型鋼超高強混凝土框架不同剪跨比抗震性能試驗研究

馬英超，賈金青，張建成

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

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型鋼超高強混凝土框架不同剪跨比抗震性能試驗研究

馬英超，賈金青，張建成

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

為了研究型鋼超高強混凝土框架的抗震性能及剪跨比對整體結構的影響，共進行了2榀單層單跨框架結構抗震性能試驗對比分析，研究的主要目的是驗證不同剪跨比型鋼超高強混凝土框架結構的抗震性能。并且通過試驗得到不同剪跨比下的破壞形態(tài)、P-Δ滯回曲線、骨架曲線、位移延性系數(shù)、強度退化、剛度退化、耗能能力。結果表明：剪跨比2的框架結構柱的破壞現(xiàn)象嚴重，其強度，剛度退化快，能量耗散能力低。

型鋼超高強混凝土；框架結構；剪跨比；強度退化；剛度退化；耗能能力

低剪跨比結構的抗震性能和破壞程度要比高剪跨比的嚴重很多，隨著城市的擴大和發(fā)展，建筑向高層和超高層發(fā)展已經成為一個必然的趨勢，而超高強混凝土完全滿足結構要求，與普通混凝土相比，具有更好的抗壓性和耐久性，而包裹型鋼的結構形式能夠降低結構的脆性，使材料能發(fā)揮各自的優(yōu)點。與型鋼混凝土結構或型鋼高性能混凝土結構相比，其承載力完全滿足需求，整體性也更優(yōu)于后者，所以此結構形式被更廣泛的應用到高層和超高層建筑中[1]。

但目前仍然缺乏對型鋼超高強混凝土框架整體結構的研究。因此近些年對框架結構的研究日益增多，鄭山鎖等[2]通過對SRHSHPC框架結構地震損傷試驗研究，分析其在反復加載試驗過程中，對結構破壞過程，破壞機制等的影響；李忠獻等[3]研究翼緣削弱的型鋼混凝土框架抗震性能；付傳國等[4]進行了預應力和非預應力型鋼混凝土框架受力及抗震性能的實驗研究；鄭文忠等[5]進行了型鋼混凝土梁-角鋼混凝土柱框架抗震性能試驗研究。綜上所述，這些研究都局限在普通混凝土的層面，并沒有研究超高強混凝土結構體系，更沒有具體到研究剪跨比對框架整體結構的影響，并且剪跨比對型鋼超高強混凝土框架結構具體有那些影響目前仍然是未知領域，這不僅影響了此種結構的設計規(guī)范制定，同時也阻礙了這種結構的發(fā)展。但現(xiàn)實情況中型鋼超高強混凝土框架結構具體的實踐應用，迫切需要對其進行安全評估?；谝陨锨闆r，本文進行了型鋼超高強混凝土框架不同剪跨比對比試驗研究。

1　試驗概況

2榀型鋼超高強混凝土框架結構在擬靜力作用下的抗震試驗研究。重點研究在軸壓比相同的條件下，不同剪跨比框架在循環(huán)荷載作用下，對框架整體結構的抗震性能影響。

1.1試件設計與制作

實驗共設計了2榀單層單跨試件，試件設計與原型比為1∶2，柱梁截面強度比為1.2。柱子的計算高度分別為1 200 mm和800 mm；計算跨度為2 000 mm。柱采用C100混凝土，梁采用C40混凝土。柱截面尺寸200 mm×200 mm，梁的截面尺寸160 mm×200 mm。柱采用復合箍筋，箍筋間距60 mm，梁采用矩形箍筋，間距是60 mm，節(jié)點核心區(qū)復合箍筋間距是50 mm，設計上采用強節(jié)點弱構件形式。在試件設計過程中，剪跨比為2和3的框架，其內部配置形式完全相同。具體截面型式和布置見圖1、圖2，材料參數(shù)見表1。

圖1　型鋼超高強混凝土框架

圖2　框架截面型式

1.2加載方案及測量內容

試驗在加載的過程中，2榀單層單跨框架的軸壓力均采用試驗軸壓比為0.38，根據《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》[6](JGJ138-2001)，屬于二級抗震等級，具體施加的軸壓力為1 600 kN。詳細參數(shù)設置見表2。在加載過程，加載的原理與單個柱子的加載原理相近，水平橫梁起到承擔軸壓力的作用，滾軸能保持軸力的方向不變，梁兩側的鋼桿主要承擔框架結構的拉力作用，水平千斤頂主要起到約束框架移動作用，這能使試驗測得的數(shù)據更加精確，便于試驗分析。

