高轴压比下钢管高强混凝土核心柱地震损伤性能研究.pdf

分类号 TU398密级UDC专业学位硕士学位论文高轴压比下钢管高强混凝土核心柱 地震损伤性能研究专业学位名称工程硕士（建筑与土木工程领域）.高轴压比下钢管高强混凝土核心柱地震损伤性能研究摘要钢管高强混凝土核心柱是由钢筋高强混凝土柱和内置钢管两部 分组成。因为核心柱具有更好的竖向承载能力和抗震性能，所以常常 被用作大型建筑物的重要承重构件。当柱等承重构件在地震中发生破 坏时，往往会引起建筑物的倒塌，从而造成重大的财产损失和人员伤 亡，因此有必要对钢管高强混凝土核心柱在地震作用下的损伤情况进 行研究。本文完成了 11个钢管高强混凝土核心柱以及1个钢筋高强混凝 土柱在高轴压比下的水平荷载加载试验，试验重点研究不同加载制度、轴压比、体积配箍率、钢管径厚比和箍筋形式对钢管高强混凝土核心 柱的地震损伤性能的影响。对试验现象以及各项力学性能指标进行分析，研究结果表明：钢 管高强混凝土核心柱在经历过数次循环加载之后，其抵抗水平荷载的 能力明显下降。钢管高强混凝土核心柱的抗震性能整体上要优于钢筋 高强混凝土柱。随着轴压比的增大，核心柱的承载力有不同程度的提 升，但其变形能力和耗能能力降低。增加体积配箍率，可以提高核心 柱的地震损伤性能。若核心柱含钢率保持不变，当内置钢管径厚比较 大时，核心柱的承载力略高，但其钢管与管外混凝土更易出现粘结滑 移，导致后期变形能力降低。I在本次试验的基础上，本文提出了适合钢管高强混凝土核心柱,并且考虑加载制度影响的双参数地震损伤模型、恢复力模型，将上述 模型的计算结果与试验结果进行比较，发现吻合度较好。关键词：钢管混凝土 核心柱 地震损伤 损伤模型 恢复力模型IISTUDY ON SEISMIC DAMAGE BEHAVIOR OF CORE COLUMNS HAVING HIGH STRENGHCONCRETE-FILLED STEEL TUBES UNDER HIGH AXIAL PRESSURE RATIOABSTRACTCore columns having high strength concrete-filled steel tubes are composed of reinforced high strength concrete column and internal steel tubes.Because the steel tube is built in the core column,it has better vertical bearing capacity and seismic behavior.In this paper,horizontal load on eleven core columns having high strength concrete-filled steel tubes and one reinforced high strength concrete column were studied.The test focuses on researching influence of design parameters such as different loading processes,the axial force ratio,the volumetric transverse reinforcement ratio,and steel tube diameter-thickness ratio on seismic behavior of core columns.The test phenomena and mechanical properties of each specimen were analyzed,and the results showed that:after several cyclic loads,the strength of specimens decreases obviously.The seismic behavior of core columns having high strength concrete-filled steel tubes is better than that of ordinary reinforced concrete column without internal steel tube.With inthe increase of axial force ratio,the bearing capacity of