不同配鋼形式的型鋼混凝土十字形異形柱抗震性能的比較研究

張 波 方 林 金國芳 李凱文

（1.同濟大學結構工程與防災研究所，上海200092；2.無錫城市職業技術學院，無錫214000）

不同配鋼形式的型鋼混凝土十字形異形柱抗震性能的比較研究

張 波1，*方 林1金國芳1李凱文2

（1.同濟大學結構工程與防災研究所，上海200092；2.無錫城市職業技術學院，無錫214000）

對4個不同軸壓比、配鋼率、加載方向的實腹式型鋼混凝土（SSRC）十字形異形柱進行低周反復荷載試驗，得到其荷載-位移滯回曲線、位移延性、強度衰減及耗能能力等抗震性能。與空腹式型鋼混凝土（LSRC）十字形異形柱的抗震性能進行對比，分析結果表明：實腹式型鋼混凝土十字形異形柱滯回曲線飽滿，強度衰減幅度較小，耗能能力較高，延性良好。

型鋼混凝土十字形異形柱，實腹式，空腹式，低周反復荷載試驗，抗震性能

1 引 言

型鋼混凝土異形柱（SRC異形柱）結構是一種新型的組合結構，它將型鋼與異形柱結合起來，不僅具有鋼筋混凝土異形柱布置靈活、美觀實用、增加房屋使用面積等優點［1］，而且改善了鋼筋混凝土異形柱承載力較低、抗震性能較差、使用范圍有限等弱點，因此具有良好的應用前景。SRC十字形異形柱是型鋼混凝土異形柱體系的一種主要結構形式，根據配鋼方式的不同，SRC十字形異形柱可以分為實腹式和空腹式兩種［2-3］。綜合已有的研究成果，對SRC十字形異形柱的研究主要集中在構件承載力方面，而對其抗震性能的試驗研究并不多［4-7］。文獻［8-9］對4個空腹式型鋼混凝土（LSRC）十字形異形柱的抗震性能進行了試驗研究，分析比較了軸壓比、剪跨比、加載方向對其抗震性能的影響。目前，關于實腹式型鋼混凝土（SSRC）十字形異形柱抗震性能的研究還未見報道。本文通過對4個試件進行低周反復荷載試驗，研究SSRC十字形異形柱的抗震性能，并與文獻［8-9］中LSRC十字形異形柱試件抗震性能相比較，為其工程應用提供參考。

2 試驗概況

共設計了4個實腹式型鋼混凝土十字形異形柱試件，編號為SSRC1-SSRC4。試件按1/2縮尺比例制作，肢高為360 mm，肢厚為120 mm，肢高肢厚比為3.0，柱高為1 170 mm，剪跨比均采用3.25。縱筋為HRB400，箍筋為HPB300。混凝土強度等級均為C50。試件鋼骨采用焊接型鋼，材質為Q235。設計變化參數有軸壓比、配鋼率及加載方向。為方便比較，實腹式與空腹式十字形異形柱試件［8］的基本信息見表1，其中空腹式十字形異形柱試件編號為LSRC1-LSRC4，主要參數有空腹式配鋼形式、加載角、軸壓比、剪跨比。實腹式型鋼混凝土十字形異形柱試件的配筋、配鋼情況詳見表2，實腹式與空腹式試件的截面詳見圖1、圖2。

表1 試件基本信息表Table 1 Design param eters of specimens

圖1 實腹式試件截面圖（單位：mm）Fig.1 Cross Profile of SSRC sPecimens（Unit：mm）

表2 SSRC試件配鋼特征明細表Table 2 Steel reinforcement of SSRC specimen

圖2 空腹式試件截面圖［8］（單位：mm）Fig.2 Cross Profile of LSRC sPecimens（Unit：mm）

由圖2可以看出，SSRC與LSRC十字形異形柱試件配鋼形式的主要區別為：實腹式試件采用鋼板焊接方法形成鋼骨部分；而空腹式試件中鋼骨是通過水平腹桿和斜腹桿分別將T形鋼和槽鋼焊接起來形成桁架形式；槽鋼桁架形式的空腹式試件中未配置縱筋。

3 加載裝置及加載制度

3.1 加載裝置

SSRC十字形異形柱試驗采用懸臂柱式加載。先采用液壓千斤頂按軸壓比施加恒定的豎向荷載，然后由電液伺服作動器施加往復水平荷載。試驗數據由電液伺服結構試驗系統及微機控制。加載裝置如圖3所示，試件立面及儀表布置如圖4所示。