表2　試件設計參數(shù)

軸壓力加載采用先預加40%目標值，持載一段時間后再繼續(xù)加載至目標值，并在整個試驗過程中保持豎向軸力大小恒定，見加載裝置圖3。施加水平往復力，試驗以位移轉角為加載機制，采用擬靜力位移控制加載，第一個循環(huán)位移轉角為0.25%，前三個循環(huán)以0.25%為增量，每個幅值循環(huán)一次，第四個幅值開始以0.5%位移轉角為增量，每個幅值循環(huán)三次。具體循環(huán)加載根據文獻[7]，見圖4。

圖3　加載示意圖

圖4循環(huán)加載圖

2　試驗破壞過程

2.1試件SRC-N38-I2

剪跨比2的框架結構與剪跨比3的框架加載位移轉角一致。水平作動器采用位移控制加載，依據Δ/L位移轉角為加載方式。在1%位移轉角時，柱根部出現(xiàn)豎向壓縮裂縫，進行到該幅值的第3次循環(huán)時，柱根保護層裂縫增大。當進入到1.5%位移轉角時，柱根部0 mm～100 mm范圍有斜裂縫，而50 mm～100 mm出現(xiàn)水平裂縫。梁端沒有變化。2%位移轉角時，柱根部混凝土壓碎，梁端100 mm～150 mm范圍出現(xiàn)斜裂縫，柱根部0 mm～100 mm范圍混凝土壓碎脫落，在進入到第三次循環(huán)時，柱底200 mm范圍內斜裂縫增多，并呈現(xiàn)出與原斜裂縫平行的情況?；炷帘Ｗo層破壞嚴重。梁端50 mm范圍裂縫增多并加寬。當達到2.5%～3.5%時，柱破壞更加嚴重，柱根0 mm～100 mm混凝土保護層脫落。梁端50 mm范圍內裂縫增寬，同時伴隨有混凝土的脫落。在整個破壞過程中，裂縫主要集中在柱根部，通過裂縫的情況可以判斷結構發(fā)生了壓彎剪破壞。

2.2試件SRC-N38-I3

在位移轉角為1%時，每級幅值進入三次循環(huán)，并且柱子根部發(fā)出清脆的響聲，保護層出現(xiàn)細小的水平裂縫，柱子根部同時也出現(xiàn)豎向裂縫，豎向裂縫主要是軸壓力作用下混凝土劈裂產生的；在進入1.5%位移幅值時，在水平位移超過上一個循環(huán)的位移幅值時，柱子內部發(fā)出清脆的響聲，同時伴有柱根部混凝土壓碎現(xiàn)象，而梁端200 mm范圍內也出現(xiàn)豎向的彎曲裂縫。當位移轉角在2%～3%范圍時，梁端50 mm范圍內，混凝土保護層脫落，水平裂縫增多，柱根豎向裂縫向上延伸，柱根部混凝土表面起鼓，混凝土破壞嚴重，并且0 mm～30 mm范圍內無壓碎現(xiàn)象，此時節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)微小的裂縫。從整體裂縫出現(xiàn)和分布的情況判斷，框架破壞屬于壓屈和彎曲破壞。兩框架最終破壞形態(tài)見圖5。

3　試驗結果及其分析

3.1滯回曲線

不同剪跨比構造型式的框架柱在往復荷載作用下，形成的P-Δ滯回曲線的關系見圖6，在加載初期，整體結構加載幅值都很小均處于彈性階段，主要是因為開始階段結構未產生裂縫，主要的耗能是通過結構的整體變形產生的。因此完成一次往復循環(huán)所形成的滯回曲線耗能能力很小，基本呈捏縮的直線。隨著加載幅值增加，滯回環(huán)包圍的面積逐漸增大，形成一個飽滿的梭形，表明結構的耗能能力增強。框架在裂縫下工作，裂縫的張開和閉合使其具有很好的變形能力，吸收了結構在大變形下的能量。當承載力達到屈服位移時，應力-應變曲線出現(xiàn)一個平滑段，并且同一幅值下的第2、3次循環(huán)沒有明顯的退化。試件SRC-N38-I2和試件SRC-N38-I3比較，剪跨比2的位移幅值更小，達到峰值荷載的力更大，并且在達到峰值荷載后結構失穩(wěn)更迅速。