specimens were improved with different degrees,but the ductility became worse,the energy dissipation capacity decreased,the strength attenuation and stiffness degradation were accelerated.If steel ratio of core columns remain unchanged,the seismic behavior of core columns can be improved by increasing the volumetric transverse reinforcement ratio in a reasonable range.Although the bearing capacity of the specimen with a larger diameter-thickness ratio is slightly higher than that of the specimen with a smaller diameter-thickness ratio,the bond slippage between the steel tube and the concrete outside the tube is more likely to occur,resulting in poor deformation capacity.On the basis of the experiment,the paper puts forward an earthquake damage model considering the effect of different loading processes,a recovery model which are suitable for core columns having high strength concrete-filled steel tubes.KEY WORDS:concrete-filled steel tubes;core columns;seismic behavior;damage model;restoring force model.IV目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1 研究背景及意义.11.2 钢管混凝土核心柱研究进展.31.3 地震损伤模型研究现状.61.4 本文研究的主要内容.8第二章钢管高强混凝土核心柱地震损伤性能试验研究.92.1 试验概述.92.1.1 设计参数选取.92.1.2 试件设计.122.1.3 试件制作.122.2 试验加载装置、材料性能及测试方案.142.2.1 试验加载装置.14222试验加载制度.142.2.3 测试内容与方案.152.3 试验现象.162.3.1 单调加载.172.3.2 混合控制加载.172.3.3 变幅位移加载.182.4 本章小结.21第三章钢管高强混凝土核心柱地震损伤性能分析.233.1 引言.233.2 试验结果分析.233.2.1 滞回曲线.233.2.2 骨架曲线.253.2.3 强度衰减.283.2.4 刚度退化.29v3.2.5 延性.31326耗能能力.33327荷载一应变滞回曲线.353.3 本章小结.37第四章钢管高强混凝土核心柱地震损伤模型研究.384.1 弓I 言.384.2 结构损伤模型简述.384.2.1 结构损伤变量的概念.384.2.2 现有损伤模型分析.394.2.3 典型地震损伤模型计算分析.404.3 钢管高强混凝土核心柱地震损伤模型的建立.424.3.1 钢管高强混凝土核心柱试验损伤的量化.42432基于变形和能量的损伤模型的建立.464.3.3 损伤影响参数分析.514.3.4 损伤模型验证.534.4 本章小结.56第五章钢管高强混凝土核心柱地震恢复力模型研究.585.1 弓I 言.585.2 恢复力模型的假定.585.3 钢管高强混凝土核心柱特征点附近的典型滞回环.585.4 钢管高强混凝土核心柱骨架曲线模型.605.5 钢管高强混凝土核心柱滞回曲线模型建立.625.5.1 滞回环简化.625.5.2 循环退化指数.625.5.3 力学性能指标的退化.625.5.4 滞回规则.645.6 恢复力模型验证.655.7 本章小结.67第六章结论与展望.68VI6.1 本文的主要结论.686.2 对未来研究工作的展望.68参考文献.70致谢.76VII广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢管高强混凝土核心柱地震损伤性熊研究第一章绪论1.1 研究背景及意义伴随着建筑行业的不断发展以及建筑技术的不断进步，为了满足当代大型建 筑结构的要求，各种大跨度、大开间以及功能复杂的建筑结构应运而生。