新型型钢-混凝土组合柱抗震性能试验研究_王朋.pdf

.，.，工业建筑 年第 卷第 期 新型型钢混凝土组合柱抗震性能试验研究王 朋，于 彬 史庆轩，王 峰（西安建筑科技大学土木工程学院，西安；西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，西安）摘 要：结合钢管混凝土叠合柱和十字形型钢混凝土柱的优点，提出了一种新型型钢混凝土组合柱，即在钢管混凝土叠合柱的钢管外层钢筋混凝土中设置与内钢管相连的带翼缘型钢，所设置的型钢翼缘可以起到受力纵筋的作用，减少柱中纵筋数量，同时型钢翼缘可以改善钢管外混凝土的力学性能，减小传统钢管混凝土叠合柱中钢管内外混凝土的力学性能差异。对 个新型型钢混凝土组合柱以及 个十字形型钢混凝土组合柱试件进行拟静力试验，设计参数主要包括截面形式、翼缘宽度、腹板高度等，研究组合柱在低周反复荷载作用下的滞回性能、骨架曲线、刚度退化、位移延性系数、弯矩曲率特性及钢管、钢筋应变水平等。关键词：组合柱；截面形式；抗震性能；拟静力试验；钢筋应变水平 ：.，（，；，（），）：，：；国家自然科学基金项目（，）；西部绿色建筑国家重点实验室自主研究课题（）；陕西省教育厅自然专项项目（）。第一作者：王朋，男，年出生，博士，副教授，博士生导师。通信作者：于彬，。收稿日期：引 言我国高层建筑发展的一个主要特点是钢混凝土组合结构的应用逐渐增多，组合结构可有效地将钢构件、混凝土构件进行组合，充分发挥两者的优点。钢管混凝土叠合柱是在钢管混凝土柱基础上提出的一种新的组合柱形式，相比钢管混凝土柱，钢管混凝土叠合柱中的钢管被外层混凝土包围，避免暴露在环境中从而使其拥有更好的耐久性和耐火性，同时避免其管壁向外侧屈曲，而使钢材性能得到更好的发挥。然而，钢管混凝土叠合柱的外层钢筋混凝土与内层钢管混凝土力学性能差异较大，协同变形能力较差，不能充分发挥核心混凝土强度高、延性好的特点。改善钢管混凝土叠合柱外层钢筋混凝土的力学性能，减小与内层钢管混凝土力学性能差异成为提高钢管混凝土叠合柱力学性能的重要方法。蔡景明使用钢筋增强高性能纤维增强水泥基复合材料、工业建筑 年第 卷第 期杨勇等使用预应力钢带约束等方法提高了叠合柱外层钢筋混凝土的力学性能。与此同时，十字形型钢混凝土柱有着广泛的研究与应用，型钢翼缘为混凝土提供约束使其强度得到提高，组合柱的承载能力与抗震性能亦得到提高。结合钢管混凝土叠合柱和十字形型钢混凝土柱的优点，课题组提出一种新型型钢混凝土组合柱，如图 所示，即在钢管混凝土叠合柱的钢管外层钢筋混凝土中设置与内钢管相连接的带翼缘型钢，利用型钢翼缘的约束效果提高管外混凝土的力学性能，以更好协同钢管内外混凝土的变形性能和受力性能，同时翼缘型钢可以起到受力纵筋的作用，减少组合柱中纵筋数量。对新型型钢混凝土组合柱进行拟静力试验，研究组合柱在低周反复荷载作用下的抗震性能。带 形钢的内置圆钢管混凝土组合柱；带 形钢的内置方钢管混凝土组合柱。图 新型型钢混凝土组合柱截面形式 试验概况.试件设计共设计 组 个试件，外形为倒 字形，如图 所示，柱截面尺寸均为 ，柱高为 ，剪跨比 （柱的计算高度取至加载端的中心线处）。试验设计了 种钢混组合柱截面形式，如图 所示，试件考虑的变化参数包括翼缘宽 度、腹板高度，试件详细设计参数见表。经前期数值模拟对比分析知，型钢腹板厚度变化对组合柱抗震性能的影响远小于其他截面参数，因此为保持含钢率不变，截面参数改变时腹板厚度随之变化。