實(shí)腹式配鋼的型鋼混凝土十字形異形柱的抗震性能*

張波 方林 金國芳 李凱文 王志亮

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092;2.無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214000)

型鋼混凝土(SRC)異形柱結(jié)構(gòu)是一種新型組合結(jié)構(gòu)，它將型鋼與異形柱結(jié)合起來，繼承了鋼筋混凝土異形柱布置靈活、美觀實(shí)用、增加房屋使用面積等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)改善了鋼筋混凝土異形柱承載力較低、抗震性能較差、使用范圍有限等缺點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景［1-2］.

SRC 十字形異形柱是型鋼混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，根據(jù)配鋼方式的不同，基本上可以分為實(shí)腹式(SSRC)和空腹式(LSRC)兩種.目前，關(guān)于該類結(jié)構(gòu)形式的研究主要集中在國內(nèi)，國外相關(guān)研究較少.文獻(xiàn)［3-5］中進(jìn)行了SSRC 十字形異形柱軸心、偏心受壓承載力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)提高配鋼率可以增強(qiáng)構(gòu)件承載力.文獻(xiàn)［6-8］中設(shè)計(jì)、制作了SSRC 異形柱邊框架和中框架，通過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)分析了該結(jié)構(gòu)形式的承載能力和抗震性能.除上述研究外，針對(duì)SRC 十字形異形柱抗震性能的研究尚不多見，僅文獻(xiàn)［9］中對(duì)4 個(gè)LSRC 十字形異形柱的抗震性能進(jìn)行過試驗(yàn)研究，主要分析、比較了軸壓比、剪跨比、加載方向?qū)?gòu)件抗震性能的影響，關(guān)于SSRC 十字形異形柱抗震性能的研究則未見報(bào)道.

有鑒于此，文中設(shè)計(jì)制作了4 個(gè)SSRC 十字形異形柱試件，通過低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究不同參數(shù)下試件的破壞特征、滯回性能、剛度退化、強(qiáng)度衰減、位移延性及耗能能力等抗震性能，為其工程應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)中按1∶2的縮尺比設(shè)計(jì)了4 個(gè)編號(hào)依次為SSRC1－SSRC4 的SSRC 十字形異形柱試件，其幾何尺寸及測(cè)點(diǎn)布置見圖1.各試件肢高為360mm，肢厚為120 mm，肢高/肢厚比為3.0，水平加載點(diǎn)距柱底1170 mm，剪跨比均采用3.25.縱筋選用HRB400鋼筋，箍筋選用HPB300 鋼筋.混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C50.試件鋼骨由不同規(guī)格鋼板焊接形成，材質(zhì)為Q235 鋼.型鋼保護(hù)層厚度為35 mm，鋼筋保護(hù)層厚度為15 mm.

圖1 試件幾何尺寸及測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Specimen dimension and measuring point arrangement

表1 試件基本信息表1)Table 1 Basic design information of specimens

表2 鋼板及鋼筋的性能參數(shù)Table 2 Property parameters of steel and reinforcement bars

試件設(shè)計(jì)變化參數(shù)包括軸壓比、配鋼率及加載方向.試件的基本信息列于表1，鋼板及鋼筋的性能參數(shù)列于表2，鋼筋、配鋼明細(xì)等列于表3.C50 混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度平均值、棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度平均值及彈性模量分別為53.5、43.7 及3.45 ×104MPa.

表3 試件鋼筋、配鋼明細(xì)表1)Table 3 Rebar and steel details of specimens

2 加載裝置及加載制度

2.1 加載裝置

試驗(yàn)加載裝置如圖2 所示.先采用液壓千斤頂按軸壓比施加恒定的豎向荷載，然后由電液伺服作動(dòng)器施加往復(fù)水平荷載.試驗(yàn)數(shù)據(jù)由電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)及微機(jī)控制.

2.2 加載制度

各試件的水平低周反復(fù)加載均采用位移控制，具體加載制度如圖3 所示.

