鋼筋綴件格構柱抗震性能研究

趙東拂， 孫 菲， 孟 穎， 張旭陽

(1. 北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044；2. 北京未來城市設計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3. 工程結構與新材料北京市高等學校工程研究中心，北京 100044；4. 北京節(jié)能減排關鍵技術協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044)

近幾年，我國積極推廣綠色建筑和建材，全力支持發(fā)展鋼結構。在歐美、日本等發(fā)達國家和地區(qū)，鋼結構的發(fā)展已趨于成熟。目前國內鋼結構有極大的發(fā)展空間，抗側力鋼構件在建筑物結構中的應用尤為重要。本文研究一種適合我國國情并具有抗震性能優(yōu)良、生態(tài)環(huán)保、施工便捷等優(yōu)點的抗側力鋼筋綴件格構柱結構形式。這種抗側力鋼筋綴件格構柱在工廠生產預制完成，可實現生產工廠化、運輸集裝箱化。該格構柱以彎折鋼筋為綴件，結合肢件，共同抵抗水平側向力。在地震作用下，主要通過彎折鋼筋的塑性變形實現抗震耗能。

多年來，國內外對傳統(tǒng)鋼格構柱及類似構件已有廣泛的研究，但傳統(tǒng)鋼格構柱及類似構件主要作為壓彎構件使用，一般不側重用于承受水平側向力，由水平作用如水平地震作用、風載作用等引起的水平側向力主要由柱間支撐承擔[1]。國內相關的研究主要有：郭彥林等[2]對梭形鋼格構柱在軸壓下的穩(wěn)定性的影響因素進行了研究，主要研究的影響因素包括柱子的長度、構件的長細比、橫向綴件的數量；朱云萍[3]也研究了鋼格構柱在軸壓作用下的整體穩(wěn)定性的影響，但主要研究的影響因素包括幾何非線性、材料的非線性、槽鋼型號、槽鋼間距和綴板數量等因素；鄭偉國等[4]研究了鋼格構柱在軸向力、端彎矩和橫向荷載共同作用下的雙肢不對稱綴板格構柱的受力性能；李國躍等[5]研究了截面剪力對綴板格構柱整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的影響；童樂為等[6]等對梭形三肢鋼管綴板柱的極限承載力進行了研究，主要是在試驗中通過對柱子進行加載，得出了柱子的破壞模式和柱子的極限承載力；郝際平等[7]主要是對三管梭形格構柱在考慮其受柱底轉動約束作用時的穩(wěn)定性能進行了分析；田偉等[8]主要是在考慮軸力和彎矩共同作用后，對梭形格構柱穩(wěn)定性能方面進行了一定的分析；王永發(fā)等[9]從經濟性入手對單向偏心作用下的雙肢綴條與綴板格構柱進行了研究。Djafour等[10-11]等主要從三肢鋼管格構柱的關于綴件剪力的計算方法和剛性連接下鋼格構柱的屈曲性能方面對格構柱展開了研究。

綜上所述，既往對傳統(tǒng)鋼格構柱及類似構件的研究，針對其抗側力性能方面的研究較少，而且主要作為抵抗水平側向力構件應用于民用建筑結構中在國內尚不多見，國外有類似構件，如圖1所示。但其工作機理未見報道[12]。本文提出了抗側力鋼筋綴件格構柱的結構形式，該格構柱是作為抵抗水平側向力構件應用于建筑結構中用以抗震耗能，并進行了初步數值模擬分析[13]，結果表明該格構柱具有良好的延性和抵抗水平側向力的能力。本文在此基礎上經數值模擬和試驗分析對鋼筋綴件格構柱進行深入研究。采用擬靜力往復加載試驗和數值模擬對鋼筋綴件格構柱的滯回特征、骨架曲線、剛度退化曲線、耗能能力進行分析研究。通過分析數值模擬結果與試驗結果比較可知，本文提出的鋼筋綴件格構柱具有抗震耗能作用，可作為抗側力構件應用于實際工程中，數值模擬結果和試驗結果基本吻合，數值模擬模型可以為該類構件的數值計算提供可行途徑。

