钢筋混凝土短柱抗剪问题研究浅见

摘要：国内外历次大地震震害表明，钢筋混凝土短柱易发生脆性剪切破坏并引起结构的倒塌。本文总结了国内外开展的钢筋混凝土短柱抗震问题的若干进展，认为尽管国内外对短柱抗剪问题开展了较多的试验和理论分析工作，但其涉及的抗剪分析模型，延性抗震设计方法等仍未实现，宜开展进一步的研究。

关键词：钢筋混凝土短柱；抗剪强度；抗震能力；试验研究；理论分析

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

1. 引 言

钢筋混凝土柱在地震荷载下的破坏会导致建筑物倒塌，尤以短柱引起的破坏更为严重。国内外历次大地震震害调查表明，短柱由于刚度大，地震作用下分配到的剪力较大，其延性又较差，变形及耗能能力小，因而会率先破坏。尽管国内外对短柱抗剪问题进行了较多的试验研究和理论分析，但其涉及的抗剪强度验算、延性抗震设计理论等问题仍未很好解决，本文对钢筋混凝土短柱抗剪问题开展的相关研究进行了综述，总结了国内外的研究现状，以期推动钢筋混凝土短柱抗剪问题研究的进一步发展。

2. 国内外研究现状

钢筋混凝土框架柱由于同时承受弯矩、剪力与轴力的复合作用，其抗剪机理较为复杂，影响因素众多。同时，由于混凝土在复杂应力状态下的强度理论尚不成熟，混凝土开裂后内部变形协调关系尚不完善，因而至今没有能够从根本上解决剪切破坏的力学关系问题，由解析法建立剪切强度计算公式还相当困难。目前，钢筋混凝土框架柱抗剪强度的分析方法综合起来大致有以机理分析为基础的计算模型方法、以实验资料为基础的统计分析、非线性有限元分析方法等[1]。

早在1968年Yamada就提出了短柱的问题。经过研究，他与合作者们确定了短柱的划分界限，并提出了计算模型，包括有限元模型，临界应力点模型及桁架理论等。日本建设省建筑研究院在1978年组织了大规模的短柱单向及双向加载的试验研究工作。南宏一和若林实等日本学者在钢筋混凝土框架短柱破坏机理研究的基础上，借鉴劲性钢筋混凝土框架柱抗剪分析方法，建立了新的短柱剪切强度计算方法。他们认为，框架柱在弯矩、轴力、剪力等复合受力作用下，其内力由梁机理和拱机理共同承担。由累加强度理论，将两部分抗力相叠加，得到构件的总抗力。这种分析模型称之为桁架－拱模型。Jirsa及合作者们研究了短柱双向受荷时的特性及不同加载历史的影响，提出了经验计算公式。Kaneko、Tanaka等人的研究结果指出：主筋粘结对短柱特性有很大的影响，并据此提出了桁架计算模型[2]。

西安冶金建筑学院周小真、姜维山[3]制作了18个短柱试件。所有试件剪跨比均为1.0，通过在低周反复循环水平荷载及高轴压作用下的试验研究。探讨了高轴压作用下短柱的抗震性能。通过试验分析，得出的结论如下：1) 轴压比是影响钢筋混凝土短柱抗震性能的主要因素。轴压比小于0.8时，抗剪强度随轴压比的增加而增加，延性随轴压比的增加而减小；轴压比大于0.8时，抗剪强度随轴压比的增加而减小，此时，构件不具有延性。2) 短柱的破坏形态有弯曲，剪切，高剪压等形式，它们与轴压比、混凝土强度、配筋率等因素有关。3) 小剪跨比的短柱，低配箍率时箍筋对短柱抗剪强度作用较小。这时因为短柱出现斜裂缝，主要取决于混凝土本身的力学性能，构件出现斜裂缝，混凝土已失去了整体性，刚度及承载力急剧下降。箍筋在混凝土剪裂后应力增加，但难以补偿混凝土强度的下降。

王辉家[4]通过对30根截面为140mm140mm，剪跨比＝1，纵筋配筋率为1.6%的小剪跨比钢筋混凝土框架短柱受剪破坏的过程和特点的试验研究，着重分析构件抗剪强度随轴压比变化的规律；得出以下结论：1) 抗剪强度与轴压比的关系呈非线性，随着轴压比的增大，抗剪强度先增后减。2) 小剪跨比构件的破坏形态可以分为剪切斜拉破坏及高压剪破坏两种类型。轴力较小时为剪切斜拉破坏，机理与框架节点区的破坏机理类似，短柱达到其抗剪强度时受压纵筋屈服；轴力较大时为高压剪破坏，破坏形态类似于小偏压构件，在反复荷载作用下，柱中两侧混凝土逐渐破碎，核心区混凝土面积逐渐减小，最后在高轴压及水平力的共同作用下，由于柱中主压应力达到抗压强度而使之产生破坏。3) 小剪跨比构件的抗剪强度，宜考虑纵筋的有利影响。4) 小剪跨比构件的延性很小。要使其延性满足抗震要求，应从构造入手，设法将剪切破坏形态转变为弯曲型破坏形态。5) 抗剪强度随轴压比而变化，其规律是当轴压比小于（0.4～0.5）时，轴压力使抗剪强度提高，而当轴压比大于（0.4～0.5）时，轴压力使抗剪能力降低。6) 一般配箍率的增大对高轴压构件抗剪强度无明显影响。

