壓剪工況下型鋼混凝土柱軸力分配規(guī)律試驗

王梓懿，劉 陽，郭子雄，賈磊鵬，陳慶猛

（1.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門361021；2.福建省結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)重點試驗室，福建 廈門361021；3.廈門特房建設(shè)工程集團有限公司，福建 廈門361021）

型鋼混凝土（steel reinforced concrete，SRC）是將型鋼和鋼筋混凝土（reinforced concrete，RC）按一定方式組合而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)，具有強度剛度大、抗震性能好等優(yōu)點，是高層建筑常用的結(jié)構(gòu)形式之一.近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對SRC基本構(gòu)件的抗震性能開展了大量試驗研究［1－7］，取得了豐碩的成果.目前，SRC結(jié)構(gòu)的正截面承載力計算有3種思路：1）基于外包混凝土折算剛度，并按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法計算［8］；2）考慮鋼骨應(yīng)力分布的影響，截面應(yīng)變分布基本符合平截面假定，承載能力近似按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法計算［9］；3）疊加方法.我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB 9082－2006《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對SRC柱的正截面承載力計算采用了疊加方法［10］.王海榮等［11］采用條帶法對SRC 柱達到正截面承載力時的鋼骨和RC部分承擔(dān)的軸力進行了計算，在此基礎(chǔ)上還提出了一種簡化計算方法.這些方法的關(guān)鍵是確定型鋼和鋼筋混凝土部分的軸力分配規(guī)律，但均是針對某一特定狀態(tài)而言.在水平地震作用下，SRC柱處于壓剪往復(fù)作用受力狀態(tài)，不同位移角下，型鋼和鋼筋混凝土部分承擔(dān)的軸力比例會發(fā)生變化.目前這方面的研究工作很少，因此，有必要對壓剪工況下SRC柱截面的軸力分配規(guī)律進行研究，為SRC 柱承載力的簡化計算提供參考.本文基于已完成的21個SRC 柱實測數(shù)據(jù)，對其軸力分配規(guī)律進行分析.

圖1 試驗加載裝置Fig.1 Test setup

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

已完成的21個比例為1∶2的SRC 柱試件試驗加載裝置示意圖，如圖1所示，試驗參數(shù)如表1所示.表1中：nk為試驗軸壓力系數(shù)，取nk＝Nk／（fc，kAc＋fa，yAa），Nk為試驗軸力，Ac，Aa分別為混凝土部分和型鋼部分的截面積，fc，k為混凝土棱柱體抗壓強度，取fc，k＝0.76fc，u，fc，u，fa，y分別為混凝土立方體抗壓強度和型鋼屈服強度；l為試件邊長；ρa，ρs，ρv分別為配鋼率、配筋率和體積配筋率；fs，y為縱筋屈服強度實測值.

表1 試件參數(shù)匯總表Tab.1 parameters of columns

1.2 試驗結(jié)果

1.2.1 破壞形態(tài) 所有試件均在控制截面區(qū)域發(fā)生彎曲破壞，且在承載力達到峰值以前具有相似的試驗現(xiàn)象.加載至1／250位移角時，柱的根部出現(xiàn)彎曲裂縫，并隨位移角的增大而不斷發(fā)展；在1／100位移角時，縱筋屈服，受拉區(qū)混凝土彎曲裂縫貫通；在1／50～1／25位移角時，受壓區(qū)混凝土保護層開始出現(xiàn)壓酥剝落，試件強度開始出現(xiàn)明顯退化；在1／20～1／15位移角時，混凝土保護層全部剝落，縱筋壓屈，承載力降至峰值荷載的80%以下，試驗終止.

典型試件的最終破壞形態(tài)，如圖2所示.

圖2 典型試件最終破壞形態(tài)Fig.2 Typical failure modes

1.2.2 滯回曲線 典型試件的荷載－位移滯回曲線，如圖3所示.由圖3可知：在屈服荷載以前，滯回曲線基本為直線，且殘余變形較小；在屈服荷載以后，隨著位移角的增加，滯回環(huán)的面積逐漸增大，強度和剛度開始逐漸出現(xiàn)退化現(xiàn)象.比較幾個試件的滯回曲線可以發(fā)現(xiàn)：SRC柱具有比RC柱更優(yōu)越的抗震性能；隨著配鋼率的增加，滯回環(huán)變得越來越飽滿，耗能能力增強.

