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    矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架抗震性能分析

    2019-07-11 07:08:24管民生黃獻(xiàn)奇杜宏彪張金剛
    關(guān)鍵詞:高強(qiáng)屈服矩形

    管民生 ,黃獻(xiàn)奇 ,杜宏彪 ,張金剛

    (深圳大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東 深圳 518060)

    矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載能力高、延性好、耗能能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1],同時(shí),相比圓鋼管混凝土,其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單,與梁連接方便,在高層以及超高層建筑中得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-5].目前有關(guān)矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要集中于構(gòu)件[6-8]和節(jié)點(diǎn)[9-11]的基本力學(xué)性能和抗震性能,對(duì)結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究還很少.在結(jié)構(gòu)體系層次的試驗(yàn)研究主要以單層單跨框架結(jié)構(gòu)為主[12-13],多層框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)嚴(yán)重偏少.另一方面,試驗(yàn)用的混凝土材料主要集中于中低強(qiáng)度等級(jí)[12-15],高強(qiáng)混凝土框架的試驗(yàn)較少.

    將高強(qiáng)混凝土應(yīng)用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu),通過(guò)鋼管的約束作用,使高強(qiáng)混凝土處于三向受壓狀態(tài),脆性得到改善,同時(shí)充分利用其高承載力,可節(jié)省建筑材料用量,有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.本文采用內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)制作了一榀單跨兩層矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)試件,鋼管內(nèi)填C100 高強(qiáng)混凝土,對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn),分析了矩形鋼管混凝土框架的破壞形態(tài)與破壞機(jī)制,研究了模型試件的抗震性能.在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,利用Perform-3D 有限元軟件對(duì)試驗(yàn)框架進(jìn)行參數(shù)分析,綜合評(píng)估其抗震性能,為矩形高強(qiáng)混凝土框架抗震設(shè)計(jì)提供參考.

    1 試驗(yàn)概況

    1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

    設(shè)計(jì)了一榀單跨兩層矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架試驗(yàn)構(gòu)件,考慮了實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地條件及設(shè)備加載能力,根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程的條文要求[16-17],將實(shí)驗(yàn)?zāi)P桶凑赵叽邕M(jìn)行1∶3 的比例縮放.如圖1所示,試驗(yàn)構(gòu)件為跨度1.5 m、層高均為0.9 m 的單跨雙層試件.矩形鋼管柱由厚度為8 mm 的Q345B 的鋼板焊接而成,截面尺寸為150 mm×200 mm,鋼管內(nèi)填C100 高強(qiáng)混凝土,鋼梁使用Q235B 的普通工字型鋼I20a[4],鋼材和混凝土的力學(xué)性能分別如表1、2所示.為了便于施加軸向荷載以及減小千斤頂加在柱頂?shù)妮S向力對(duì)頂層節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響,試件頂部設(shè)計(jì)高出第二層鋼梁頂面100 mm.

    試件底部與基礎(chǔ)梁連接且整體澆筑.基礎(chǔ)梁長(zhǎng)3 500 mm,截面尺寸為400 mm × 600 mm,采用C45商品混凝土,澆筑前通過(guò)放置PVC 管預(yù)留5 個(gè)孔洞,待養(yǎng)護(hù)完成后,采用5M56* 1560(Q235)等級(jí)的7 字地腳螺栓固定于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳的地板上,并根據(jù)計(jì)算超配一定數(shù)量的鋼筋,以保證提供足夠的剛度和強(qiáng)度.

    試件梁柱節(jié)點(diǎn)采用內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn),工字型鋼梁上下翼緣與矩形鋼管柱側(cè)邊焊接,腹板通過(guò)8.8 級(jí)4M24* 70 高強(qiáng)螺栓與矩形鋼管柱外兩豎向焊接鋼板連接,工字型鋼梁端部彎矩和剪力分別通過(guò)矩形鋼管柱內(nèi)上下隔板與柱外豎向焊接鋼板傳遞到柱中,如圖1所示.

    1.2 加載制度和測(cè)量?jī)?nèi)容

    本試驗(yàn)在深圳大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳進(jìn)行,采用SERVOTEST 擬動(dòng)力水平加載設(shè)備和豎向加載裝置進(jìn)行加載.試驗(yàn)時(shí),矩形鋼管混凝土框架試件基礎(chǔ)梁通過(guò)5 個(gè)地腳螺栓固定于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳地下室頂板,保證其不發(fā)生側(cè)向移動(dòng).