圖1 應用于國外民用住宅中的類似格構柱

1 試驗概況

1.1 試件尺寸及優(yōu)選

本文設計的鋼筋綴件格構柱試驗試件是足尺構件，如圖2所示。肢件部分采用方矩管，尺寸為120 mm×120 mm×6 mm，H型鋼梁的截面尺寸為250 mm×125 mm×6 mm×9 mm，鋼片的尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，鋼材等級為Q235B，綴件采用Φ22的鋼筋。構件由工廠預制完成，運輸過程可采用箱形貨車運輸，梁柱的連接采用螺栓連接，構件在實驗室拼裝簡便快捷。

圖2 鋼筋綴件格構柱試件

鋼筋綴件格構柱試件中綴件，如圖3所示。圖3(b)為圖3(a)中字母A索引的詳圖。由于綴件的細部尺寸和角度的變化會影響構件整體的抵抗水平側向力的能力，通過調整圖3(b)中a、b的尺寸獲得大量的分組，對各分組進行試算，通過試算后獲得性能較好的綴件細部尺寸和角度不同的格構柱分組，如表1所示。

表1 鋼筋綴件格構柱試件分組

(a) 綴件結構形式(b) 節(jié)點詳圖

圖3 鋼筋綴件格構柱試件

Fig.3 Lattice column with lace bar

通過對格構柱分組進行的模擬分析，得到的滯回曲線趨勢及規(guī)律相近，但通過比較各格構柱分組的滯回曲線發(fā)現各組抵抗水平側向力的能力不同，所以通過比較產生單位位移需要的水平側向力的大小對各組尺寸進行優(yōu)選。假設施加在試件上的力為150 kN豎向力和50 kN水平力，得出的數據，如圖4所示。a值固定不變時，構件頂部水平位移隨著b值的增加基本呈凹形變化趨勢，則b=40時頂部水平位移最小；b值固定不變時，構件頂部水平位移隨a值的增加呈凹形變化趨勢，則a=140時頂部水平位移最小。由此可知：a=140 mm，b=40 mm，即B=47.4°時，產生單位位移時格構柱抵抗的水平側向力最大，則a=140 mm，b=40 mm，B=47.4°時是最佳的試件綴件尺寸。試件的綴件尺寸，如圖5所示。

(a) a不變時構件頂部水平位移變化趨勢

(b) b不變時構件頂部水平位移變化趨勢

圖5 鋼筋綴件格構柱試件綴件結構形式

1.2 材性性能

按照“金屬材料室溫拉伸試驗”：GB/T 228.1—2010[14]的規(guī)定，通過對構件的肢件和綴件的材料進行材性試驗，實測的肢件和綴件的材性試驗結果為：方矩管的屈服強度平均值為284.2 MPa，極限強度平均值為460.0 MPa，彈性模量平均值為2.02×105MPa；鋼筋的屈服強度為377.6 MPa，極限強度為500.6 MPa，彈性模量為2.00×105MPa。

1.3 加載裝置與加載制度

試驗在北京建筑大學結構實驗室進行，試驗的加載裝置示意圖，如圖6所示。試件底部采用地腳螺栓與實驗室地槽鉸接，防止試件在試驗過程中發(fā)生滑移，試件頂部增加側向支撐約束，防止試件發(fā)生平面外失穩(wěn)，頂部通過千斤頂施加150 kN豎向力，通過伺服作動器施加水平荷載或水平位移[15]。

圖6 加載裝置

試驗為恒定軸壓荷載作用下施加往復水平荷載擬靜力試驗，對鋼筋綴件格構柱按荷載-位移控制方法加載，即在恒載150 kN的豎向力作用下，先對鋼筋綴件格構柱進行水平方向的荷載加載，每級增加10 kN，試件屈服后，再通過位移進行加載，以規(guī)范規(guī)定的1/250位移角為基準，分別采用1/250、1/200、1/150、1/100、1/75、1/50的位移角對結構進行加載[16-17]，直到構件破壞。鋼筋綴件格構柱加載制度，如圖7所示。同一個荷載加載或者位移加載往復三次。

