鋼筋混凝土深梁填充鋼框架抗震性能試驗(yàn)

鄭 宏，胡立黎，劉 源，肖 峰

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安，710061；2. 中煤國(guó)際工程集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院，江蘇 南京，210096)

地震導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的倒塌是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的塑性變形能力小于需要的能力，而基于承載力的設(shè)計(jì)并不能保證結(jié)構(gòu)達(dá)到這種要求[1]。鋼框架和剪力墻填充鋼框架是2種常用的結(jié)構(gòu)體系。在地震作用下，鋼筋混凝土剪力墻裂縫出現(xiàn)早，后期以剪切破壞為主，且震后不易修復(fù)。鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)延性和抗震性能良好，但鋼框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小導(dǎo)致側(cè)向位移大，易引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，在高地震烈度區(qū)的使用受到限制[2-3]。為滿足結(jié)構(gòu)在2個(gè)端點(diǎn)剛度之間變化的要求，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)剛度漸變調(diào)幅[4-8]，可將深梁作為一種新型抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形式[9-10]。Kahn等[11]最早提出將鋼筋混凝土板內(nèi)填在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。Kesner等[12-13]將纖維混凝土板用于鋼框架抗震加固。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的單位面積的質(zhì)量約為 650 kg/m2，分別是磚混結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的 43%和54%[14]。減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量不僅可大大減少工程造價(jià)，更有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，因此，組合結(jié)構(gòu)得到了快速的發(fā)展?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2002)規(guī)定：深梁是指跨高比 l0/h0≤2.0的簡(jiǎn)支梁或跨高比l0/h0≤2.5的連續(xù)梁。鋼筋混凝土深梁填充鋼框架結(jié)構(gòu)是將跨高比 l0/h0≤2.0的鋼筋混凝土板內(nèi)置于框架結(jié)構(gòu)中，混凝土板上下兩端與上下層框架梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接。在此，本文作者為了研究鋼筋混凝土深梁填充鋼框架的抗震性能，設(shè)計(jì)了縮尺的混凝土深梁填充鋼框架結(jié)構(gòu)在水平低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)，并通過(guò)改變深梁高度考察其對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

為了對(duì)比分析，試驗(yàn)試件分為2類：鋼框架和2個(gè)深梁填充鋼框架結(jié)構(gòu)(編號(hào)依次為 PF，RDBF-A，RDBF-B)。試驗(yàn)所用鋼材均為Q235B，框架柱、梁均采用HW200×200×8×12型鋼，柱軸線距離為1 800 mm。梁柱節(jié)點(diǎn)處設(shè)加勁肋，剛性連接。柱腳剛性連接，設(shè)置4個(gè)150 mm×250 mm×12 mm(長(zhǎng)×寬×厚)加勁肋，6個(gè)M24高強(qiáng)度摩擦型螺栓與基座梁固定。

鋼筋混凝土深梁的尺寸如圖1所示?；炷涟迳狭粲羞B接用的螺栓孔，強(qiáng)度等級(jí)為C30。深梁與框架的連接方法為：在混凝土板上下端、鋼框架梁下翼緣和底梁上鋼板留有螺栓孔，用角鋼的一肢將混凝土板夾緊并用螺栓固定；角鋼的另一肢分別與框架梁下翼緣和基座梁上鋼板通過(guò)螺栓固定(見(jiàn)圖2)。連接螺栓采用摩擦型高強(qiáng)螺栓M20，RDBF-A共18個(gè)，RDBF-B共48個(gè)，連接角鋼為∠80 mm×8 mm(肢長(zhǎng)×厚)。

試驗(yàn)加載裝置如圖3所示，水平加載設(shè)備采用美國(guó)的 MTS電液伺服程控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)。采用帶有低摩擦球鉸的2個(gè)同步油壓千斤頂施加軸壓力3×105N。首先施加軸壓力，在試驗(yàn)過(guò)程中保持不變；然后，施加水平低周往復(fù)荷載，采用位移加載方式。屈服前，每級(jí)位移循環(huán)加載1次；屈服后，每級(jí)位移循環(huán)加載3次。荷載加載到水平荷載下降至峰值荷載的85%或結(jié)構(gòu)破壞時(shí)。在框架梁、框架柱和深梁上都配置一定數(shù)量的百分表和應(yīng)變片。使用360通道7D-602數(shù)據(jù)采集儀器自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 鋼筋混凝土深梁Fig.1 Reinforced concrete deep beam

