矩形钢管混凝土柱抗震性能试验研究.pdf

1 9 0 四川建筑科学研究 S i c hu a n Bu i l di n g Sc i e n c e 第 3 8卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 矩形钢管混凝土柱抗震性能试验研究 尹燕霞， 张福俊 ， 马云 良 ( 山东科技大学， 山东 青岛2 6 6 5 1 0 ) 摘要： 设计了5个截面长宽比不同的矩形钢管混凝土构件， 对其进行了拟静力试验， 分析其在低周反复荷载作用 下的破坏形态、 承载能力、 变形能力、 延性、 滞回模型、 耗能能力、 强度退化、 刚度退化等受力特性及抗震性能。研究 结果表明， 矩形钢管混凝土结构具有良好的耗能能力和塑性变形能力。截面长宽比不但影响曲线的数值， 还会影 响曲线的形状 ， 随着截面长宽比的增大， 水平承载力明显提高， 但试件的延性 、 变形能力和耗能能力有所下降， 刚度 退化、 强度退化和试件受滑移的影响越来越明显。 关键词： 矩形钢管混凝土； 拟静力试验； 滞回性能 中图分类号 ： T U 3 7 5 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 61 9 0一o 3 Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n s e i s mi c b e ha v i o r o f c o n c r e t e fi l l e d r e c t a n g u l a r s t e e l t u b u l a r c o l u mn s Y I N Y a n x i a ， Z H A N G F u j u n ， MA Y u n l i a n g ( S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， fi v e c o n c r e t e fi l l e d r e c t a n g u l a r s t e e l t u b e c o l u mn s a r e d e s i g n e d， a n d t h e q u a s i s t a t i c t e s t w a s d o n e t o i t An a l y z e d t h e d e s t r o y s h a p e， b e a ti n g c a p a c i t y， d u c t i l i t y a n d a b i l i t y o f d e f o r ma t i o n， h y s t e r e s i s b e h a v i o r ， a b i l i t y o f c o n s u me e n e r gy ， i n t e n s i t y d e g r a d a t i o n ， ti gi d i ty d e gra d a t i o n o f s p e c i m e n s ， a n d S O o n T h e r e s u l t o f s t u d y i n d i c a t e t h a t t h e c o l u m n s h a v e g o o d a b i l i t y o f c o n s u m e e n e r gy a n d a b i l i t y o f p l a s t i c d e f o rm a t i o n T h e d e p t h t o wi d t h r a t i o o f s e c t i o n n o t o n l y i n fl u e n c e v a l u e o f C l l r v e， b u t a l s o i nfl u e n c e t h e s h a p e o f c u r v e As t h e d e p t h t o w i d t h r a t i o o f s e c t i o n a u g me n t t h e l e v e l b e a r i n g c a p a c i t y i n c r e a s e o b v i o u s l y， b u t d u c t i l i t y， abi l i t y o f d e f o r ma t i o n an d abi l i ty o f c o n s u me e n e r gy d e s c e n d， a n d i n t e n s i t y d e g r a d