試驗(yàn)前，先取30%設(shè)計(jì)軸壓力重復(fù)加載2 次;然后通過千斤頂在柱頂一次性施加預(yù)定豎向荷載并保持恒定，最后施加水平位移.試件屈服前，每級(jí)循環(huán)1 次，增加幅度為0.25Δy(Δy為屈服位移);達(dá)到屈服位移后，每級(jí)循環(huán)3 次，增加幅度為0.50Δy，施加5 次后，增加幅度變?yōu)棣，直至試件的荷載下降到峰值荷載的85%或試件破壞為止.

3 破壞形態(tài)及破壞機(jī)理

試件的剪跨比均為3.25，從試驗(yàn)過程及破壞特征來看，所有試件的破壞形態(tài)均表現(xiàn)為彎曲破壞，如圖4 所示.

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Loading setup for test

圖3 試件加載制度Fig.3 Loading program of specimens

圖4 試件的破壞形態(tài)Fig.4 Failure patterns of specimens

首先，在試件的底端出現(xiàn)水平微裂縫;隨著荷載的增大，水平裂縫的數(shù)目增多，同時(shí)寬度和深度不斷增大;當(dāng)水平裂縫發(fā)展至貫通時(shí)，柱腳混凝土開始剝落并沿柱身向上發(fā)展，縱筋與箍筋逐漸外露;當(dāng)荷載增大到一定值時(shí)，縱筋發(fā)生壓屈或拉斷，柱腳混凝土大面積脫落;荷載繼續(xù)增大，柱腳被型鋼包圍的核心區(qū)混凝土壓潰，柱肢型鋼翼緣屈服，試件的承載力迅速降低，試件破壞.試件SSRC1、SSRC2、SSRC3 的破壞主要發(fā)生在與加載方向平行的柱肢，與加載方向垂直的柱肢雖然也有開裂，但總體來說基本完好.試件SSRC4 兩個(gè)柱肢方向均有裂縫發(fā)生、發(fā)展，兩柱肢柱腳核心區(qū)混凝土幾乎都被壓潰，并且兩柱肢中縱筋均壓屈或拉斷，柱腳處縱向型鋼屈服.

從破壞機(jī)理來看，對(duì)SSRC 十字形異形柱試件的破壞起控制作用的是縱向型鋼.在水平裂縫出現(xiàn)之前，型鋼與混凝土作為整體共同承載，變形協(xié)調(diào)一致;柱腳混凝土開裂后，逐漸退出工作，截面應(yīng)力轉(zhuǎn)移至縱筋及型鋼，縱筋首先發(fā)生屈服，隨著混凝土壓潰面積的不斷增大，截面內(nèi)力主要由型鋼承擔(dān)，當(dāng)型鋼發(fā)生屈服時(shí)試件破壞.

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 滯回性能

各試件的荷載－位移滯回曲線如圖5 所示.從圖中可以看出:

(1)各試件的滯回曲線基本呈飽滿的梭形.

(2)屈服之前，試件基本處于彈性階段，加、卸載曲線基本重合，殘余變形均較小;屈服之后，隨著位移幅值的不斷增大，試件殘余變形逐步增大，試件的承載力仍有提高，試件達(dá)到峰值荷載后，滯回環(huán)加、卸載曲線趨于平緩，殘余變形明顯.

(3)配鋼率較高的試件的滯回環(huán)更豐滿，極限變形及荷載循環(huán)次數(shù)都明顯高于配鋼率低的試件.

(4)低軸壓比試件的滯回曲線相對(duì)飽滿，滯回曲線包圍的面積相對(duì)較大，循環(huán)次數(shù)較多.

