T形截面鋼骨混凝土異形柱框架抗震性能擬動力試驗

楊濤，張喜德，鐘海牛，鄧志恒

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T形截面鋼骨混凝土異形柱框架抗震性能擬動力試驗

楊濤，張喜德，鐘海牛，鄧志恒

(廣西大學土木建筑工程學院廣西防災與工程安全重點實驗室，廣西南寧，530004)

制作一榀1/2比例的單跨兩層的框架模型，框架由鋼筋混凝土(RC)梁和T形截面鋼骨混凝土(SRC)異形柱組成。采用擬動力試驗方法，通過對框架施加不同峰值加速度的El Centro地震波，研究框架模型的地震響應、耗能等抗震性能。試驗結果表明：地震引起的結構損傷主要集中于鋼筋混凝土框架梁端部；樓蓋處的動力系數介于1.08~2.25之間；框架最大層間位移角滿足規范限值的要求；在經歷峰值加速度為1 000 cm/s2的地震波作用后，框架抗側剛度降低了約6%；SRC異形柱框架具有良好的抗震性能，其具備應用于高烈度地震區的可行性。

鋼骨混凝土；異形柱；框架；抗震性能；擬動力試驗

由于截面形狀不規則，鋼筋混凝土(RC)異形柱的抗震性能通常比矩形或圓形截面的鋼筋混凝土柱的抗震性能差。為了改善RC異形柱的受力性能，通過在柱中配置鋼骨(如型鋼或鋼桁架)便形成了鋼骨混凝土(SRC)異形柱。在我國，陳宗平等[1?2]較早開展了對SRC異形柱受力性能的研究。近幾年來，SRC異形柱結構的受力性能得到了進一步研究，如鄧志恒等[3]對T形截面SRC柱的抗震性能進行了研究，薛建陽等[4?10]對SRC異形柱框架及框架節點的抗震性能開展了擬靜力試驗研究和有限元分析。上述研究表明，SRC異形柱結構具有良好的受力性能，其抗震性能優于普通RC異形柱結構。目前，在對SRC異形柱結構的抗震性能進行研究時多采用擬靜力試驗方法，此方法的局限性在于無法反映結構在地震作用下的動力響應。若采用振動臺試驗研究SRC異形柱結構的抗震性能，則柱中鋼骨在模型中難以制作，尺寸效應等因素也會導致試驗結果無法真實反映結構的地震響應。擬動力試驗結合了擬靜力試驗和振動臺試驗的優點，可以較真實地獲取結構在地震作用下的動力響應，并已在結構的抗震性能研究領域得到廣泛應用[11?16]。為了研究SRC異形柱框架結構在不同峰值地震波作用下的地震響應，本文作者設計1榀1/2比例的由T形截面SRC異形柱與RC梁組成的單跨兩層的框架模型，并對其進行擬動力加載試驗。在擬動力試驗的基礎上，結合擬靜力試驗研究成果，對SRC異形柱框架的抗震性能進行綜合評估。

1 試驗概況

1.1 試件設計

參照我國抗震設計規范8度設防的標準，設計了1榀1/2比例的單跨兩層的框架模型。框架由T形截面鋼骨混凝土異形柱和普通鋼筋混凝土梁組成，試件的尺寸與配筋如圖1(a)所示。異形柱中鋼骨由Q235級I10工字型鋼加工而成，配鋼率(含縱筋)為5.2%。由于型鋼表面積較大，為了增強型鋼與混凝土的整體工作性能，在型鋼之間設置了L30×3的等邊角鋼，角鋼連接件的設置如圖1(b)所示。框架模型通過預埋在加載端內的4根直徑為24 mm的高強螺桿與兩臺電液伺服作動器相連接。實測的混凝土軸心抗壓強度為25.1 MPa。鋼材的力學性能指標見表1。

(a) 試件尺寸及配筋；(b) 角鋼連接件設置

表1 鋼材力學性能

1.2 加載裝置

試驗中在試件的頂層及底層樓蓋處各安裝1臺行程為±250 mm的電液伺服作動器。為避免荷載作用下試件產生水平剛體位移，在框架模型底部鋪墊水泥砂漿，并利用4根鋼制反力梁將試件固定于試驗臺座上。加載裝置及主要測量儀器的布置如圖2所示，其中速度和加速度傳感器用于測量結構的自振頻率，位移傳感器主要用于實時采集樓蓋標高處的位移響應。由于試驗條件的限制，未在柱頂施加軸向壓力。

圖2 加載裝置與測點布置

1.3 加載方案

試驗加載過程中選用El Centro (N-S)地震波，以考察在長時間地震作用下SRC異形柱框架的地震響應。選取的El Centro地震波共包含900步，步距為0.02 s，地震波總時長為18 s。按照相似條件，地震試驗波相鄰兩數據點的步距調整為0.014 s，總時長調整為12.7 s，調整后的El Centro波如圖3所示，其最大波峰為341.7 cm/s2。將地震波的加速度最大波峰分別調整為100，200，400，600和800 cm/s2，用于模擬6度、7度、8度、9度及9度強地震作用[17]。對于不同峰值試驗波，結構阻尼比依次取0.05，0.05，0.07，0.09和0.11[18]。在每次試驗加載后，利用加載設備實測框架模型的剩余抗側剛度，并通過動態采集設備測試模型的自振頻率。框架模型的阻尼矩陣按照下式計算：

