SRCRC轉換柱型鋼延伸高度的試驗與研究

摘 要：完成了12根SRCRC轉換柱試件和1根鋼筋混凝土柱對比試件的低周反復荷載試驗，對具有不同型鋼延伸高度轉換柱試件的抗震性能進行了研究。對比研究了不同型鋼延伸高度轉換柱試件的骨架曲線，分析了延性、承載能力、耗能能力及強度退化率隨型鋼延伸高度的變化情況。轉換柱試件的位移延性系數隨著型鋼延伸高度的增加呈現出先升后降的規律，型鋼延伸高度達到3/5倍的柱高時位移延性系數達到最大值；型鋼的延伸高度對承載能力影響不大；影響轉換柱試件耗能能力的因素較多，且各因素之間尚有耦合關系，3/5倍的柱高是較為合理的型鋼延伸高度，此時試件的耗能能力較好且剛度和強度均保持了一定的穩定性；隨著型鋼延伸高度的增加，型鋼與混凝土之間的粘結問題越突出，粘結裂縫的不穩定發展不但導致粘結破壞，而且使強度的穩定性越來越差，試件的強度退化率越來越小。

關鍵詞：型鋼混凝土；轉換層；延性；耗能能力

中圖分類號：TU398 文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2012）05010207

SRCRC豎向混合結構是底部樓層采用型鋼混凝土（SRC）結構，上部樓層采用鋼筋混凝土（RC）結構的特殊轉換結構形式。SRCRC豎向混合結構在充分利用型鋼混凝土柱良好的承載能力和變形能力、充分發揮其良好抗震性能的同時，可以避免在建筑物底部樓層出現短柱，并且不會大幅度增加建設投資，較完全采用SRC結構具有更好的經濟效益，是一種具有較大發展和應用前景的新型結構形式[16]。SRCRC豎向混合結構本質上屬于豎向不規則結構，為了更好地銜接下部的SRC柱和上部的RC柱，減小強度和剛度的突變，避免出現明顯的薄弱層，可以將最上面一層SRC柱的型鋼向相鄰上層延伸一定高度，形成一種特殊的轉換構件，即SRCRC轉換柱，也可簡稱為轉換柱。轉換柱具有較強的實用性，在日本已有學者對其進行試驗研究[712]，這對于分析和理解轉換柱的抗震性能起到了積極的推動作用，但是由于每次試驗的試件數量有限，僅側重于個別參數對受力性能的影響，因此全面的試驗研究和深入的理論分析亟待進行。由于型鋼僅局部存在于轉換柱的中下部，這種特殊的型鋼存在方式對構件的抗震性能存在怎樣的影響是眾多學者普遍關心的問題，型鋼在轉換柱中的延伸高度成為了研究與分析的核心和重點。〖=D（〗 伍 凱，等：SRCRC轉換柱型鋼延伸高度的試驗與研究〖=〗

筆者通過12根1/3比例的轉換柱試件的低周反復荷載試驗，對轉換柱的基本力學行為進行了研究，分析了型鋼延伸高度對轉換柱破壞形態，以及位移延性系數、承載力、強度退化率、等效粘滯阻尼系數等基本抗震性能的影響。并以1根鋼筋混凝土柱作為對比試件，用于對比分析鋼筋混凝土柱與轉換柱力學性能的差異。試驗結果與分析研究可為轉換柱的合理設計及SRCRC豎向混合結構的推廣與應用提供數據與參考。1 試驗概況

完成了12根轉換柱試件和1根RC柱對比試件的低周反復荷載試驗，研究并分析了具有不同型鋼延伸高度轉換柱試件的抗震性能。試件截面尺寸為220 mm×160 mm，剪跨比λ=L/（2h0）=2.5，L為試件高度，h0為截面的有效高度。圖1給出了轉換柱試件的鋼骨架圖：縱筋采用4根16 mm的HRB 335縱筋，配筋率為2.28%；轉換柱試件分別配置了10號或14號Q235工字型鋼，配鋼率分別為4.08%和6.11%；箍筋為6.5 mm的HPB 235光圓鋼筋，箍筋間距為96 mm（體積配箍率為0.96%），箍筋加密區的箍筋間距為48 mm（體積配箍率為192%）。采用商品混凝土進行試件澆筑，實測混凝土150 mm立方體抗壓強度平均值為59.1 MPa。