    試驗(yàn)軸向力分別由2 個(gè)液壓千斤頂施加在矩形鋼管混凝土框架兩側(cè)柱頂,豎向千斤頂與反力架橫梁間設(shè)置了滾軸裝置,以保證在施加水平側(cè)向力時(shí),豎向千斤頂作用點(diǎn)始終保持在柱頂中心.設(shè)計(jì)軸壓比n= 0.3,豎向軸力根據(jù)柱軸壓比確定,n=N0/Nu,即為試驗(yàn)時(shí)施加于鋼管柱頂?shù)妮S壓力N0與矩形鋼管高強(qiáng)混凝土柱極限軸壓承載力Nu的比值,由此,計(jì)算可得軸向壓力為1 000 kN,由千斤頂施加于柱頂,并維持恒定不變.

    試驗(yàn)水平力由SERVOTEST 作動(dòng)器施加在框架頂層,加載方向沿頂層梁的中心線(xiàn),SERVOTEST 作動(dòng)器固定在反力墻上,由兩塊加載板和4 根螺桿與試件頂層連接以提供拉壓作用力.

    圖1 矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)模型及內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)Fig.1 Model of the RHCFT frame specimen and joint with inner diaphragm

    表1 鋼材材料性能實(shí)測(cè)值Tab.1 Measured values of mechanical properties of steel

    表2 混凝土材料性能實(shí)測(cè)值Tab.2 Measured values of mechanical properties of concrete

    試驗(yàn)加載采用循環(huán)往復(fù)加載方式,按照位移控制模式分級(jí)進(jìn)行.根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》[18]:屈服前,每級(jí)荷載循環(huán)1 次;屈服后,每級(jí)荷載循環(huán)3 次.試驗(yàn)時(shí),先施加軸向力至預(yù)定數(shù)值后保持不變,然后施加往復(fù)水平荷載.

    試驗(yàn)過(guò)程中,主要量測(cè)內(nèi)容包括:(1)各級(jí)水平荷載的大??;(2)各層位移;(3)監(jiān)控試件平面外扭轉(zhuǎn);(4)工字型鋼梁截面應(yīng)變;(5)柱控制截面應(yīng)變;(6)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)三向應(yīng)變.其中豎向軸力和水平側(cè)向力均通過(guò)力傳感器感應(yīng)輸出,位移和應(yīng)變分別通過(guò)布設(shè)位移計(jì)和粘帖應(yīng)變片測(cè)量,相關(guān)數(shù)據(jù)信息均由計(jì)算機(jī)通過(guò)東華3816N 靜態(tài)采集箱采集.

    2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.1 破壞過(guò)程與破壞形態(tài)

    加載初期,水平位移加載值較小,試件沒(méi)有明顯變化.試件加載過(guò)程中,定義對(duì)構(gòu)件施加水平推力為正向加載,對(duì)構(gòu)件施加水平拉力為負(fù)向加載.當(dāng)水平位移反向加載至7.24 mm 時(shí),靠近加載端一側(cè)底層梁端屈服;當(dāng)水平位移正向加載至8.15 mm 時(shí),遠(yuǎn)離加載端一側(cè)底層梁端屈服,表明此時(shí)試件進(jìn)入了屈服階段,屈服位移 Δy= 8.15 mm,構(gòu)件屈服后,以框架屈服時(shí)頂端層梁端位移的0.5 倍為級(jí)差進(jìn)行加載;當(dāng)水平位移反向加載至 4Δy時(shí),試件達(dá)到反向峰值荷載 -341.64 kN,正向加載至 4.5Δy時(shí),試件達(dá)到正向峰值荷載375.57 kN,在此過(guò)程中,底層、頂層梁端出現(xiàn)鼓曲現(xiàn)象,從近加載端到遠(yuǎn)離加載端的柱腳先后屈服;水平位移加載至 5Δy時(shí),梁端上下翼緣鼓曲程度加重,混凝土被壓碎;水平位移加載到 6 .5Δy,柱腳焊縫開(kāi)裂,四側(cè)鋼板嚴(yán)重外鼓,柱內(nèi)壓碎混凝土外露,遠(yuǎn)離加載端一側(cè)柱腳情況更為明顯.此時(shí),正、反向荷載下降至約峰值荷載的85%,試驗(yàn)結(jié)束.