(5)沿45°方向加載的試件SSRC4 在達(dá)到峰值荷載之前，其滯回性能良好;超過峰值荷載后，試件承載力迅速下降，循環(huán)次數(shù)較其他試件明顯減少，總體滯回性能較差.觀察該試件的破壞過程可發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因有二:一方面，對(duì)于沿工程軸加載的試件，兩柱肢受剪是不均勻的，與加載方向平行的柱肢對(duì)試件的破壞起控制作用，當(dāng)該柱肢即將破壞時(shí)，另一柱肢仍完好，可以起到延緩試件破壞的作用，而沿45°方向加載的試件SSRC4，其兩柱肢共同受剪，受力均勻，兩柱肢的破壞幾乎是同時(shí)的，發(fā)生破壞時(shí)，兩柱肢中的縱筋基本都屈服，并有多根斷裂，柱腳核心區(qū)混凝土基本都被壓潰，縱向型鋼屈服，承載力削弱明顯，試件破壞較為迅速，導(dǎo)致SSRC4 在加載后期的滯回性能較差;另一方面，試件達(dá)到極限荷載之后，柱腳與地梁交界處的混凝土也有部分被壓碎，使地梁對(duì)試件的約束能力下降.

相比LSRC 十字形異形柱的滯回曲線［9］，SSRC十字形異形柱試件的滯回曲線更加飽滿，未出現(xiàn)明顯捏攏現(xiàn)象.

圖5 試件的荷載－位移滯回曲線Fig.5 Load-displacement hysteretic curves of specimens

4.2 骨架曲線

各個(gè)試件的荷載－位移骨架曲線如圖6 所示.對(duì)比SSRC1 和SSRC2 的骨架曲線可知，軸壓比較大的試件的骨架曲線下降段較為陡峭，承載力下降較為迅速.對(duì)比SSRC1 和SSRC3 的骨架曲線可知，配鋼率對(duì)試件的骨架曲線影響較大，配鋼率大的試件，其極限承載能力增長明顯，達(dá)到峰值荷載后，骨架曲線的下降段平緩、穩(wěn)定，試件具有良好的塑性變形能力.

圖6 試件的荷載－位移骨架曲線Fig.6 Load-displacement skeleton curves of specimens

從圖6 還可看出，沿45°方向加載的試件較沿工程軸加載的試件的極限承載能力有所增加.這是因?yàn)楫?dāng)試件沿工程軸加載時(shí)，水平剪力主要由與加載方向平行的柱肢承擔(dān)，另一柱肢分擔(dān)的水平剪力很小，當(dāng)該柱肢發(fā)生破壞時(shí)，試件整體剛度隨之驟減，雖然另一柱肢還相對(duì)完好，但試件的承載力已經(jīng)達(dá)到極限，無法繼續(xù)承載;與此不同，當(dāng)試件沿45°方向加載時(shí)，兩柱肢共同抗剪，柱肢中的鋼筋、混凝土及型鋼均有效參與工作，兩柱肢的破壞幾乎同時(shí)發(fā)生，破壞時(shí)柱肢中的縱向型鋼均能屈服.因此相對(duì)于主要依靠單肢抗剪的試件來說，沿45°方向加載的試件SSRC4 的極限承載能力較高.

4.3 剛度退化

由各試件的荷載－位移滯回曲線可以看出，隨著位移荷載和循環(huán)次數(shù)的增加，試件剛度逐漸退化.文中采用相對(duì)平均割線剛度來反映試件的剛度退化情況.平均割線剛度為往復(fù)荷載作用下正、反方向最大荷載的絕對(duì)值之和與相應(yīng)位移絕對(duì)值之和的比值［10-11］，計(jì)算方法如下:

式中，+Δi、－Δi分別為第i 級(jí)正、負(fù)最大荷載對(duì)應(yīng)的位移，+Pi、－Pi分別為第i 級(jí)加載位移的正、負(fù)最大荷載.相對(duì)平均割線剛度為Ki與K1的比值.各試件相對(duì)平均割線剛度的退化比較如圖7 所示.從圖中可以看出:

(1)相同條件下，隨著位移荷載的增大，軸壓比大的試件剛度退化速率相對(duì)較快;

(2)提高配鋼率可以延緩試件的剛度退化;

(3)峰值荷載之前，沿45°方向加載的試件剛度退化較慢，這與兩柱肢共同抗剪有關(guān)，而峰值荷載之后，由于前文所述原因，試件SSRC4 的剛度退化迅速，這與試件的破壞特征是相符的;

(4)各個(gè)試件破壞時(shí)的剛度為初始剛度的9%左右.

