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摘要：通過20個混凝土強度為65.3～84.9MPa的型鋼高強混凝土柱的低周反復加載試驗，研究型鋼高強混凝土柱在壓、彎、剪共同作用下的破壞形態和抗震性能。...

低周反復荷載下型鋼高強混凝土柱受力性能試驗研究

李俊華 王新堂 薛建陽 趙鴻鐵

寧波大學 浙江寧波315211 西安建筑科技大學 陜西西安710055

引言

    高強混凝土是當前混凝土發展的一個主要方向，世界各國所使用混凝土的平均強度都在不斷提高。目前，國外已有實際工程采用l00MPa以上的混凝土。但是，高強混凝土也存在脆性大、抗震性能差的弱點，這極大地限制了它在地震區建筑結構中的應用。型鋼混凝土由于內部核心型鋼的存在，具有強度高、延性好的特點，將型鋼與高強混凝土二者結合起來，既能克服高強混凝土脆性大、抗震性能差的弱點，又能充分發揮鋼材的力學性能，取得良好的社會經濟效益。因此型鋼高強混凝土越來越受到工程界的重視，對其受力性能的研究也不斷增多。從目前的報導來看，研究對象主要集中于混凝土強度為C60和C70的型鋼混凝土柱上，對混凝土強度等級更高的型鋼混凝土柱的受力性能的研究則相對較少。為了全面和更進一步了解型鋼高強混凝土柱的受力性能，本文設計了20個混凝土強度為C60和C80的型鋼高強混凝土柱的低周反復加載試驗，研究型鋼高強混凝土柱在壓、彎、剪共同作用下的破壞形態和抗震性能，探討剪跨比、軸壓比、配箍率、混凝土強度對型鋼高強混凝土柱的滯回特性、骨架曲線、延性、耗能性能以及承載力衰減的影響。

1、試驗概況

    1.1參數設計

    試驗中主要考慮剪跨比、軸壓比、體積配箍率、混凝土強度4個參數的影響，各試件的參數設計見表l。試件的截面尺寸為220 mm×160mm；型鋼采用普通熱軋工字鋼，工字鋼的截面高度為140mm，翼緣寬80mm，截面含鋼率為6.11％；縱向鋼筋采用4Ф12，配筋率為l.28％，構件的形狀及截面配筋情況見圖l。

 

圖1試件的形狀與截面設計

    1.2加載制度

    試驗采用懸臂梁式加載，加載裝置如圖2所示。加載時，首先通過豎向千斤頂施加軸向荷載到預定值，然后保持該荷載不變，由荷載作動器施加往復水平荷載，水平荷載根據《建筑抗震試驗方法規程》(JGJOl一19)采用荷載與位移雙控制，試件屈服前按荷載控制，分數級加載，每級荷載反復一次；屈服后按位移控制，每級增加的位移為屈服位移的倍數，并在相同位移下往復循環3次，直到荷載下降到最大水平荷載的75％或試件不能再承擔預定軸壓力時結束試驗。

 

圖2試驗加載裝置

表1試件的參數與主要試驗結果

    1.3主要測試內容

    加載過程中，主要測試水平荷載、水平位移、縱向鋼筋應變、箍筋應變、型鋼應變以及混凝土的變形。所有測試數據通過TSD數據采集儀采集，其中水平荷載和水平位移也同時傳輸到XY，函數記錄儀中，用來繪制P-△滯回曲線。

2、試驗結果分析

    2.1破壞形態及破壞過程分析

    破壞時各試件的變形和裂縫情況依次列于圖3中。由破壞過程與最終破壞情況可歸納出三種主要破壞形態，即彎曲型破壞、剪切黏結破壞、剪切斜壓破壞。

    試驗中，剪跨比為2.5的試件以及部分剪跨比為2.0的試件發生了彎曲型破壞。加載時，首先在柱根部位置出現側面水平裂縫；隨著荷載的增加，水平裂縫向正面延伸，當延伸到型鋼翼緣處時，由于受到翼緣的阻礙，發展緩慢，并且部分裂縫開始朝斜向和縱向發展；繼續加載，斜裂縫發展緩慢，水平裂縫發展迅速且隨著荷載往復循環在柱根貫通，導致構件屈服；構件屈服后，隨著位移和荷載循環次數的增加，柱根位置混凝土的裂縫增多并不斷剝落，水平荷載下降，但是由于型鋼的存在荷載下降較為緩慢；繼續增加位移到一定值時，柱根位置的混凝土被大面積壓潰，縱筋屈服外鼓，型鋼由于得不到混凝土的保護而局部屈曲，構件的承載能力迅速下降并宣告破壞。總體來說，破壞過程較為緩慢，延性較好。