3.2骨架曲線

骨架曲線是各個循環(huán)加載過程中，每個幅值第一次循環(huán)加載應力-應變點連成的曲線。雖然超高強混凝土的脆性很大，但和型鋼的組合展現(xiàn)了很好的變形性能。試件SRC-N38-I2和試件SRC-N38-I3在相同轉角下，進行了框架剪跨比2和3的比較，從圖7中可以看出相同位移幅值下，進行了框架剪跨比2和3的比較，試件SRC-N38-I2的承載力高，最大承載力所對應的幅值更小，并且達到最大荷載點后，其力下降的斜率要比試件SRC-N38-I3大很多，承載力衰減很快，表明它的抗震能力相對較差。試件SRC-N38-I3框架承載力上升比較平緩，達到峰值荷載后，承載力衰減相對比較緩慢，穩(wěn)定性要比試件SRC-N38-I2好很多。

圖5　結構的最終破壞形態(tài)

圖6　滯回曲線

圖7型鋼超高強混凝土框架骨架曲線對比

3.3位移延性

位移延性系數(shù)根據文獻[8-9]采用能量等值法如圖8，使折線與曲線所圍圖形面積相等，即SAEC=SOAS2，其中E點橫坐標對應的是屈服位移，C點對應的是極限位移。并且根據文獻[10]計算各框架屈服位移：

(1)

式中：λ為位移延性系數(shù)；Δu為極限位移；Δy為屈服位移。

圖8能量等值法示意圖

通常極限位移取峰值荷載的85%所對應的位移，但由于是復合箍筋混凝土結構[11-12]，故極限位移取80%峰值荷載所對應的位移。由于框架在往復力作用下，推力和拉力存在一定的誤差，故對延性系數(shù)有一定的影響。剪跨比2框架要比剪跨比3的延性系數(shù)略小，但延性值均很低，框架柱的破壞嚴重，具體延性系數(shù)見表3。

3.4強度退化

強度退化是位移幅值不變的條件下，結構承載力隨荷載反復循環(huán)次數(shù)的增加而降低的現(xiàn)象[13-14]。通常用強度退化系數(shù)λi表示，表達式為：

(2)

表3　框架各特征點荷載-位移實測值

圖9由于框架的剪跨比不同，所有采用等位移轉角加載方式，在1%～2%位移轉角范圍內，試件SRC-N38-I2和試件SRC-N38-I3在加載過程中，強度退化趨勢基本一致。在2%～3%位移轉角范圍，試件SRC-N38-I2有一段上升區(qū)間，說明強度退化的速率要比上一個區(qū)間段退化的速率小，而試件SRC-N38-I3框架強度繼續(xù)衰減。說明在相同位移轉角下，剪跨比小的框架強度衰減要相對穩(wěn)定。

圖9框架強度退化系數(shù)比較

3.5剛度退化

剛度退化是結構在試驗過程中，整體結構的剛度隨著位移幅值和循環(huán)次數(shù)的增加而降低的現(xiàn)象。本文根據抗震試驗設計方法規(guī)程[7]研究了在軸壓比相同，剪跨比不同的情況下，整體結構在相同位移轉角時正、反向最大荷載的絕對值和與對應的位移絕對值和的比。采用平均割線剛度Ki表示，公式為：

(3)

式中：+Fi、-Fi為某一幅值循環(huán)往復第i次時正、反向最大荷載值；+Δi、-Δi是與其相對應的位移; i是循環(huán)的次數(shù)。

圖10展示了框架的割線剛度，試件SRC-N38-I2框架的初始割線剛度很大，并且在實驗過程中，割線剛度斜率很大，表明剛度退化的很快，結構抗震偏于不安全。主要是由于剪跨比小的試件SRC-N38-I2結構，在相同的破壞彎矩下，所需的力大，所以其初始剛度大。而剛度退化的較快是由于剪跨比小的框架發(fā)生剪切破壞，剪切破壞是脆性破壞，在結構破壞過程中，結構破壞前沒有明顯的變形或其他的征兆，剪跨比大的結構發(fā)生的是彎曲破壞，彎曲破壞是延性破壞，破壞過程緩慢，有明顯的破壞過程。因此剪跨比小的試件SRC-N38-I2結構剛度衰減的很快。

