非對稱十字形配鋼SRC柱地震損傷特征分析

許曉梁吳琛

（1.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092；2.福建工程學院，福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室，福州 350118）

0 引言

型鋼混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）結構通過鋼與混凝土的協同作用充分發揮兩種材料的優勢力學性能，具有強度高、剛度大、延性好、抗震性能優等特點。SRC柱作為組合結構關鍵構件，被廣泛應用于地震區的高層建筑。當前，國內外針對型鋼對稱配置的SRC矩型截面柱已開展了大量力學性能研究［1-4］，形成了較成熟的理論體系。

當SRC柱作為高層建筑的邊柱時，通常參照04SG523《型鋼混凝土組合結構構造》仍采用對稱十字形配鋼方式［5］。節點處的梁縱筋為滿足錨固長度要求，一般采用兩種構造方案：一種是在型鋼翼緣處開設如圖1（a）所示的小孔，使縱筋穿過，該方法易導致開孔處應力集中形成薄弱區域，從而降低構件抗震性能；另一種是在型鋼外翼緣加焊如圖1（b）所示鋼牛腿，而后將梁縱筋焊接于牛腿上，該方法焊接工作量較大且焊接質量難以保障。本文提出一種施工方便、受力可靠的非對稱十字形配鋼SRC柱，如圖1（c）所示［6］，與梁連接一側的型鋼翼緣向柱中心內縮，使梁縱筋在邊節點處具有足夠的錨固長度，避免了型鋼翼緣穿孔或密集焊接，并且符合邊柱的受力特征。本文針對SRC柱新型構造建立有限元模型，研究其地震損傷特征，為抗震設計奠定理論基礎。

圖1 SRC柱傳統構造及非對稱配鋼方式改進Fig.1 Traditional SRC column and improved asymmetric steel distribution

1 非對稱十字形配鋼SRC柱力學模型

為研究非對稱十字形配鋼SRC柱抗震性能和損傷特征，現開展構件擬靜力試驗和有限元分析。有限元模擬的正確性通過擬靜力試驗加以校核，從中獲得的構件損傷云圖為損傷模式的分析提供了有效方法。

1.1 模型設計

設計9根截面尺寸為320 mm×320 mm的SRC柱。型鋼采用Q235鋼，與梁連接一側的型鋼雖內縮程度各不相同，但柱截面配鋼率均為4.67%。混凝土設計強度等級為C30，柱角部布置4根直徑為18 mm的HRB400鋼筋，箍筋采用直徑8 mm的HRB335鋼筋。各構件配鋼形式、剪跨比、軸壓比、體積配箍率如表1所示。

表1 構件設計參數Table 1 Design parameters of the specimen

1.2 材料本構模型

鋼筋和型鋼均采用二折線本構模型，經材性試驗獲得性能指標如表2所示，泊松比取0.3。

表2 鋼材材料性能Table 2 Steel material properties

考慮型鋼和箍筋對核心區混凝土的約束作用，如圖2所示將型鋼包圍的混凝土區域定義為高約束區，箍筋與型鋼之間包圍的混凝土定義為半約束區，箍筋以外的區域定義為無約束區。無約束區混凝土采用《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）提供的單軸受壓、受拉應力-應變本構，峰值應力和彈性模量依材性試驗結果分別取27.5 MPa和27 424 MPa。對于中約束區和高約束區的混凝土，引入約束效應提高因子［7-9］，高約束區峰值應力和峰值應變取為普通混凝土的1.8倍，中約束區取為1.4倍。

圖2 混凝土約束區域Fig.2 Concrete restrained area

1.3 單元劃分、邊界條件與荷載施加

混凝土和型鋼均采用三維實體單元C3D8R，縱筋和箍筋采用空間桁架單元T3D2，綜合考慮模型的計算精度和計算效率，選取30～50 mm作為單元的網格尺寸。鋼筋和混凝土之間采用Embedded連接，鋼板及型鋼和混凝土之間均采用Tie連接，忽略型鋼與混凝土界面間變形。承臺底面設為初始狀態固結，為防止柱頂出現面外扭轉，約束了垂直加載方向的線位移。