    剪跨比為2.0的試件主要發生剪切黏結破壞。與彎曲型破壞一樣，加載初期，在構件的根部首先出現水平裂縫，隨著荷載的增加，水平裂縫延伸至正面并逐漸發展成斜裂縫，但是這些裂縫的發展非常緩慢；繼續加載，在某一級荷載循環時型鋼受壓翼緣外側突然出現縱向裂縫，且發展很快并沿柱高貫通，導致構件屈服；構件屈服后，增加位移且隨著荷載循環次數的增多，縱向裂縫不斷加大，最終導致型鋼翼緣外側混凝土保護層大面積劈裂剝落，水平荷載急劇下降，構件破壞。從構件屈服到破壞的整個破壞過程非常迅速，破壞的脆性性質明顯，延性較差。

 

圖3試件的破壞形態和裂縫分布

    剪跨比為l.5和1.0的試件都發生了剪切斜壓破壞。加載后，當水平荷載達到一定程度時，在柱根部出現水平裂縫的同時，柱腹部與型鋼受壓翼緣外側分別出現斜裂縫和縱向黏結裂縫；繼續增加荷載，水平裂縫和黏結裂縫發展緩慢，但斜裂縫發展極快，其數量不斷增多，寬度不斷增大，且隨著荷載的往復循環斜向交叉發展，逐漸將荷載作用點與柱根部這一剪跨段內的混凝土劃分成若干斜向小柱體而導致構件破壞。整個破壞過程十分迅速，延性很差。

    2.2滯回曲線

    構件在水平荷載下的滯回曲線是其抗震性能的一個重要表現，滯回曲線越豐滿，表明構件消耗地震能量的能力越強，抗震性能越好。圖4為部分試件的實測荷載一位移滯回曲線，其中第一行3個試件 SRC一2、SRC一5、SRC一8的配箍率和軸壓比都相同，但剪跨比分別為1.0、1.5、2.5；第二行3個試件 SRC一12、SRC一15、SRC一18的配箍率和剪跨比都相同，而軸壓比分別為0.20、0.28、0.36；第三行3個試件SRC一16、SRC一17、SRC一18的軸壓比和剪跨比都相同，而配箍率分別為O.8％、l.2％、l.6％。從滯回曲線上可以看出以下幾個特點：

    (1)水平荷載較小時，試件基本上處于彈性工作階段，加載時荷載位移曲線沿直線上升，卸載后變形恢復。隨著荷載的增加，曲線逐漸朝水平軸偏移，卸載時變形不能完全恢復，有一定的殘余變形，構件表現出彈塑性性質，但是當荷載小于屈服荷載以前，試件的加載和卸載剛度沒有顯著變化。荷載達到屈服強度以后，加載與卸載剛度明顯降低，并且這種降低隨著荷載循環次數的增多而愈益劇烈，表現出明顯的剛度退化現象。最大荷載過后，由于P-△效應的存在，卸載初期的位移變化明顯滯后于荷載的降低，卸載曲線幾乎平行于荷載軸。

圖4試件的荷載一位移滯回曲線

    (2)軸力對試件滯回曲線的形狀影響很大，軸壓比小的試件，滯回環呈豐滿的梭形，最大水平荷載過后，滯回曲線比較穩定，構件在強度不顯著降低的情況下，所能經受的循環次數多，極限變形大。而軸壓比大的試件，其滯回環相對狹小，最大水平荷載過后，滯回曲線的穩定性下降，承載力衰減嚴重，極限變形和所能承受的荷載循環次數都明顯小于軸壓比小的試件。

    (3)在軸壓比和配箍率都相同的情況下，剪跨比大的試件，滯回曲線較為豐滿，最大水平荷載后試件的承載力衰減緩慢，構件在強度不顯著降低的情況下，所能經受的循環次數多，極限位移大。

