型鋼混凝土異形柱中框架和邊框架抗震性能試驗(yàn)對(duì)比分析

薛建陽(yáng)，楊青峰，劉祖強(qiáng)，趙鴻鐵，周超鋒

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

型鋼混凝土（SRC）異形柱結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)體系，不僅柱楞在室內(nèi)不凸出，建筑觀瞻好，房間得房率高，而且承載力高，抗震性能好[1].SRC異形柱框架根據(jù)其空間位置的不同，可以分為邊框架和中框架兩種類型[2].邊框架是L形柱作為角柱，T形柱作為邊柱，由梁連接而成；中框架是T形柱作為邊柱，十形柱作為中柱，由梁連接而成.目前，對(duì)于SRC異形柱及其框架節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件研究[3-6]已進(jìn)行較多，但針對(duì)SRC異形柱框架結(jié)構(gòu)的研究還很少，僅文獻(xiàn)[7]通過對(duì)1榀單跨兩層框架模型進(jìn)行了擬動(dòng)力和擬靜力試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：該類型框架具有良好的抗震性能，能夠應(yīng)用于高地震烈度區(qū).但是上述研究的框架較為簡(jiǎn)單，異形柱的類型單一，不能完全反映SRC異形柱框架的特點(diǎn)，且由于異形柱邊框架和中框架所處的空間位置不同，使得其受力性能存在差異.因此，本文通過低周反復(fù)加載試驗(yàn)，對(duì)實(shí)腹式型鋼混凝土異形柱邊框架與中框架的抗震性能進(jìn)行了對(duì)比分析.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)腹式配鋼的SRC異形柱邊框架（SYBK）和中框架（SYZK）各1榀，均為兩跨三層，框架柱采用實(shí)腹式SRC異形柱，框架梁采用鋼筋混凝土梁.試件的具體尺寸及梁、柱截面配鋼情況如圖1所示，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.為與實(shí)際結(jié)構(gòu)更為接近，梁側(cè)懸挑翼緣板，以考慮樓板的作用.由于柱下端承受較大的彎矩，第一層柱中以下型鋼的部分鋼板作了加厚處理.

框架柱中配置的實(shí)腹式型鋼由鋼板焊接而成，制作好的U形和封閉矩形箍筋焊接在型鋼上，并將箍筋和縱筋綁扎在一起形成整體鋼骨架.在梁柱節(jié)點(diǎn)處，梁角部的縱向鋼筋從柱中型鋼兩側(cè)通過，其錨固長(zhǎng)度按規(guī)范要求執(zhí)行；中間的縱向鋼筋通過角焊縫與焊接在型鋼上的連接板相焊接，如圖2所示.材料物理力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果詳見文獻(xiàn)[2].

圖1 試件幾何尺寸及配鋼形式Fig.1 Geometry and steel layout of specimens

表1 試件的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameter

1.2 加載方案與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)加載裝置如圖3所示.加載制度為力和位移聯(lián)合控制，分兩步進(jìn)行.第一步，先在柱頂施加預(yù)定的豎向荷載，并保持不變；第二步在頂層梁處施加低周水平反復(fù)荷載，試件屈服前采用力控制，每級(jí)荷載增量為20～30 kN，循環(huán)1次，試件屈服后采用位移控制，每級(jí)位移按屈服位移的倍數(shù)逐級(jí)遞增，循環(huán)3次，當(dāng)荷載下降至峰值荷載的85%或變形達(dá)到加載裝置的允許值時(shí)結(jié)束試驗(yàn).

為分析梁、柱及節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力變化，在各層梁端、柱端及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的鋼筋和型鋼上設(shè)置應(yīng)變片，如圖2所示.為監(jiān)測(cè)框架在水平荷載作用下的位移，在框架側(cè)面沿高度依次布置電子位移計(jì)，如圖3所示.

1.3 破壞形態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)腹式SRC異形柱框架在水平反復(fù)荷載作用下，塑性鉸首先在梁端出現(xiàn)，之后才出現(xiàn)在柱端，破壞機(jī)制為梁鉸機(jī)制，部分節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土發(fā)生脫落，但晚于梁、柱，且核心區(qū)中的型鋼腹板沒有發(fā)生屈服，符合“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求.框架的局部破壞形態(tài)如圖4所示.

圖2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.2 Details of joints

圖3 加載裝置Fig.3 Test setup

圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of specimens

2 主要試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 滯回曲線與骨架曲線

實(shí)測(cè)兩榀框架的荷載-頂點(diǎn)位移滯回曲線如圖5所示.由圖可知，同為實(shí)腹式配鋼的SYBK和SYZK均顯示出良好的滯回性能，滯回環(huán)基本對(duì)稱，呈比較飽滿的梭形或弓形.由于SYBK的最后一級(jí)荷載僅在正向施加，導(dǎo)致其曲線不對(duì)稱，但之前的曲線呈現(xiàn)較好的對(duì)稱性.