同时,由于建筑物的高度和跨度不断增加，对底层柱的承载力要求也越来越高，一般情 况下通常采用扩大柱截面的方法来解决这个问题，但若层高被限定，很容易出现 短柱,这将对抗震有着不利的影响。因此在这种情况下，组合结构因其承载力高、抗震性能好的优势而被逐渐推广应用。钢管混凝土核心柱作为组合结构的一种，在超高层建筑以及桥梁结构中得到广泛应用。钢管混凝土核心柱是在钢管混凝土 柱和钢筋混凝土柱的基础上发展来的，钢管混土核心柱与其他柱构件相比，具 有以下优点川：1、与钢筋混凝土柱相比：钢管不仅自身承载力高，还可以对钢管内的混凝 土提供更好的约束，因此与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土核心柱承载力更高、延性更好，而且在承受相同的荷载时，钢管混凝土核心柱的截面尺寸更小，更有 利于建筑物内部空间的布置利用。2、与钢柱相比：由于钢管外有混凝土保护层，可以防火防锈；钢管内有填 充混凝土，外有混凝土保护层，可以有效的避免钢管过早屈曲，充分发挥钢材性 能。3、与钢管混凝土柱相比：与梁柱节点处构造简单，便于施工。图1-1钢管混凝土核心柱示意图Fig.1-1 Image of core columns having high strength concrete-filled steel tubes通过现有的研究成果可以得到，柱构件在地震作用下会出现损伤，且这种损 伤会随着地震的往复循环作用而不断累积，这将造成柱构件的变形过大，以及强 度、刚度等力学指标不断退化，当地震损伤累积到一定程度时，柱构件会因变形 1广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢管高强混凝土核心柱地震损伤性柜研究过大或完全丧失承载力而破坏，从而造成建筑物的倒塌。随着我国经济的不断发 展，综合国力的不断增强，越来越多的高层、超高层建筑在各大中小城市拔地而 起，这些城市往往人口密集，且处在高烈度区，一旦这些大型建筑物在地震中倒 塌，后果将不堪设想。因此，深入研究柱构件在地震作用下的损伤演化机理和过 程具有重要的意义。同时，我国的抗震设计规范允许建筑结构在经历地震作用后 存在一定的损伤，并继续使用，因此需要对建筑物在地震中产生的损伤进行评估,看其是否符合继续使用的条件，以及计算剩余使用寿命。要达到此目的，需要建 立能够真实反应结构或者构件在地震下的损伤演化规律的地震损伤模型。而现有 的损伤模型大多是基于钢筋混凝土构件和型钢混凝土结构的低周反复加载试验 建立，因此这些损伤模型并不适用于钢管高强混凝土核心柱。为了更深入地研究 钢管高强混凝土核心柱的抗震性能以及在地震作用下的损伤情况，有必要建立能 够适用于钢管高强混凝土核心柱的地震损伤模型。此外，通过对钢管混凝土核心柱的发展过程进行了解，发现虽然国内外许多 学者对钢管混凝土核心柱进行了较为深入的研究，但是很少有学者研究箍筋形式 对核心柱抗震性能的影响。在实际工程当中，拉筋因其构造简单、制作方便而被 广泛应用于钢筋混凝土柱中，但是当把拉筋应用到钢管混凝土核心柱中时，由于 核心柱中内置钢管的存在，拉筋可约束的管外混凝土面积较少，使得其对混凝土 的约束效果一般，因此有学者田开始用八边形箍筋替代拉筋以改善这种情况。为了验证八边形箍筋是否对混凝土有更好的约束作用，本试验将采用八边形箍筋 和拉筋进行对比。因本次试验条件所限，用于试件制作的八边形箍筋为一体式箍 筋而并非为便于施工的断开式八边形箍筋。除此之外，通过查阅关于钢管混凝土 核心柱的文献4*,发现目前科研人员对钢管混凝土核心柱的研究更多集中于剪 跨比小于2的短柱以及大于3的长柱，而对于剪跨比介于两者之间的钢管混凝土 核心柱的地震损伤性能研究较少，但是在层高较低或者有错层的建筑结构中，常 常需要剪跨比介于两者之间的柱作为承重构件，因此有必要对剪跨比介于此区间 的钢管混凝土核心柱的地震损伤性能进行研究，故本次试验取各试件剪跨比为 2.5。在建筑物中，核心柱作为重要的承重构件，其承受的竖向荷载较大，因此 本试验重点研究钢管混凝土核心柱在高轴压比下的抗震性能，其中最大设计轴压 比达到1.03。