鋼骨混凝土柱的受力性能研究

楊包生

[摘要] 通過鋼骨高強混凝土柱的承載力試驗和在低周反復水平荷載作用下的試驗研究，分析了長細比對柱受力性能的影響以及軸壓比、配箍率及鋼骨形式對柱抗震性能的影響。由試驗得出鋼骨高強混凝土長柱的承載能力隨試件長細比的增大而降低，隨混凝土強度等級的提高而提高，破壞的突然性隨長細比的增大而俞益明顯；另外，研究發現鋼骨高強混凝土柱的抗震性能除對軸壓力系數敏感外，鋼骨形式也是一個重要的影響因素，對于鋼骨形式不同的鋼骨高強混凝土柱，可適當調整其軸壓力系數限值，而配箍率的影響則并不顯著。

[關鍵詞] 鋼骨高強混凝土柱軸壓力系數長細比

1.概述

隨著現代建筑的發展，建筑物的高度、跨度不斷增加，傳統的鋼筋混凝土結構已經滿足不了現代建筑的要求。因為高層、超高層建筑結構底部柱子所受的軸向壓力很大，如仍采用鋼筋混凝土柱，由于受軸壓比的限制，導致柱截面尺寸非常大，不僅影響使用功能，而且往往形成不利于結構抗震的短柱。大量試驗表明，鋼骨混凝土柱由于鋼骨分擔了部分軸力，可以有效減小混凝土部分的軸壓比，提高柱的抗震性能。因此，鋼骨混凝土柱，特別是鋼骨高強混凝土柱在現代建筑中得到了較為廣泛的應用。日本是一個多地震國家，地理條件促使它必須找到一種抗震性能和適用性都比較好的結構形式，多次大地震的實踐使其選擇了鋼骨混凝土結構。到1985年，鋼骨混凝土結構的建筑面積已經占總建筑面積的62.8%，10～15層高層建筑中鋼骨混凝土結構的建筑物幢數占總數的90%左右。

鋼骨混凝土構件的內部鋼骨和外包混凝土形成整體、共同受力，其受力性能優于這兩種結構的簡單疊加。

2.試驗研究

2.1試驗概況

為評價鋼骨混凝土柱的受力性能，做了兩種試驗。第一種是正截面承載力試驗，試件8根，分兩批制作，第一批試件六根，共分三組，每組兩根，每組長度相同，三組試件長度分別為2.80m、3.50m、4.10m，截面尺寸為180×160mm，內含Q235熱軋I10工字鋼，為軸心受壓柱，編號為SRHC-A1～SRHC-A6；第二批試件2根，長度相同，試件長度為3.20m，試件上下設有柱頭，柱頭截面尺寸為240×160 mm，柱身截面尺寸為180×160mm，為偏心受壓柱，編號SRHC-E1～SRCH-E2。見圖1，試件參數詳見表1。第二種是低周反復水平力作用下的靜力試驗，試件6個，柱截面和配筋見圖2，試件參數詳見表2。

2.2試驗結果

2.2.1柱的穩定承載力試驗研究

柱的正截面承載力試驗表明：對于軸心受壓試件，除試件SRHC-A1、A2發生材料破壞外，其余試件的破壞形態均為失穩破壞。全過程大致分為兩個階段:

1.線性階段

在極限荷載前，試件跨中截面材料的縱向應變和側向變形都隨荷載的增加按比例增長，但側向變形較小或開展不很明顯；只是在極限荷載的90％以后，由于初始缺陷的影響，變形開展增加，跨中截面壓力較大側鋼骨和混凝土縱向應變增加加快。

2.破壞瞬間

在到達極限荷載的瞬間，荷載隨即開始下降，而跨中側向變形迅速發展，受二階效應影響，跨中截面彎曲內側混凝土壓應變急劇增加，出現縱向裂縫，外側混凝土相應產生1～3條橫向裂縫，裂縫多產生于箍筋處，試件宣告破壞。所有試件柱破壞時都伴有較大響聲，跨中截面受壓較大側鋼骨翼緣在破壞瞬間屈服，混凝土塊崩出，該側箍筋有明顯鼓出現象。對破壞后的試件檢查發現，受壓較大側鋼骨與混凝土粘結已破壞。