型钢及钢管均采用 级钢材；混凝土采用 商品混凝土，保护层厚度为 ；箍筋采用 级直径 的钢筋，箍筋间距 且端部设弯钩，配箍率.，满足二级抗震轴压比.的加密区最小配箍率大于.的要求；纵筋采用 根 级直径 的钢筋，相应配筋率为.，满足最小配筋率大于.的要求。图 试件示意 ；。图 柱截面形式 表 试件详细设计参数 序号编号 .为截面边长；为内圆钢管外径；为内钢管厚度；为钢板翼缘宽度；为钢板翼缘厚度；为钢板腹板高度；为钢板腹板厚度；为内方钢管边长；为含钢率；为设计轴压比；为试验轴压比，.。.材料力学性能）钢材力学性能。各种规格钢材均预留 根，根据 .金属材料 拉伸试验 第 部分：室温试验方法对其进行单向拉伸试验，各规格钢材拉伸试验结果的平均值如表 所示。）混凝土力学性能。浇筑试件时，预留 组共 个 新型型钢混凝土组合柱抗震性能试验研究 王 朋，等 表 钢材力学性能 种类强度等级直径（厚度）屈服强度极限强度钢筋.钢板.圆钢管.方钢管.标准立方体试块，与试件同条件养护，第一组于浇筑后 时进行试验用以测定商品混凝土强度是否合格，第二组于试件加载时同步试验以测定试件中混凝土的真实强度。根据 混凝土物理力学性能试验方法标准对混凝土进行静力单轴压缩试验，结果如表 所示。经试验测定，试件加载时同期养护的混凝土立方体试块抗压强度平均值为.，其对应的轴心抗压强度为.。表 混凝土抗压强度 组别均值第一组.第二组.加载方案及测点布置）加载方案。试验采用悬臂式加载方法，在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室进行，加载装置如图 所示。试验采用荷载位移双控制加载模式，屈服前采用荷载控制加载，荷载分级施加，每级荷载增量为 ，每级反复循环 次；试件屈服后采用位移控制加载，每级位移增量为 ，每级反复循环 次，不断加大试件位移，直至试件不能再承担预定轴压力时停止加载。反力墙；支架；反力梁；滚珠；钢板；千斤顶；柱帽；作动器；试件；压梁；支撑梁；底座。图 加载装置示意 ）测点布置。加载过程中主要监测内容有：水平荷载、水平位移，柱底端预计破坏截面处型钢应变、钢管应变、钢筋应变。试件预计破坏截面处型钢、钢管、钢筋的应变用预埋电阻应变片量测，应变片沿柱根由下向上，高度位置共设置 层，每层具体位置如图 所示；同时设置位移计如图 所示，测点 监测柱顶水平位移，测点 监测加载过程中试件整体水平滑移，测点、监测柱塑性铰区的弯曲变形。；。、为横向应变片，、为纵向应变片。图 应变片布置 图 位移计布置 试验现象试验的所有试件均如期发生了弯曲破坏，破坏过程相似，各试件最终破坏形态如图 所示（由于篇幅所限，仅给出了试件东侧和南侧的破坏图）。试验结束时，纵筋均已外鼓，纵筋附近的混凝土有不同程度破坏，而型钢包裹的混凝土形态完好，未有明显破坏，表明叠合柱外层钢筋混凝土中加入的带翼缘型钢对管外混凝土形成了有效约束。试件的破坏过程大致可以分为以下两个阶段：）荷载控制阶段。在加载初期，试件处于弹性阶段，试件表面尚未出现裂缝。当加载至 左右时试件开裂，裂缝首先出现在东、西面柱底处，裂缝呈水平状，且裂缝在柱南、北侧面中稍有延伸。当加载至 时，东、西面柱高 以下 工业建筑 年第 卷第 期出现多条水平裂缝，并向中部不断延伸形成多条水平贯通裂缝；南、北面的水平短裂缝数量不断增多。试件屈服后进入位移控制加载阶段。）位移控制阶段。第一级位移循环（位移角为）下，各面裂缝继续发展，东、西面柱底处表皮混凝土开裂。