施加荷載時，首先在柱頂鋼板上施加恒定豎向荷載，其中軸壓比為0.1的柱施加277 kN軸力，軸壓比0.2的柱施加555 kN軸力，軸壓比為0.3的柱軸力是832 kN。此后，在柱頂采用如圖3所示荷載-位移雙控加載制度施加水平荷載。構件屈服前按荷載控制，荷載增量為預計屈服荷載的20%約30 kN，每級荷載反復一次；屈服后按位移控制，以屈服位移7 mm為位移增量，每級位移反復三次，直至試件水平承載力下降到峰值承載力的85%或構件不能繼續承擔預定軸力時停止加載。

圖3 荷載-位移雙控加載制度Fig.3 Load-displacement controlled loading regime

1.4 有限元模擬可靠性校驗

為校核有限元模擬的可靠性，將有限元分析獲得的骨架曲線與本項目同步開展的擬靜力試驗結果進行比較［10］。對稱十字形配鋼SRC1柱和非對稱十字形配鋼SRC2柱在低周往復荷載下的骨架曲線如圖4所示，該圖表明：①有限元模擬與試驗結果吻合良好，有限元分析結果具有可靠性；②在相同配鋼率下，非對稱配鋼方式與對稱配鋼方式具有相當的承載能力。

圖4 SRC柱骨架曲線對比Fig.4 Comparison of skeleton curves of SRC columns

2 非對稱十字配鋼SRC柱的破壞形態

經有限元分析，采用混凝土受壓損傷云圖反映混凝土的損傷發展規律，采用型鋼累積損傷應變云圖反映型鋼損傷分布特征［11］。所得對稱十字形配鋼SRC1柱和非對稱十字形配鋼SRC2柱破壞形態與擬靜力試驗結果如圖5、圖6所示。

對比圖5和圖6可知：非對稱十字形配鋼SRC柱在低周往復荷載下表現出有別于對稱十字形配鋼方式的損傷特征，柱兩側混凝土和型鋼呈現不對稱損傷。在型鋼內縮的一側，混凝土的損傷范圍較大，而型鋼的損傷較輕微。在型鋼未內縮的一側，則是型鋼損傷嚴重，混凝土損傷范圍較小。試驗和有限元分析表明：加載過程中，未內縮一側的型鋼翼緣在低周往復荷載下率先受力，并隨著加載位移的增加從翼緣向腹板逐步屈服；而型鋼內縮一側的翼緣則較晚受力屈服，以混凝土破壞為主。

圖5 對稱十字形配鋼SRC1柱破壞形態和損傷云圖Fig.5 Failure pattern and damage nephogram of SRC1 column with symmetric cross-shaped steel

圖6 非對稱十字形配鋼SRC2柱破壞形態和損傷云圖Fig.6 Failure pattern and damage nephogram of SRC2 column with asymmetric cross-shaped steel

3 非對稱十字形配鋼SRC柱的三種損傷模式

分析各柱混凝土受壓損傷云圖和型鋼累積應變云圖的演化過程，可將非對稱十字形配鋼SRC柱的損傷模式劃分為彎曲型、剪切型和剪剪型三類。

3.1 彎曲型損傷模式

對于剪跨比較大的SRC3柱和軸壓比較小的SRC4柱，主要由構件受彎產生水平向損傷影響柱的性能變化而發生彎曲型損傷模式。混凝土受壓和型鋼應變累積的過程分別如圖7和圖8所示，SRC柱損傷演化特征為：