2广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢管高强混凝土核心柱地震损伤性能研究1.2 钢管混凝土核心柱研究进展大连理工大学赵国藩制作了 38个钢管高强混凝土核心柱进行高轴压比下 的低周反复加载试验，其中最大设计轴压比达到0.8o通过研究核心柱破坏机理 以及各参数对其抗震性能的影响，在保证抗震设计要求的基础上，对钢管高强混 凝土核心柱的最小钢管面积、最小体积配箍率和轴压比限值进行了建议。清华大学钱稼茹等Ml制作了 10个钢管混凝土核心柱进行高轴压比下的低周 反复加载试验，设计参数为轴压比和体积配箍率，其中最大设计轴压比达到0.95,主要研究构件在低周反复加载下的破坏形态、滞回耗能、延性以及承载力等力学 性能。通过试验可以看出，核心柱的耗能能力强、延性好、承载力高，最终因柱 根部混凝土被压溃而完全破坏。采用叠加法和平截面假定法计算试件在轴力作用 下的正截面承载力与试验结果较符。清华大学纪晓东等口。制作6个内置钢管混凝土叠合柱进行高轴压比下的低 周反复加载试验，其中最大设计轴压比达到0.72。通过试验可以看出，循环次数 对试件的承载力影响较小，按核心柱全截面计算体积配箍率的试件延性以及耗能 能力，要明显高于按核心柱钢管外混凝土面积进行体积配箍率计算的试件，因此 建议按全截面进行钢管混凝土核心柱的体积配箍率计算，以保证核心柱有更好的 变形性能。清华大学钱稼茹等印制作了 6个设计参数为轴压比、圆钢管径厚比以及方钢 管宽厚比的外方内圆复合钢管高强混凝土柱，在高轴压比进行在同一水平位移下 循环往复加载10次的低周反复加载试验，其中最大设计轴压比达到0.79。通过 试验可以看出各试件的破坏情况大体相同，当位移角达到1 541/124时，试 件名义屈服；当达到峰值荷载时，各试件的位移角均大于1/80；当承载力降到峰 值荷载的85%时，各试件的位移角均大于1/60。同时，增大方钢管或者圆钢管 壁厚，可以减缓试件的强度退化。杨晓等制作了 1个钢管灌满混凝土的核心柱以及1个空钢管核心柱，并 且完成了上述两个试件的低周反复加载试验。通过对试验数据和现象进行分析可 知，两个试件在发生破坏时，钢管均出现了局部屈曲；与空钢管核心柱相比，钢 管灌满混凝土的核心柱延性和滞回耗能能力更好。叶家喜【制作了剪跨比为1.5的圆、方形截面箍筋约束高强混凝土短柱各1 3广西大峥工程硕士学位论文窗轴压比下钢管高强混凝土核心柱地囊损伤性能研究个和圆、方形钢管约束钢筋高强混凝土短柱各3个，并完成了上述试件的低周反 复加载试验，其中最大轴压比达到0.55。通过分析试验结果可知，只有箍筋约束 的普通混凝土短柱发生剪切破坏，圆钢管约束钢筋高强混凝土短柱发生压弯破坏,方钢管约束钢筋高强混凝土短柱抗震性能较好，其承载力和滞回耗能提升显著。采用钢管约束的短柱的最大变形均超过规范要求。甘丹口41完成了两个剪跨比为1.3,钢管径厚比150的钢管混凝土超短柱以及 两个剪跨比为1.8,径厚比为120的钢管混凝土短柱在高轴压比下的低周反复加 载试验，其中最大试验轴压比达到0.6o试验结果表明，剪跨比为1.8的钢管混 凝土柱发生弯曲破坏，剪跨比为1.3的钢管混凝土柱则发生剪切破坏。因为钢管 对核心混凝土产生约束作用，所以超短柱在低周加载试验下的承载力和延性均得 到提高，其中剪跨比为1.8的钢管混凝土核心短柱的极限层间位移角为6%,剪 跨比为1.3的钢管混凝土核心超短柱的层间位移角为4%,两者的层间位移角均 高于规范规定的层间位移角的限值，由此可以看出钢管混凝土核心柱有着较好的 抗震性能。清华大学康洪振、钱稼茹“习制作了 18个变化参数为钢管混凝土配箍指标、管外混凝土强度、配箍特征值的钢管混凝土核心柱进行轴压试验，研究各参数对 其轴压性能的影响。通过试验可以看出，在试件受到的轴压力达到峰值荷载之前，钢管和管外混凝土的轴向变形较一致，且钢管对管内混凝土约束较弱，当试件荷 载-位移曲线达到下降段时，钢管对管内混凝土的约束作用开始增强，当钢管外 混凝土被压溃时，由钢管混凝土柱承受竖向荷载。综上研究认为，对于钢管混凝 土套箍指标大于0.3且配箍特征值小于0.4的钢管混凝土组合柱而言，当其管外 混凝土因受到轴力作用而达到破坏时，认为此时的核心柱已达到其承载力极限而 破坏，并据此推导出钢管混凝土核心柱的轴压承载力公式。清华大学聂建国等口句通过对钢管混凝土核心柱的受力情况进行理论分析，将钢管混凝土的破坏过程分为三个阶段，同时认为钢管外混凝土达到破坏状态时 核心柱即破坏，并以此为基础提出了钢管混凝土核心柱的极限承载力计算公式。