    由此可見(jiàn),試件破壞形態(tài)為強(qiáng)柱弱梁機(jī)制,通過(guò)梁端屈服形成塑性鉸耗散能量,避免或推遲柱端出現(xiàn)塑性鉸,從而有效防止結(jié)構(gòu)破壞倒塌.試件典型破壞形態(tài)如圖2所示.

    2.2 滯回曲線(xiàn)

    矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架底層和頂層荷載-位移滯回曲線(xiàn)見(jiàn)圖3.從圖中可知:滯回曲線(xiàn)形狀飽滿(mǎn),呈梭形,表明結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的耗能能力.在試件屈服前,荷載與位移近似為線(xiàn)性關(guān)系,加卸載曲線(xiàn)接近重合,無(wú)殘余變形;試件屈服后,荷載-位移曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性,滯回環(huán)面積擴(kuò)大,耗能能力加強(qiáng).同時(shí),殘余變形明顯增加;至峰值荷載后,試件滯回環(huán)面積進(jìn)一步擴(kuò)充,說(shuō)明其耗能能力明顯增強(qiáng).這時(shí),殘余變形增長(zhǎng)幅度更趨顯著;隨著水平位移加載持續(xù)進(jìn)行,同級(jí)循環(huán)中,試件剛度退化較為明顯,直至試件承載力降低至85%峰值荷載,試驗(yàn)結(jié)束.

    圖3 試件滯回曲線(xiàn)Fig.3 Hysteretic curves of the testing specimen

    試驗(yàn)過(guò)程中,因鮑辛格效應(yīng),在同級(jí)循環(huán)中,試件正向荷載要大于反向荷載,導(dǎo)致正、反向滯回曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng).依據(jù)滯回曲線(xiàn)加、卸載曲線(xiàn)斜率變化可知,試件出現(xiàn)了剛度退化,而且,隨著加載的持續(xù)進(jìn)行,剛度退化趨勢(shì)更為明顯.

    通過(guò)滯回曲線(xiàn)分析表明,矩形鋼管內(nèi)填高強(qiáng)混凝土,高強(qiáng)混凝土的脆性因鋼管的約束作用得到有效改善;同時(shí),內(nèi)填高強(qiáng)混凝土對(duì)鋼管壁的支撐作用提高了鋼管的幾何穩(wěn)定性,可以延緩或避免鋼管過(guò)早發(fā)生屈曲,使得各自材料性能得到了充分利用.由此所組成的結(jié)構(gòu)具有承載力高、延性好和耗能能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn).

    2.3 骨架曲線(xiàn)

    圖4為矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架頂層荷載-位移骨架曲線(xiàn).從圖中可知:試件從開(kāi)始加載到屈服前大致處于線(xiàn)彈性階段,剛度維持不變;屈服后,位移增幅快于荷載增幅,曲線(xiàn)逐步偏向位移軸,剛度出現(xiàn)了一定程度退化,結(jié)構(gòu)塑性變形增大的同時(shí)承載力穩(wěn)步提高,峰值荷載均值為屈服荷載的1.68 倍;到達(dá)峰值荷載后,試件承載力緩慢下降,并在發(fā)生較大水平位移時(shí)仍能保持一定的承載能力,顯示出了良好的抗倒塌性能.

    圖4 試件骨架曲線(xiàn)Fig.4 Backbone curve of the specimen

    表3為試件層間變形與延性情況.從表3可知,矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架具有很強(qiáng)的變形能力.試驗(yàn)中,頂層和底層極限層間位移角最大分別達(dá)到1/30 和1/27,相比較《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]規(guī)定的限值分別提高了66.7%和85.2%,充分說(shuō)明了高強(qiáng)混凝土的脆性受矩形鋼管的約束作用而得到極大改善.對(duì)于正、反向加載,試件的層間位移延性差異很小,延性系數(shù)在6.17~6.40 之間,滿(mǎn)足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]規(guī)定框架延性系數(shù)不小于4 的要求,試件頂層和底層最大延性系數(shù)分別超出了規(guī)定限值的58.5%和60.0%,表明了矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架延性很好,具有優(yōu)越的抗震性能.

