近年来, 随着建筑结构跨度加大, 高度升高, 以及对建筑功能、美观的需求, 使结构所承受的荷载加大, 特别是框架底层柱所承担的轴力不断增加, 即轴压比越来越大, 而抗震设计对于构件延性有明确要求, 必须把柱子的轴压比控制在限值以内, 这必然使得柱子的截面增大, 从而形成短柱, 甚至成为剪跨比小于1.5的超短柱。另外, 诸如建筑错层、转换层、设备层以及地下车库等由于使用荷载较大、层高较低, 在设计中不得不设计成短柱。在高层建筑设计中, RC短柱有越来越普遍的趋势^[1]。RC短柱的破坏形式一般为剪切破坏或粘结破坏, 二者都属于脆性破坏^[2]。在地震作用下, 一般短柱受轴力作用和双向水平荷载作用, 因此研究多维荷载作用下RC短柱的抗震性能, 具有重要的工程参考价值。

　　 国内外对钢筋混凝土构件性能的试验研究主要考虑水平单向荷载作用, 对水平双向荷载作用的研究相对较少^[3]。国外学者对钢筋混凝土框架柱在双向荷载作用下的受力性能研究, 主要采用45°斜向、单八字形、菱形、方形、圆形和椭圆形等位移加载路径^[3,4,5,6,7], 结果表明, 双向受力柱与单向受力柱在受力性能上有较大差别, 并且双轴之间表现出显著的耦合作用, 位移加载路径对柱的抗震性能有较大影响。国内学者对钢筋混凝土柱的试验研究主要考虑单向荷载作用和斜向荷载作用的情况^{[8,9,10,11,12]}, 主要研究轴压比, 箍筋、纵筋配筋率, 以及加载角度等因素对框架柱抗震性能的影响。上述研究主要针对受弯破坏为主的钢筋混凝土构件, 对于受剪破坏为主的RC短柱的双向加载试验研究较为有限, 这给RC短柱在地震作用下的响应分析带来困难。因此, 进行不同加载路径下RC短柱的双向受剪性能试验研究尤为重要。

　　 本文集中研究了5种不同加载路径下RC短柱的抗震性能, 从滞回性能、延性、耗能能力、刚度退化等方面对RC短柱的抗震性能进行分析和研究, 为RC短柱的抗震设计提供理论依据。

　　 试验共设计制作5根RC短柱, 其中试件S0-s和S0-w为单向加载, 另3个试件 (S1, S3, S5) 为双向加载。试件截面尺寸b×h为500mm×400mm, 有效高度H₀为800mm, 底座的尺寸 (长×宽×高) 为1 400mm×1 400mm×500mm, 顶部端头尺寸 (长×宽×高) 为800mm×800mm×400mm, 试件构造及截面配筋如图1所示。

　　 为了观察短柱的脆性破坏现象, 了解短柱的破坏机理, 保证其发生剪切破坏, 采用“强弯弱剪”的设计原则, 短柱的主筋采用14根直径为22mm的HRB400级钢筋, 箍筋采用直径为8mm的HRB335级钢筋, 间距为120mm。主筋采用直弯钩的形式贯穿于底座和顶部端头, 以保证构件整体性。底座和顶部端头采用C50高强混凝土, 柱部分采用C35普通混凝土。

　　 材料性能试验结果为:实测HRB400级钢筋屈服强度平均值为470MPa, 极限强度平均值为607MPa;实测HRB335级钢筋屈服强度平均值为456MPa, 极限强度平均值为605MPa;实测边长为150mm的C35混凝土立方体试块抗压强度平均值为35.8 MPa。

　　 试验装置如图2所示。加载系统由竖向加载装置、水平加载装置、数据采集系统、控制系统4部分组成。水平荷载由液压加载系统1 000k N作动器提供, 加载速度控制在0.05mm/s左右, 采用清华大学IMP数据采集系统进行力、位移的数据采集, 采集频率为1次/1.5s。