    (4)在其他條件相同的情況下，配箍率越大，滯回曲線越豐滿，最大水平荷載后峰值荷載的下降段越平緩，試件的極限變形能力強，耗能能力大。

    (5)由于核心型鋼的存在，所有試件的滯回曲線沒有表現出與鋼筋混凝土構件相類似的捏攏現象，最大水平荷載后，不管承載力衰減的快慢，試件的滯回曲線都基本上能收斂于工字鋼純鋼柱的滯回曲線。這一特點顯示型鋼混凝土柱具有較強的抵御二次地震的能力，對大震過后殘余地震能量的吸收十分有利，體現了比鋼筋混凝土柱更為優越的抗震性能。

    2.3骨架曲線

    由首次加載曲線與以后每次循環的荷載一位移曲線峰值點連線的軌跡得到試件的骨架曲線如圖5所示。其中圖5(a)中SRC一3、SRC一6、SRC一93個試件的軸壓比和配箍率相同，剪跨比分別為l.0、1.5、2.5，從中可以看出剪跨比小的試件，其骨架曲線上升段以及下降段都比較陡峭，隨著剪跨比的增大，骨架曲線的上升段及下降段逐漸趨于平緩。同時，隨著剪跨比的增大，試件的極限荷載減小，但是對應于極限荷載的水平位移以及極限位移都相應的增大。

    圖5(b)中SRC一12、SRC一15、SRC一18的剪跨比和配箍率相同，但軸壓比分別為0.20、0.28、0.36。從中可以看出，軸壓比大的試件的極限荷載大、極限位移小。同時隨著軸壓比的增加，骨架曲線的下降段變陡，承載能力衰減加劇。

    圖5(c)中3個試件SRC一1、SRC一2、SRC一3的其他條件相同，而配箍率分別為0.8％、l.2％、1.6％。從中可以看出，隨著配箍率的增加，構件的極限承載和極限變形增大。表明箍筋對高強混凝土受力性能的改善仍有效。

    圖5(d)中2個試件SRC一2、SRC一19的剪跨比、軸壓比、配箍率均相同，但混凝土強度分別為67.3 MPa和84.4MPa，從中可以看出混凝土強度高的試件，骨架曲線的上升段與下降段較為陡峭，峰值荷載和峰值位移較大，但是極限位移小，后期變形能力差。

 

圖5試件的骨架曲線

    2.4延性

    2.4.1延性系數的確定

    延性是表征變形能力的一個重要參數，是指結構構件在承載能力沒有顯著降低的情況下承受變形的能力，通常可以用延性系數來表示，位移延性系數為構件極限位移與屈服位移的比值。根據實測滯回曲線的骨架曲線，用等效能量法確定其屈服位移，再用荷載下降到85％的極限荷載的所對應的位移作為極限位移，由此得到各個試件的延性系數見表1。

    2.4.2延性影響因素分析

    從表l中可以看出，隨著軸壓比的增加，延性系數減小，同時從圖6中可以看出，延性系數的減小率隨著配箍率的增加而降低。對剪跨比相同，配箍率為0．8％的3個試件SRC一10、SRC一13、SRC一16，當試驗軸壓比從0．20增加到0．36時，延性系數下降了41.6％；配箍率為l.2％3個試件SRC一1 1、SRC一14、 SRC一17，試驗軸壓比從0.20增加到0.36時，延性系數下降了30.5％；而配箍率為1.6％3個試件SRC一12、 SRC一15、SRC一18，試驗軸壓比從0.20增加到0.36時，延性系數僅下降了22.3％。

    軸壓比對構件延性的影響可以從兩個方面加以解釋。一方面，軸壓比較小時，構件截面邊緣混凝土的主壓應力和主壓應變小，混凝土后期的變形能力強，延性好；隨著軸壓比的增加，截面邊緣混凝土的主壓應力和主壓應變增加，混凝土的極限變形能力減弱，廷性降低。另一方面，軸壓比大的試件，隨著水平位移的增加，由軸力引起的P-△效應加大，二次彎矩和附加變形增加，構件在最大荷載后的變形難以穩定，極限位移減小，因而延性較差。箍筋在最大荷載后能對核心區混凝土提供有效約束，可以相應地增加構件的極限變形能力，因而隨著配箍率的增加，延性系數隨軸壓比增加而降低的程度減小。