圖3 典型荷載－位移滯回曲線Fig.3 Typical F－Δ hysteretic curves

2 SRC柱軸力分配計算過程

2.1 基本假定

在計算型鋼混凝土柱各部分軸力時作以下基本假定：

1）試件截面應(yīng)變分布符合平截面假定；

2）不考慮混凝土部分的抗拉強度；

3）型鋼及縱筋采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系.

2.2 型鋼承擔(dān)軸力的計算

型鋼的受力可分為4種情況：

1）型鋼全截面受壓；

2）上翼緣受壓，下翼緣受拉，腹板部分受壓部分受拉；

3）上翼緣受壓，下翼緣受拉，腹板全截面受壓；

4）上翼緣受壓，下翼緣部分受拉部分受壓，腹板全截面受壓.

由型鋼應(yīng)變的實測值可知，型鋼的受力為前兩種情況.型鋼截面受力，如圖4所示.當(dāng)型鋼全截面受壓時，根據(jù)型鋼實測應(yīng)變判斷，此時位移角還較小，型鋼截面的幾何特征和受力分布如圖4（a）和4（b）所示.型鋼所受合力為

圖4 型鋼截面受力簡圖Fig.4 Stress diagram of the shaped steel

當(dāng)上翼緣受壓，下翼緣受拉，腹板部分受壓部分受拉時，在較小位移角下型鋼尚未達到屈服，此時型鋼的受力分布如圖4（c）所示.隨著位移角增大，型鋼應(yīng)變達到屈服應(yīng)變，此時型鋼的受力分布如圖4（d）所示.型鋼承擔(dān)軸力Na的公式為

式（2）～（4）中，Na，y和Na，1分別為型鋼受壓區(qū)的合力和受拉區(qū)的合力；εy為型鋼屈服應(yīng)變；x1為型鋼受壓翼緣應(yīng)變超出屈服應(yīng)變εy的值；x2為型鋼受拉翼緣應(yīng)變超出屈服應(yīng)變εy的值；h為型鋼截面高度.

縱筋所承擔(dān)的軸力Ns，由縱筋的實測應(yīng)變值和縱筋本構(gòu)關(guān)系求得，混凝土部分所承擔(dān)的軸力Nc，可由總的軸力減去縱筋及型鋼承擔(dān)的軸力求得.

3 結(jié)果分析

由以上計算公式可求得在不同位移角下各部分所分配的軸力，典型試件的軸力分配比例隨位移角的發(fā)展而變化的情況，如圖5所示.采用YB 9082－2006《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》建議方法所求得的型鋼部分及鋼筋混凝土部分軸力分配比例，分別如圖5中用虛線和實線所示.

由圖5可知：由于規(guī)范采用的計算方法未考慮不同位移角的影響，故為一條水平直線；且由于個別試件軸壓比較小，計算所得型鋼部分承擔(dān)軸力為負值，最小可達－60%.

文中采用的方法可以更全面，隨試件位移角的發(fā)展，試件各部分承擔(dān)軸力的比例是變化的，在位移角為1／250，1／50和1／25（1／20）時，各部分軸力分配比例匯總，如表2所示.表2中：δc，δa，δs分別為混凝土部分、型鋼部分及縱筋部分所分配的軸力百分比.由于Δ在大位移角下縱筋發(fā)生較大變形，其上應(yīng)變片應(yīng)變超出量程，故θ＝1／25（1／20）時，表2內(nèi)存在無效數(shù)據(jù).