通過分析與研究國外研究資料，型鋼延伸高度達到2/5倍的柱高時型鋼基本可以達到受彎屈服的狀態，筆者試驗以此值作為轉換柱中型鋼延伸高度的最小值。為了研究型鋼延伸高度對轉換柱抗震性能的影響，12根轉換柱試件的型鋼延伸高度分別取為2/5、3/5、4/5倍的柱高。表1給出了各試件的設計參數。軸壓比n=N / （fc·A），fc為混凝土軸心抗壓強度，N為軸向壓力，A為截面面積。軸壓比為0.4的試件，柱頂施加的軸壓力約為460 kN；軸壓比為0.2的試件，柱頂施加的軸壓力約為230 kN。更詳盡的試驗信息可參看文獻[13]。

2 破壞形態與配箍方式

SRC柱在低周反復荷載作用下，型鋼與混凝土存在剪力分配的問題，兩者的剪力分配在節點區域基本上已經完成。轉換柱由于型鋼僅僅局部存在于柱的中下部，型鋼與混凝土之間的共同工作必須依靠兩者在柱身范圍內的相互擠壓完成，通過擠壓混凝土將部分剪力傳遞給型鋼。型鋼與混凝土之間的相互擠壓是兩者達到共同工作的基礎，也是導致轉換柱內力傳遞畸變的誘因。內力傳遞的畸變導致轉換柱出現如圖2（a）、（b）所示、類似于RC短柱的剪切破壞。圖3給出了試件SRC42N的箍筋在位移為Δy、2Δy、3Δy時的箍筋應變：最大荷載前，各位置箍筋應變較小；達到最大荷載后，臨界剪切裂縫出現，鋼筋混凝土部分箍筋的應變值突然產生巨幅增漲，箍筋在很短的時間內進入屈服階段并喪失對裂縫的約束作用，無法起到改善抗震性能和提高耗能能力的作用。

為了防止此類剪切破壞的產生，除試件SRC42N、試件S42N，以及鋼筋混凝土柱對比試件RC

3 基本抗震性能分析

3.1 無量綱骨架曲線

圖4為具有不同型鋼延伸高度轉換柱的無量綱骨架曲線，橫軸為柱頂水平側移與屈服側移的比值，縱軸為水平荷載與屈服荷載的比值。通過對比分析可以發現：

1）最大荷載與屈服荷載的比值約為1.2，最大荷載對應的位移約為屈服位移的2倍。

2）在彈性階段，型鋼延伸高度對側移剛度影響甚微。

3）延伸高度系數為0.6的試件具有最佳的屈服后變形能力，骨架曲線的下降段最為平緩。

4）軸壓比越高、型鋼在轉換柱中延伸的越高，骨架曲線的下降段越陡峭。

3.2 延性

圖5給出了轉換柱試件位移延性系數μ隨型鋼延伸高度的變化情況：隨著型鋼延伸高度的增加，轉換柱的位移延性系數呈現出先升后降的規律，型鋼延伸高度系數ξ=0.6時位移延性系數達到最大值，這種規律不受軸壓比、型鋼配鋼率等因素的影響。與SRC柱及RC柱一樣，軸壓比依然是影響轉換柱延性的重要因素，軸壓比較大的試件延性較差[1417]。型鋼延伸高度對位移延性系數的影響程度受到軸壓比的影響：軸壓比較小時，型鋼延伸高度的影響較為明顯；隨著軸壓比的增大，型鋼延伸高度的影響逐漸減弱，位移延性系數相對穩定。

中國目前正在使用的行業標準《型鋼混凝土組合結構技術規程》（JGJ 138-2001）[18]中強調了SRCRC豎向混合結構中應設置豎向過渡層，以減小上、下層的強度和剛度的突變，并給出了如下規定：