    剪跨比是影響型鋼高強混凝土柱延性的另一個重要因素。表l和圖7表明，在其他條件都相同的情況下，隨著剪跨比的增加，柱的延性系數增大。剪跨比對型鋼高強混凝土柱延性的影響主要體現在其對構件破壞形態的影響。當剪跨比較小時，構件主要發生剪切型破壞(剪切斜壓破壞以及剪切黏結破壞)，破壞過程快，脆性性質明顯；隨著剪跨比的增加，柱的破壞形態由剪切型向彎曲型轉變，破壞過程較為緩慢，延性增加。

圖6延性與軸壓比的關系曲線

圖7延性與剪跨比的關系曲線

 

圖8延性與配箍率的關系曲線

    由表l可見，在其他條件相同的情況下，隨著體積配箍率的增加，柱的延性系數增大。同時，圖8表明，配箍率對延性的影響程度還與剪跨比和軸壓比有關。對不同剪跨比的柱，延性系數隨配箍率增加而增大的程度并不相同，剪跨比小的試件，隨著配箍率的增加，延性系數提高得較少；而剪跨比大的試件，隨著配箍率的增加，延性系數提高的程度加大。對剪跨比相同而軸壓比不同的試件，軸壓比越大，延性系數隨配箍率增加而提高的程度越高。

    配箍率對構件延性的影響主要體現在其對混凝土受力性能的改善上。構件承受水平荷載后，隨著荷載的增加，混凝土不斷地向外膨脹，但是由于箍筋的存在，膨脹會受到約束，從而使混凝土處于多向復合受力狀態，其變形能力增強。一般情況下，配箍率越大，其所能提供的約束作用也越強，對混凝土延性的改善作用越明顯。但是，箍筋對混凝土約束作用的強弱與其自身的應力情況有關。剪跨比大的試件，承載能力小，最大水平荷載后，箍筋自身的應力較小，其所能為混凝土提供的后期約束作用強，因而對構件延性的改善程度大；剪跨比小的試件，承載能力高，最大水平荷載后，箍筋自身的應力已經大，有的甚至可能已經達到屈服強度，這樣他所能為混凝土提供的后期約束作用就有限，因而對構件延性的改善程度不顯著。這為結構設計提供了啟示，即對剪跨比較小的短柱，一味增加配箍率，并不一定能有效改善構件的延性，對地震區的建筑，應盡量避免采用短柱。

    從表l中SRC一2與SRC一20、SRC一6與SRC-19的延性系數對比中可以看出，在其他條件相同的情況下，混凝土的強度越高，試件的延性系數越小。

    2.4.3延性系數的計算

    根據上述位移延性系數的主要影響因素分析，采用數理統計方法得到其計算公式為：

 

    式中：λ為剪跨比，當λ<1時取λ=1，當λ>3時取λ=3；Pv為體積配箍率；nt為試驗軸壓比；fcu為高強混凝土的立方體抗壓強度。

    利用上式對試驗中每個試件的延性系數進行了計算，計算結果與試驗結果的統計分析表明：試驗值與計算值之比的平均值為l.03，離散系數為0.015，計算結果與試驗結果符合較好。

    2.5耗能性能

    結構構件耗能性能的好壞是對其抗震性能評估的一個重要依據。如果結構構件在一定的強度保證下，具有良好的耗能性能，則在地震過程中可以耗散很大一部分能量，使結構不至于產生嚴重破壞。耗能性能通常用等效阻尼比he來描述，he=A/2πF△，其中，A為一個滯回環的面積，F△為滯回環上下兩個部分最大水平荷載和最大水平位移乘積的平均值。he越大，表明構件的耗能能力越強。圖9為部分試件不同級位移下最后一次循環時的he與變形的關系曲線。由中看出，所有試件的等效阻尼比都隨著位移的增加而增大。同時，隨著剪跨比和配箍率的增加，等效阻尼比增大；隨著軸壓比和混凝土強度的提高，等效阻尼比降低。

    文獻[6]指出，對于彎曲型破壞的鋼筋混凝土生，其等效阻尼比he大致為0.1～0.2。文獻[7]的試驗結果表明，不論軸壓比和配箍率如何，型鋼普通強度混凝土柱破壞時，其等效阻尼比為0.46左右。文獻[8]的研究發現，對于C60的型鋼高強混凝土柱，下管軸壓比大小，破壞時的等效阻尼比都能達到0.4，以上。本文的研究結果表明，即使是混凝土強度為 8OMPa以上，在破壞時，其等效阻尼比也都大于0.34。因此，可以這么說，對于型鋼混凝土柱，不管其混凝土強度等級的高低，其耗能能力都要明顯優于鋼筋混凝土柱。

