超高性能混凝土柱的抗震性能分析

超高性能混凝土柱的抗震性能分析

白克生

机械工业第六设计研究院有限公司 河南省郑州市 450007

摘要：超高性能混凝土 (Ultra-High Performance Con-crete ，UHPC) 是 20 世纪 90 年代国外研发的一种具有超高强度和优异耐久性的新型水泥基复合材料。混凝土作为建筑的主要材料，在各环境因素的长时间作用下，出现氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀等耐久性问题，导致结构的承载能力及抗震性能降低 。在我国经济和科学技术快速发展的情形下，更多新型的建筑结构应运而生。基于钢 － 混凝土混合结构结合了钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、成本低的优良特性，能达到两种材料取长补短的目的，故在我国得到广泛应用。 本文主要对超高性能混凝土柱的抗震性能进行分析，详情如下。

关键词： 超高性能；混凝土柱；抗震性能

引言

钢筋混凝土柱在建筑工程中是主要的受力构件，房屋建筑在承受外力荷载时很依赖钢筋混凝土柱。国际与国内学者对历次的地震灾害展开了大量的研究，发现钢筋混凝土柱最终破坏形态很大程度上取决于构件的抗弯承载力与抗剪承载力之间的相互竞争关系，由弯曲主导和剪力主导所引起的破坏有着较大的差别。钢筋混凝土柱在反复荷载作用下的破坏模式主要分为弯曲型破坏、剪切型破坏及弯剪型破坏三种。其中弯曲破坏在破坏前具有明显的预兆，破坏时钢筋混凝土柱各部分材料性能得到充分发挥，而剪切破坏和大部分的弯剪破坏钢筋混凝土柱属于脆性破坏，会在较短的时间内失去承载地震作用的能力，进而出现急剧破坏，破坏前没有征兆，存在较大安全隐患。因此，正确认识钢筋混凝土柱破坏模式的影响因素，并根据影响因素做出合理的破坏模式预测对评估抗震能力和后期加固具有重要的研究意义和工程应用价值。

1 钢筋混凝土柱地震破坏模式影响因素

通过对不同设计参数（试件尺寸、轴向压力、配筋率等）的钢筋混凝土柱进行静力试验和循环反复试验，对比发现受轴向压力较小的长柱、受轴向压力小且配箍较为稀疏的短柱延性更好，能够较长时间承受地震作用，更趋向于发生弯曲破坏；受轴向压力较大的长柱、受轴向压力较小且配箍较为紧密的短柱有部分延性，更趋向于发生弯剪破坏；剪跨比较小、受轴向压力较大的钢筋混凝土柱延性最差，其破坏前没有明显征兆，趋向于发生剪切破坏。通过有限元分析发现，纵筋应变率大于箍筋应变率是钢筋混凝土柱由弯曲破坏模式发展为剪切破坏模式的重要原因，并且随着轴压比的增大，RC柱的抗震性能就相对变差，其破坏模式会由延性破坏（弯曲破坏）向脆性破坏转变（弯剪破坏或剪切破坏）。

2 提高混凝土柱抗震性能的措施

2.1纤维布加固混凝土运用

钢筋混凝土结构是目前国内建筑工业的主流结构形式，在现代化厂房、住宅等领域具有绝对统治地位，随着近年来城市建设的不断扩大，基础建筑设施迎来了巨大发展机遇，在人们生活和工业应用中起着举足轻重的作用。对于用于某些特定场所的钢筋混凝土，除了常规的钢筋混凝土结构所必须具备的承载性能和延性外，还会由于其独特的应用特性而要求具有更高的承载力。随着近年来碳纤维、玻璃纤维等材料的开发应用，将具有质量轻、弹性模量高、热稳定性优异等特性的纤维材料用于钢筋混凝土建筑成为了加固混凝土的首选，另外，组合方式更加有利于提升纤维布加固混凝土的承载力和延性。