第二级位移循环（位移角为）下，东、西面柱底角部出现竖向劈裂裂缝，南、北面出现多条斜向裂缝，柱底四角处伴有小块混凝土压碎剥落。第三级位移循环（位移角为）下，东、西面表皮混凝土有较多翘曲开裂，柱根处混凝土部分压碎剥落，第四级位移循环（位移角为）下，各角部混凝土继续剥落，各面裂缝变宽，主要产生竖向裂缝。之后加载中，原有裂缝变宽，各处混凝土以碎末形式逐渐变为大块形式不断掉落。达到第七八级位移循环（位移角为）时，柱根部保护层混凝土已大部分脱落，纵筋压曲，型钢外露。；。东侧；南侧。图 试件破坏形态 试验分析.滞回性能试验测得到的滞回曲线如图 所示。由图可知：所有试件的滞回曲线均为梭形，曲线较为饱满、光滑，正、负方向较为对称，且未产生明显的捏缩现象，体现了新型型钢混凝土组合柱良好的抗震性能。；。图 各试件的滞回曲线 新型型钢混凝土组合柱抗震性能试验研究 王 朋，等 通过对比不同截面形式组合柱滞回曲线可知，内置圆钢管的新型型钢混凝土组合柱滞回曲线更加光滑饱满；内置方钢管组合柱滞回面积最小，承载力下降最快，且在第三级位移循环的第一圈承载力大于第二、三圈，这是由于第一圈加载时柱根处一块混凝土突然压碎崩落，致使试件承载力降低。通过对比不同翼缘宽度组合柱滞回曲线可知，翼缘宽度越大，承载力越高，滞回曲线越饱满。这是由于型钢翼缘宽度越大的试件，管外混凝土受约束区域越大，其力学性能提高越多，峰值承载力随之增大；在加载后期，管外混凝土因受型钢约束而延缓其破坏速度，在滞回过程中可以耗散更多能量，所表现出的滞回曲线也更饱满。通过对比不同腹板高度组合柱滞回曲线可知，腹板高度越大，承载力越高，滞回曲线越饱满。这是由于型钢腹板高度越大的试件，型钢分布越靠近截面外侧，可约束更多混凝土提高其力学性能及承载力，且在加载后期可更有效地延缓管外混凝土的破坏速度，在滞回试验中所表现出的滞回曲线也越饱满。.骨架曲线骨架曲线是滞回曲线上同向（拉或压）各次加载的峰值点依次相连得到的包络曲线。本次试验各试件的骨架曲线如图 所示。由图可知：试验中试件的正向承载力略高于负向承载力，原因是加载时试件首先进行正方向的加载后进行负方向的加载，在进行正方向加载时试件受拉侧混凝土（即负方向加载时的受压侧混凝土）产生了一定程度的损伤，故试件负方向承载力略小于正方向承载力。截面形式；翼缘宽度；腹板高度。图 不同参数下各试件的骨架曲线 通过对比不同截面形式组合柱骨架曲线可知，不同截面形式组合柱的承载力几乎相同，而各试件加载后期的承载力下降速率不同。内置十字形型钢组合柱的后期承载力下降最快，而内置圆钢管组合柱的后期承载力下降较另两种略慢，表明钢管的存在有效提高了管内混凝土的力学性能，延缓了后期管内核心混凝土的破坏速度，且圆钢管形式更好。通过对比不同翼缘宽度组合柱骨架曲线可知，当翼缘宽度不同时，翼缘宽度越大，承载力越高。这是由于型钢翼缘宽度越大，管外混凝土受约束区域越多，组合柱的力学性能及承载力提高越多。通过对比不同腹板高度组合柱骨架曲线可知，试件 正向承载力及负向承载力均较高，且后期承载力相较其余两个试件下降缓慢，而试件 峰值承载力较高，但后期承载力下降最快。这是由于型钢腹板高度大的试件，可约束更多混凝土进而提高其力学性能及承载力，且在加载后期可更好地延缓管外混凝土的破坏速度；与之相对，腹板高度越小，加载后期混凝土破坏速度越快，组合柱在峰值荷载过后的加载中承载力下降越快。.刚度退化刚度退化指结构或构件的刚度随着反复荷载次数的增加而降低的特性。