部分包裹混凝土柱抗震性能分析

□趙根田 周易暉

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院內(nèi)蒙古包頭014010）

部分包裹混凝土柱抗震性能分析

□趙根田 周易暉

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院內(nèi)蒙古包頭014010）

對(duì)PEC中長(zhǎng)柱在地震低周反復(fù)荷載作用下進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以混凝土強(qiáng)度，含鋼率，混凝土工作承擔(dān)系數(shù)等為主要研究參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，觀察PEC中長(zhǎng)柱在試驗(yàn)過程中的破壞現(xiàn)象，得到相應(yīng)的滯回曲線和骨架曲線并進(jìn)行分析，得出混凝土工作承擔(dān)系數(shù)，含鋼率，混凝土強(qiáng)度對(duì)抗震性能的影響。

PEC柱；抗震性能；混凝土工作承擔(dān)系數(shù)

PEC柱（partially encased concrete composite column）也稱部分包裹混凝土組合柱，是一種新型的鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)柱的截面形式。見圖1.1。2010年，Dastfan. M.著手于足尺鋼板剪力墻部分包裹混凝土的試驗(yàn)，結(jié)果表明此類形式的柱擁有較大的彎曲剛度，可以滿足抗震的需求[2]。內(nèi)蒙古科技大學(xué)的趙根田教授在2006年對(duì)PEC柱進(jìn)行研究，主要在框架抗震，滯回性能，偏心受壓及局部屈曲現(xiàn)象等。

由于我國(guó)對(duì)于PEC柱的研究相對(duì)于國(guó)外較晚，對(duì)于PEC柱強(qiáng)軸抗震性能的研究也尚不完備，尤其是工作承擔(dān)系數(shù)對(duì)抗震性能的影響方面的研究更是沒有。因此，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)階段的研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步深入開展對(duì)于PEC柱強(qiáng)軸的抗震性能研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

型鋼柱均用Q235B級(jí)焊接H型鋼；將直徑為12mm的HPB235級(jí)橫向拉接筋焊接在型鋼翼緣之間；混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C30、C40和C60。試件具體設(shè)計(jì)詳見圖1.1，試件詳細(xì)尺寸見表1.1。

表1.1 試件參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置及加載制度

(a)在試件屈服前，采用荷載控制進(jìn)行加載試驗(yàn)，1次是每級(jí)荷載循環(huán)的次數(shù)，每次增幅為20kN；

(b)待到實(shí)時(shí)荷載－位移曲線中觀察到進(jìn)入塑性階段后轉(zhuǎn)為由位移控制，每級(jí)位移循環(huán)5次。

圖1.1 柱剖面圖

(c)當(dāng)觀察到荷載－位移曲線出現(xiàn)出現(xiàn)下降時(shí)，繼續(xù)采用位移角控制，每級(jí)循環(huán)10次。在加載過程中觀察記錄儀上試件荷載－位移曲線的變化情況，直到荷載－位移曲線出現(xiàn)驟降，承載力低于極限承載力85%或試件局部失穩(wěn)即終止試驗(yàn)。加載裝置示意圖如圖1.2所示。

圖1.2 加載裝置示意圖

2 試驗(yàn)過程和現(xiàn)象分析

各試件的加載，以水平液壓伺服作動(dòng)器傳感器處的位移作為試件的位移值。加載初期由荷載控制，試件保持良好的彈性狀態(tài)，卸載后沒有殘余變形。荷載控制階段無明顯現(xiàn)象，在此不贅述，明顯現(xiàn)象均是位移控制加載過程中出現(xiàn)，下面以PEC-1為代表介紹試驗(yàn)現(xiàn)象。

2.1 破壞形態(tài)

綜合6根PEC柱試驗(yàn)現(xiàn)象，PEC柱的破壞過程可總結(jié)為以下幾個(gè)階段：

第一階段：試件處于彈性階段時(shí)，柱體沒有顯著現(xiàn)象，只有混凝土應(yīng)變片有少許裂紋，PEC柱混凝土表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋，型鋼和混凝土能夠很好的協(xié)同工作。

第二階段：試件處于彈塑性階段，試件位移加載前期，PEC柱混凝土表面裂紋不斷發(fā)展，柱底翼緣出現(xiàn)拉痕和掉皮現(xiàn)象。

第三階段：屈服后，位移加載后期，試件發(fā)生塑性變形，處于破壞階段。柱根部屈曲明顯，翼緣與混凝土分離，混凝土大量脫落，橫向拉結(jié)筋暴露并被拉斷，柱體逐漸失去承載能力。

3 荷載－位移曲線及其對(duì)應(yīng)的骨架曲線

對(duì)比上面的P-△滯回曲線，得出下面的結(jié)論：

(a)隨著混凝土強(qiáng)度的逐漸提升，混凝土占得比重越來越大，相應(yīng)的翼緣厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響逐漸減小，因?yàn)殡S混凝土強(qiáng)度的提高，混凝土承載力優(yōu)于鋼材，所以最大承載力也隨著混凝土強(qiáng)度的提升。

(b)隨著混凝土強(qiáng)度的逐漸提升，在影響整體滯回曲線延性和耗能性能方面，他們之間的區(qū)別也越來越小。尤其是PEC-5和PEC-6這兩根柱子在耗能和延性方面已經(jīng)趨于相同，并不像前面PEC-3和PEC-4，更不用說最明顯的PEC-1和PEC-2柱。因?yàn)殡S著混凝土強(qiáng)度的逐漸提升，混凝土在整個(gè)柱體中所占的比重逐漸增加，柱體破壞逐漸偏向脆性破壞，這也是為什么在用上高強(qiáng)度C60混凝土，但是其耗能和延性較前面幾根用中低強(qiáng)度混凝土的柱子差。

圖3.1 試件荷載位移滯回曲線

結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)以上PEC中長(zhǎng)柱的試驗(yàn)研究，得出結(jié)論:

(a)PEC柱具有較飽滿的滯回曲線圖，說明這種柱體具體較好的抗震性能。

(b)在一定范圍內(nèi)，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，PEC柱的最大承載力不斷增大。

(c)當(dāng)混凝土與鋼板進(jìn)行協(xié)同作用的時(shí)候，當(dāng)混凝土工作承擔(dān)系數(shù)在0.36和0.43的時(shí)候，柱體的抗震性能最理想，說明此時(shí)混凝土與鋼板具有較好的協(xié)同作用。

[1]李國(guó)強(qiáng),薛偉辰.當(dāng)代建筑工程的新結(jié)構(gòu)體系[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2011,13(1):11-13.

[2]趙根田,高志軍,張孟喜.外包H型鋼混凝土軸壓短柱受力性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,39(增刊1):176-178.

[3]趙根田,朱曉娟.部分包裹混凝土軸壓柱的局部屈曲性能[J].工程建設(shè).2008,40:13-15.

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TU352.11

A

10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2017.04.096