a t i o n， r i g i d i t y d e gra d a t i o n a n d i nfl u e n c e o f s l i p p a g e t o s p e c i me n s b e c o me mo r e o b v i o u s l y Ke y wo r d s： c o n c r e t e fi l l e d r e c t a n g u l a r s t e e l t u b e ； q u a s i s t a t i c t e s t ； h y s t e r e s i s b e h a v i o r 0引 言 1 试验概 况 对于矩形钢管混凝土构件 的研究较少 ， 尤其是 滞回性能的研究还不够充分。我国属于多地震 国家 之一 ， 对矩形钢管混凝土框架柱滞 回性能 的研究就 具有重要的现实意义 。 为 了研究矩形钢管混凝土框架柱的抗震性能， 在山东科技大学结构实验室先后进行了 5根矩形钢 管混凝土框架柱的低周反复加载试验。研究矩形钢 管混凝土框架柱在水平地震作用下的承载能力、 变 形能力 、 刚度退化、 强度退化 、 滞 回性能和耗 能能力 以及结构的破坏机制 ， 为矩形 钢管混凝 土框架柱 的 抗震设计提供依据 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 - 0 9 作者简介 ： 尹燕霞( 1 9 6 9一)， 女 ， 山东肥 城人 ， 高级工程 师 ， 主要从 事 钢管混凝土结 构研究 。 基金项 目： 山东科技大学 “ 春蕾计划” 项 目( 2 0 1 0 A Z Z 0 3 0 ) Ema i l ： j j c y y x 1 2 6 C O B 本次试验共设计制作了5 个试件， 采用矩形截 面， 截面长宽比分别为 1 、 1 2 5 、 1 5 、 1 7 5 、 2 0 ， 具体 尺寸见表 1 。 表 1 试件加工尺寸 Ta bl e 1 S pec i m e n pr oc e s s i ng dim e ns i o n 注 ： R B D t 编 号含义为 ， R表示截 面形 状为矩 形 ， 口为截面短边 尺寸 ( c m) ， D为截面 长边尺寸 ( c n 1 ) ， t 为钢板厚度 ( i B m) 。 在本试验 中， 竖 向压力 由一个 3 0 0 0 k N千斤顶 在柱顶端施加 ， 如 图 1 所示 。千斤顶 固定在水平滑 动支座上 ， 滑动支座通过两个 U形钢筋固定在横梁 上。柱顶上放有球铰和传感器 ， 在试验时通过溢 流 阀供油， 控制到所需的油压 ， 使传感器读数恒定来实 2 0 1 2N o 6 尹燕 霞 ， 等 ： 矩 形钢管混凝土柱抗震性能试验研究 现对试件施加常轴向力。按文献 3 的试验加载制 度进行试验 。 o o 0 o 0 0 0 反力 架 o n n 0 I滑动支座l o o o 千 斤 顶 l I L 传 感 器 兰 一球铰 反力培 l E 【 U L ， 水平作 动器 试 件 锚 栓 且 t 基 座 lI l 图 1 试验加载装置简图 Fi g1 Te s t l o ad i ng de v i c e s ke t c h 2试验 结果与分析 2 1 荷载一 位移滞回曲线 滞回曲线反映了试件在反复周期荷载下变形的 变化， 是钢管混凝土框架柱抗震性能的集中体现。 本次试验得到试件的荷载一 位移滞 回曲线如图 2所 示 。 8 0 曩 ： 棹 - 4 。 。8 0 4 0 2 O O 2 O 4 0 位移 r a m 1 0 0 0 1 00 2 oo 4 0 2O 0 2 0 4 0 位 移 ra m 2 O 0 纛 10。0 挥 l 。 。 -2 0 0 3 0 I 2 0 1 O 0 1 0 2 O 3 0 位 移 n u n 位移 n u n 图 2 试件滞回 曲线 Fi g 2 Hys t e r e t i e c u rv e o f s pe c i me n s 2 2骨架 曲线 在单调加载 中， 可以得到荷载一 位移( 尸一 ) 曲 线 ， 在变位移幅值加载 的低周疲劳试验 中， 如果把 P 一 曲线 的所有 每次循环 的峰点 ( 开始卸 载点 ) 连 接起来 ， 就得到骨架曲线 J 。本 次试验 的骨架 曲线 如 图 3所 示 。 8 0 40 0 - 40 8 O -4 0 20 0 2 0 4 0 4 mm 20 0 l O 0 至 0 。l O 0 2 00 3 0 20 1 0 0 l 0 2 0 3 0 d mm 蚤 、 4 t n I T l -3O 2 O - l O 0 1 0 2 0 3O mr fl d m m 图 3试件的骨架 曲线 Fi g 3 Ske l e t o n c u rv e o f s pe c i m e ns 2 3 刚度退化 结构的刚度随着循环次数的增加以及位移接近 极限值而不断下降 的现象称 为刚度 的退化 J 。