1）從設計計算上確定某層柱可由型鋼混凝土柱改為鋼筋混凝土柱時，下部型鋼混凝土柱中的型鋼應向上延伸1層或2層作為過渡層，過渡層柱中的型鋼截面尺寸可根據梁的具體配筋情況適當變化，過渡層柱的縱向鋼筋配置應按鋼筋混土柱計算且箍筋應沿柱全高加密。

2）結構過渡層內的型鋼應設置栓釘，栓釘的直徑不應小于19 mm，栓釘的水平及豎向間距不宜大于200 mm，栓釘至型鋼鋼板邊緣距離不宜小于50 mm。

從此次試驗的結果分析，如此規定值得商榷：首先，上述過渡方式無異于增加1層或2層SRC層，在增加建設成本的同時，還可能導致薄弱層向上轉移，并沒有解決此類轉換結構的根本問題；其次，試驗結果顯示型鋼的延伸高度并非“越高越好”，應該存在一個最佳的合理延伸高度，保證轉換柱具有更好的延性和變形能力，實現剛度和強度的合理過渡。從受力的角度分析，型鋼的截斷位置應選擇在受力較小的部位，反彎點是合理的位置。由于型鋼局部存在于轉換柱的中下部，因此反彎點大約位于0.6倍的柱高處。故3/5倍的柱高應為型鋼的合理延伸高度，試驗結果表明此時試件的位移延性系數達到最大值。

3.3 承載能力

圖6給出了型鋼延伸高度對承載能力的影響，圖6（a）反映了本次試驗結果，圖6（b）為文獻[6]與文獻[9]的試驗結果（構件S1200的延伸高度系數ξ=1.0，指型鋼延伸至梁的底面，并非型鋼混凝土柱對比試件），試驗結果表明型鋼延伸高度對承載能力影響甚微。對于剪跨比較大的轉換柱構件，型鋼參與工作的程度和型鋼抗彎能力發揮的程度是決定承載力的主要因素之一，型鋼延伸高度達到2/5倍的柱高就可以保證柱底型鋼達到屈服，因此型鋼高度的繼續增加對承載能力影響不大；對于剪跨比較小的構件，型鋼的延伸高度對承載能力的影響同樣有限，λ=1.5與λ=2.0試件中延伸高度最小試件與延伸高度最大試件的承載能力相差僅為10%左右。

3.4 強度退化率

強度退化率是指位移控制階段中，每級位移下強度的退化速率，反映了構件在一定的變形下，強度隨荷載反復次數增加的降低特性。在位移控制階段，每級加載中位移保持恒定，因此割線剛度和強度具有相同的退化率。

表2給出了所有試件在位移控制階段各級位移下的退化率，退化率的大小按式（1）計算。強度退化率越小，試件承受反復荷載的能力越差，強度損失的越多。

型鋼延伸高度的增加使試件最后一級位移的強度退化率減小，說明在加載過程中強度的損失速率越來越迅速，強度的穩定性越來越差。粘結裂縫及剪切斜裂縫的出現及發展是造成強度退化的主要因素。隨著型鋼延伸高度的增加，型鋼與混凝土之間的粘結問題越來越突出，粘結裂縫的發展更為充分。當延伸高度達到4/5倍的柱高時，試件的破壞方式已經以粘結破壞為主。粘結裂縫的不穩定發展不但導致粘結破壞，而且使強度的穩定性越來越差，試件的強度退化率越來越小。對于箍筋設置較少的試件SRC42N及S42N，雖然型鋼延伸高度較小，但由于箍筋數量稀少、無法有效限制剪切斜裂縫的發展，因此大范圍剪切裂縫的出現與擴展依然使試件的強度退化現象非常嚴重，同級位移的3個循環中強度損失可高達46%。

3.5 耗能能力

耗能能力是衡量構件抗震性能的主要指標之一，常采用等效粘滯阻尼系數he表示，圖7給出了he與型鋼延伸高度相關曲線，he隨型鋼延伸高度增長而增大。轉換柱的耗能能力主要來自3個方面：混凝土剪切裂縫的出現與發展；鋼與混凝土之間粘結裂縫的出現與發展；橫截面轉動及混凝土、鋼筋、型鋼的損傷與塑性發展。由于剪切裂縫與粘結裂縫的發展會導致強度和剛度迅速衰減、“捏攏”現象增強，影響了試件承受反復荷載的能力，因此橫截面及塑性鉸的轉動是較合理的耗能方式。