圖9試件的等效阻尼比

    2.6承載力衰減

    試驗表明，在某一控制位移下，型鋼高強混凝土三承載力隨著荷載循環次數的增加而降低，具有明顯衰減現象。這種強度衰減對構件的受力性能有很大的影響，強度衰減得越快，表明結構繼續抵抗荷載的能一下降得越多，體現在抗震當中就是當結構遭受到一定的地震作用之后，其繼續抵抗地震作用的能力下降．在隨后不大的地震作用或大震之后的余震作用中也可能遭受嚴重破壞。強度衰減可以用某一控制位移下第n次循環的峰值荷載與該級位移下首次加載時的峰直荷載之比Vn/Vl來表示，本次試驗得到構件的強度衰減與荷載循環次數的關系見圖10。

    由圖l0可以看出，所有試件的強度衰減都隨著加載位移和荷載循環次數的增加而加快。同時，由圖10(a)可以看出，隨著剪跨比的增大，構件后期的強度衰減減小。剪跨比為1.0試件SRC一2，最后一級位移下承載力的衰減在40％以上，而剪跨比為1.5和2.5的試件SRC一5和SRC一8，最后一級位移下承載力的衰減則分別為35％和30％。

    圖10(b)表明，軸壓比對構件的強度衰減影響很大。軸壓比為0.2時(SRC一12)，隨著位移的增加，構件承載力的衰減表現出逐步而穩定的增加，最后一級位移下承載力的衰減小于20％；當軸壓比增加到0.28(SRC一15)，構件后期的承載力衰減有所加大但增加幅度不大，最后一級位移下承載力的衰減大約為22％；隨著軸壓比增加到0．36(SRC一18)，構件后期的承載力衰減急劇加大，最后一級位移下承載力的衰減超過40％，表現為不穩定的承載力衰減。

圖l0構件的承載力衰減

    圖10(c)表明配箍率對構件強度衰減的影響并不明顯。這主要是由于在最大水平荷載之后，箍筋都已經屈服，隨著荷載的循環，其對承載能力的貢獻作用幾乎可以忽略。

    圖10(d)表明，混凝土強度為C80的型鋼混凝土構件，在位移不太大時，隨著荷載循環次數的增加其強度衰減要小于混凝土強度為C60的型鋼混凝土構件。但是隨著位移的增加，前者的強度衰減明顯比后者的強度衰減加快，特別是最后一級位移下的第二次荷載循環，前者的強度比后者的強度多下降了近30％。由此可見，隨著混凝土強度的提高，其受力后期抵抗位移以及荷載循環次數的能力大大下降，抗震強度難以得到保證。

3、結論

    通過20個型鋼高強混凝土柱的低周反復加載試驗，得出了以下結論：

    (1)與型鋼普通強度混凝土柱一樣，在壓、彎、剪的聯合作用下，型鋼高強混凝土柱也主要發生彎曲型破壞、剪切黏結破壞、剪切斜壓破壞。在這三種破壞形態中，都出現比較明顯的黏結裂縫，型鋼混凝土柱的黏結滑移性能應該引起工程界重視。

    (2)剪跨比、軸壓比、配箍率以及混凝土強度都對型鋼高強混凝土柱的抗震性能產生顯著影響。總的來說，隨著剪跨比和配箍率的增加，構件的滯回曲線越來越豐滿，延性提高，耗能能力增強，最大荷載后的強度衰減降低；而隨著軸壓比和混凝土強度的提高，滯回環的面積越來越小，廷|生降低，耗能能力減弱，承載能力衰減加快，抗震性能越來越差。

    (3)從試驗結果看，即使混凝土強度超過80MPa，箍筋仍能對其后期變形提供較好約束。但小剪跨比試件的延性系數隨配箍率增加提高較小，箍筋對此類構件抗震性能的改善有限。地震區的型鋼混凝土結構，應采取更為有效的方法提高構件延性并盡量避免采用短柱。

    (4)與鋼筋混凝土柱相比，型鋼高強混凝土柱的滯回曲線更為豐滿，耗能能力更強，抗震性能更好。同時，由于內部核心型鋼的存在，型鋼混凝土柱對抵抗主震后的殘余地震更為有利。

    (5)本文提出的型鋼高強混凝土柱位移延性系數計算公式，可作為工程設計應用參考。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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