哈尔滨工业大学李惠等回制作了 4个叠合柱和2个核心柱进行低周反复加 载试验，通过试验发现当钢管外混凝土的强度较低时，叠合柱的变形能力更好。文献网通过分析在低周反复加载下的4个钢管高强混凝土叠合柱的钢管混凝土 4广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢管高强混凝土核心柱地震损伤性舱研究柱和管外混凝土各自受到的水平力大小，并且根据平截面假定，认为当叠合柱受 弯时，钢管混凝土主要承担竖向荷载而基本不受水平力作用。文献【皿通过计算 机编程，分析了相关设计参数对钢管高强混凝土叠合柱的截面弯矩-曲率关系的 影响。华南理工大学蔡建【2。22】为了研究含管率、配箍率以及截面形式对钢管高强 混凝土核心柱性能影响，制作了 10个该核心柱进行轴压试验。通过试验发现，箍筋对管外混凝土产生约束作用，当混凝土保护层脱落时箍筋仍与钢管混凝土柱 共同作用，并且不同箍筋形式对核心柱的性能会产生一定影响。此外，在此研究 基础上提出了核心柱承载力计算公式。尧国皇利用有限元分析法和纤维模型法对组合柱在轴压力作用下的荷载.变形曲线迸行计算，计算结果与试验结果吻合较好，因此可证明此理论分析模型 的合理性。此外，通过分析钢管混凝土叠合柱在轴压力作用下，钢管混凝土柱与 管外混凝土各自所受轴压力，以及各部分之间相互作用，提出了简化的叠合柱轴 压承载力计算公式。北京航空航天大学郭全全侬，25为了研究偏心距、纵筋配筋率以及钢管位置系 数等参数对钢管混凝土叠合柱正截面承载力的影响，设计制作了 13个长细比为 4.67的钢管混凝土叠合柱进行偏心受压试验。通过试验可以得到，钢管混凝土叠 合短柱在偏心受压下的受力情况和钢筋混凝土短柱类似，在大、小偏压下，其受 压钢筋在受压混凝土压碎之前先屈服，并且该叠合柱的承载力随钢管位置系数的 增加而有小幅增加。此;外，在以上分析的基础上提出了钢管混凝土叠合柱偏心受 压的承载力公式。徐蕾26制作了 4个钢管混凝土叠合柱试件进行耐火极限试验，并在试验的 基础上进行数值模拟，结果表明：由于管外混凝土的存在，延缓了外部热量向内 部钢管混凝土柱的传递，使得其强度衰减较缓慢。李敏【2刀在对钢管钢骨混凝土核心柱的轴压试验进行数值模拟的基础上，建 立其轴压承载力公式。通过分析钢管钢骨混凝土核心柱在剪力作用下的受力机理,可以看出当提高混凝土强度，构件承载力提高不明显。此外，钢管钢骨混凝土核 心柱的抗震性能的数值模拟结果显示，随着构件的约束效应的提高和轴压比的减 小，构件的水平承载力随之提高，刚度和强度退化的更慢。5广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢管离强混凝土桢心柱地震损伤性柜研究Tomii和Sakino吟31等通过对方钢管混凝土压弯构件进行试验研究，得出构 件的强度随着轴压比和钢管宽厚比的增大而衰减加速的结论。Ahmed和Atorod132,33等对圆钢管高强度混凝土柱进行低周反复加载试验，试验结果显示圆钢管混凝土柱的延性较好，耗能性能高，强度衰减较慢。Shim网完成了 1根钢管混凝土核心柱的低周反复加载试验，试验结果显示 钢管混凝土核心柱在地震变形能力要好于普通钢筋混凝土柱的结论。Han LH因对钢管混凝土核心柱进行轴压、偏压和反复加载试验，分析了混 凝土强度、钢管强度、钢管面积比、钢管含钢率和纵筋配筋率对组合柱破坏机理 和承载力的影响，并提出了相应的计算理论。综上所述，国内外学者对钢管混凝土核心柱的研究集中于轴压比、混凝土强 度、钢管径厚比等参数对其抗震性能影响，以及相应承载力的公式推导，但很少 涉及钢管混凝土核心柱在地震作用下损伤的量化以及计算。1.3 地震损伤模型研究现状Park和AngMJ刀基于大量钢筋混凝土柱和梁的抗震试验建立了经典的 Park-Ang模型，该模型是基于最大变形和累积耗能的双参数模型，比单参数模 型更合理。万冲网对已有的地震损伤模型进行了简述，并对这些模型进行评价，指出 其优缺点，并提出合理的建议。任利杰网建立了三折线恢复力模型，并对现实地震作用下的钢筋混凝土结 构的耗能、延性等性能进行评估分析，在此基础上，对原有的经典损伤模型进行 修正，建立了钢筋混凝土结构的双参数地震损伤模型。王东升，冯启民等HO1基于钢筋混凝土构件疲劳寿命方程，对构件极限滞回 耗能和位移延性系数的关系进行了分析，发现两者近似是指数衰减关系。在 Park-Ang双参数地震损伤模型基础上，通过引入与加载路径有关的能量加权项 因子、临界延性系数和能量等效系数，建立了改进后的钢筋混凝土结构的地震损 伤模型。