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 加載過(guò)程

2.1.1 PF的加載過(guò)程

當(dāng)位移較小時(shí)，僅在螺栓連接處產(chǎn)生響聲，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化。當(dāng)水平位移加載至25 mm時(shí)，框架柱腳開(kāi)始出現(xiàn)屈服，柱表面油漆開(kāi)始剝落。隨著荷載的增大，柱腳屈服越明顯，柱翼緣局部屈曲。當(dāng)水平位移為37 mm時(shí)，框架右側(cè)節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)油漆開(kāi)始剝落，且上蓋板焊縫開(kāi)始出現(xiàn)裂縫；當(dāng)水平位移為41 mm時(shí)，右側(cè)梁柱節(jié)點(diǎn)上蓋板焊縫完全斷開(kāi)，且節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板裂縫開(kāi)展貫通，框架破壞，試驗(yàn)結(jié)束。框架梁在整個(gè)加載過(guò)程中無(wú)明顯變化，框架柱腳最終破壞形態(tài)如圖4所示。

圖2 深梁的連接Fig.2 Connectors of RC deep beam

圖3 加載裝置示意圖Fig.3 Diagram of experimental apparatus

圖4 框架的破壞模式Fig.4 Damage models of steel frame

圖5 RDBF-A的混凝土深梁破壞模式Fig.5 Damage models of RDBF-A’s deep beam

2.1.2 RDBF系列的加載過(guò)程

RDBF-A和RDBF-B的框架破壞過(guò)程與PF破壞過(guò)程相同。2個(gè)填充的混凝土深梁均是隨著外荷載的逐漸增加，首先在深梁的4個(gè)角部出現(xiàn)混凝土壓碎，在底部連接處產(chǎn)生水平裂縫；同時(shí)，在深梁中部產(chǎn)生斜向裂縫。隨著荷載方向不斷變化，斜向裂縫產(chǎn)生“閉”與“合”現(xiàn)象。最終深梁由于底部連接螺栓孔處水平裂縫貫通破壞模式如圖5和6所示。

2.2 荷載-位移滯回曲線

在反復(fù)荷載作用下，PF和RDBF試件的荷載-位移滯回曲線如圖7～9所示。從圖7～9可知：試件經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段、塑性階段和承載能力下降段；隨著荷載的增大，試件的剛度不斷退化；在彈性階段滯回曲線成直線，結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)揮耗能能力；試件的滯回環(huán)總體上較為飽滿，呈現(xiàn)紡錘形。但進(jìn)入塑性階段后期，PF試件滯回環(huán)不出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象，而RDBF試件滯回曲線出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象，并逐漸向反“S”形發(fā)展，RDBF-B表現(xiàn)尤為明顯。

圖6 RDBF-B的混凝土深梁破壞模式Fig.6 Damage models of RDBF-B’s deep beam

圖7 PF荷載-位移滯回曲線Fig.7 Hysteresis loops of PF

圖8 RDBF-A荷載-位移滯回曲線Fig.8 Hysteresis loops of RDBF-A

圖9 RDBF-B荷載-位移滯回曲線Fig.9 Hysteresis loops of RDBF-B

圖10 RDBF與PF骨架曲線對(duì)比圖Fig.10 Skeleton curves of RDBF-B，RDBF-A and PF

3 試驗(yàn)分析

3.1 承載能力分析

圖10所示為3種試件的骨架曲線對(duì)比曲線。從圖10可以看出：初始剛度從大到小的順序?yàn)镽DBF-B，RDBF-A，PF；在相同的加載位移下，內(nèi)填高度較大的深梁RDBF-B試件的承載力最高，純鋼框架PF的承載力相對(duì)最低。試件的屈服荷載(Fy)和最大荷載(Fu)的實(shí)測(cè)值如表1所示。從表1可以看出：RDBF-A的屈服荷載和最大荷載與PF的相比分別提高了8%和12%；RDBF-B的屈服荷載和極限荷載與PF的相比分別提高了45%和52%。因此，內(nèi)填鋼筋混凝土深梁在提高鋼框架初始剛度、屈服荷載和極限承載力方面均有顯著效果，解決了純鋼框架初始剛度不足的缺陷。