LSRC十字形異形柱試驗采用建研式加載裝置［9］。相比于懸臂柱式加載，建研式加載方法可以保證受剪面平行，但試件高度為懸臂式的一倍，試驗操作相對復雜。從試驗結果來看，加載方式的不同，使實腹式與空腹式十字形異形柱的破壞特點稍有不同，而對試件抗震性能的影響并不明顯。

圖4 試件立面及測點布置圖（單位：mm）Fig.4 SSRC sPecimens facade and instrument arrangement（Unit：mm）

圖3 SSRC十字形異形柱加載裝置Fig.3 Test setuP of SSRC sPecimens

3.2 加載制度

SSRC十字形異形柱試件水平低周反復加載均采用位移控制［10］。試驗前，先取設計軸壓力的30%重復加載2次；然后通過千斤頂在柱頂一次施加預定豎向荷載并保持恒定，最后施加水平位移。試件屈服前，每級循環1次，增加幅度為0.25Δy；達到屈服位移后，每級循環3次，增加幅度為0.50Δy，施加5次后，增加幅度變為Δy，直至試件的荷載下降到峰值荷載的85%或試件破壞為止，其中Δy為屈服位移。具體加載制度如圖5所示。

圖5 加載制度Fig.5 Loading scheme of sPecimens

4 破壞特征及破壞機理

剪跨比很大程度上決定了試件的破壞形態。實腹式試件的剪跨比均為3.25，LSRC2和LSRC3試件的剪跨比為2.5，從試驗過程及破壞特征來看，這6個試件的破壞形態主要表現為彎曲破壞，破壞過程大致相同，基本表現為：首先在試件的底端出現水平微裂縫，隨著荷載的增大，水平裂縫不斷加劇，隨后柱腳混凝土開始剝落并沿柱身向上發展，箍筋外露，當荷載達到一定值時，縱筋屈曲，型鋼及箍筋外圍混凝土壓潰，試件破壞。由于空腹式試件采用建研式加載，使柱上端在加載過程中也有裂縫產生，除此之外，發生彎曲破壞的試件破壞過程基本相同。從破壞機理上來說，對于SSRC試件的破壞起控制作用的是縱向型鋼。在水平裂縫出現之前，型鋼與混凝土作為整體共同承受荷載，變形協調一致；柱腳混凝土開裂后，逐漸退出工作，截面應力轉移至縱筋及型鋼，縱筋首先發生屈服，隨著混凝土壓潰面積不斷增大，截面內力主要由型鋼承擔，當型鋼翼緣屈曲時試件破壞。對于LSRC試件，發生彎曲破壞時，縱筋壓屈外凸，柱腳混凝土幾乎都被壓碎剝落，壓碎區高度約與柱截面肢高相當，但縱向型鋼均未屈服。SSRC試件的破壞形態如圖6所示。

圖6 SSRC試件破壞形態Fig.6 SSRC sPecimen failuremodes

剪跨比較小的試件LSRC1、LSRC4發生剪切斜壓破壞。破壞過程大致為：首先出現腹部斜裂縫，然后出現交叉斜裂縫并將試件劃分為若干菱形塊，隨荷載的增大，原斜裂縫發展為幾條主要的交叉斜裂縫，被分割的菱形混凝土塊被壓碎脫落，最后被箍筋包圍的混凝土壓碎，斜腹桿壓屈外凸，試件破壞。從破壞機理來說，LSRC1和LSRC4主要經歷了彈性、彈塑性和破壞三個階段。試件開裂前為彈性階段，此時型鋼與混凝土變形小且協同一致。試件開裂后進入彈塑性階段，混凝土裂縫增大退出工作，釋放彈性能轉移給型鋼及箍筋，截面剪應力重分布，型鋼、箍筋變形迅速，達到峰值荷載時，型鋼、箍筋屈服，試件破壞［9］。

5 滯回性能

SSRC十字形異形柱試件滯回曲線如圖7所示，從圖中可以看出以下特點：

（1）各試件的滯回曲線基本呈飽滿的梭形。

（2）屈服之前，試件基本處于彈性階段，加、卸載曲線基本重合，殘余變形均較小；試件屈服之后，隨著位移幅值的不斷增大，試件殘余變形逐步增大，試件的承載力仍有提高，試件達到峰值荷載后，滯回環加、卸載曲線趨于平緩，殘余變形明顯。

