核心型鋼混凝土柱抗震性能試驗

核心型鋼混凝土柱抗震性能試驗研究摘要：本文通過對5個1/2比例模型柱試件的低周反復加載試驗，研究在高軸壓比下配置核心型鋼對鋼筋混凝土柱的抗震性能的影響。主要研究參數包括軸壓比、型鋼配鋼率和混凝土強度等級。試驗結果表明，配置核心型鋼能夠顯著提高混凝土柱的變形能力和耗能能力，并且使混凝土柱在大變形下的軸向承載能力趨于穩(wěn)定，提高結構在強烈地震下的抗倒塌能力。關鍵詞：核心型鋼混凝土柱，抗震性能，試驗研究，軸壓比1引言核心型鋼混凝土結構(CoreSteelReinforcedConcrete，簡稱CSRC)是指在普通鋼筋混凝土柱截面核心設置含鋼率較低的實腹式型鋼所形成的新型結構形式。這種結構形式可有效的提高大軸壓比下抗震性能較差的RC柱的軸壓比限值，減小柱截面尺寸并避免出現短柱。同時，由于核心型鋼配鋼率較低(2~3%)、型鋼截面高度較小，梁的縱筋可方便的在節(jié)點區(qū)貫通，避免在型鋼上打孔，降低施工難度。另外，該結構形式的防火性能較好，可以大大節(jié)省防火涂料的造價?？傊?，核心型鋼混凝土結構是一種有較大發(fā)展?jié)摿徒洕б娴慕Y構形式。國內外關于核心型鋼混凝土柱的研究報告還很少，文獻[1]進行了8個核心型鋼混凝土柱試件的低周反復加載試驗，核心工字鋼截面高度為1/3試件截面高度。研究結果表明，當配鋼率為1.62%時，CSRC柱有較好的變形性能和耗能能力，而當配鋼率為3.2%時，試驗得到的滯回曲線與普通SRC結構的滯回曲線很接近。文獻[2]開展的鋼管高強混凝土疊合柱研究與核心型鋼混凝土柱有類似的作用，他們研究了核心鋼管混凝土部分和外圍疊合混凝土部分之間的軸力分配，討論了各主要參數對上述軸力分配關系的影響，最后在對大量計算結果進行分析的基礎上，建議了相應的設計名義軸壓比限值。在國內，關于CSRC結構或構件的抗震性能試驗和理論研究工作尚未開展，因此，很有必要對此開展系統(tǒng)的試驗研究工作。2試驗概況2.1試件設計試件截面尺寸為250mm×250mm，試件高度為750mm，以模擬施加工程中剪跨比為3的結構框架柱。試件截面配筋均采用812的HRP335鋼筋，配筋率為1.81%，箍筋采用6@100，體積配箍率為0.93%。型鋼采用3種截面形式，配鋼率分別為1.23%、2.88%和4.88%。試件詳細尺寸及截面構造見圖1。試件參數匯總見表1。試驗主要參數為設計軸壓比、型鋼配鋼率和混凝土強度等級。2.2加載及量測方案2.2.1加載裝置加載裝置如圖2所示。豎向荷載由電動液壓千斤頂通過電動超高壓穩(wěn)壓油泵作用于柱頂，前端球鉸允許柱頂轉動，豎向千斤頂在水平加載時可以隨上部特制低摩阻滑動小車水平移動。水平力的施加通過預埋在試件中的連接件與MTS加載控制系統(tǒng)連接。整個加載過程通過MTS擬動力加載系統(tǒng)施加，采用MTS-GT控制系統(tǒng)控制。圖1試件尺寸及截面詳圖2502502506@100圖1試件尺寸及截面詳圖2502502506@100加載點75011009005025050011003501100預埋的吊裝孔302006@12018200型鋼定位鋼筋3019025030606250805530553040CSRC180301900302501030558055302506010CSRC21253019030250103030130303025010010CSRC3表1試驗參數一覽表試件名稱設計軸壓比nf’cu(MP)型鋼配鋼率aCSRC10.824.191.23%CSRC2-111.024.192.88%CSRC2-221.034.672.88%CSRC2-331.134.672.88%CSRC31.124.194.88%2.2加載及量測方案2.2.1加載裝置加載裝置如圖2所示。豎向荷載由電動液壓千斤頂通過電動超高壓穩(wěn)壓油泵作用于柱頂，前端球鉸允許柱頂轉動，豎向千斤頂在水平加載時可以隨上部特制低摩阻滑動小車水平移動。水平力的施加通過預埋在試件中的連接件與MTS加載控制系統(tǒng)連接。整個加載過程通過MTS擬動力加載系統(tǒng)施加，采用MTS-GT控制系統(tǒng)控制。圖3加載制度循環(huán)次數01/5001/2001/50圖3加載制度循環(huán)次數01/5001/2001/501/251/701/120-1/500-1/200-1/120-1/70-1/50-1/25位移角圖2加載裝置示意圖2.2.2加載制度試驗前先施加1/6預定軸向荷載并進行預加載，通過對柱身同一截面處縱筋應變的監(jiān)測，判斷此時是否為軸心受力狀態(tài)，檢查各試驗儀器是否工作正常。