由于试验中正负向峰值承载力存在差距，采用每级循环的第一个滞回环的正负荷载峰值点之间连线来衡量刚度 的变化，计算式如下：（）式中：和分别为每级循环下第一个滞回环的正负峰值荷载值；与分别为峰值荷载对应的位移值。不同参数下各试件的刚度退化曲线如图 所示，其中位移取|与|的平均值。通过对比不同截面形式组合柱刚度退化曲线可知，内置十字形型钢组合柱的初始刚度最大，这是由于该柱的含钢率较高导致的。随着加载进行，混凝土不断开裂，刚度逐渐降低，其中内置十字形型钢组合柱的刚度退化最快，而内置圆钢管组合柱的刚度退化较另两种略慢，表明钢管的存在减缓了核心混凝土的破坏速度，提高了组合柱整体刚度。通过对比不同翼缘宽度组合柱刚度退化曲线可 工业建筑 年第 卷第 期 截面形式；翼缘宽度；腹板高度。图 不同参数下各试件的刚度退化曲线 知，当翼缘宽度不同时，刚度退化速度相似，均较缓慢；但翼缘宽度越大的试件，整体刚度较高。这是由于翼缘宽度越大，管外混凝土受约束区域越多，其力学性能提高越多且破坏速度更缓慢，进而提高了组合柱整体刚度。通过对比不同腹板高度组合柱刚度退化曲线可知，试件 初始刚度较高，最终刚度最低，表明腹板高度越小，刚度退化速度越快；而试件初始刚度较高，最终刚度也较高，这是由于该试件腹板高度较大，可使更多的管外混凝土受其侧向约束而延缓破坏，提高了该部分混凝土的整体性与刚度。且试件在含钢率相同的条件下，型钢腹板高度越大，型钢分布越靠近截面外侧，在弹性阶段加载中更多的型钢参与滞回过程，使组合柱刚度整体得到了提升。.位移延性系数延性是指结构或构件在达到峰值承载力后继续承担一定变形的能力，通常采用位移延性系数 对构件的变形能力进行量化，计算式如下：（）式中：为有效破坏位移，取峰值承载力 下降至时所对应的水平位移；为屈服位移，采用能量等效面积法计算。试件的位移延性系数及位移角的计算结果如表 所示。表 各试件位移延性系数及位移角计算结果 试件编号加载方向屈服峰值破坏 位移延性系数位移延性系数平均值正向负向正向负向正向负向正向负向正向负向正向负向正向负向.通过对比不同截面形式组合柱延性数据可知，试件 的破坏位移角与试件 及试件 的相比分别提高了.和.，位移延性系数分别提高了.和.，屈服位移角与峰值位移角的大小由大到小依次为 、和。表明新型型钢混凝土柱显著改善了型钢（钢管）对混凝土的约束性能，提高了柱的变形性能，且内置圆钢管组合柱较内置方钢管组合柱的提升效果更好。通过对比不同翼缘宽度组合柱延性数据可知，试件 的破坏位移角与试件 与试件 的相比分别提高了.和.，位移延性系数分别提高了.和.，表明翼缘宽度与截面宽度之比大约为 时，是组合柱较为合理的配钢形式。型钢翼缘的存在可以有效约束管外混凝土，提高管外混凝土的变形性能，当宽度小于适合新型型钢混凝土组合柱抗震性能试验研究 王 朋，等 范围时，管外混凝土受到的约束较小；而超过适合宽度范围时，翼缘两侧边缘处型钢得到的侧向支撑力较小，在加载后期更易屈曲，对管外混凝土的约束也相应减小，组合柱的变形性能得不到充分发挥。通过对比不同腹板高度组合柱延性数据可知，试件 的位移延性系数与试件 与试件 的相比分别提高了.和.，表明腹板高度越大，组合柱的延性与变形性能越好。这是由于腹板高度越大时，型钢翼缘可以为更多的管外混凝土提供约束，延缓管外混凝土的破坏，因此组合柱整体延性与变形性能得到提升。.弯矩曲率特性构件塑性铰区弯矩曲率特性也是衡量结构或构件抗震性能的重要因素。试验中采用位移计记录了距柱底 处试件的弯曲变形，不同截面形式试件的弯矩曲率曲线如图 所示。