圖7 試件的剛度退化曲線Fig.7 Stiffness deterioration curves of specimens

4.4 強(qiáng)度衰減

由試件的荷載－位移滯回曲線可以看出，在同一級(jí)位移荷載幅值下，隨循環(huán)次數(shù)的增加，試件強(qiáng)度不斷降低.強(qiáng)度衰減越快，表明結(jié)構(gòu)繼續(xù)抵抗荷載的能力下降越多，當(dāng)遭遇地震余震時(shí)，結(jié)構(gòu)越容易發(fā)生破壞.強(qiáng)度衰減可以用某一控制位移下第N次循環(huán)的峰值荷載與該級(jí)位移下首次加載時(shí)的峰值荷載之比來表示［12］.

各試件強(qiáng)度衰減率與位移荷載的關(guān)系如圖8所示，從圖中可以看出:

(1)各試件的強(qiáng)度衰減率較為平穩(wěn)，曲線中出現(xiàn)的波動(dòng)主要是由于試件中縱筋、混凝土和型鋼3 部分相繼退出工作造成的.

(2)軸壓比對(duì)試件強(qiáng)度衰減的影響不可忽視.通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果得出:軸壓比大的試件，強(qiáng)度衰減緩慢，破壞時(shí)強(qiáng)度衰減幅值較小，試件SSRC2 最多衰減了5.7%左右;相比而言，軸壓比較小的試件，強(qiáng)度衰減較快，破壞時(shí)強(qiáng)度衰減幅值較大，試件SSRC1、SSRC3 和SSRC4 分別最多衰減了9.6%、14.4%和15.9%左右.

(3)加載方向?qū)υ嚰?qiáng)度衰減的影響表現(xiàn)為:沿45°方向加載，試件接近破壞時(shí)，強(qiáng)度衰減迅速，繼續(xù)承受荷載的能力較差.

圖8 試件的強(qiáng)度衰減曲線Fig.8 Strength deterioration curves of specimens

與LSRC 十字形異形柱相比［9］，SSRC 十字形異形柱的強(qiáng)度衰減速率較穩(wěn)定，衰減幅度相對(duì)較小.此外，LSRC 十字形異形柱試件在破壞前的衰減幅度并不明顯，接近破壞時(shí)，強(qiáng)度衰減突然加劇，這主要是因?yàn)長SRC 試件中鋼骨在縱筋和混凝土退出工作后不能有效參與承載，鋼骨未能屈服而試件已經(jīng)發(fā)生破壞造成的.

4.5 延性分析

4.5.1 位移延性系數(shù)

表4 列出了各試件荷載－位移骨架曲線特征點(diǎn)的試驗(yàn)值.試件的延性采用位移延性系數(shù)μΔ來表示，μΔ=Δu/Δy，其中Δy由通用屈服彎矩法確定;開裂特征點(diǎn)以加載過程中肉眼所觀察到的第一批裂縫出現(xiàn)為標(biāo)志;破壞位移取水平荷載下降到最大荷載的85%時(shí)對(duì)應(yīng)的位移值.由表4 可知，試件SSRC1－SSRC4 的平均延性系數(shù)均大于3，說明SSRC 十字形異形柱具有良好的延性.此外，JGJ 149—2006《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，罕遇地震作用下，鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角限值為1/60.試件SSRC1－SSRC4 的破壞位移角分別為1/24、1/28、1/16和1/24，均大于1/60，說明SSRC 十字形異形柱具有良好的塑性變形能力.

表4 試件荷載－位移骨架曲線特征點(diǎn)的試驗(yàn)值1)Table 4 Test results of characteristic points for load-displacement skeleton curves of specimens

4.5.2 影響延性的主要因素分析

由于試驗(yàn)中各柱屬于彎曲破壞，因此主要考慮軸壓比、配鋼率、加載方向3 個(gè)因素對(duì)試件延性的影響.