圖7 SRC3柱的混凝土受壓損傷演化過程Fig.7 Compression damage process of concrete in SRC3 column

圖8 SRC3柱型鋼累積損傷演化過程Fig.8 Accumulative damage process of steel in SRC3 column

（1）混凝土先于型鋼產生損傷，受壓損傷始于柱根，由兩側逐步向內部水平發展，直至試件破壞。同時，由于型鋼縮進側的混凝土受型鋼約束較小，因此該側損傷區域較大。

（2）構件損傷中期，由于型鋼未內縮一側的翼緣距構件邊緣較近，因此率先受力使部分型鋼進入屈服狀態，而內縮一側的型鋼則較晚出現損傷，從而兩側呈現不對稱損傷。

3.2 剪切型損傷模式

對于剪跨比較小的SRC8柱發生剪切型損傷模式如圖9和圖10所示。主要由構件受剪造成的斜向損傷影響柱的性能，其損傷演化特征為：

圖9 SRC8柱混凝土受壓損傷演化過程Fig.9 Compression damage process of concrete in SRC8 column

圖10 SRC8柱型鋼累積損傷演化過程Fig.10 Accumulative damage process of steel in SRC8 column

（1）混凝土先于型鋼產生損傷，自柱根兩側向斜上方延展，型鋼內縮一側的混凝土損傷始終比另一側顯著，呈現不對稱損傷。

（2）在構件損傷的中后期，未內縮一側型鋼率先屈服，且損傷較另一側更為顯著，呈現不對稱損傷。

3.3 彎剪型損傷模式

除SRC3、SRC4和SRC8外，其余柱均表現出彎剪型損傷特征如圖11和圖12所示。在損傷初期以水平向受彎為主、中后期斜向受剪為主所造成的損傷影響柱的性能變化。彎剪型損傷的演化特征為：

圖11 SRC2柱混凝土受壓損傷演化過程Fig.11 Accumulative damage process of steel in SRC2 column

圖12 SRC2柱型鋼累積損傷演化過程Fig.12 Accumulative damage process of steel in SRC2 column

（1）混凝土先于型鋼產生損傷，在損傷初期由柱根兩側向中間水平發展，中后期則斜向發展為主，直至構件破壞，且損傷區域大于彎曲型損傷。同時，型鋼內縮一側的混凝土率先出現損傷，其損傷程度較另一側更為顯著，損傷范圍更大，呈現不對稱損傷。

（2）在構件損傷中期，型鋼在未內縮一側率先屈服，且損傷較為顯著；內縮一側型鋼于后期出現損傷，左右兩側型鋼呈現不對稱損傷。

綜合以上三類損傷模式的混凝土受壓損傷云圖和型鋼累積應變云圖，分析試件損傷演化過程可知：

（1）三類損傷模式下的非對稱十字形配鋼SRC柱均具有損傷不對稱的特征。型鋼內縮一側的混凝土較早出現損傷，并先于型鋼產生，其損傷程度和范圍均大于型鋼未內縮一側，而型鋼則在未內縮一側損傷較嚴重。

（2）三類損傷模式的本質原因各不相同。彎曲型損傷模式主要由于構件受彎產生水平向損傷，剪切型損傷主要由于構件受剪造成斜向損傷，彎剪型損傷模式則是在損傷初期以水平向受彎為主、中后期斜向受剪為主。

在區分三類損傷模式的基礎上，還可進一步明確影響損傷模式的主要因素，并分別建立損傷評價指標。

4 結論

本文提出了一種非對稱十字形配鋼SRC柱的構造形式，滿足了復雜高層建筑邊柱的施工和受力要求。通過九組非對稱十字形配鋼SRC柱的有限元分析，獲得如下結論：

（1）在相同配鋼率下，非對稱十字形配鋼方式不僅與對稱十字形配鋼方式具有相當的承載力，并具有施工方便、符合邊柱受力特征等優勢，因此采用非對稱十字形配鋼SRC柱具有實際工程意義。

（2）非對稱十字形配鋼SRC柱具有不對稱的損傷特征。型鋼內縮一側的混凝土較早出現損傷，程度和范圍均大于型鋼未內縮一側，而型鋼則是未內縮一側的損傷較為嚴重。

（3）非對稱十字形配鋼SRC柱的損傷模式可劃分為彎曲型、剪切型和彎剪型三類。三類損傷模式的損傷演化過程以及本質原因各不相同，在本文定性描述損傷的基礎上可進一步建立各類損傷的損傷評價指標。