节能减排是我国可持续发展的必然要求,若能淘汰落后的低强度高耗能的钢材,积极推广高强钢材的使用,将会产生巨大的经济和社会效益 ^[1,2,3]。目前,我国建筑业所用钢材的强度与发达国家相比普遍要低。美国规范规定结构用于受压的钢筋强度可达690MPa;日本规范规定柱内允许使用的钢筋强度已达685MPa;俄罗斯和欧洲规范中钢筋强度的最大值均已达到600MPa;而我国在2013年才将600MPa级钢筋纳入《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》(GB 1499.2—2013)中 ^[4]。高强钢筋在国外已广泛应用,国外学者对高强钢筋的研究已取得一些成果,且主要集中于无屈服台阶钢筋以及高强箍筋的研究 ^[5,6,7]。600MPa级钢筋作为一种强度高,延性好的新型钢筋 ^[8,9],近两年,国内各大高校先后开展关于600MPa级钢筋混凝土构件受力性能等方面的研究 ^[10,11,12],但该方面研究属于起步阶段,研究成果并不充分,因此,有必要进一步开展关于HRB600E钢筋混凝土柱抗震性能的研究,确保其结构的抗震性能,探究HRB600E钢筋在混凝土结构中的适用性,其试验结果可作为修订相关规范的理论依据。

　　 设计制作7个钢筋混凝土矩形柱试件,研究轴压比、配箍特征值、钢筋等强度代换对试件抗震性能的影响,试件设计参数见表1。试件剪跨比为3.5,柱高H=1 200mm,截面尺寸为300mm×300mm,试件配筋见图1。混凝土设计强度等级为C50,按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50512—2012)对标准立方体试块进行抗压强度试验,得出混凝土轴心抗压强度为31.64MPa,弹性模量为34.4GPa。按照《金属材料 拉伸试验 第1部:室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)中规定,对各钢筋试样进行拉伸试验,其力学性能如表2所示。试件采用立式加载,竖向轴力使用千斤顶施加在柱截面几何形心处,水平荷载通过反力墙上的液压伺服作动器,与夹梁连杆系统相连施加在柱头中心。根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015),试验采用荷载-位移混合控制加载,竖向轴力保持恒定,水平力采用荷载控制时,每级荷载反复一次直至试件钢筋达到屈服,以此时位移的整数倍为级差进行位移控制加载,每级位移反复三次,当荷载降低到极限荷载的85%时试件达到破坏。试验加载装置见图2。

　　 各试件破坏时塑性发展较好,均为弯曲破坏,如图3所示。试件底部首先出现细微的水平裂缝;加载至屈服状态,非加载面的裂缝斜向下延伸,逐渐形成弯剪斜裂缝;加载至极限状态,斜裂缝交叉,柱底混凝土起皮被压裂,HRB600E纵筋受拉屈服,受压应变接近屈服应变,加载面产生竖向裂缝;继续加载,部分HRB600E箍筋达到屈服,柱底混凝土被压碎,保护层剥落,钢筋外露,试件达到破坏。

　　 各试件破坏均发生在柱底塑性铰区,变形性能和延性较好,且HRB600E钢筋的强度能够得到发挥。轴压比增加使骨料间咬合作用增强,试件开裂荷载增大,塑性铰形成较晚,极限位移减小。配箍特征值增加,非加载面的斜裂缝数量减少,开展较慢。采用HRB600E钢筋等强代换另两种钢筋,试件裂缝宽度增大,数量增多,混凝土压碎更加严重,破坏位移减小,试件的塑性降低。

　　 滞回曲线是一项重要的抗震性能指标,也是骨架曲线、延性、刚度退化、耗能性能等指标的基础。各试件测得的滞回曲线见图4。

　　 各试件滞回曲线呈饱满对称的梭形。配有HRB600E钢筋的试件C-F3在加载初期,位移和滞回环面积较小,刚度较大;荷载控制阶段,试件刚度退化,残余变形相对较小;位移控制阶段,随位移增加,承载力下降缓慢,所形成的滞回环愈加丰满,且捏缩现象不明显,表明HRB600E钢筋具有良好的耗能能力和变形性能。轴压比增大,试件C-F3的滞回环形状比试件C-F1更加饱满,单次循环耗能能力有所增加,但循环次数减少,每次加载残余位移减小,试件延性降低。配箍特征值增大,试件C-G1达到极限荷载后试件承载力比试件C-G2下降更加平缓。随着钢筋强度提高,试件C-F2与试件C-Q1相比,试件C-F2的滞回环面积和循环次数减少,表明采用高强钢筋等强度代换会相对降低试件的耗能能力。

　　 各试件骨架曲线如图5所示,图中s为箍筋间距,余同。试件屈服点由等值能量法确定;破坏荷载取极限荷载的85%;同时采用位移延性系数来比较各试件的延性,按式(1)计算。各试件主要试验结果见表3。