式中：和分別為與阻尼比和結構自振頻率相關的常數；，和依次為結構的阻尼矩陣、質量矩陣和剛度矩陣。

圖3 El Centro地震波

Fig. 3 El Centro earthquake wave

在確定結構的質量矩陣時，認為層間質量集中于上、下兩樓蓋標高處，且兩質點重力均取80 kN。試驗中未在結構上施加配重，而是將質量矩陣輸入控制程序；控制程序采用中央差分法進行迭代運算，程序的迭代計算公式如下：

式中：為結構恢復力；為地震波激勵作用；和分別為各樓蓋處對應的速度和加速度。

2 擬動力試驗結果及分析

2.1 試驗過程

擬動力試驗開始前，輸入加速度峰值為50 cm/s2的試驗波對框架進行預加載。在驗證加載裝置和數據采集設備能夠正常工作后正式開始試驗。

首先，輸入加速度峰值為100 cm/s2的試驗波，整個加載過程無明顯試驗現象，也未在試件上發現裂縫。隨后，輸入加速度峰值為200 cm/s2的試驗波，加載過程中在框架梁端部發現了細微的裂縫，其中梁端翼緣板上裂縫寬度相對較大，而在柱上未發現裂縫；當完全卸載時，梁上的裂縫尚可閉合。進一步調整試驗波峰值至400 cm/s2，此時在框架梁端產生了新的裂縫，部分裂縫貫穿翼緣板延伸至框架梁的腹板。將試驗波加速度峰值調整為600 cm/s2，加載過程中框架梁翼緣上的裂縫寬度有所增加，但梁腹板上裂縫寬度沒有明顯變化，此階段仍未在柱上發現裂縫。當輸入加速度峰值為800 cm/s2的試驗波后，在加載點一側底層柱腳處柱的翼緣板上發現了若干條沿柱高度方向分布的水平裂縫；同時，在梁柱節點核心區邊緣出現了1條斜裂縫。

在經歷加速度最大波峰為800 cm/s2的試驗波作用后，除了在梁端區域發現一定數量的裂縫外，在框架的其他部位未觀測到明顯的損傷，故將試驗波加速度最大峰值進一步調至1 000 cm/s2。在1 000 cm/s2地震波作用下，框架梁、柱上的裂縫寬度及長度并無明顯的變化，試驗結束。此時，框架上的裂縫分布如圖4所示。

圖4 裂縫分布圖

2.2 動力系數

在地震作用下，結構加速度響應的最大值與地震波最大加速度之比稱為結構的動力系數，它反映了結構對地震波的放大效應。在不同峰值地震波的作用下，框架模型底層和頂層樓蓋處最大加速度max及與之對應的動力系數見表2。由表2可知：底層樓蓋處的動力系數介于1.08~1.51之間，頂層樓蓋處的動力系數介于1.35~2.25之間；隨著地震波加速度峰值的增加及結構損傷的積累，樓蓋處的動力系數有逐漸降低的趨勢。

表2 樓蓋處加速度峰值

2.3 位移時程曲線

框架頂層樓蓋處的位移時程曲線如圖5所示。比較可知：隨著地震作用的增加，結構的位移峰值逐漸加大；在不同峰值地震波的作用下，結構的位移時程曲線沒有發生大的突變，說明損傷未對結構的整體受力性能產生明顯的影響。不同峰值地震波作用下試件樓蓋處的位移包絡圖如圖6所示。框架模型的最大層間位移角max見表3，對比可知：max可滿足《建筑抗震設計規范》[17]和《混凝土異形柱結構技術規 程》[19]的相關限值要求。

加速度峰值/(cm?s?2)：1—200；2—400；3—600；4—800；5—1 000

表3 最大層間位移角

加速度峰值/(cm?s?2)：1—100；2—200；3—400；4—600；5—800；6—1 000

2.4 荷載?位移滯回曲線

在不同峰值地震波作用下，框架模型所承受的底部總剪力?頂層位移滯回曲線如圖7所示。由圖7可見：滯回曲線近似呈線性分布，說明結構基本上處于彈性工作狀態；同時，隨著結構損傷的累積，在相同荷載作用下框架的頂點側移有增加的趨勢。