（3）配鋼率較高的試件滯回環更豐滿，極限變形及荷載循環次數都明顯高于配鋼率低的試件。

（4）沿45°方向加載的試件在達到極限承載力之前滯回性能良好，當超過極限承載力之后，試件承載力下降迅速，循環次數較其他試件明顯減少，總體滯回性能較差。觀察該試件破壞過程，導致這種結果的原因有兩種：一方面，接近破壞時，SRC4兩柱肢中的縱筋基本都屈服，并有多根斷裂，柱肢中混凝土核心區基本都被壓潰，承載力削弱明顯；另一方面，試件達到極限荷載之后，柱腳與地梁交界處混凝土也有部分被壓碎，使地梁對試件的約束能力下降。

對比SSRC十字形異形柱與LSRC十字形異形柱的滯回曲線［8］，可以得出：

（1）對于發生彎曲破壞的試件，LSRC十字形異形柱滯回曲線呈現明顯捏攏現象，而SSRC十字形異形柱試件滯回曲線呈飽滿梭形。這種差異一方面是因為SSRC試件中鋼骨整體性較好；另一方面，LSRC試件在縱筋屈服、混凝土壓碎之后便發生破壞，鋼骨部分并未屈服，因此鋼骨性能未得到有效利用，而SSRC試件中鋼骨在縱筋、混凝土退出工作后仍能繼續承擔荷載，有效延緩了試件的破壞，直至型鋼翼緣發生屈服。

（2）沿45°方向加載時，各試件的極限承載力得到提高，達到極限承載力之后，曲線下降相對較快，滯回性能較沿工程軸加載的試件相對較差。這是因為兩柱肢相交處產生剪應力集中所致。

圖7 SSRC十字形異形柱滯回曲線Fig.7 Hysteretic curves of SSRC sPecimens

6 強度衰減

由試件滯回曲線可以看出，在同一級位移荷載幅值下，隨循環次數的增加，試件強度不斷降低，強度衰減越快，表明結構繼續抵抗荷載的能力下降越多，當遭遇地震余震時，越容易發生破壞。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值荷載之比來表示。SSRC十字形異形柱試件強度衰減與試件位移荷載的關系如圖8所示。

對于SSRC十字形異形柱試件，從圖8可以看出：

（1）SSRC試件正負方向強度衰減基本對稱。

（2）軸壓比對試件強度衰減的影響不可忽視。軸壓比大的試件SSRC2，強度衰減緩慢，破壞時強度衰減幅值較小。

圖8 SSRC十字形異形柱試件強度衰減Fig.8 Strength deterioration of SSRC sPecimens

（3）沿45°方向加載的試件，接近試件破壞時，強度衰減迅速，衰減幅度較大，繼續承受荷載的能力較差。

由于配鋼形式的不同，SSRC十字形異形柱試件與LSRC十字形異形柱試件在試驗過程中強度衰減程度有所差異：

（1）SSRC十字形異形柱試件在加載過程中，強度衰減不斷增大，衰減速度較穩定，直至試件破壞。而LSRC十字形異形柱試件在破壞前，衰減幅度并不明顯，當試件破壞時，強度衰減突然加劇。出現這種差異主要是因為LSRC試件中鋼骨在縱筋和混凝土退出工作后不能有效參與承載，鋼骨未能屈服而試件已經發生破壞。

（2）實腹式十字形異形柱試件SSRC1-SSRC4在最終破壞時，強度衰減最大值分別為9.6%、5.7%、14.4%和15.9%；空腹式十字形異形柱試件LSRC2和LSRC3強度衰減約為32%和25%，相比之下，SSRC十字形異形柱試件強度衰減程度相對較小，一定程度上反映了該結構繼續抵抗荷載的能力較好。

7 耗能能力

試件的耗能性能是評估其抗震性能的重要依據，它反映了構件在反復荷載作用下吸收能量的大小，使結構在地震過程中不至于發生嚴重破壞。耗能性能以試件滯回曲線所包圍的面積來衡量。兩種配鋼形式的試件均以黏滯阻尼系數h［11］e來表示耗能特性。

由各試件的試驗結果可以看出，隨著荷載的不斷增大，滯回曲線包圍的面積不斷增大，即耗能能力不斷增強，因此黏滯阻尼系數he在試驗過程中是不斷增大的，當試件接近破壞時，he達到最大值。表3給出了各試件在破壞時的黏滯阻尼系數。

表3 各試件破壞時黏滯阻尼系數heTable 3 Dissipative ratio he at each failure point

從表3中可見，SSRC十字形異形柱各試件在破壞時的黏滯阻尼系數最小為0.273，最大為0.366，LSRC十字形異形柱試件的he最大為0.243，而鋼筋混凝土矩形柱的值在0.1～0.2之間，而普通鋼筋混凝土異形柱的耗能能力較矩形柱更差［9］，因此SSRC十字形異形柱試件具有更好的耗能能力。相比于空腹式配鋼，實腹式配鋼使鋼骨在試件接近破壞時有效地承擔荷載，發揮了延性良好的材料性能，最終使試件的耗能能力得到提升。