    表3 試件層間變形與延性Tab.3 Values of interstorey deformation and ductility for the specimen

    2.4 剛度退化

    圖5為矩形高強(qiáng)鋼管混凝土框架剛度退化曲線(xiàn).從圖中可知,前期試件剛度衰減速度較快,后期剛度退化曲線(xiàn)變化幅度較為平緩.原因在于:前部分加載,混凝土開(kāi)裂及其裂縫開(kāi)展、鋼管屈服等因素導(dǎo)致前期剛度衰減幅度較大;加載后期,混凝土的橫向應(yīng)變大于鋼管的橫向變形,鋼管對(duì)混凝土形成了有效約束,從而導(dǎo)致后期剛度退化曲線(xiàn)變化趨于平緩.

    圖5 試件剛度退化曲線(xiàn)Fig.5 Stiffness degradation curve of the specimen

    2.5 耗能能力

    結(jié)構(gòu)滯回耗能是評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo),本文采用循環(huán)往復(fù)加載試驗(yàn)中單級(jí)循環(huán)滯回耗能與總累積滯回耗能的比值定量分析各級(jí)循環(huán)加載試件的耗能大小,如表4所示,并可得到試件屈服點(diǎn)、峰值荷載點(diǎn)和極限荷載點(diǎn)處的能量耗散系數(shù)分別為0.47、1.01、1.48.可以看出,隨著水平位移加載增大,耗能比值增大,說(shuō)明試件耗散能力逐步增強(qiáng);試件特征點(diǎn)處的能量耗散系數(shù)也呈現(xiàn)出了與耗能比值較為一致的變化趨勢(shì),處于峰值荷載點(diǎn)和極限荷載點(diǎn)的能量耗散系數(shù)較屈服時(shí)能量耗散系數(shù)顯著增大.由此表明了矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架具有優(yōu)秀的耗能性能.

    表4 試件各級(jí)滯回耗能與耗能比Tab.4 Ratios of hysteretic energy of each loading cycle to total cumulative hysteretic energy for the specimen

    3 有限元分析

    在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用Perform-3D 軟件對(duì)矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架試件進(jìn)行有限元分析,進(jìn)一步完善矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架的研究.

    在Perform-3D 中,梁截面采用簡(jiǎn)化的分層纖維模型,可用于單向彎矩作用下的截面非線(xiàn)性分析,柱截面包含鋼材和混凝土纖維,通過(guò)沿截面高、寬方向坐標(biāo)定位,用于在軸力和雙向彎矩作用下的非線(xiàn)性分析,考慮柱雙向彎曲和受壓變形的耦合作用,梁、柱構(gòu)件中間段均設(shè)為彈性段,兩端設(shè)為塑性區(qū)段[20].

    鋼管混凝土中材料包含混凝土、鋼材,本文選用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證具有良好準(zhǔn)確性的本構(gòu).鋼管采用雙線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型,超高強(qiáng)混凝土C100 則采用韓林海[1]提出的核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型,在Perform-3D 中,非線(xiàn)性材料本構(gòu)一般采用簡(jiǎn)化的五折線(xiàn)型骨架曲線(xiàn),如圖6所示.

    圖6 材料本構(gòu)模型Fig.6 Constitutive models of materials

    3.1 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

    按以上所述建模,將用Perform-3D 得到框架軸壓比n= 0.3 的骨架曲線(xiàn)與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,如圖7所示.可以看出:從整體上看,兩種曲線(xiàn)的吻合程度較好.在彈性階段,鋼管與混凝土變形都比較小,重力二階效應(yīng)不明顯,兩者非常接近;試件屈服后,相同加載位移值下數(shù)值模擬曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)荷載值始終大于試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)值,其中數(shù)值模擬屈服位移為8 mm 左右,試驗(yàn)屈服位移為8.15 mm,對(duì)應(yīng)屈服荷載分別為260.00 kN 及236.21 kN;達(dá)到曲線(xiàn)峰值后,數(shù)值模擬曲線(xiàn)峰值荷載為385.24 kN,試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)峰值荷載為375.57 kN.

    圖7 模擬骨架曲線(xiàn)與試驗(yàn)骨架曲線(xiàn)對(duì)比Fig.7 Comparison of FEM and experimental backbone curves

    由于試驗(yàn)過(guò)程中軸向力并非理想狀態(tài)下完全恒定不變以及軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的模擬功能欠缺,導(dǎo)致誤差的出現(xiàn),而隨后在試驗(yàn)中出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象,這也是軟件所未能考慮的,因此導(dǎo)致模擬曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)的偏差.