周知，钱江，黄维基提出了经Park-Ang损伤模型改进而来的钢构件损伤 模型。将模型计算结果与试验结果进行对比，结果显示钢构件损伤模型可以较真 实地反应钢构件在地震作用下的损伤情况。此外，将钢构件的性能水准分为基本 6广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢 管高强混凝土核心柱地震损伤性能研究运行、可修、避免倒塌三级，其对应的损伤指标限值分别为0.015、0.60和l.OOo左春仁，左振宇42提出了钢筋混凝土剪切型结构地震损伤模型，并在抗震 设计规范和已有科研成果的基础上，提出了构件的地震损伤状态及基于损伤性能 的设计方法。陆本燕，刘伯权，吴涛冏通过对8个典型的地震损伤模型进行对比分析，发现 不同损伤模型对同一钢筋混凝土桥墩的损伤确定并不一致，计算得到的损伤指数 与构件实际破坏情况差别较大，因此刘伯权在考虑了构件低周疲劳的情况基础上,对Park-Ang模型进行修正，建立了方便实用的地震损伤模型。陈星炸，蒋冬情，颜东煌网在现有经典地震损伤模型的基础上，结合钢筋 混凝土柱试验，建立了基于刚度退化和考虑加载路径影响的滞回耗能的双参数地 震损伤模型，并且将已有的钢筋混凝土柱试验数据代入模型计算。从计算结果可 以看出，基于刚度退化和考虑加载路径影响的滞回耗能的双参数损伤模型能够更 加真实地反应钢筋混凝土柱在地震作用下的损伤情况。叶献国，高秀丽，王德才明制作了 6个钢筋混凝土框架柱，并对这6个试件进 行低周反复加载试验。根据试验结果，通过对Park-Ang地震损伤模型进行改进，建立了基于位移和耗能的钢筋混凝土框架柱地震损伤模型，将试验数据代入该模 型进行计算，发现试验结果与计算结果较吻合，说明该模型能够较好的反应框架 柱在地震作用下各个阶段的损伤情况。王斌，郑山锁，国贤发【46】通过对现有地震损伤模型进行分析，并结合型钢高 强高性能混凝土框架柱在低周加载下的试验数据，建立了考虑循环次数和加载路 径影响的基于变形和耗能的双参数地震损伤模型，并对模型进行了验证，结果显 示该模型能够较真实地反应型钢高强高性能混凝土框架柱在地震作用下的损伤 发展情。马辉制作了 17个型钢再生混凝土柱，并且完成了这17个试件的低周反 复加载试验，通过对试验数据进行处理分析，对型钢再生混凝土柱在地震下的损 伤进行量化,将型钢再生混凝土柱在地震下的损伤阶段分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全以及防止倒塌这五个层次，并且在修正的Park-Ang损伤 模型基础上，建立了基于变形和滞回耗能的型钢再生混凝土柱地震损伤模型。在查阅相关文献后发现，国内外科研人员大多都是基于钢筋混凝土构件和型7广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢管面强混凝土核心柱地震损伤性能研究钢混凝土结构的低周反复加载试验建立地震损伤模型，因此这些损伤模型并不适 用于钢管混凝土核心柱。1.4 本文研究的主要内容本次试验完成了 11个缩尺比为1/2、剪跨比为2.5的钢管高强混凝土核心 柱和1个钢筋混凝土柱在高轴压比下的的低周反复加载试验。主要研究内容如下:(1)通过对各试件的试验结果进行分析，研究不同设计参数对钢管高强混凝 土核心柱抗震性能的影响。(2)对现有经典的地震损伤模型进行研究，并且根据钢管高强混凝土核心柱 在低周反复加载下的试验现象及数据，建立考虑加载制度影响的钢管高强混凝土 核心柱地震损伤模型。(3)根据钢管高强混凝土核心柱的滞回特性，建立基于损伤退化的钢管高强 混凝土核心柱恢复力模型。8广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢管高强混凝土核心柱地震损伤性能研究第二章钢管高强混凝土核心柱地震损伤性能试验研究建筑物及构筑物在地震作用下，可能会因为自身承载力、变形等达到极限状 态而发生破坏，尤其是当柱发生破坏时，可能会引起房屋的倒塌，由此说明柱抗 震性能的好坏是决定建筑物在大震作用下是否倒塌破坏的一个关键因素。因此为 了研究钢管高强混凝土核心柱的抗震性能以及在地震作用下的损伤情况，本文完 成了高轴压比下的11个钢管高强混凝土核心柱和1个钢筋高强混凝土柱的低周 反复加载试验，通过分析各试件的破坏特征以及损伤发展情况，为钢管高强混凝 土核心柱在科学研究和工程应用中提供一定的试验依据。