隨著型鋼延伸高度的增大，上述3個方面所產生的能量消耗呈動態的平衡關系。型鋼延伸高度較小時，型鋼與混凝土之間的粘結作用較為可靠，粘結裂縫較少，由粘結裂縫的出現與發展而導致的能量消耗非常有限，此時剪切裂縫發展較為充分，是能量消耗的主要方式之一，而橫截面轉動產生的能量消耗與試件的極限側移有關，側移越大、耗能越多。因此對于箍筋數量稀少、剪切裂縫發展較充分，而型鋼延伸高度較小的試件SRC42N，耗能主要依靠剪切裂縫的發展，等效粘滯阻尼系數較小。當型鋼延伸高度較大時，型鋼與混凝土之間的粘結裂縫發展較為充分，由此產生的能量消耗是耗能的主要方式，此時剪切裂縫的分布較為集中，發展相對有限。

除了型鋼延伸高度以外，配鋼率與軸壓比也是影響耗能能力的主要因素。軸壓比較大的試件，由于軸向壓應力較大，剪切裂縫的出現與發展受到一定的約束，于此同時較大的軸壓力限制了塑性鉸的轉動，耗能主要依靠粘結裂縫的發展及由此產生的混凝土損傷。由試驗可知，配鋼率較小試件剪切裂縫與粘結裂縫的發展有限，耗能主要依靠柱頂部和底部截面塑性鉸的轉動。對于具有較小型鋼截面的轉換柱試件，下部的SRC截面可以較早的進入屈服狀態，截面的塑性轉動更為充分，相關試件表現出了更好的耗能能力。

綜合而言，影響轉換柱試件耗能能力的因素較多，且各因素之間尚有耦合關系。僅從型鋼延伸高度方面研究，3/5倍的柱高較為合理，此時試件的耗能能力較好且剛度和強度均保持了一定的穩定性。型鋼延伸高度過大時，雖然等效粘滯阻尼系數較大，但由于剛度和強度已有大幅度的退化，構件的適用性已經相對較低，此時的耗能能力可利用率較小。

4 結 論

1）完成了12根轉換柱試件和1根RC柱對比試件的低周反復荷載試驗，研究并分析了具有不同型鋼延伸高度轉換柱試件的抗震性能。轉換柱的最大荷載與屈服荷載的比值約為1.2，最大荷載對應的位移約為屈服位移的2倍。延伸高度系數為0.6的試件具有最佳的屈服后變形能力，骨架曲線的下降段最為平緩。

2）隨著型鋼延伸高度的增加，轉換柱的位移延性系數呈現出先升后降的規律，型鋼延伸高度系數ξ=0.6時位移延性系數達到最大值。型鋼延伸高度對位移延性系數的影響程度受到軸壓比的影響：軸壓比較小時，型鋼延伸高度的影響較為明顯；隨著軸壓比的增大，型鋼延伸高度的影響逐漸減弱，位移延性系數相對穩定。而型鋼延伸高度對轉換柱承載能力影響甚微。

3）隨著型鋼延伸高度的增加，轉換柱在加載過程中強度的損失越來越迅速，強度的穩定性越來越差。粘結裂縫及剪切斜裂縫的出現及發展是造成強度退化的主要因素。

4）轉換柱的耗能能力主要來自3個方面：混凝土剪切裂縫的出現與發展；鋼與混凝土之間粘結裂縫的出現與發展；橫截面轉動及混凝土、鋼筋、型鋼的損傷與塑性發展。隨著型鋼延伸高度的增大，這3個方面所產生的能量消耗呈動態的平衡關系。3/5倍的柱高是較為合理的型鋼延伸高度，此時試件的耗能能力較好且剛度和強度均保持了一定的穩定性。

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