    3.2 參數(shù)拓展分析

    3.2.1 軸壓比

    用Perform-3D 模擬不同軸壓比下的矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖8、9 所示.軸壓比對(duì)框架的骨架曲線(xiàn)形狀影響較大.當(dāng)軸壓比較?。╪< 0.6)時(shí),框架的下降段較平緩,當(dāng)軸壓比增大至0.6以上,曲線(xiàn)出現(xiàn)了較明顯的下降段,并且隨著軸壓比的增大,框架下降段越來(lái)越陡.

    圖8 不同軸壓比下試驗(yàn)框架骨架曲線(xiàn)(Q345)Fig.8 Backbone curves of frame structure under various axial load ratio (Q345)

    圖9 不同軸壓比下試驗(yàn)框架骨架曲線(xiàn)(Q235)Fig.9 Backbone curves of frame structure under various axial load ratio (Q235)

    3.2.2 鋼材屈服強(qiáng)度

    用Perform-3D 模擬不同鋼材屈服強(qiáng)度下的矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖10所示.試驗(yàn)框架骨架曲線(xiàn)形狀受鋼材屈服強(qiáng)度影響較小,不同鋼材屈服強(qiáng)度下骨架曲線(xiàn)彈性階段基本重合,而試驗(yàn)框架屈服彎矩、峰值荷載及位移隨鋼材屈服強(qiáng)度的提高而增加.

    3.2.3 水平側(cè)向力加載模式

    用Perform-3D 模擬不同水平加載模式下的矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖11所示.水平側(cè)向力加載模式對(duì)框架骨架曲線(xiàn)的形狀影響不大.其中峰值荷載由大到小依次為:均勻加載模式、倒三角加載模式、頂點(diǎn)加載模式,原因在于不同的水平側(cè)向力分布在結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生的彎矩也不相同.在水平荷載數(shù)值相等的情況下,頂點(diǎn)荷載下結(jié)構(gòu)底部的彎矩最大,其次是倒三角形加載模式,最小的是均勻加載模式.

    圖10 不同鋼材屈服強(qiáng)度下試驗(yàn)框架骨架曲線(xiàn)Fig.10 Backbone curves of frame structure with various yield strength steel

    圖11 不同水平加載模式的框架骨架曲線(xiàn)Fig.11 Backbone curves of frame structure under various loading mode

    4 結(jié) 論

    (1)矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和最終破壞階段,呈現(xiàn)出強(qiáng)柱弱梁的破壞特征.在軸向壓力和水平側(cè)向力共同作用下,試件底層和頂層梁端相繼屈服;隨著水平位移增大,梁端翼緣出現(xiàn)了一定程度鼓曲,此時(shí),柱腳開(kāi)始屈服;最后,試件因柱腳焊縫開(kāi)裂而破壞.

    (2)矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)耗能能力強(qiáng).試驗(yàn)得到的滯回曲線(xiàn)形狀飽滿(mǎn),未出現(xiàn)明顯的捏攏特征,而且,單級(jí)循環(huán)滯回耗能隨水平位移加載增大而增大.

    (3)矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗倒塌性能.試件到達(dá)峰值荷載后,承載力緩慢下降,并在產(chǎn)生較大水平位移時(shí),仍能保持一定的承載能力.除了加載末期,試件沒(méi)有明顯的強(qiáng)度退化.

    (4)矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很強(qiáng)的變形能力.試件最大極限層間位移角分別為1/30 和1/27,超出了《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定限值的66.7%和85.2%;延性系數(shù)在6.17~6.40 之間,滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定框架延性系數(shù)不小于4 的要求.

    (5)矩形鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能受軸壓比的影響較為顯著.結(jié)構(gòu)承載能力、變形能力及延性在軸壓比大于0.6 的情況下明顯降低.

    (6)框架骨架曲線(xiàn)形狀受鋼材屈服強(qiáng)度與水平側(cè)向力分布形態(tài)的影響很小,但試件承載力受到一定程度的影響.試件在均勻加載模式下的承載力最大,最小的為頂點(diǎn)加載模式,倒三角形加載模式則居于二者之間.

    致謝:深圳市科技研發(fā)資金資助項(xiàng)目(JCYJ2017 0818142117164,JCYJ20160331114415945);深圳大學(xué)青年教師啟動(dòng)項(xiàng)目資助(2017062).

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