　　 试验过程中保证计算轴压比n恒定为0.1, 试验全程采用位移控制加载, 第1级位移为1mm, 第2级为2mm, 第3级为4mm, 以后逐级递增0.5%的漂移率, 即4mm。每个位移等级下进行3次循环加载, 直至试件完全破坏为止。加载方向如图3所示, 均为先加载X正向, 之后加载Y正向。如图2所示, X正向对应于W向, 为试件的强轴方向;Y正向对应于S向, 为试件的弱轴方向。

　　 在5种不同的加载方式中, 试件均发生典型的剪切破坏, 在单向和双向加载中裂缝的出现、开展以及最终的破坏形式有相似的规律。

　　 试件S0-s在水平位移U (顶部位移与底部位移之差) 第1次加载至U=2mm时, 在E面距离柱底150~200mm高度处混凝土保护层出现一条水平裂缝。随着反向加载, W面出现裂缝, 此时裂缝较窄、细密, 反向加载后E面裂缝基本闭合。在第2次和第3次循环加载时, 水平裂缝向两侧发展, 同时在距柱底约300~400mm高度处开始出现第二条水平裂缝。加载至U=4mm时, 在短柱的N, S面中间部分开始出现斜裂缝, 继续加载斜裂缝逐步增多并向柱子端部延伸。随着控制位移的增大和循环次数的增多, 试件S0-s在第3次正向加载至U=8mm时, N, S面上的斜裂缝达到上下贯通并最后发展成交叉的主裂缝 (临界斜裂缝) , 在表面呈现“X”形。加载至U=12mm时, 试件S0-s的N, S面上主斜裂缝周围观察到数条较小的斜裂缝, 并且主斜裂缝宽度增加。加载至U=16mm, 试件S0-s的N, S面上主斜裂缝交叉处混凝土凸起剥落, 柱脚混凝土也逐渐受压破坏。随着循环次数增多, 第3次加载完成后, N, S面裂缝宽度增大, 主斜裂缝交叉处混凝土剥落严重, 承载力也急剧下降, 遂停止加载。

　　 图4给出了不同水平位移下试件S0-s的N面的裂缝开展情况。

　　 试件S3加载至U=1mm时, 在4个面交界处均能观察到水平裂缝。加载至U=2mm时, 4个面上约150, 300, 450mm高度处分3层出现水平裂缝。完成U=4mm第1次加载时, 4个面上均出现斜裂缝, 随着循环次数的增多, 斜裂缝逐渐向两端发展。加载至U=8mm时, 各面斜裂缝的宽度加大并形成主、斜裂缝且其周围产生较多的微小斜裂缝, 在W, S面以及E, N面交界处底部混凝土剥落。完成U=12mm两次循环加载时, W, N面以及E, S面交界处斜裂缝宽度增大, 且W, N面交界处混凝土大面积剥落, 钢筋外露, 停止加载。

　　 图5给出了不同水平位移下试件S3的S面的裂缝开展情况。

　　 试件S0-w, S0-s, S1, S3, S5的荷载-位移滞回曲线如图6所示。双向往复荷载作用下RC短柱的滞回性能与单向往复荷载作用下的滞回性能相似。由滞回曲线可以看出:1) 在试件开裂前, 滞回环面积很小, 滞回曲线近似为直线, 试件处于弹性阶段;2) 试件开裂初期, 柱底部出现少量弯曲裂缝, 试件刚度逐渐下降, 滞回环呈梭形;3) 试件出现受剪斜裂缝后, 进入弹塑性阶段, 刚度进一步降低, 且在同一级荷载下刚度退化严重, 滞回环面积逐渐减小;4) 在达到最大水平荷载后, 残余变形增大, 曲线的捏缩现象较为明显;5) 试件S0-s和S0-w的滞回曲线中均显示出承载力突然下降, 反映了试件典型的脆性破坏特征;6) 对比试件S3, S5的滞回曲线, 发现同一试件X, Y向的滞回曲线发展趋势基本一致;7) 从单八字形和方形加载路径的试件S3, S5滞回曲线可以看出, 当X向正向加载至最大位移, 并且保持该值不变时, 开始增加Y向的位移, 会发现X向的承载力有下降的现象, 并且下降的数值随着Y向位移的增大而增大。在临近破坏阶段, Y向的位移加载至最大值时, X向的承载力几乎下降到0;8) 通过滞回曲线可以看出, 在达到最大强度前, 试件强度退化很小;在达到最大强度后, 试件强度退化明显。对比单向加载, 双向加载在更低的位移水平出现了更大的强度退化。