由于保护层混凝土的开裂及剥落，位移计在加载后期的量测数据不足。通过对比不同截面形式组合柱的弯矩曲率曲线可知，内置十字形型钢组合柱 的峰值弯矩最低，且达到峰值后弯矩承载力下降迅速；而新型型钢混凝土组合柱试件 和试件 达到峰值后弯矩承载力下降非常缓慢。结果表明：新型型钢混凝土柱核心区混凝土受到内置钢管约束，显著；。图 不同截面形式试件的弯矩曲率曲线 改善了组合柱的力学性能，故峰值弯矩后随着组合柱弯曲变形的增加，构件塑性铰区仍能抵抗较大弯矩。.钢管及钢筋应变不同截面形式试件的钢管及钢筋的应变变化如图 所示，为方便对比分析，应变片数据均取推方向时采集的数据，图中水平直线为钢材的拉压屈服应变，两条竖向直线分别为试件加载至峰值荷载及破坏荷载时所对应的水平位移。由于混凝土浇筑中应变片有损坏，图中只给出了未损坏应变片的数据，钢管均贴有纵向及横向应变片，每层应变片编号位置如图 所示，应变片编号规则如图 所示。；。图 钢管应变.；。图 纵筋应变.通过对比组合柱的钢管应变可知，加载前期钢管应变较小，加载至 （侧移角）时，钢管 工业建筑 年第 卷第 期；。图 箍筋应变.图 应变片编号规则说明 纵向应变仅约为屈服应变的，达到峰值荷载后纵向应变随着加载进行逐渐增大。圆钢管较方钢管的应变变化更大，刚过峰值荷载时圆钢管的纵向应变达到了屈服值，而方钢管在将近破坏荷载时才仅有第一道纵向应变达到屈服值，表明圆钢管的截面受力更均匀，传力效果更好。组合柱中钢管的横向应变均较小，加载至 （侧移角）时，钢管应变仅约为屈服应变的，此时已达到试件的破坏荷载，这是由于滞回过程中，组合柱的纵向拉压是主要变化，横向变化是混凝土压碎膨胀而产生的被动变化，因此横向应变较小。通过对比组合柱的纵筋应变可知，第一道纵筋应变变化最大，第二道其次，第三道纵筋变化最小，该变化与钢管应变变化相同，表明截面弯曲角度沿着柱高逐渐减小，在大约第三道纵筋（柱高）处，已无明显弯曲。内置圆钢管组合柱的纵筋应变变化最大，表明其塑性铰区弯曲变形较大，组合柱在加载中可以抵抗更大的弯矩。其余两个试件第一道纵筋应变在破坏荷载处略有下降，是由于此时角部混凝土掉落引起的。通过对比组合柱的箍筋应变可知，个试件中仅内置十字型钢组合柱的箍筋在破坏荷载处有较大应变，其余箍筋应变值均较小，即组合柱的横向应变较小。这是由于大部分混凝土被型钢所包裹，则混凝土的侧向约束主要由型钢翼缘提供，因此箍筋受到了较小的侧向膨胀力，使其横向应变较小，表明新型型钢混凝土组合柱在管外增加型钢翼缘的形式可有效约束管外混凝土，减小箍筋受力。此外，内置钢管组合柱的箍筋应变更小，表明钢管的存在有效增加了内部混凝土的约束效果，且圆钢管效果最好。结束语通过对 个新型型钢混凝土组合柱以及 个十字形型钢混凝土组合柱试件进行拟静力试验，得到以下结论：）新型型钢混凝土组合柱减缓组合柱刚度退化速度、获得更好的位移延性与弯曲曲率特性，且内置圆钢管形式效果更好。）新型型钢混凝土组合柱的力学性能与翼缘宽度和腹板高度有关，随着翼缘宽度和腹板高度的增大，组合柱的承载力提高，刚度退化速度越趋缓慢；翼缘宽度与截面宽度之比大约为 时，组合柱的位移延性最好。）新型型钢混凝土组合柱在管外增加翼缘型钢的形式有效约束了管外混凝土，减小了箍筋受力；且钢管的存在有效增加了内部混凝土的约束效果，圆钢管效果更好。