2.2 钢筋接头率的控制

建筑产业工业化是当前建筑行业大势所趋，是我国建筑业高质量发展的必由之路。届时，大量构件在工厂预制生产，钢筋的连接也在工厂内由专业技工或工业机器人操作进行机械化连接，往往构件钢筋的接头面积百分率会超过规范要求，此时一般遵循在钢筋连接区域应采取必要的构造措施，以增加对连接区段的围箍约束，如适当增加混凝土保护层厚度或钢筋间距、加强配箍等。规范对纵向受拉钢筋采用机械连接方式的接头面积百分率规定为位于同一区段内的受拉钢筋搭接接头面积百分率不宜大于50%。（1） 对于钢筋采用机械连接的构件，载荷作用下如连接接头不发生破坏，构件的破坏形式、受力特性、承载力和变形性能与无受拉钢筋接头的构件相同，且与钢筋的接头率无关。钢筋的接头率对结构的抗震性能没有影响。（2） 如构件在荷载作用下接头产生滑移发生破坏，构件的裂缝将会迅速发展，裂缝宽度明显加大，即使降低荷载，裂缝和变形都发展比较快，产生突然的“脆性”破坏，构件的承载力和延性都将明显降低。（3） 如果钢筋连接接头不满足要求，在反复荷载作用下，钢筋在接头处更容易出现问题，承载力和延性都将明显降低，对构件的抗震性能影响要远大于对构件在静力荷载作用下的性能影响。（4） 对于钢筋混凝土构件的机械连接，控制接头的百分率不是主要的，关键是如何保证机械连接接头不出现问题，即对于不同钢筋品种，通过一定的措施保证其可靠度。

2.3 钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析

在复式钢管框架梁端连接钢板剪力墙可形成“拉力带”提高框架抗侧刚度;在地震作用下，梁端所连接钢板剪力墙先与框架发生破坏，为框架提供第一道抗震防线。1)各节点试件均发生弯曲破坏，节点的最终破坏是加强环以及钢梁上下翼缘发生屈曲，柱节点核心区出现鼓曲。2)在地震力作用下，钢管混凝土柱 － 钢梁中节点各项性能指标均优于边节点，在钢管和钢梁截面相同情况下，中节点的峰值承载力比边节点提高 15.06%;整体耗能性能比边节点提高 21.99%。3)轴压比可以增加节点试件的承载力和耗能性能，承载力提升幅度在约 5%，试件的整体耗能能力提高5% ～10%，整体累计耗能能力在 20%以内。

2.4次结构装配式楼板与边钢梁的空间作用

钢管混凝土柱-钢梁-支撑结构是主要抗侧力体系，故对次框架的楼盖整体性可降低要求，采用预制装配式钢筋混凝土楼板，以提高施工效率。 “半框架”式次结构钢梁端部皆为铰接，即边钢梁端部仅腹板通过连接板和螺栓与主结构的钢管混凝土柱、次框架的钢柱相连，其抗扭刚度较弱。因此，装配式楼板能否对次框架边钢梁的扭转形成有效约束，或边钢梁与楼板能否有效地形成整体、共同受力仍有待进一步验证。采用有限元法对次框架的边钢梁与装配式楼盖的组合空间作用进行了分析，结果表明，罕遇地震下，次框架采用预制楼板得到的边钢梁的扭矩、扭矩角与次结构采用现浇楼板的计算结果相近  ，表明次框架采用预制楼板能较好地保证楼板对边钢梁扭转的约束作用，其关键是应通过合理的构造措施使预制楼板与边钢梁之间满足刚接要求  。

结语

总之，钢管混凝土柱外钢管和钢梁端部局部屈服后，法兰连接节点的上加强环、法兰盘等关键连接部件无塑性损伤，双向水平地震下法兰连接节点可保证钢管混凝土柱端先屈服，能满足连接节点更强的抗震要求。

参考文献

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