圖5 P-Δ滯回曲線Fig.5 P-Δ hysteretic loops of specimen

圖6為兩榀框架的骨架曲線.由圖可以看出，SYZK試件的承載力明顯高于SYBK試件，這可能是由于對(duì)邊框架加載時(shí)，水平荷載未通過異形柱及梁的截面形心，導(dǎo)致框架整體及異形柱存在部分扭轉(zhuǎn)，柱中型鋼不能得到充分利用，從而使得框架的承載力降低；而對(duì)中框架加載時(shí)，水平荷載正好對(duì)準(zhǔn)異形柱及梁的形心，型鋼得到充分利用，框架的承載力較高.同時(shí)還可以看出，SYZK試件的曲線下降段在正向加載時(shí)比SYBK試件更加陡峭，在負(fù)向兩者相差不大.骨架曲線特征點(diǎn)處的荷載值和位移值如表2所示.表中Py為屈服荷載，由通用屈服彎矩法[8]確定，Pm為峰值荷載，Pu為破壞荷載(取峰值荷載的85%)，Δy、Δm、Δu分別為與Py、Pm、Pu對(duì)應(yīng)的位移值.需要說明的一點(diǎn)是，SYBK試件的極限位移對(duì)應(yīng)的荷載值取正向峰值荷載的93%，這是因?yàn)榇藭r(shí)的變形達(dá)到了加載裝置的極限要求.

圖6 P-Δ骨架曲線Fig.6 P-Δ skeleton curves

表2 骨架曲線主要特征點(diǎn)的荷載值和位移值Tab.2 Experimental results at main loading stages

2.2 延性與耗能

延性采用位移延性系數(shù)μ表示，實(shí)測(cè)兩榀框架的位移延性系數(shù)如表2所示.表中的位移延性系數(shù)μ為框架的極限位移Δu與屈服位移Δy的比值.由于加載結(jié)束時(shí)SYBK試件的承載力并沒有下降到峰值荷載的85%，故SYBK的真實(shí)位移延性系數(shù)比表中的5.3要略大一些，而SYZK在正負(fù)方向的位移延性系數(shù)平均值為5.5，由此可以看出SRC異形柱邊框架和中框架的延性差別不大.

耗能能力采用等效黏滯阻尼系數(shù)he表征，兩榀框架的等效黏滯阻尼系數(shù)見表3.由表3可知，框架的等效粘滯阻尼系數(shù)隨著位移的增加逐漸增大，試件破壞時(shí)，等效粘滯阻尼系數(shù)均大于0.2.大量研究表明，鋼筋混凝土矩形柱框架破壞時(shí)的等效粘滯阻尼系數(shù)大致在0.1～0.2，鋼筋混凝土異形柱框架則更小，可見實(shí)腹式SRC異形柱框架的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土異形柱框架；在同一特征點(diǎn)處，SYZK的等效粘滯阻尼系數(shù)均大于SYBK，說明SRC異形柱中框架比邊框架具有更強(qiáng)的耗能能力.

表3 等效黏滯阻尼系數(shù)Tab.3 Equivalent viscous damping coefficients

2.3 剛度

試件的剛度取割線剛度，實(shí)測(cè)兩榀框架在各級(jí)加載下第一次循環(huán)的剛度隨位移的變化曲線如圖7所示.由圖可知，SYBK和SYZK的初始彈性剛度平均值分別為15.38 kN/mm和17.30 kN/mm，中框架的彈性剛度相對(duì)更大；兩榀框架的剛度退化速度較為接近，均表現(xiàn)為先快后慢，這主要是因?yàn)樵嚰诩虞d初期，梁端混凝土裂縫的發(fā)展及延伸，使得框架整體剛度退化較快，繼續(xù)加載后，試件逐漸屈服，塑性很快發(fā)展，混凝土不斷退出工作，剛度退化速度減慢.

圖7 剛度退化曲線Fig.7 Curves of stiffness degradation

2.4 型鋼應(yīng)變

由于柱中配置型鋼，異形柱框架的抗震性能顯著改善.在加載過程中，一層柱腳受損最為嚴(yán)重，二層次之，三層受損程度最輕，而節(jié)點(diǎn)核心區(qū)中的型鋼基本未發(fā)生屈服，故這里選取框架一層柱腳型鋼進(jìn)行應(yīng)變分析，如圖8所示.由圖可知，加載初期，荷載-應(yīng)變曲線關(guān)系呈直線，表明柱腳型鋼處于彈性工作階段.隨著荷載的增大，中框架T形邊柱及邊框架L形角柱型鋼截面應(yīng)變分布不均勻，拉應(yīng)變明顯大于壓應(yīng)變，相比之下，邊框架L形角柱截面受力不均勻現(xiàn)象更為明顯，其原因可能是加載過程中，水平荷載未通過邊框架構(gòu)件截面形心，L形角柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形；中框架十形中柱和邊框架T形邊柱型鋼截面應(yīng)變分布對(duì)稱且基本一致，表明加載過程中截面受力較為均勻.

圖8 柱腳型鋼應(yīng)變Fig.8 Shape steel strain in column bottom

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)腹式SRC異形柱邊框架和中框架的抗震性能進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1)實(shí)腹式SRC異形柱框架符合“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求.

(2)實(shí)腹式SRC異形柱框架顯示出良好的抗震性能，滯回曲線飽滿，延性好，耗能能力強(qiáng).

(3)和SRC異形柱邊框架相比，中框架的承載力更高，耗能能力更強(qiáng)，初始剛度更大，但兩者的延性相差不大，剛度退化速度基本相同.

References

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