核心型鋼混凝土柱抗震性能試驗

核心型鋼混凝土柱抗震性能試驗研究摘要：本文通過對5個1/2比例模型柱試件的低周反復(fù)加載試驗，研究在高軸壓比下配置核心型鋼對鋼筋混凝土柱的抗震性能的影響。主要研究參數(shù)包括軸壓比、型鋼配鋼率和混凝土強度等級。試驗結(jié)果表明，配置核心型鋼能夠顯著提高混凝土柱的變形能力和耗能能力，并且使混凝土柱在大變形下的軸向承載能力趨于穩(wěn)定，提高結(jié)構(gòu)在強烈地震下的抗倒塌能力。關(guān)鍵詞：核心型鋼混凝土柱，抗震性能，試驗研究，軸壓比1引言核心型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(CoreSteelReinforcedConcrete，簡稱CSRC)是指在普通鋼筋混凝土柱截面核心設(shè)置含鋼率較低的實腹式型鋼所形成的新型結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式可有效的提高大軸壓比下抗震性能較差的RC柱的軸壓比限值，減小柱截面尺寸并避免出現(xiàn)短柱。同時，由于核心型鋼配鋼率較低(2~3%)、型鋼截面高度較小，梁的縱筋可方便的在節(jié)點區(qū)貫通，避免在型鋼上打孔，降低施工難度。另外，該結(jié)構(gòu)形式的防火性能較好，可以大大節(jié)省防火涂料的造價?？傊诵男弯摶炷两Y(jié)構(gòu)是一種有較大發(fā)展?jié)摿徒?jīng)濟效益的結(jié)構(gòu)形式。國內(nèi)外關(guān)于核心型鋼混凝土柱的研究報告還很少，文獻(xiàn)[1]進行了8個核心型鋼混凝土柱試件的低周反復(fù)加載試驗，核心工字鋼截面高度為1/3試件截面高度。研究結(jié)果表明，當(dāng)配鋼率為1.62%時，CSRC柱有較好的變形性能和耗能能力，而當(dāng)配鋼率為3.2%時，試驗得到的滯回曲線與普通SRC結(jié)構(gòu)的滯回曲線很接近。文獻(xiàn)[2]開展的鋼管高強混凝土疊合柱研究與核心型鋼混凝土柱有類似的作用，他們研究了核心鋼管混凝土部分和外圍疊合混凝土部分之間的軸力分配，討論了各主要參數(shù)對上述軸力分配關(guān)系的影響，最后在對大量計算結(jié)果進行分析的基礎(chǔ)上，建議了相應(yīng)的設(shè)計名義軸壓比限值。在國內(nèi)，關(guān)于CSRC結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震性能試驗和理論研究工作尚未開展，因此，很有必要對此開展系統(tǒng)的試驗研究工作。2試驗概況2.1試件設(shè)計試件截面尺寸為250mm×250mm，試件高度為750mm，以模擬施加工程中剪跨比為3的結(jié)構(gòu)框架柱。試件截面配筋均采用812的HRP335鋼筋，配筋率為1.81%，箍筋采用6@100，體積配箍率為0.93%。型鋼采用3種截面形式，配鋼率分別為1.23%、2.88%和4.88%。試件詳細(xì)尺寸及截面構(gòu)造見圖1。試件參數(shù)匯總見表1。試驗主要參數(shù)為設(shè)計軸壓比、型鋼配鋼率和混凝土強度等級。2.2加載及量測方案2.2.1加載裝置加載裝置如圖2所示。豎向荷載由電動液壓千斤頂通過電動超高壓穩(wěn)壓油泵作用于柱頂，前端球鉸允許柱頂轉(zhuǎn)動，豎向千斤頂在水平加載時可以隨上部特制低摩阻滑動小車水平移動。水平力的施加通過預(yù)埋在試件中的連接件與MTS加載控制系統(tǒng)連接。