施加水平荷載前，先施加預定豎向荷載，并保持恒定。水平加載采用低周往復靜力加載制度，采用位移控制。具體加載制度如圖3所示。2.2.3量測方案圖4鋼筋編號及應變片布置詳圖圖4鋼筋編號及應變片布置詳圖D9010905510ABCEFGHA1A2B2B1C1D1D2E1E2123456F2F1G1G2H2H1C2水平荷載和豎向荷載直接通過壓力傳感器量測。電子位移計主要用于量測柱頂水平力作用點的側向位移及柱底可能發(fā)生的滑移。鋼筋、型鋼應變采用3×5mm電阻應變片量測，具體布置如圖4和圖5所示?？v筋應變片布置在柱底塑性鉸區(qū)域。箍筋應變片用來測量可能發(fā)生的剪切變形和側向膨脹。所有力、位移和應變信號均通過MTS-GT控制系統(tǒng)和DH3816數據采集儀自動采集。26060602602606060260260365365625260625X1X2X4X3X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16圖5型鋼應變片布置詳圖3試驗結果分析3.1試件破壞形態(tài)在位移角1/120(6.25mm)時，軸壓力較小試件CSRC1受拉縱筋屈服，軸壓力較大試件CSRC2-2、CSRC2-3及CSRC3受壓縱筋先屈服，對應位移角分別為1/100(7.5mm)、1/150(5mm)和1/100(7.5mm)。此后，彎曲裂縫開始明顯向試件根部斜向發(fā)展，寬度不斷增加。試件CSRC1在1/100位移角(7.5mm)時受壓縱筋才屈服。顯然，小軸力的試件CSRC1(設計軸壓比0.8，實際軸力460.6kN)發(fā)生的是大偏壓破壞。在位移角1/70(10.7mm)時，所有試件受壓區(qū)混凝土均開始輕微起皮，隨循環(huán)數及位移幅值的增加，混凝土逐漸壓酥、剝落。試件根部兩個方向的水平裂縫全部交叉、貫通。此時，高軸壓比的三個試件CSRC2-2、CSRC2-3及CSRC3受拉縱筋相繼屈服。彎剪裂縫也不斷發(fā)展，在試件根部及中部形成大小不一的“X”型交叉裂縫，此時，箍筋應變增加較快，個別箍筋屈服。但由于型鋼的存在，沒有試件發(fā)生剪切破壞。在位移角1/50(15mm)循環(huán)時，試件保護層基本剝落，并伴有混凝土的壓碎聲音。試件CSRC3在1/35位移角(21.4mm)時保護層剝落，同時型鋼受壓翼緣屈服。此時，試件承載能力開始下降，但下降速度緩慢。在位移角1/35(21.4mm)時，所有試件的保護層均完全剝落，此時，部分縱筋應變采集通道已經溢出，試件CSRC2-2及CSRC2-3受壓縱筋已經向外壓屈，而試件CSRC1及CSRC3在1/25位移角(30mm)時，縱筋才壓屈?？梢?，軸力越大，核心型鋼配鋼率越小，縱筋越早被壓屈。隨循環(huán)的不斷發(fā)展，試件根部縱筋最終全部向外壓屈，呈現“燈籠狀”破壞狀態(tài)。試件強度和剛度退化開始加快，直至試驗結束。整個試驗過程中，軸力基本保持恒定，沒有發(fā)生突然降低的情況。這說明核心型鋼混凝土柱完全可以滿足“大震不倒”的抗震要求，在較大層間位移角下保證豎向承載能力無損失或損失很小，保障住戶的生命安全。試件破壞的最終形態(tài)如圖6所示。圖6試件最終破壞形態(tài)圖6試件最終破壞形態(tài)(a)CSRC2-2(b)CSRC2-3(c)CSRC33.2滯回曲線特征試驗記錄的試件典型滯回曲線如圖7所示。通過對試件滯回曲線的分析，可以得到以下不同試驗參數的滯回特征：(1)初始荷載小于開裂荷載時，所有試件基本處于彈性階段，卸載后殘余變形很小。隨著位移幅值的增加，特別是縱向鋼筋屈服后，試件進入彈塑性階段，卸載后存在一定的殘余變形。所有滯回曲線在推和拉時均存在不同程度的不對稱，部分原因是包興格效應造成的。(2)進入彈塑性階段，滯回環(huán)捏攏現象并未出現，滯回環(huán)非常飽滿，試件具有良好的塑性變形能力和滯回耗能能力。這說明，在加載過程中，無較大的剪切裂縫出現，從而沒有因為加載和卸載過程中斜裂縫的開展和閉合而導致滯回環(huán)捏攏，試驗中的現象也證實了這一點。(3)在1/35位移角之前，所有試件(除錨固件失效的CSRC2-1外)在同級位移幅值下，各循環(huán)曲線基本重合，強度和剛度退化很小。