圖5 軸力分配結(jié)果Fig.5 Result of axial force distribution

表2 軸力分配計算結(jié)果匯總表Tab.2 Calculation results of the axial force distribution

3.1 不同位移角對軸力分配影響

軸力主要由混凝土和型鋼兩部分承擔(dān)，由于拉壓部分相互抵消，縱筋所承擔(dān)的軸力較小，占總軸力的比例一般在10%以內(nèi).在1／100位移角以前，型鋼所分配的軸力約占總軸力的20%～40%；隨著位移角的增大，型鋼分配的軸力有所降低，但是變化不大；在位移角大于1／100后，混凝土的抗壓能力逐漸得到發(fā)揮，型鋼參與抗彎，拉壓應(yīng)力相互抵消，導(dǎo)致分擔(dān)的軸力逐漸減少；位移角在1／50左右的時候，型鋼承擔(dān)的軸力達到最小值，對于軸壓力系數(shù)較小且配鋼率較大的試件，此時混凝土部分承擔(dān)的軸力甚至超過了總軸力；當(dāng)位移角大于1／50后，混凝土部分開始壓酥破碎并逐步退出工作，型鋼承擔(dān)的軸力逐漸增大；在位移角超過1／20之后，由于型鋼柱塑性鉸區(qū)變形較大，應(yīng)變量測數(shù)據(jù)大部分超過有效度數(shù)范圍.試件SRC15的型鋼所承擔(dān)軸力的比例最大與最小的差值達到58%，說明不同位移角下，型鋼與鋼筋混凝土部分直接的軸力分配規(guī)律變化很大.

3.2 軸壓力系數(shù)對軸力分配影響

在其他條件相同的情況下，對比軸壓力系數(shù)不同的試件SRC15，SRC18，SRC20可以發(fā)現(xiàn)：對于軸壓力系數(shù)較小的試件SRC15，在位移角為1／100時，型鋼部分便已處于整體受拉狀態(tài)，混凝土分配的軸力較早達到峰值，隨著位移角的增加，曲線的下降段較為平緩，最終在1／25～1／20位移角時，型鋼承擔(dān)的軸力達到總軸力的40%以上；對于軸壓力系數(shù)中等的試件SRC18，在小位移角下型鋼和混凝土分配的軸力基本不變，隨著位移角的增加，型鋼分配的軸力逐漸降低，當(dāng)位移角達到1／35時，混凝土分配的軸力達到峰值，占總軸力的108%；對于軸壓力系數(shù)較大的試件SRC20，在小位移角下混凝土與型鋼承擔(dān)了基本相同的軸力，由于試件在1／25位移角時破壞便已較為嚴(yán)重，之后的數(shù)據(jù)已無法量測.隨著軸壓力系數(shù)的增加，試件SRC10在整個加載過程中型鋼都承擔(dān)了一定比例的軸力，混凝土部分所承擔(dān)軸力的最大值僅占總軸力的82%.因此，在高軸壓力系數(shù)下，型鋼對試件的抗壓承載力具有較大的貢獻.

3.3 配鋼率對軸力分配影響

對典型試件的軸力分配圖進行對比分析后發(fā)現(xiàn)：雖然試件的配鋼率有所不同，但軸力分配曲線的規(guī)律基本相同，而且對于不同配鋼率的試件，型鋼所承擔(dān)軸力的百分比也相差不大.配鋼率最小的試件SRC10，在整個加載過程中承擔(dān)了10%～35%的軸壓力.

4 結(jié)論

1）SRC柱中型鋼承擔(dān)了一定比例的軸向力，相當(dāng)于降低了鋼筋混凝土部分的實際軸壓比，提高了試件的變形能力和滯回耗能能力.當(dāng)混凝土壓碎退出工作時，型鋼承擔(dān)的軸力比例逐漸增大，保證了試件的軸向承載力，提高了結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力.

2）型鋼與鋼筋混凝土部分的軸力分配規(guī)律隨結(jié)構(gòu)層間位移角的增大不斷變化，型鋼承擔(dān)的軸力先減小后增大，最大的比例差值超過50%，設(shè)計時應(yīng)考慮軸力分配規(guī)律的變化.

3）大位移角下，型鋼承擔(dān)軸力比例隨軸壓比的增加和配鋼率的增加而增加；小位移角下，型鋼承擔(dān)軸力比例隨軸壓比和配鋼率的變化規(guī)律性不明顯.

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