　　 $\mu =\frac{\Delta {}_{\text{u}}}{\Delta {}_{\text{y}}}(1)$

　　 式中:μ为位移延性系数;Δ_u为试件破坏状态时的柱顶位移;Δ_y为试件屈服状态时的柱顶位移。

　　 各试件骨架曲线总体较为对称,位移延性系数均值都达3以上,表明配有HRB600E钢筋的混凝土柱具有较好的变形能力,满足结构抗震的延性要求。随着轴压比的增加,试件C-F3比试件C-F2的开裂荷载增大了81.6%,比试件C-F1的承载力增大了30.6%,但骨架曲线下降段陡峭,试件C-F1,C-F2,C-F3的破坏位移分别为55.69,44.87,39.39mm,位移延性系数分别为4.61,3.51,3.43,表明轴压比增加,试件开裂荷载和承载力增大,极限位移减小,延性降低。配箍特征值增大,骨架曲线在弹性阶段基本重合,下降段更加平缓。试件C-G1,C-G2的开裂荷载和极限荷载均相差很小,试件C-F2,C-G1的位移延性系数分别为3.51,3.63,表明增大配箍特征值可以充分发挥高强箍筋对核心区混凝土和纵筋的约束作用,提高试件的延性性能。随着钢筋强度的提高,骨架曲线上升和下降段更加陡峭,试件C-F2,C-Q1的极限荷载分别为196.97,178.57kN,位移延性系数分别为3.51,4.53,表明采用高强钢筋等强度代换,承载力稍有增加,位移延性系数降低但是仍满足规范要求,可以达到节省钢材的目的。

　　 为研究HRB600E钢筋在试件中的工作状况和利用程度,对纵筋应变进行分析。试验过程中柱底弯矩值最大,选取柱底对角处纵筋应变片作为研究对象。由于极限状态后纵筋应变片多超出量程或损坏,故纵筋应变仅给到极限状态,如表4所示。

　　 由表4可知,HRB600E钢筋的工作状况同HRB500和HRB400类似,在屈服状态下,纵筋受拉均达到屈服,受压应变仅为实测屈服应变的50%～60%;加载至极限荷载时,HRB600E纵筋受压应变均超过屈服应变-3 306μɛ,即纵筋可以达到受压屈服。

　　 荷载下,纵筋受拉屈服后受压时出现塑性应变软化,屈服应力降低的现象,导致试件承载能力有所下降,但试件总是处在一侧受压一侧受拉的状态,所以正负向加载对应的性能仍较为对称。

　　 由于纵筋受拉受压均可以发挥其强度,各试件承载力计算值以实测屈服强度按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(简称混规)矩形截面偏心受压构件承载力计算公式得出,各弯矩承载力见表5。

　　 试验中各试件均为弯曲破坏,弯矩承载力试验值与计算值差值百分比均在20%以内,且试验值与计算值比值的均值为1.15,试验值与计算值吻合较好,表明混规中矩形截面偏心受压承载力计算公式,对配置HRB600E钢筋混凝土矩形柱依然适用。

　　 刚度是指结构构件抵抗变形的能力,是抗震性能的一个重要指标,各试件刚度退化曲线如图6所示。

　　 各试件的刚度退化曲线呈非线性且对称性良好。加载至开裂,试件进入弹塑性阶段,曲线最为陡峭;加载至屈服后,材料的塑性性能得到发展,刚度退化速率有所降低;加载至极限状态之后,塑性变形继续发展累积,刚度退化速率趋于平缓。

　　 轴压比增加,试件C-F3的初始刚度明显增大,随着加载位移变大,竖向荷载加剧了钢筋的弯曲和混凝土的压碎,使得刚度退化的速率加快;配箍特征值的改变对试件的刚度退化没有明显的影响。随着钢筋强度的提高,试件C-F2刚度退化速率缓降时的位移相对较大,加载后期刚度退化更平缓。

　　 各试件等效黏滞阻尼系数随位移的变化趋势见图7。加载初期,试件处于弹性阶段,裂缝开展较少,滞回环面积增加的速率低于弹性面积的增加速率,因此,曲线在初期呈现出下降趋势;随着裂缝的开展,试件进入弹塑性阶段,塑性耗能逐渐增多,曲线稳步上升。高轴压比试件C-F3在加载初期,试件产生一定的位移需要消耗更多能量,使试件获得更大的耗能能力;低轴压比试件C-F1在加载后期,由于塑性耗能的充分发挥,临近破坏时才可得到较大的耗能能力。配箍特征值增大,试件C-G1的曲线明显高于试件C-F2,C-G2,表明增大配箍特征值可使试件的耗能能力提高。随着钢筋强度提高,试件C-F2的曲线要低于试件C-Q1的曲线,表明钢筋强度的提高使试件的耗能能力下降,由于HRB600E,HRB500和HRB400三种钢筋的弹性模量基本相同,并且HRB600E钢筋的强屈比和均匀伸长率相对较小,致使配置HRB600E钢筋的试件屈服位移变大,到达极限状态时位移又相对较小,故延性降低,刚度较大,使滞回环变窄,耗能下降。但HRB600E钢筋的各项指标均满足规范的要求。

　　 (1)配有HRB600E钢筋的混凝土柱试件均发生弯曲破坏,HRB600E钢筋能够发挥强度优势,其滞回曲线呈饱满对称的梭形,表现出较好的承载能力和耗能能力,各试件的位移延性系数均满足结构抗震的延性要求,表现出较好的延性和塑性性能。

　　 (2)增加轴压比,试件裂缝开展缓慢,滞回环形状更加饱满,承载力增大,刚度退化速率加快,延性降低,加载初期试件可获得更大的耗能能力。

　　 (3)增大配箍特征值,非加载面的斜裂缝出现较晚,数量减少,骨架曲线的下降段更加平缓,试件的延性和耗能能力均有提升。

　　 (4)配有HRB600E钢筋的混凝土柱试件承载能力稍有增加,延性和耗能能力有所降低但仍满足规范要求,可以达到节省钢材的目的。