圖7 鋼筋綴件格構柱加載制度

2 試驗現象

在加載初期，采用荷載控制的加載方式進行水平向加載。在構件的頂部梁端施加水平荷載，每級荷載增加10 kN，往復加載三次。荷載加至±10 kN、±20 kN、±30 kN時，此時梁端的位移分別為2 mm、4 mm和6 mm，梁柱節(jié)點處、肢件與綴件節(jié)點處、梁、肢件、綴件均未出現明顯變形；荷載加載至±40 kN時，此時梁端的位移為8 mm，梁柱節(jié)點處、肢件與綴件節(jié)點處、梁、肢件均未出現明顯變形，綴件表現出平面內的輕微彎曲；荷載加至±50 kN時，此時梁端的位移為10 mm，梁柱節(jié)點處、肢件與綴件節(jié)點處、梁、肢件均未出現明顯變形，綴件表現出明顯的平面內彎曲，試件開始進入屈服階段。

荷載控制加載過程完成后，采用位移控制的加載方式進行水平向加載。在試件的梁端施加水平位移，位移加載至±12 mm時，梁柱節(jié)點處、肢件與綴件節(jié)點處、梁、肢件均未出現明顯變形，綴件中部表現出明顯的平面內彎曲，且鋼筋應變達到屈服應變；位移加載至±20 mm時，梁柱節(jié)點處、肢件與綴件節(jié)點處、梁、肢件未出現明顯變形，綴件中部表現出明顯的平面內彎曲，且彎曲較為嚴重；位移加載至±40 mm時，梁柱節(jié)點處、肢件與綴件節(jié)點處、梁、肢件均未出現明顯變形，但綴件部分已表現出嚴重的平面內變形，構件承載力急劇下降，鋼筋綴件格構柱已破壞，終止加載。

本文通過使用有限元軟件ABAQUS對試件進行了模擬分析。在模擬過程中，各部件的材料性能與實際相同，試件的鋼梁與肢件、肢件與綴件、綴件與鋼片之間的連接采用的是理想的TIE連接，模擬過程中的加載制度以及加載位置與試驗完全相同。將試驗現象與數值模擬分析得到的最終的加載結果進行對比結果，如圖8所示。兩者的結果相近。同時，由圖8可知，應力較多集中在綴件部分，鋼筋的變形過大、受力較多，即水平低周往復加載過程中綴件部分的變形耗能較多。

圖8 鋼筋綴件格構柱試件試驗結果與模擬結果對比圖

3 試驗結果分析

3.1 滯回曲線

圖9給出了試件的荷載-梁端加載點位移滯回曲線。其中虛線表示使用ABAQUS數值模擬得到的數值模擬結果，實線表示試驗結果。由圖9可知：① 在加載初期，試件的柱頂水平荷載與頂點位移近似呈線性關系，試件未出現明顯變形，滯回環(huán)包絡的面積較小，試件具有較高的初始剛度；隨著位移加載增大，荷載-梁端加載點位移出現非線性段，試件進入屈服階段，此時，綴件表現出平面內彎曲，滯回環(huán)逐漸張開，所包圍的面積不斷增大，抗震耗能逐漸增多；在位移增量控制加載階段，試件表現出平面內彎曲；在加載后期，尤其是峰值荷載點出現后，試件承載力逐漸下降。② 鋼筋綴件格構的試驗結果與數值模擬結果相近。試件的滯回曲線飽滿程度、最大位移處的水平荷載結果程度非常接近，實驗數據與數值模擬分析不能完全吻合的原因是：在有限元軟件模擬分析時，綴件與肢件、綴件與鋼片之間采用的是綁定關系，而試驗構件制作過程中，綴件與肢件、綴件與鋼片之間是焊接關系，焊縫的質量對構件有一定的影響，在試驗加載過程中，由于焊縫的存在，會有一定的剛度退化，導致兩者會有少許的差異。③ 通過與張旭陽[18]文中的鋼筋綴件格構柱C組進行比較，可知，本文中的鋼筋綴件格構柱的滯回曲線更飽滿，具有較強的耗能能力。