3.2 延性分析

試件的屈服位移(Δy)、最大位移(Δmax)和位移延性系數(shù)(μ=Δmax/Δy)的實(shí)測(cè)值如表 1所示。從表 1可以看出：試樣 PF，RDBF-A和 RDBF-B屈服位移依次減小，3種試件屈服位移遞減說(shuō)明鋼框架填充鋼筋混凝土深梁作為抗側(cè)力構(gòu)件起到了減小框架層間位移的作用，顯示出內(nèi)填深梁可防止鋼框架受力變形過(guò)大。RDBF-A和RDBF-B的位移延性系數(shù)分別比PF的提高了38%和34%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的抗震性能提高。同時(shí)，內(nèi)填深梁構(gòu)件均先于鋼框架退出工作，鋼框架則隨后喪失工作能力，體現(xiàn)了深梁可作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的第一道防線。

表1 試驗(yàn)試件的屈服荷載(Fy)、最大荷載(Fu)、屈服位移(Δy)、最大位移(Δmax)和位移延性系數(shù)(μ)Table1 Test results of yield load(Fy), maximal load(Fu),yield displacement(Δy), maximal displacement(Δmax) and displacement ductility(μ)

3.3 耗能能力分析

結(jié)構(gòu)體系在加載過(guò)程中P-Δ圍成的面積為其吸收能量的總和，即應(yīng)變能的總和，則滯回環(huán)包圍的面積為結(jié)構(gòu)耗散的能量。圖11所示為試件的能量耗散系數(shù)歷程變化，從圖 11可以看出：PF，RDBF-A以及RDBF-B能量耗散系數(shù)隨著加載位移的增大均呈線增大趨勢(shì)，但對(duì)于相同的加載位移情況下能量耗散系數(shù)從大到小依次為 RDBF-A，RDBF-B，PF；RDBF-B比PF的增幅小，而RDBF-A比其他2種結(jié)構(gòu)體系增幅大。綜合耗能和延性情況，內(nèi)填鋼筋混凝土深梁在一定程度上可提高結(jié)構(gòu)對(duì)地震能量耗散性能，但應(yīng)綜合考慮鋼框架與內(nèi)填深梁剛度的匹配問(wèn)題，降低滯回曲線“捏縮”程度，確定整體結(jié)構(gòu)體系能量耗散性最佳的鋼筋混凝土深梁尺寸。

3.4 承載能力退化分析

承載力退化系數(shù)反映同一級(jí)加載各次循環(huán)承載力降低的程度。試件承載力退化系數(shù)如表2所示。從表2可知：雖然隨著加載位移的增大，RDBF-A和RDBF-B的退化系數(shù)減小趨勢(shì)略有增大，但是各級(jí)承載力退化系數(shù)均接近 1，說(shuō)明試件在同級(jí)循環(huán)荷載作用下承載力比較穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，隨著深梁的逐漸破壞，并沒(méi)有導(dǎo)致整體鋼結(jié)構(gòu)的承載能力急速退化，只是在破壞后期承載力退化系數(shù)隨加載位移的增大呈現(xiàn)略微增加的趨勢(shì)，說(shuō)明破壞嚴(yán)重的深梁仍能承受一定荷載。因此，填充混凝土深梁的鋼框架在水平低周反復(fù)加載情況下，結(jié)構(gòu)承載力的穩(wěn)定性能良好。

圖11 PF，RDBF-A和RDBF-B的能量耗散系數(shù)曲線Fig.11 Curves of energy dissipation coefficient of RDBF-A,RDBF-B and PF

表2 RDBF-A和RDBF-B承載力退化系數(shù)Table2 Coefficient of carrying capacity degeneration for RDBF-A and RDBF-B

4 結(jié)論

(1) 在水平低周反復(fù)荷載作用下，內(nèi)填鋼筋混凝土深梁鋼框架結(jié)構(gòu)的荷載-位移滯回曲線飽滿，呈現(xiàn)紡錘形。結(jié)構(gòu)的承載能力、延性和耗能能力均優(yōu)于鋼框架結(jié)構(gòu)，且承載能力穩(wěn)定。通過(guò)改變鋼筋混凝土深梁的跨高比可調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)剛度能在一定范圍內(nèi)調(diào)幅。

(2) 內(nèi)填鋼筋混凝土深梁鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能良好。鋼筋混凝土深梁可作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的第1道防線，鋼框架作為第2道防線。

(3) 鋼筋混凝土深梁作為一種抗震加固構(gòu)件，采用高強(qiáng)螺栓與框架連接，安裝或拆卸方便，也可工廠預(yù)制，因此可應(yīng)用于新建的鋼框架結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)改造、加固與修復(fù)。

[1] 閻奇武, 唐瑩瑩, 陳康華. 組合連梁與墻肢節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009, 40(2):504-510.