8 延性分析

8.1 位移延性系數

試件的延性采用延性系數來表示，即uΔ= Δu/Δy，其中，Δy為屈服位移，Δu為破壞位移。試件破壞時的側移角表示為θu=Δu/L，其中，θu表示側移角，L表示柱高。表4列出了各試件的平均延性系數及破壞時的側移角。

從表中可以看出，SSRC十字形異形柱具有良好的延性。此外，《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ 149—2006）［12］規定，罕遇地震作用下，鋼筋混凝土異形柱結構的彈塑性層間位移角限值為1/60，因此SSRC十字形異形柱具有良好的塑性變形能力。

表4 試件延性系數及側移角Table 4 Ductility factors and drift rotation angles

8.2 影響延性的主要因素分析

主要從軸壓比、配鋼率、加載方向、配鋼形式、剪跨比五個方面考慮其對型鋼混凝土十字形異形柱延性的影響。

（1）軸壓比。軸壓比對試件的延性影響并不明顯。對于SSRC十字形異形柱試件，其他條件相同的情況下，當軸壓比由0.3提高到0.5時，試件的延性系數變化很小。而在LSRC十字形異形柱試驗中，軸壓比對延性的影響同樣很小。

（2）配鋼率。對于SSRC十字形異形柱，當其他條件相同時，配鋼率由5.69%提高到7.78%時，試件的延性系數提高了約14%，因此配鋼率的提高對SSRC試件延性有明顯影響。而在LSRC十字形異形柱試驗中，雖然配鋼率不同，但配鋼率低的試件配置了縱筋，有利于延性提高，同時加載方向和鋼骨配置方法也對延性有影響，因此配鋼率對LSRC試件延性的影響程度不易判別。

（3）加載方向。對于SSRC十字形異形柱，當試件沿45°方向加載時，雖然配鋼率有了提高，但延性仍然相對較差。而LSRC十字形異形柱試件沿45°加載時，同樣顯示出了延性較差的特性。

（4）配鋼形式。對比實腹式配鋼、配T形鋼桁架和配槽鋼桁架三種配鋼形式，實腹式配鋼的十字形異形柱的延性相對較好，空腹式配鋼形式試件的延性次之。

（5）剪跨比。剪跨比直接影響了試件的破壞形態，剪跨比較大的試件均發生彎曲破壞，剪跨比較小的試件則發生剪切型破壞。從試驗結果可以看出，彎曲型破壞的試件延性最好，剪切型破壞次之。

9 結 論

通過對4個SSRC十字形異形柱進行低周反復加載試驗，并與LSRC十字形異形柱抗震性能進行比較［8］，得到了以下結論：

（1）沿45°加載時，SSRC與LSRC十字形異形柱試件的滯回性能及延性較差；接近破壞時，試件強度衰減迅速。

（2）剪跨比大時，SSRC與LSRC十字形異形柱試件發生彎曲破壞，延性較好。

（3）與LSRC十字形異形柱相比，SSRC實腹式十字形異形柱滯回曲線更為豐滿，耗能能力更強，延性相對較好，抗震性能優越。

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Seism ic Behaviors of Steel Reinforced Concrete Cross-shaped Columnsw ith Different Steel Reinforcement Designs

ZHANG Bo1，*FANG Lin1JIN Guofang1LIKaiwen2
（1.Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Wuxi City College of Vocational Technology，Wuxi214000，China）

Seismic behaviors of solid-web steel reinforced concrete（SSRC）cross-shaPed columns were investigated through low cycle reversed loading testing of four column sPecimenswith various axial comPression ratios，steel ratios and loading directions.Column failure Processes and Patterns were recorded.The loaddisPlacement hysteretic curve，ductility，strength deterioration，and energy dissiPating caPacitywere analyzed. ComParison between the SSRC cross-shaPed column and the lattice style steel reinforced concrete（LSRC）cross-shaPed column showed that the solid-web sPecimens hadmore energy dissiPation caPacities.The strength deterioration of SSRC sPecimens was not so significant.The SSRC sPecimens also have good ductility.

steel reinforced concrete，solid-web cross-shaPed column，lattice tyPe cross-shaPed column，low cycle reversed loading exPeriment，seismic Performance

2014-03-16

江蘇省“六大人才高峰”資助項目（JY-060）；江蘇省第四期“333工程”培養資金資助項目（BRA2012027）

*聯系作者，Email：hoPe.zb@163.com