圖9 鋼筋綴件格構柱試件滯回曲線對比圖

3.2 骨架曲線

圖10給出了鋼筋綴件格構柱骨架曲線對比圖。其中虛線為使用ABAQUS數值模擬得到的數值模擬結果，實線為試驗結果。由圖10可知：① 在試件屈服前，柱頂的水平位移與水平荷載呈線彈性關系；試件在層間位移角1/250時承載力未出現明顯下降；當超過結構所能承受的最大水平承載力時，結構的水平承載力會急劇下降，結構迅速破壞；② 鋼筋綴件格構柱的試驗結果與數值模擬結果表現出相近的承載力變化范圍和變化趨勢，荷載大約為50 kN時，鋼筋綴件格構柱進入屈服階段，荷載在大約80 kN時達到極限水平承載力。

3.3 剛度退化曲線

圖10 鋼筋綴件格構柱試件骨架曲線對比圖

剛度退化的程度通常采用環(huán)線剛度Kj值的大小體現出來，如式(1)所示

(1)

圖11給出了鋼筋綴件格構柱剛度退化曲線對比圖。其中虛線表示運用ABAQUS數值模擬得到的數值模擬結果，實線表示試驗結果。由圖11可知：① 試件的剛度隨著正負向荷載或者位移的增加而逐漸降低，其主要原因是由于綴件屈服后塑性發(fā)展導致的累積損傷，但曲線斜率變化緩慢，說明鋼筋綴件格構柱具有穩(wěn)定的抗震耗能性能；② 鋼筋綴件構柱的試驗結果和數值模擬結果表現出較為相近的剛度退化范圍和剛度退化趨勢，從剛開始加載到構件破壞，試件表現出較為穩(wěn)定的剛度變化趨勢，說明鋼筋綴件格構柱穩(wěn)定性較好。

圖11 鋼筋綴件格構柱試件剛度退化曲線對比圖

3.4 耗能能力

通過數據采集得出在水平低周往復加載過程中構件的各個時刻的受力情況，繪制滯回曲線，每個滯回環(huán)面積的大小代表每次加載過程中試件的耗能的多少。圖12為鋼筋綴件格構柱耗能能力曲線對比圖。其中虛線為運用ABAQUS數值模擬得到的數值模擬結果，實線為試驗結果。由圖12可知：① 剛開始水平荷載較小，柱頂位移較小，試件耗能較小，隨著荷載或位移的加大，試件的抗震耗能逐漸增多，試件的耗能能力較為穩(wěn)定；② 鋼筋綴件格構柱的試驗與數值結果均表現出相近的耗能變化趨勢和耗能能力。

圖12 鋼筋綴件格構柱試件耗能曲線對比圖

4 結 論

本文研究的是一種抗側力鋼筋綴件格構柱結構形式，通過對這種格構柱進行擬靜力往復加載試驗和有限元軟件的數值模擬分析的研究，主要結論如下：

(1)鋼筋綴件格構柱在加載過程中試件的變形主要表現在綴件部位的平面內變形，而試件節(jié)點連接處及梁柱等在試驗過程中未出現明顯變形。

(2)鋼筋綴件格構柱在加載過程中經歷了彈性階段和彈塑性階段，在彈性階段，沒有明顯剛度與強度退化現象，試件在層間位移角1/250時承載力未出現明顯下降，在彈塑性階段，滯回環(huán)面積明顯增大，剛度變化趨勢較穩(wěn)定，具有較好的穩(wěn)定性，同時，該格構柱表現出較好的抗震耗能能力,該格構柱可以作為抗側力構件適用在實際工程中。

(3)試驗結果與數值模擬結果吻合較好，本文數值分析模型可以用于鋼筋綴件格構柱的數值模擬分析，為該類結構的數值計算提供可行途徑。