2.1 试验概述2.1.1 设计参数选取已有研究结果表明，轴压比、体积配箍率、钢管径厚比、箍筋形式等设计参 数对柱的损伤累积、发展过程影响显著，基于本课题组前期试验研究结果，本次 试验设计制作了 11个钢管高强混凝土核心柱和1个钢筋高强混凝土柱，具体设 计参数变化及加载制度如下：(1)钢管径厚比：组合柱的内置钢管尺寸不同，钢管约束的管内混凝土面积 以及管外混凝土保护层厚度也不同，为了研究钢管的径厚比对组合柱地震损伤性 能的影响，本次试验采用实际尺寸为140 x3.5mm、114x3.8mm的有缝钢管，由 于受钢管规格的限制，很难实现内置不同截面尺寸钢管的试件的含管率完全一致,从试验研究的角度只能尽可能的接近，计算得到内置钢管尺寸为140 x3.5mm、114x3.8mm的试件的含管率分别为2.4%,2.1%。(2)轴压比：据已有研究表明，轴压比是影响柱构件地震损伤性能的一个重 要因素。本试验重点研究钢管混凝土核心柱在高轴压比下的地震损伤性能，由钢 管混凝土叠合柱结构技术规程(CECS188：2005)网可知，核心柱管外混凝 土的轴压比限值与钢筋混凝土柱相同，同时混凝土结构设计规范(GB50 0 10-20 10)附和钢骨混凝土结构技术规程(YB90 82-20 0 6)【5。】规定，钢 筋混凝土柱和钢骨混凝土柱在抗震等级为一级时的设计轴压比限值为0.65,因此 确定本次试验对试件施加的试验轴压比为0.2、0.35、0.55三级，并且计算出需 要施加的轴压力分别为871kN.1525 kN、2396 kN,对应的设计轴压比依次为9广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢管高强混凝土核心柱地裳损伤性能研究0.38、0.66、1.0 3,具体计算公式如下：9=4/（几4）（2）v NEc Ac（l+1.88）N=-（9-2）“44+%4（1+1.幽Nco=N-Ncc（2-3）n=N8 moy（2-4）式中，N为作用在柱顶的轴力；Ncc、M。分别为钢管的内、外混凝土承担的轴力；%小启为钢管内外混凝土轴心抗压强度，其试验值取0.7班研；反。、瓦c分别为钢 管内、外混凝土弹性模量；4c、4。和4分别为钢管内、外混凝土面积和钢管截 面面积。(3)体积配配箍率：为了研究不同体积配箍率对钢管高强混凝土核心柱地震 损伤性能的影响，依据钢管混凝土叠合柱结构技术规程(CECS188：2005)网给出一、二级框架柱的箍筋间距一般不大于10倍纵筋直径的建议，本次试验 中配八边形复合箍的试件箍筋间距取110 mm、90 mm、70 mm三级，配井字形复 合箍的试件箍筋间距取122mm。本文依据混凝土结构设计规范(GB50 0 10-20 10)49,在计算体积配箍率时扣除八边形箍筋与方箍重叠部分，计算得到配八边形 复合箍的试件对应的体积配箍率依次为1.33%、1.63%、2.1%,配井字形复合箍 的试件CC7体积配箍率为1.63%。此外，若按照高层建筑混凝土设计规程(JGJ3-20 10)规定，在计算复合箍筋体积配箍率时不扣除重叠部分的箍筋体 积，则计算得到箍筋间距为110 mm的试件CC8的体积配箍率为1.63%,与按混 凝土结构设计规范(GB50 0 10-20 10)网计算得到的箍筋间距为90 mm的试件 CC5的体积配箍率相同，详见表2-1。由第三章两个试件的各项力学性能对比分 析可知，试件CC5的抗震性能要优于试件CC8,因此混凝土结构设计规范(GB50 0 10-20 10)149)中规定的体积配箍率计算方法偏于安全。此外，由于八边 形箍筋与方箍重叠部分对混凝土仍有约束作用，而且井字形复合箍中拉筋和方箍 并没有重叠部分，因此本文选择试件CC8与试件CC7进行地震损伤性能对比更 为合适。体积配箍率计算公式如下：Pe=4-4-4-Acc)s(2-5)式中，4品为同一截面内箍筋截面面积；/为同一截面内箍筋长度；力为试件截面 10广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢 管商强混凝土核心柱地震损伤性柜研究面积；4为混凝土保护层面积；s为箍筋间距。表2不同方法计算体积配箍率Table 2-1 Calculation of volumetric stirrup ratio by different methods试件编号PsvPsv2CC51.63%2.0%CC81.33%1.63%注：p、,/为扣除复合推筋重叠部分后计算得到的组合柱体积配箍率；pw2为不扣除复合箍筋重登部分计算得 到的组合柱体积配箍率。(4)箍筋形式：为了研究不同箍筋形式对钢管高强混凝土核心柱地震损伤性 能的影响，本试验将采用工程中较常用八边形复合箍筋和井字形复合箍筋进行对 比分析。