第一批試件尺寸及配筋圖（SRHC-A1～SRHC-A6）

第二批試件尺寸及配筋圖（SRHC-E1～SRHC-E2）

圖1 試件尺寸及配筋圖

圖2試件截面尺寸

偏心受壓試件的破壞形態均屬于小偏壓破壞，即壓區混凝土先于拉區鋼骨達到極限壓應變。破壞全過程分為三個階段：

（1）線性階段

在極限荷載的85%以前,試件縱向應變和側向變形都隨荷載的增加按比例增長，壓區應變開展快于拉區，側向變形開展較為明顯。

（2）塑性發展階段

極限荷載85％以后，由于具有初始偏心，跨中側向變形開展加快，跨中截面受壓區鋼骨翼緣屈服，邊緣混凝土壓應變增加加快，壓應變超過混凝土最大壓應變，材料進入塑性階段，受拉側出現1~3條橫向細小水平裂縫。

（3）破壞階段

到達極限荷載后，隨承載能力下降，側向變形迅速開展。壓區混凝土出現縱向裂縫，并很快被壓碎，試件破壞時都伴有較大響聲，拉區橫向裂縫開展加快，壓區鋼骨翼緣屈服，壓邊箍筋有明顯鼓出現象。與鋼骨混凝土短柱相比，長柱破壞時，撓度的變化幅度較大，有較明顯的破壞預兆。從整體破壞形態看，長柱的鋼骨與混凝土具有較好的整體工作性能，破壞發生在柱中部。

通過對鋼骨高強混凝土受壓長柱試驗過程和結果分析，可以得出以下結論:

（1）鋼骨高強混凝土軸壓長柱的穩定承載力隨試件的長細比的增大而降低；

（2）鋼骨高強混凝土軸心受壓長柱試件的破壞分為兩個階段：線性階段和破壞瞬間；

（3）隨混凝土強度等級的提高，軸壓試件的穩定承載能力得到提高；

（4）鋼骨混凝土偏心受壓長柱承載力隨初始偏心距的增大而降低；

（5）偏心受壓長柱的破壞形態分為三個階段：線性階段、塑性發展階段和

破壞階段。

2.2.2柱抗震性能的試驗研究

低周反復水平力作用下的靜力試驗表明，軸壓力系數和體積配箍率是影響鋼骨高強混凝土柱的抗震性能的兩個重要參數。隨軸壓力系數的增加，鋼骨高強混凝土柱的延性和耗能能力均變差；軸壓力系數從0.41提高到0.45，試件的位移延性系數降低了17%；而在軸壓力系數一定時，提高柱的體積配箍率，可以相應地改善柱的延性、增強柱的變形能力等。配箍率從0.8%提高到1.6%時，柱的位移延性系數提高了3.5%、極限層間轉角增大了19.2%。可見，在其它參數相同的情況下，隨軸壓力系數的增加，鋼骨高強混凝土柱的抗震性能減弱，而提高柱的體積配箍率，則可在一定程度上改善其抗震性能。

3.結論

由于鋼骨混凝土結構具有一系列的優點，在實際工程中的應用也變得越來越為廣泛，而且隨著現代建筑結構的發展，其抗震性能的應用和長柱的使用將會有很大的發展空間，但是，由于鋼骨混凝土結構本身的復雜性，本文所做的工作只是初淺的探討，還有很多工作有待于進一步研究，如：含鋼率和剪跨比對鋼骨高強混凝土柱軸壓力系數限值的影響以及對應于不同軸壓力系數限值的合理含鋼率、配箍率的確定；不同鋼骨形式的鋼骨高強混凝土柱軸壓力系數限值的取值范圍；在鋼骨高強混凝土柱中，鋼骨與混凝土軸力分配關系的進一步確定等。另外，本文只是初步研究偏心長柱的受力性能，但在實際工程中，絕對的軸心受壓柱是不存在的，而是處于偏心受力狀態，因此有必要對偏心長柱進行更為全面的研究。