剪力内柱的剪力和轴力响应。

CE数据库主题词:倒塌;混凝土柱;地震的影响;摇表测试;剪切破坏;轴向负荷

介绍

实验研究和地震经验已经证明，地震建筑规范在20世纪70年代中期改变之前，在美国西部建造的钢筋混凝土柱在地震期间容易受到剪切破坏。这种损伤还会导致轴向载荷能力的降低，尽管目前对这一过程还没有很好地了解。由此产生的重力荷载重新分配到邻近元素可能在破坏进程中发挥作用，并反过来，压倒建筑框架。现行的既有结构评估方法在评估建筑物的倒塌极限状态时只考虑单个构件的损伤。近年来的地震资料表明，构件能够经受包括柱剪切破坏和轴向承载力损失在内的重大破坏，而不会发生建筑物系统的倒塌，说明在评估倒塌极限状态时应考虑整个系统。为了研究柱的剪力破坏和轴向荷载破坏过程以及这些破坏对建筑框架其余部分的影响，进行了振动台试验。

仅进行了有限的动力试验用来研究现有钢筋混凝土柱在地震期间的剪力和轴力破坏。Minowa等人通过振动台试验研究了钢筋混凝土柱在不同箍筋间距下剪切破坏后轴向承载能力的损失。测试样本是由四个相似的柱连接的刚性质量，因此，没有在普通建筑框架中纳入冗余预期。结果表明，箍筋间距小的柱比箍筋间距大的柱能在较大的位移范围内承受重力载荷;将振动台试验结果与同一类型试件的伪静态试验结果进行比较，发现两种试验的强度和变形能力非常接近，但损伤模式不同。

这里所描述的项目仅限于二维框架的研究。显然，与板系统相关的平面外框架和膜作用将有助于建筑物抵抗重力荷载倒塌的能力;然而，在实际考虑整个建筑体系之前，必须很好地了解二维建筑框架的响应。本研究进一步专注于钢筋混凝土框架，其柱最初屈服于弯曲，但其变形能力受到随后开始的剪切破坏的限制。剪切破坏伴随着明显的侧向强度下降，并可能随之失去轴向承载能力。“短”柱或墩，其特征是在纵向钢筋屈服之前的剪切破坏，在本研究中不直接考虑。

图1所示。振动台试验标本（单位是mm）。W2.9、#3、#4和#5的标称直径分别为4.9、9.5、12.7和15.9 mm。

振动台试验设计

设计了振动台试验，以观察在提供荷载重分布的替代荷载路径下，钢筋混凝土柱的动剪和轴向荷载破坏过程。试件由三根固定在基础上的柱组成，并通过上部的梁相互连接(图1)。中心柱横向配筋间距较大，在试验过程中容易发生剪切破坏和轴载破坏。当中心柱破坏时，剪力和轴向荷载将重新分配到相邻的延性柱。

表1。振动台试验样品的性能

注意:=ASTM C39混凝土筒体试验中的混凝土抗压强度;f _y=ASTM A370钢卷试验中的钢屈服应力;f_u=ASTM A370钢卷试验的钢极限应力; rho;_l = /;=纵筋面积;=柱总横截面积;

rho;_h =/sb;=横向钢筋面积;s=横筋间距; b=柱宽。

试件设计与施工

构建并测试了两个测试样本。第一个样本支撑了31000公斤的质量，产生的柱轴向载荷应力大致相当于预期的七层楼。31000公斤的支撑质量由附在上层横梁上的辅助铅块组成，横梁本身，以及支柱的附属部分（一半的质量）。第二个试件也支撑了31000kg的质量，但增加了气动千斤顶，使中心柱所承受的轴向载荷由128kN（0.10）增加到303 kN（0.24），从而增大了中心柱开始失效时轴向载荷重新分配的需求（=实测混凝土抗压强度， =柱截面总面积）。

剪切临界中心柱是Lynn(2001)和Sezen(2002)报告的2.95米高、457毫米*457毫米平方截面柱的半比例复制品。从之前的试验中可以看出，中心柱在发展为剪切破坏之前会保持弯曲屈服。轴向荷载作用下，低轴向荷载作用下柱的破坏可能是逐渐发生的，而高轴向荷载作用下柱的破坏可能是突然发生的。其余的框架元素(即:例如，梁、外柱和基础)不是按照原型设计的比例，而是为了达到预期的响应而设计的。表1总结了图1所示框架试件的关键特性。试件和材料性能的进一步细节由Elwood和Moehle提供。

对于柱易受弯-剪-轴荷载组合破坏的建筑物，本研究认为，在柱受剪破坏前，部分构件的屈服是有限的。因此，在中心柱发生剪切破坏之前，框架的外柱被设计为屈服。外柱采用圆形截面，螺旋钢筋紧密间隔，以确保柱能够抵抗大的延性要求，而没有任何轴向破坏的风险。一旦选定了外部柱的强度和刚度，就采用能力设计程序来设计梁和基础。

三列的框架梁的刚度是选定的轴向失败之后规模最大的垂直偏转第一试样中心的列会一样在七层的最大挠度的第二个故事原型建筑内部轴向失败后第一个故事专栏。梁的宽度选择为1.5米。为达到中心柱适当轴向应力所需的22,800公斤铅块提供支撑。梁的纵向配筋的选择是这样的，在试件2中，预计将观察到在中心柱的轴向承载能力完全丧失时梁的屈服。假设外柱顶部发生弯曲屈服且中心柱阻力为零，则试件1的梁的屈服强度与最大弯矩需求之比为1.59，试件2为0.82。