(5)剪跨比：为了研究剪跨比在2和3之间的钢管高强混凝土核心柱地震损 伤性能，本文取试件的剪跨比为2.5。(6)为了研究在高轴压比下的低周反复加载试验中，位移幅值和循环次数对 试件的损伤演化规律的影响，本试验采用三种不同的加载制度：单调静力加载、混合控制加载、变幅循环加载，各试件参数详见表2-2。表2-2试件参数Table 2-2 parameters of specimens注：小、如分别为试脸轴压比和设计轴压比；pw为体积配燧率；0、r分别为钢管外径和厚度，单位为毫米。试件编号ntndpsvDxt箍筋形式加载制度CC10.350.661.63%140 x3.5八边形复合箍单调加载CC20.350.661.63%140 x3.5八边形复合箍变幅+单调加载CC30.350.661.63%140 x3.5八边形复合箍变幅+单调加载CC40.350.661.63%140 x3.5八边形复合箍变幅+单调加载CC50.350.661.63%140 x3.5八边形复合箍变幅加载CC60.350.661.34%114x3.8八边形复合箍变幅加载CC70.350.661.63%140 x3.5井字形复合箍变幅加载CC80.350.661.33%140 x3.5八边形复合箍变幅加载CC90.350.662.1%140 x3.5八边形复合箍变幅加载CC100.20.381.63%140 x3.5八边形复合箍变幅加载CC110.551.0 31.63%140 x3.5八边形复合箍变幅加载CC120.400.901.63%/八边形复合箍变幅加载11广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢管高强混凝土核心柱地震损伤性能研究2.1.2 试件设计本次试验依据钢管混凝土叠合柱结构技术规程（CECS188：2005）网 和混凝土结构设计规范（GB50 0 10-20 10）叫制作了 11个钢管高强混凝土 核心柱以及1个钢筋高强混凝土柱。试件截面尺寸均为250 mmx250 mm,柱计算 高度为625mm,实际柱高为725mm,剪跨比为2.5。所有试件纵筋配筋率保持 一致，均设置纵筋12210,箍筋采用二6,柱底箍筋距地梁上表面高度为50 mm。钢管为Q235B的有缝管，混凝土保护层厚度20 mm。为保证地梁有足够的刚度，在加载过程中不出现裂缝，取其截面尺寸为360 mmx40 0 mm,水平纵筋采用836 钢筋，箍筋采用工850。柱伸进地梁部分的最上部箍筋距地梁上表面50 mm。试 件的具体截面尺寸及配筋情况如图2-1所示，其中试件CC12的剖面图应略去用 加粗线条画的钢管部分。0 二9 Q 0 z 9 三 sf。&9=图2-1试件CC1-CC12截面配筋图Fig.2-1 Distributed steel of specimens2.1.3 试件制作依照上述试验设计方案制作试件。根据试验所需购买钢材，并根据设计图纸 对钢材进行加工：1、用切割机对有缝圆钢管按设计长度进行截取；2、按柱纵筋 及地梁纵筋设计长度进行下料；3、按设计图纸制作箍筋。制作试件钢筋骨架，第一步，绑扎地梁骨架（预留柱钢筋笼伸入位置），并将尺寸为 250 mmx250 mmxl0 mm的钢板焊接在地梁钢筋骨架中部位置；第二步，制作柱钢 12广西大学工程硕士学位论文高轴压比下钢 管高强混凝土核心柱地震损伤性能研究筋笼：第三步，将上部柱内置钢管及钢筋笼插入下部地梁钢筋骨架中，并将钢管 焊接在钢板中心位置(防止在浇筑混凝土时，钢管内混凝土漏出而造成浇筑不密 实)；第四步，用钢筋条将布置在柱子四角的纵筋上端与钢管焊接在一起，以防 钢筋笼滑动。部分试件的钢筋骨架如图2-2所示。柱子纵筋、箍筋均采用HRB40 0钢筋，钢管采用Q235有缝管。所有钢材根 据金属材料室温拉伸试验方法进行力学性能测试，实测力学性能如表2-3试验所用的混凝土均为商品混凝土，设计强度为C60,在试件浇筑过程中，分三批即浇筑开始、浇筑中、浇筑快结束时浇筑混凝土立方体试块，每批次浇筑 3个，测得混凝土标准立方体试块的抗压强度平均值为78MPao图2-2试件制作Table 2-3 Steel material performanceFig.2-2 production of specimens 表2-3钢材学性能钢材种类规格屈服强度(N/mm?)极限强度(N/mm?)弹性模量(xICPN/mm?)钢管0 114x3.84104881.91 140 x3.53614761.89钢筋泣24585971.8425.84465231.8613广西大学工程硕士学