等 效刚度 随试件水平位移的变化趋势如图4所示。 4 O 喜 。 重 0 -20 4 O ， mn a 40 菖 2 0 点 童 0 2O 言 珈 0 4 0 2 0 O 2 O 40 mm 3 0 2 O - l 0 0 l 0 20 3O - 30 2 O 1 0 0 1 0 2 0 3O d mm 3 0 20 1 O 0 l 0 2 O 3 0 mm 图4 试件 的刚度 退化 曲线 Fi g 4 Ri g i d i t y de g r a da t i o n c ur ve o f s pe c i m e n s 冒目r蚤 一 枢 ， 鞯撂 O 0 O O O m 跚 o 枷 铷 一 I 盘一 d 1 9 2 四川建筑科学研究 第 3 8卷 2 4延性 与变 形能 力 延性通常是结构物 ( 构件 、 截面 、 材料 ) 达到其 弹性极 限之后仍能够在更大变形下保持其承载能力 的变形 能力 5 J 。一般采用将结构保 有一定承载力 的最大变形 与其弹性极限变形 之 比为延性系 数。 试验所测得矩形钢管混凝土柱 的延性系数及层 问位移角见表 2 。 表 2 试件的变形及延性系数 Ta b l e 2 De f o r ma t i o n a n d d u c t i l i t y f a c t o r o f s p e c i me n s 3 结 论 1 ) 试件 的破 坏形态基 本 一致 ， 即均 为压弯 破 坏 。 2 ) 试件 的荷载一 位移滞 回曲线 的图形具有较好 的稳定性 ， 曲线 图形 饱满， 没有 明显 的捏缩现象 出 现 ， 试件的骨架 曲线在加载后期基本保持水平或 出 现微弱下降段 ， 这些均表 明矩形钢管混凝土结构具 有 良好 的耗能能力和塑性变形能力 。 3 ) 在整个加载 的过程 中， 试件的强度退化随着 加载位移的增大而不断增大 ， 强度退化越来越严重 。 在加载初期 ， 刚度 的退化不 明显 ， 但是钢 管屈 服 以 后 ， 退化程度随着加载位移的增大而不断增大。 4 ) 截面长宽比小的试件的滞 回曲线图形饱满 ， 呈 明显的梭形 ， 说 明其具有 良好 的抗震性能。随着 截面长宽 比的增 大 ， 滞 回曲线表 现 出了“ 捏缩” 现 象， 说明截面长宽 比较大的试件在试验过程中存在 着一定 的剪力或滑移的影响。随着截面长宽 比的增 加 ， 试件的耗能能力有下 降的趋 势， 构件 的位移延 性、 变形能力都有减小 的趋势。在进行结构抗震设 计时， 为了确保矩形钢管混凝土柱具有足够 的变形 能力， 需要对截面长宽 比做 出相关 规定。截面长宽 比小的试件的骨架 曲线后期下降段不明显 ， 说 明钢 管对核心混凝土有较好 的约束作用 ， 但随着截面长 宽比的增大 ， 钢管对 核心混凝土的约束作用有所减 弱， 试件的骨架曲线后期 出现了下降段。 5 ) 通过对试件 的滞 回曲线 、 骨架曲线、 刚度退 化、 强度退化和位移延性系数 的分析 ， 表明矩形钢管 混凝土结构具有 良好的抗震性能， 是值得在地震区、 尤其是在高层建筑中大力推广的一种结构形式。 参 考 文 献 ： 1 周绪红 ， 刘界鹏 ， 张素 梅 方钢管约束 钢筋高 强混 凝土 超短往 抗震性能试验研究 J 土木工程学报 ， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 1 4 2 贾金青 ， 徐世娘 钢骨高强混凝土短 柱轴压力系数限值 的试验 研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 1 ， 2 4( 1 ) ： 1 4 1 8 3 Z h a n g S u me i ， G u o L a n h u i ， Y e Z a i l i ， e t a 1 B e h a v i o r o f s t e e l t u b e a n d c o n fi n e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e f o r c o n c r e t e fi l l ed RHS t u b e s J A d v a n c e s i n S t r u c t u r a l E n g i n eer i n g ， 2 0 0 5， 8 ( 2 )： 1 0 1 一 l 1 6 4 J G J 1 0 1 9 6建筑抗震试验方法规程 s 5 朱伯龙 结构抗震试验 M 北京： 地震出版社， 1 9 8 9