(1)軸壓比的影響

軸壓比對(duì)試件延性的影響并不明顯.其他條件相同的情況下，當(dāng)軸壓比由0.3 提高到0.5 時(shí)，試件的延性系數(shù)變化很小.

(2)配鋼率的影響

當(dāng)其他條件相同時(shí)，將配鋼率由5.69%提高到7.78%，試件的延性系數(shù)提高了約14%，相比而言，配鋼率的提高對(duì)試件延性的影響更為突出.

(3)加載方向的影響

對(duì)試件沿45°方向加載時(shí)，雖然配鋼率有所提高，但延性仍然相對(duì)較差.導(dǎo)致這種情況的原因與前文對(duì)SSRC4 滯回性能較差的分析一致:一方面是由于沿45°方向加載時(shí)兩柱肢共同抗剪，并同時(shí)破壞;另一方面是由于SSRC4 柱腳與地梁交界處混凝土被壓碎，降低了其對(duì)試件的約束.

4.6 耗能能力

試件的耗能能力是評(píng)估其抗震性能的重要依據(jù)，它反映了構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下吸收能量的能力，使結(jié)構(gòu)在地震過程中不至于發(fā)生嚴(yán)重破壞.耗能能力以試件荷載－位移滯回曲線所包圍的面積來衡量.文中以粘滯阻尼系數(shù)he［13］來表示試件的耗能特性.

表5 給出了試件在各級(jí)位移加載條件下第一循環(huán)特征點(diǎn)的粘滯阻尼系數(shù).從表中可以看出，各試件的粘滯阻尼系數(shù)均隨著位移荷載的增加而增大，表明在加載過程中試件的耗能能力不斷增強(qiáng).已有的研究表明:LSRC 十字形異形柱試件的he最大值為0.24［9］，鋼筋混凝土矩形柱的he值約在0.1～0.2之間，普通鋼筋混凝土異形柱的耗能能力較矩形柱更差，而文中各試件在破壞時(shí)的粘滯阻尼系數(shù)最小為0.273，最大為0.366，說明SSRC 十字形異形柱試件具有更好的耗能能力.

表5 各試件特征點(diǎn)的粘滯阻尼系數(shù)1)Table 5 Viscous damping coefficients of characteristic points of specimens

圖9 列出了各個(gè)試件粘滯阻尼系數(shù)與加載位移的關(guān)系曲線.從圖中可以看出:

(1)同一位移荷載下，軸壓比較高的試件耗能最多，配鋼率較高的試件耗散的能量相對(duì)較低.

(2)同一耗能能力下，軸壓比較高的試件對(duì)應(yīng)的變形最小，配鋼率較高的試件對(duì)應(yīng)的變形較大，而沿45°方向加載的試件變形最大.

圖9 各試件的粘滯阻尼系數(shù)Fig.9 Viscous damping coefficients of specimens

5 結(jié)論

文中通過對(duì)4 個(gè)SSRC 十字形異形柱的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論:

(1)當(dāng)剪跨比較大時(shí)，SSRC 十字形異形柱試件在低周反復(fù)荷載作用下主要發(fā)生彎曲破壞.

(2)相同條件下，軸壓比較高時(shí)SSRC 十字形異形柱試件的強(qiáng)度衰減幅值較小;試件達(dá)到極限承載力后，其剛度退化較快.

(3)相同條件下，配鋼率較大的SSRC 十字形異形柱試件的極限承載力較高，強(qiáng)度衰減和剛度退化相對(duì)平穩(wěn)，試件的延性較好.

(4)相同條件下，沿45°方向加載時(shí)，SSRC 十字形異形柱試件的極限承載力較高;達(dá)到極限承載力后，剛度退化較快，延性相對(duì)較差.

(5)SSRC 十字形異形柱具有良好的延性、塑性變形能力和耗能能力.與LSRC 十字形異形柱相比，其滯回曲線更為豐滿，強(qiáng)度衰減幅度較小，耗能能力更強(qiáng)，抗震性能更優(yōu)異.

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