在1%位移轉角范圍內，由于整體結構還處于彈性階段，兩條曲線剛度退化都比較快；隨著位移幅值的增加，框架結構進入到彈塑性階段，剛度的衰減變慢，整體剛度衰減趨勢比較均勻，剪跨比2的割線剛度退化依然比剪跨比3的框架快。實驗表明，剪跨比小的框架結構更不利于抗震性能的要求。

圖10框架割線剛度退化曲線

3.6耗能能力

根據[15-17]能量耗散準則，整體結構耗能能力以每個位移轉角下應力-應變所形成的滯回環(huán)面積來衡量。

結構的能量耗散能力與滯回曲線所包圍的面積有著密切的聯(lián)系，面積越大，能量的耗散能力也就越大。圖11是框架在不同位移轉角下，各加載幅值第一次循環(huán)加載的耗能能力?？蚣茉?.5%位移轉角范圍內，結構的耗能能力相近。隨著試驗繼續(xù)加載，1.5%位移轉角成為試件SRC-N38-I2的拐點，此后框架能量耗散曲線的斜率變緩，耗能能力減弱。在1.5%位移轉角之前，結構還保持其整體的性能，混凝土破壞現(xiàn)象不嚴重，在1.5%轉角后，混凝土出現(xiàn)了很大的破壞現(xiàn)象，結構的整體性下降，因此試件SRC-N38-I2能量耗散能力降低。主要因為小剪跨比框架發(fā)生的是脆性破壞，并且斜裂縫從截面的中心區(qū)域向邊緣開裂，彎曲破壞裂縫是從截面的邊緣向中心區(qū)域開裂，它的強度和剛度退化的都十分迅速，所以它的耗能能力要弱。

圖11框架耗能曲線

3.7應變片分析

通過梁端和柱底縱筋和型鋼的應變分析，以試件SRC-N38-I2為主要研究對象。

圖12(a)主要研究框架結構在變形過程中，梁端和柱底同時發(fā)生受拉或者受壓破壞過程中，縱筋的應變形式。應變分析發(fā)現(xiàn)，梁端縱筋很早的進入到彈塑性變形階段，而柱底縱筋的應變主要在彈性階段變化，只在試驗結束前才進入到彈塑性變形階段。

圖12(b)中，型鋼的變形與縱筋的變形相似，梁端型鋼很早的進入到彈塑性變形階段，但最終試驗的結束都是以柱子的最終破壞為標準。

圖12應變對比分析

上述的應變分析與試驗過程中裂縫出現(xiàn)的先后順序一致，這就更進一步驗證了結構的破壞過程。

4　結　論

通過對不同剪跨比框架的試驗研究，得到以下結論：

(1) 剪跨比對型鋼超高強混凝土結構的影響非常的大，剪跨比越小，結構的破壞越嚴重，相對應的位移幅值越小，不利于結構的應用。

(2) 剪跨比越小，型鋼超高強混凝土框架結構的峰值力就越大，骨架曲線的斜率就越大，力下降的速度也就越大，不利于抗震設計。

(3) 剪跨比2的型鋼超高強混凝土框架結構，初始剛度大，剛度退化快，并且其耗能能力差，對結構的抗震不利。

(4) 剪跨比2的型鋼超高強混凝土框架，在相同位移轉角下，耗能能力比剪跨比3的框架的耗能能力低30%。并且在相同位移幅值下，耗能能力差距更大。

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Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Ultra-high Reinforced Concrete Frames of Different Shear Span Ratio

MA Yingchao, JIA Jinqing, ZHANG Jiancheng

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

In order to study the seismic behavior of steel reinforced ultra-high strength concrete frame structure and the influence of shear span ratio to the entire structure, this research carried out the seismic behavior of contrast analysis of two one-story and one-bay frames, the main purpose of the research is to verify the seismic behavior of steel ultra-high strength concrete frame structures with different shear span ratio, meanwhile gain the destroy style of the different shear span ratio,P-△ hysteresis curve, skeleton curve, displacement ductility, energy dissipation, strength and stiffness degradation. The result showed that the shear span ratio 2 of frame structure destroyed severely, and the bottom of the column was damaged more severely than beam end, strength and stiffness degenerated, and the capacity of energy dissipation reduced as well.

steel ultra-high strength concrete； frame structure； shear span ratio； strength degradation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.037

2016-04-22

2016-05-19

國家自然科學基金項目(51078059，51178078)

馬英超(1985—)，男，遼寧鐵嶺人，博士研究生，研究方向為結構工程。E-mail:mayingchao1985@163.com

TU398+.2

A

1672—1144(2016)04—0188—07