图2所示。在振动台上加载试件

试件是在加州大学伯克利分校地震工程研究中心地震模拟实验室附近的一个浇筑现场，在垂直位置同时施工的。钢筋笼装配完成，并安装应变片。普通重量骨料混凝土(标称最大骨料尺寸为10毫米)在两台升降机中浇筑，施工缝位于地基顶部。标本湿腌14天，然后保存在实验室直到检测(检测龄期为标本1 151天，标本2 184天)。配套钢瓶(6英寸。直径12英寸高)标准的混凝土钢瓶与标本一起保存，并在当天根据ASTM程序进行振动台试验。表1列出了柱中使用的混凝土的平均抗压强度。

测试设置和实验程序

测试前，将每个试件移至地震模拟器。由于跟踪水平和垂直荷载从中心柱向外柱的重分布非常重要，所以将试件安装在力传感器上，监测轴向荷载、剪切和弯矩。将试件对准力传感器顶部预期的振动方向，并在放置水石后用螺栓固定到位，以确保表面水平。在横梁上放置铅重物的同时支撑试件。铅砝码的一端用钢垫片支撑，以固定位置，另一端用橡胶垫片支撑，以允许在铅砝码下方的混凝土试件变形。然后用螺栓固定重物的位置，使其与测试样品一致移动。

平面框架试件受单向水平基础运动的影响。一个平面外的支撑系统，称为受电弓，被设计用来约束试件平面外的运动;否则，受电弓允许不受约束的平面内水平和垂直运动。

除了柱的轴向荷载外，这两个试件在名义上是相同的。因由于振动台不能可靠地控制一个明显更大的质量，并且希望保持试件的动态性能，第二次试验的附加轴向载荷是通过在中心柱两侧使用气动千斤顶进行预应力来获得的(图2)。气动千斤顶的气缸尺寸可使中心柱缩短25毫米，而不损失10%以上的预应力荷载。

仪器包括测量整体质量的垂直和水平位移以及中心柱的局部变形的位移传感器，测量质量的垂直和水平加速度的加速度计，选定钢筋上的应变计，以及前面描述的每个柱下的力传感器。

图3所示。表记录加速度和反应谱衰减2%(智利,1985)(=伪谱加速度 =光谱位移)

实验程序包括自由振动试验和地震模拟试验。在地震模拟中，两个试件都承受了1985年智利地震中在Vintilde;a del Mar记录的地面运动的一个水平分量。每个试件均受一次低水平激励(图3所示加速度的0.13倍)，使最大相对位移接近但不超过中心柱的预期屈服位移，选择一次高水平激励(图3所示加速度的1.0倍)诱导中心柱剪切破坏。在每次地震模拟前后，均进行自由振动试验，确定表观基本周期和等效粘滞阻尼。

表 2. 自由振动测试的阻尼比和周期

样本 1 样本 2

周期 阻尼比 周期 阻尼比

(s) (%) (s) (%)

在低周测试之前 0.22 1.9 0.21 1.4

在低周测试之后 0.30 3.7 0.25 2.1

在高周测试之前 0.68 5.4 0.48 3.9

自由振动试验

自由振动试验结果如表2所示。在每个试样的第一次自由振动测试中，所有的三根柱子都没有开裂。在第二次自由振动试验中，每个试件的中心柱底部只出现了细小的发丝裂纹，而外柱则在柱高处出现了细小裂纹。试件1的柱外裂缝比试件2的柱外裂缝多。第三次也是最后一次自由振动试验是在高强度地震模拟之后进行的，因此，两个试件都遭受了严重的破坏，包括中心柱的剪切破坏和外部柱顶部和底部的混凝土盖层剥落。

地震模拟测试

本节介绍高强度地震模拟试验导致试件1和试件2的中心柱剪切破坏的结果。两种试样的结果将一起讨论，以评估对中心柱轴向荷载对试件响应的影响。当比较试件1和试件2的响应时，值得注意的是，两种试验之间唯一的区别是柱的轴向应力(试件1中心柱:P=0.10，试样2中心柱:P=0.24)。结果将按以下顺序讨论:试件的整体响应、中心柱的响应和轴向荷载重分布。请注意，为清楚起见，本节所示的响应历史将限制在两个试件发生重大损伤的时间范围内，即5-35秒。更多细节可以在其他地方找到（Elwood 和 Moehle 2003）。

为了帮助理解本节中图之间的关系，在每个响应历史记录中(即16.7秒、24.9秒和29.8秒)都放置了符号。这些时间大致对应以下事件:试件2相对于试件1的中心柱剪力第一次下降;试件2中心柱轴向破坏的萌生;试件2轴向荷载在中心柱突然下降结束。这些事件将在后面的章节中更详细地讨论。

整体反应

图4中的响应历史显示了标本1和2整体行为的相似性和差异性。在地表运动早期(t=10 ~ 12 s)，试件1的位移比(定义为质量的相对纵向位移除以柱的净高度?)出现大于试件2的位移比，导致试件1的基底剪力更高。这种差异可能是由于每次试验中振动台的低振幅控制稍有

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