加速度峰值/(cm?s?2)：(a) 200；(b) 400；(c) 600；(d) 800；(e) 1 000

2.5 剛度退化

地震作用下，損傷的累積將導致結構抗側剛度的退化和自振頻率的降低。在經歷100，200和400 cm/s2地震波作用后，實測的層間抗側剛度約為初始剛度的98.3%，96.2%和94.1%。在隨后的加載過程中，實測的框架抗側剛度變化不大。由此可知：在經歷上述地震波作用后，結構的抗側剛度最高降低了約6%。實測框架模型的基頻變化如圖8所示，圖8中，f為經歷相應峰值的地震波作用后結構的基頻，0為結構的初始基頻。由圖8可知：試驗結束時，結構的基頻最多降低了約7%。剛度和基頻變化不大說明框架的累積損傷較有限。

圖8 基頻柱狀圖

2.6 耗能特點

圖9所示為結構的累積耗能曲線。由圖9可見：累積耗能曲線呈臺階狀分布。在1.0~2.0 s和3.1~3.5 s的2個時間段內耗能曲線有較明顯的陡升段，上述時間段對應試驗波最大峰值所處的區間。在其他時間段內，結構的耗能增加平穩。在累積耗能的陡升段，地震作用較為集中，結構中出現了一定的損傷，在宏觀上表現為新裂縫出現、已有裂縫寬度增加、長度延長。結合荷載–頂點位移曲線以及結構抗側剛度的退化程度可知，框架模型主要通過自身的彈性變形來消耗地震能量。

加速度峰值/(cm?s?2)：1—100；2—200；3—400；4—600；5—800；6—1 000

3 抗震性能綜合評估

由于試驗中未在框架柱頂施加軸向壓力，擬動力試驗結果僅能反映原型結構頂部兩層的地震響應。研究表明：在相當于9度及9度以上地震波的作用下，裂縫主要集中分布于框架梁端，梁柱核心區未發生破壞；在不同峰值地震波作用下，框架模型均處于彈性工作狀態。在一般情況下，由于鞭端效應的影響，框架頂部結構的地震響應通常會增大。試驗表明，SRC異形柱框架的頂部結構在高烈度地震作用下的損傷程度較小，并可滿足規范對層間位移角的限值要求。

擬動力試驗結束后，由于框架模型仍處于彈性狀態，為了研究其在地震作用下的最終破壞形態，又對框架進行了擬靜力試驗。在擬靜力試驗中，采用了在頂層樓蓋處施加單點低周反復水平荷載的加載方式，同時在每個框架柱頂施加1 000 kN的軸向壓力。擬靜力試驗的主要試驗結果見文獻[20]，研究表明：SRC異形柱框架模型的耗能性能良好，塑性鉸形成機制合理，結構的位移延性系數不小于3.0。

綜合分析可知，SRC異形柱框架具有良好的抗震性能；通過合理設計，其具備應用于高烈度地震區的條件。

4 結論

1) 在擬動力試驗中，在不同峰值地震波作用下，裂縫主要集中分布于框架梁端部；樓蓋處的動力系數介于1.08~2.25之間；SRC異形柱框架層間位移角滿足規范限值的要求。

2) 在經歷了不同峰值地震波作用后，框架的抗側剛度和基頻分別下降了約6%和7%，這表明在高烈度地震作用下，結構尚處于彈性工作階段，地震引起的結構累積損傷有限。

3) SRC異形柱框架具有良好的抗震性能，具備應用于高烈度地震區的條件。由于開展的試驗數量有限，SRC異形柱中鋼骨的合理配置以及梁柱構件的優化設計等內容有待進一步研究。

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(編輯 陳愛華)

Pseudo-dynamic Test on Seismic Behavior of Frame with T-shaped SRC Columns

YANG Tao, ZHANG Xide, ZHONG Hainiu, DENG Zhiheng

(Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety,College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China)

A half scale single-bay and two-story frame model was made, which was composed of reinforced concrete (RC) beams and T-shaped steel reinforced concrete (SRC) columns. The pseudo-dynamic test method was used to investigate seismic behaviors of the frame such as seismic responses and energy dissipation, and El centro earthquake waves with different peak acceleration were applied on the frame in the test. The experimental results indicate that structural damage due to earthquake is mainly located at the beam ends, and dynamic coefficients at the floors lie between 1.08 and 2.25. Additionalloy, the maximum inter-story drift angles of the frame meet the limitation requirement specified by Chinese codes. The lateral stiffness of the frame reduces by 6% after it is subjected to the earthquake wave with peak acceleration 1 000 cm/s2. Frames with SRC special-shaped columns possess good seismic performance and they are feasible to be applied in high intensity earthquake zone.

steel reinforced concrete (SRC); special-shaped column; frame; seismic behavior; pseudo-dynamic test

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.027

TU398.2；TU317.1

A

1672?7207(2015)06?2171?07

2014?04?13；

2014?07?20

國家自然科學基金資助項目(51268005)；廣西自然科學基金資助項目(2014GXNSFBA118258)(Project (51268005) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2014GXNSFBA118258) supported by the Guangxi Natural Science Foundation)

楊濤，講師，博士，從事混凝土結構與組合結構受力性能的研究；E-mail：yt48440002@163.com