天津大学杨建江、康谷贻[5]采用桁架－拱模型，利用平衡条件、协调条件和混凝土软化应力－应变关系以及钢筋的应力－应变关系，对钢筋混凝土框架短柱抗剪强度进行了分析，并利用该方法对国内所做63个普通混凝土框架短柱的试验结果进行了强度分析，计算结果与试验结果复合较好。在此基础上，利用陶粒混凝土的软化应力－应变关系，对其完成的9根钢筋高强陶粒混凝土框架短柱试验结果作了对比分析，取得了较好的效果。

梁书亭、蒋永生[6]进行了6组18个高强混凝土圆柱体试件的试验研究。得出以下结论：

1) 采用X形配筋后, 高强钢筋混凝土圆形短柱的抗剪能力明显提高。2) 配置X形筋后混凝土的强度和极限变形将有所增加。3) 当高强混凝土圆柱体配置X形筋和螺旋箍筋时，将对混凝土产生双重约束，从而使混凝土的强度和变形有较大的提高。4)对X形配筋高强混凝土圆形短柱反复荷载下的试验可知, 其受剪承载力较一般高强混凝土圆形短柱高, 滞回曲线丰满, 骨架曲线下降段平缓, 位移延性系数较大, 刚度退化较缓慢, 耗散地震能量的能力强, 是改善高强混凝土短柱抗震耗能能力的有效手段。

贾金青、赵国藩[7]对12根高强混凝土框架短柱在反复荷载作用下的力学性能进行了试验研究，得出如下结论：1) 高强混凝土框架短柱与普通混凝土框架短柱的破坏形态类似，剪切破坏的形态主要为剪压破坏。2) 高强混凝土框架短柱的位移延性随轴压比的增大而降低，随配箍率的增大而提高。3) 高强混凝土框架柱的抗剪强度随着轴压比增大而提高，但轴压比达到一定程度后抗剪强度不再提高，本试验中轴压比超过0.6以后抗剪强度不再提高。根据抗剪强度和轴压比的关系分析，高强混凝土短柱计算抗剪强度时考虑对其影响的轴压比限值取0.4是合理的。

Priestley[8]等人通过对大量钢筋混凝土桥墩模型的反复荷载试验研究后指出:对桥墩塑性铰区的剪切强度必须加以重视，塑性铰区的抗剪强度低于非塑性铰区的抗剪强度。试验表明，斜裂缝与柱轴的夹角随延性的增加而减小，反映了析架机构抗剪能力的提高。他们同时认为轴向力的存在使斜压机构产生的抗剪能力的提高应单独作为抗剪强度中的一个独立因素，墩柱的残余剪切强度由三个独立的部分组成，即与延性水平有关的混凝土部分，与剪跨比有关的轴压力部分及与箍筋有关的桁架部分。

Ang等人完成了25根直径为400mm的圆形钢筋混凝土桥墩模型在反复荷载下的抗震试验。模型的剪跨比在2.5以内变化，轴压比为0-0.2，纵筋配筋率均为3.2，横向钢筋配筋率为0%-1.02%，实测混凝土圆柱体轴心抗压强度为29.6MPa-37.5MPa。试验结果表明，初始剪切强度随着剪跨比的降低和轴压比的增大而提高，但将实验数据根据剪跨比的不同分组后发现，剪跨比只在2.0以内对构件有着明显的影响，大于2.0时，剪跨比的影响逐渐消失；试验还发现，轴向荷载对残余剪切强度的影响相对于初始剪切强度影响明显降低，横向钢筋约束核心区混凝土对混凝土部分抗剪能力有影响。

3. 结 论

尽管国外对钢筋混凝土短柱抗剪问题开展了不少研究，但涉及的短柱抗剪强度分析模型，延性抗震设计理论等关键问题仍未很好解决，对此应进行进一步的研究，以充分保证结构抗震安全。

参考文献

[1] 王东升,司炳君,孙治国,等. 地震作用下钢筋混凝土桥墩塑性铰区抗剪强度试验[J]. 中国公路学报, 2011, 24(2): 34-41.

[2] 司炳君.普通及高强钢筋混凝土桥墩地震抗剪强度研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2008.

[3] 周小真,姜维山.高轴压作用下钢筋混凝土短柱抗震性能的试验研究[J]. 西安冶金建筑学院学报, 1985, 42(2): 103-119.

[4] 王辉家.压弯剪作用下钢筋混凝土短柱抗剪性能试验研究[J].西安冶金建筑学院学报, 1989, 21(1): 76-84.

[5] 杨建江,康谷贻.钢筋混凝土框架短柱复合受力强度分析模型[J].天津大学学报, 1997, 30(4): 473-479.

[6] 梁书亭,蒋永生,朱敏杰,等.X型配筋高强混凝土短柱抗震性能试验研究[J].东南大学学报, 1997, 27(S1): 33-38.

[7] 贾金青,赵国藩.高强混凝土框架短柱力学性能的试验研究[J].建筑结构学报, 2001, 22(3): 43-47.

[8] Priestley M J N, Verma R. Seismic shear strength of reinforced concrete columns [J]. Journal of Structural Engineering, ASCE, 1994, 120(8): 2310-2329.

[9] Ang B G, Priestley M J N, Paulay T. Seismic shear strength of circular reinforced concrete columns [J]. ACI Structural Journal, 1989, 86(1): 45-59.