對比各試件強度和剛度開始明顯退化時的位移角，小軸壓比的CSRC1為1/25，而大軸壓比的CSRC2-2、CSRC2-3和CSRC3分別為1/25、1/35和1/20。試件最后兩個循環(huán)的承載力降低幅度有以下特征：02550-25(a)CSRC102550-25(a)CSRC1-50(mm)0100200300-100-200-300P(kN)02550-25(b)CSRC2-2-50(mm)0100200300-100-200-300P(kN)02550-25(c)CSRC3-50(mm)0100200300-100-200-300P(kN)圖7試件滯回曲線軸壓比越大，試件承載力隨位移角幅值的增加退化就越快，而隨型鋼配鋼率的增加，這種現象得以改善。也就是說，增加型鋼配鋼率可以提高CSRC柱在相同軸力下的變形能力和抗倒塌能力，從而可以提高軸壓比限值。3.3骨架曲線5個試件的骨架曲線匯總如圖8。主要特征點試驗結果如表2所示。由圖8可見，相同軸壓比試件的上升段基本接近。在最高荷載點之后試件水平承載力下降，形成負剛度，它是P-效應及強度和剛度退化的綜合反映。試件CSRC2-1由于錨固件失效，導致其骨架曲線的后續(xù)段無法得到。其它試件骨架曲線均有明顯的強化段，這說明核心型鋼混凝土柱在大軸壓比下仍然具有良好的變形能力。圖圖8試件骨架曲線020304050-50-300-2000100200300(mm)P(kN)-100-40-30-20-1010BECOAFD圖9等效粘滯系數示意圖表2P-骨架曲線特征點試驗結果試件nPc(kN)c(mm)Py(kN)y(mm)Pm(kN)Pu(kN)u(mm)＝u/yCSRC10.875.82.51056.25167.5121.631.45.02CSRC2-221.01202.51806.25234.4181.128.994.64CSRC2-331.1953.751955.0179.815221.44.28CSRC31.11072.51627.5212.2178.534.344.583.3耗能性能耗能能力是對抗震性能評價的重要指標。每次循環(huán)中滯回環(huán)線所圍面積代表每次循環(huán)耗能大小，表示耗能能力好壞的指標之一是等效粘滯阻尼系數。等效粘滯阻尼系數越大，結構耗能能力越大。等效粘滯阻尼系數he按下式計算。(1)式中，SABC、SCDA為橢圓包圍面積，SOBE、SODF為三角形包圍面積，分別如圖9所示。分別取3個位移角幅值1/50、1/35和1/20的第一個滯回環(huán)，按式(1)計算相應的等效粘滯阻尼系數，計算結果列于表3中。表3不同位移幅值下等效粘滯阻尼系數試件編號1/501/351/25CSRC10.1480.1880.246CSRC2-220.1810.2110.296CSRC2-330.2350.278——CSRC30.1280.1870.243由表3可知，軸壓比越小、核心型鋼配鋼率越大，試件的耗能能力越強。試件CSRC3(n=1.1)與試件CSRC1(n=0.8)的耗能能力基本相同，可見核心型鋼對試件在高軸壓比下耗能能力的貢獻。4結論(1)所有試件的設計軸壓比均接近或超過混凝土規(guī)范的規(guī)定限值0.9，但其延性系數仍在4.28～5.02之間。對比文獻[3]中剪跨比為3的常規(guī)框架柱的試驗結果，在設計軸壓比為0.9時，其位移延性系數僅有3.86。這說明在重載柱中配置核心型鋼能夠較大幅度改善軸壓比超限柱的變形能力。(2)試件承受較高的豎向荷載并在整個試驗過程中，特別是在水平加載下的破壞階段，即使箍筋拉脫，縱向鋼筋壓屈成“燈籠狀”的情況下，豎向承載力仍保持很好的穩(wěn)定性。這說明核心型鋼混凝土柱在“大震”作用下，進入彈塑性變形階段具有較好的抵抗豎向荷載的能力，抗倒塌能力較強。(3)核心型鋼的配鋼率對試件的變形能力有較大影響。配鋼率較大的試件CSRC3(設計軸壓比1.1)的位移延性系數比配鋼率較小的試件CSRC2-3(設計軸壓比1.1)大6.6%。(4)試件滯回曲線飽滿，無“捏攏”現象發(fā)生，試件強度和剛度隨位移幅值的增加退化緩慢，試件滯回耗能能力較好。(5)軸壓比對試件的抗震性能影響較大。隨軸壓比的增加，試件的位移延性系數減小，試件CSRC2-2(設計軸壓比1.0)的位移延性系數比相同配鋼特征的試件CSRC2-3(設計軸壓比1.1)大8.4%。但隨核心型鋼配鋼率的增加，軸力對試件變形能力的削弱作用減小。參考文獻[1]Junich