YAN Qi-wu, TANG Ying-ying, CHEN Kang-hua. Experimental study on restoring force models of composite coupling beam and pier joints[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2009, 40(2): 504-510.

[2] 陳紹蕃, 顧強(qiáng). 鋼結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2007:34-39.

CHEN Shao-fan, GU Qiang. Steel structure[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2007: 34-39.

[3] 劉大海, 楊翠如. 高樓鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2004: 20-25.

LIU Da-hai，YANG Cui-ru. Steel structure design of tall building[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2004:20-25.

[4] 米旭峰. 帶豎縫鋼筋混凝土剪力墻的設(shè)計(jì)與構(gòu)造研究[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009, 23(5): 387-390.

MI Xu-feng. Design rules and constructional measures of RC slit walled system[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2009, 23(5): 387-390.

[5] 王恒, 余安東, 郝際平. 帶縫鋼板剪力墻性能研究[J]. 鋼結(jié)構(gòu),2007, 22(9): 70-72.

WANG Heng, YU An-dong, HAO Ji-ping. Analysis on the behaviors of steel shear wall with slits[J]. Steel Construction,2007, 22(9): 70-72.

[6] 曹春華, 郝際平, 王迎春, 等. 開(kāi)縫薄鋼板剪力墻低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2008,40(1): 46-52.

CAO Chun-hua, HAO Ji-ping, WANG Ying-chun, et al. Cyclic test of thin steel plate shear wall with slits[J]. Journal of Xi’an University of Architecture and Technology: Natural Science Edition, 2008, 40(1): 46-52.

[7] 郝際平, 曹春華, 王迎春, 等. 開(kāi)洞薄鋼板剪力墻低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究[J]. 地震工程與工程振動(dòng), 2009, 9(2): 79-85.

HAO Ji-ping, CAO Chun-hua, WANG Ying-chun, et al. Test on thin steel plate shear wall with opening under cyclic loading[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2009, 9(2): 79-85.

[8] 繆友武, 董全利, 郭彥林. 兩側(cè)邊開(kāi)縫鋼板剪力墻彈性屈曲分析[J]. 鋼結(jié)構(gòu), 2007, 22(9): 95-98.

MIU You-wu, DONG Quan-li, GUO Yan-lin. Elastic bucking behavior of steel plate shear walls slotted at two edges[J]. Steel Construction, 2007, 22(9): 95-98.

[9] 鄭宏, 楊飛穎, 張維剛. 鋼板深梁屈曲分析[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 24(3): 31-34.

ZHENG Hong, YANG Fei-ying, ZHANG Wei-gang. Buckling analysis on steel plate deep beam[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering, 2007, 24(3): 31-34.

[10] ZHENG Hong，ZHOU Xu-hong. Parameter study of hysteretic behavior of steel beams in ANSYS[C]//JIANG Yong, LIU Kai.Proceedings of the Second International Conference on Modeling and Simulation. Manchester, England: World Academic Press, 2009: 91-96.

[11] Kahn L F, Hanson R D.Infilled walls for earthquake strengthening[J]. J Struct Div ASCE, 1979, 105(2): 283-296.

[12] Kesner K E. Development of seismic retrofit and strengthening strategies for critical facilities using engineered cementitious composite materials[D]. Ithaca: The Ithaca Compus, Cornell University, School of Civil Engineering, 2003: 113-120.

[13] Kesner K, Billington S L. Investigation of infill panels made from engineered cementitious composites for seismic strengthening and retrofit[J]. Journal of Structural Engineering,2005, 131(11): 1712-1720

[14] 陶紅林, 劉甲銘. 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)住宅建筑體系技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J]. 建筑經(jīng)濟(jì), 2007, 30(12): 110-111.

TAO Hong-lin, LIU Jia-ming. Techno-economic analysis of steel-concrete composite structure[J]. Construction Economy,2007, 30(12): 110-111.