　　 在试验过程中, 观察试件破坏情况, 试验结果如表1所示。其中V_cr, U_cr分别为试件的开裂荷载及对应位移;V_max, U_max分别为试件的最大荷载及对应的位移;V_u, U_u分别为极限加载时对应的荷载及位移。

　　 根据实测荷载-位移滞回曲线的骨架曲线, 用能量等效面积法求其屈服位移U_y, 再用最大荷载V_max的0.85倍时所对应的位移作为极限位移U_u, 极限位移U_u和屈服位移U_y之比为位移延性比^[13], 表示为:

　　 试验中各试件的位移延性比均较小。与单向加载相比, 双向加载时, 得到的试件位移延性比更小, 表明双向加载降低了试件的延性。通过对比不同加载路径下试件的延性比发现, 加载路径对试件的延性影响较小。

　　 试件S0-s, S0-w均为单向加载, S0-s沿着试件长边方向加载, 为试件的强轴方向, 可以看出, 试件S0-s无论是开裂荷载还是承载力均比试件S0-w大。

　　 双向加载使得试件在X, Y两个方向的承载力均小于相应的单向加载情况。说明双向加载两轴之间具有较强的耦合作用, 一个方向加载使试件出现损伤, 削弱了试件另一方向的承载力。

　　 试件的刚度采用割线刚度, 试件的刚度退化曲线如图7所示。由于试件S1为斜向加载, 未分别测得X, Y向数据, 因此并未对试件S1的刚度退化进行分析。

　　 加载初期各试件的刚度退化过程较为剧烈, 随着位移的增大刚度退化过程趋于平缓, 但各试件均出现较大的刚度退化。双向加载试件与单向加载试件在X, Y向上的刚度退化趋势基本一致。对比各试件可以发现加载路径对试件刚度退化的影响较小。

　　 在图6的试件荷载-位移滞回曲线中, 加载曲线与卸载曲线包围的总面积即为结构耗散的能量。双向加载条件下, 试件在X, Y向的滞回耗能和总耗能可分别按式 (2) ~ (4) 计算^[14]:

　　 式中:E_X为某一级加载X向滞回耗能;E_Y为某一级加载Y向滞回耗能;E为某一级加载滞回总耗能;F_X为某一级加载X向柱顶加载点水平荷载;F_Y为某一级加载Y向柱顶加载点水平荷载。

　　 图8给出了试件累积滞回耗能与循环次数的关系。从图8可以看出, 对于单向加载, 试件在弱轴方向的耗能与强轴方向相似, 在第13~15次循环加载时弱轴的耗能甚至更高。这是由于对于受剪为主的试件, 在达到最大强度 (试件S0-w的第13次循环, 试件S0-s的第16次循环) 前, 试件的滞回耗能较小;而达到最大强度后, 试件的强度退化加剧, 滞回耗能迅速增加。

　　 与单向加载相比, 双向加载时, 试件的累积滞回耗能显著增加。试件S3与试件S5的累积滞回耗能较为接近, 均比试件S1大。表明加载路径对试件的累积滞回耗能有较大影响。

　　 通过对5根矩形截面RC短柱在低周往复加载下的试验研究和数据处理分析, 可以得到以下结论:

　　 (1) 所有试件均表现出明显的剪切破坏特征, 单向加载试件, 平行于加载方向的2个面上均出现宽度较大的对角斜裂缝;双向加载试件, 4个面均出现明显的斜裂缝。

　　 (2) 试件的延性均较低, 双向加载进一步降低了试件的延性。双向加载大大降低了试件的承载力, 在强轴方向尤为显著;但使得试件的累积滞回耗能显著增加。

　　 (3) 加载路径对试件的延性和刚度退化影响较小;对试件的累积滞回耗能影响较大。