参考文献 王翠坤，田春雨，肖从真 高层建筑中钢混凝土混合结构的研究及应用发展 建筑结构，（）：徐蕾，刘玉彬 钢管混凝土叠合柱耐火性能研究 建筑结构学报，（）：侯舒兰，韩林海，宋天诣 钢管混凝土叠合柱耐火性能分析 工程力学，（增刊）：，（）：尧国皇，李永进，廖飞宇 钢管混凝土叠合柱轴压性能研究 建筑结构学报，（）：，：李鹏 钢管高强混凝土核心柱受压性能试验与理论研究杭州：浙江大学，蔡景明 钢筋增强 钢管混凝土组合柱的力学性能研究 南京：东南大学，（下转第 页）端板连接蜂窝梁柱节点抗震性能试验研究 贾连光，等 将各参数代入式（），计算得到开孔率为 的蜂窝组合梁负弯矩作用下极限抗弯承载力.，与试验值 相比误 差 为.，吻合较好。结束语）采用合理的腹板开孔参数及构造，可以使端板连接节点的破坏模式从脆性破坏转变为梁的塑性铰耗能破坏，除了端板和螺栓外又增加一个耗能的来源，使塑性铰从端板连接处向开孔削弱处偏移，达到控制塑性铰和提高节点抗震性能的目的。）孔型对有楼板试件的破坏形态和各性能指标影响较大，六边形孔和圆形孔试件分别发生梁铰耗能破坏和端板弯曲破坏，圆孔试件受弯承载力比正六边型孔试件高.，但耗能降低.。）开孔率对有楼板试件的破坏形态影响较大，分别发生梁铰破坏（开孔率）和端板弯曲破坏（开孔率），开孔率提高 其耗能系数提高.。适当提高开孔率有利于应力由端板连接处向开孔处迁移，降低端板与柱翼缘的应力应变极限值。）楼板的组合效应使构件较晚进入屈服阶段，减轻孔角撕裂的程度并减缓其向翼缘的延伸。在承载能力、耗能、延性和转动能力方面都高于无混凝土楼板试件。抗弯承载力提高 以上，耗能和延性分别提高.和.，极限转角提高.，但楼板会减弱应力由端板连接处向开孔处的迁移效应。）对于梁铰破坏形式的组合节点，节点的极限承载力由蜂窝组合梁控制。采用 中对腹板开洞组合梁的承载力计算方法所得结果与试验值吻合较好，误差为.。参考文献 ，（）：梁刚，郭宏超，刘云贺，等 考虑力组合效应的钢框架端板连接力学行为 地震工程与工程振动，（）：张才，王晨，李东，等 梁翼缘二次削弱型端板连接节点滞回性能研究 钢结构，（）：索雅琪，范圣刚，刘飞，等 新型单面螺栓梁柱外伸端板连接节点受力性能试验研究 东南大学学报（自然科学版），（）：，：，（）：，（）：，（），（）：，（）：贾连光，赵轶彤，李显超，等 蜂窝组合梁钢框架抗震性能分析 工业建筑，（）：徐莹璐，卢林枫，马蓬渤 弱轴连接组合节点的滞回性能分析东南大学学报（自然科学版），（）：张艳霞，李瑞，赵微，等 钢框架梁柱栓焊扩翼翼缘削弱节点优势分析性能试验 世界地震工程，（）：郭兵 钢框架梁柱端板连接在循环荷载作用下的破坏机理及抗震设计对策 西安：西安建筑科技大学，：中国国家标准化管理委员会 金属材料 拉伸试验 第 部分：室温试验方法：北京：中国国家标准化管理委员会，中华人民共和国住房和城乡建设部 建筑抗震试验规程：北京：中国建筑工业出版社，（）：（上接第 页）杨勇，于云龙，王欣林，等 预应力钢带约束钢管混凝土叠合柱抗震性能试验研究 工业建筑，（）：王秋维，史庆轩，姜维山，等 新型截面型钢混凝土柱抗震性能试验研究 建筑结构学报，（）：赵宪忠，杨笑天，陈以一 钢骨截面延展性对高含钢率 柱静力性能的影响研究 土木工程学报，（）：赵宪忠，杨笑天，陈以一 钢骨截面延展性对高含钢率 柱滞回性能的影响研究 土木工程学报，（）：张国军，吕西林，刘伯权 钢筋混凝土框架柱在轴压比超限时抗震性能的研究 土木工程学报，（）：中国国家标准化管理委员会 金属材料 拉伸试验 第 部分：室温试验方法：.北京：中国国家标准化管理委员会，中华人民共和国住房和城乡建设部 混凝土物理力学性能试验方法标准：北京：中国建筑工业出版社，