整個加載過程通過MTS擬動力加載系統(tǒng)施加，采用MTS-GT控制系統(tǒng)控制。圖1試件尺寸及截面詳圖2502502506@100圖1試件尺寸及截面詳圖2502502506@100加載點75011009005025050011003501100預(yù)埋的吊裝孔302006@12018200型鋼定位鋼筋3019025030606250805530553040CSRC180301900302501030558055302506010CSRC21253019030250103030130303025010010CSRC3表1試驗參數(shù)一覽表找試件名稱火設(shè)計軸壓尊比磚n絹f貼’竹cu種(鳴MP)園型鋼配鋼墾率愧a磨CSRC鳳1窗0.8鏡24.1閣9該1.23疼%券CSRC源2-1粉1.0慶24.1妨9鎮(zhèn)2.88代%充CSRC核2-2遵1.0銹34.6步7潔2.88啞%椒CSRC傻2-3裂1.1獵34.6蠶7壁2.88志%洞CSRC清3握1.1墻24.1治9藝4.88煙%2.2加載及量測方案2.2.1加載裝置加載裝置如圖2所示。豎向荷載由電動液壓千斤頂通過電動超高壓穩(wěn)壓油泵作用于柱頂，前端球鉸允許柱頂轉(zhuǎn)動，豎向千斤頂在水平加載時可以隨上部特制低摩阻滑動小車水平移動。水平力的施加通過預(yù)埋在試件中的連接件與MTS加載控制系統(tǒng)連接。整個加載過程通過MTS擬動力加載系統(tǒng)施加，采用MTS-GT控制系統(tǒng)控制。圖3加載制度循環(huán)次數(shù)01/5001/2001/50圖3加載制度循環(huán)次數(shù)01/5001/2001/501/251/701/120-1/500-1/200-1/120-1/70-1/50-1/25位移角圖2加載裝置示意圖抄2.2.焰2羞旁加載中制度雀試驗前先文施誕加響1/區(qū)6躁預(yù)定軸向憤荷載峰并進行預(yù)狠加載鋒，通過對唐柱身同一球截面處縱也筋應(yīng)變的區(qū)監(jiān)測，判瘦斷此時是李否為軸心販?zhǔn)芰顟B(tài)書，檢查各護試驗儀器鑒是否工作贈正常。施良加水平荷究載前，先碌施加預(yù)定妨豎向荷載拘，并保持霜恒定。水睬平加載采候用低周往惠復(fù)靜力加閥載制度，朝采用位移智控制。具課體加載制環(huán)度如圖嫂3拜所示。圖2.2.離3近量測方案圖4鋼筋編號及應(yīng)變片布置詳圖圖4鋼筋編號及應(yīng)變片布置詳圖D9010905510ABCEFGHA1A2B2B1C1D1D2E1E2123456F2F1G1G2H2H1C2幸水平荷載劫和豎向荷獅載直接通秘過壓力傳宜感器量測夾?；镫娮臃晡灰朴嬻w主要哲用于量測擊柱頂水平神力作用點張的側(cè)向位僅移及柱底辯可能發(fā)生哭的滑移。新鋼筋、鼓型鋼悠應(yīng)變采盟用黎3×5m豐m塘電阻應(yīng)變桿片量測患，具體布夏置如來圖某4臘和補圖辮5岡所示。尸縱筋應(yīng)變卵片布置在笨柱底塑性劃鉸區(qū)域。過箍筋應(yīng)變濤片用來汪測量蔽可能發(fā)生禿的剪切變編形和側(cè)向揭膨脹。隸所有力、煮位移和應(yīng)孔變信號均扶通過替MTS-寬GT北控制系統(tǒng)執(zhí)和各DH38抄16咐數(shù)據(jù)采集爐儀自動采化集。26060602602606060260260365365625260625X1X2X4X3X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16圖5型鋼應(yīng)變片布置詳圖次3奇試驗結(jié)果再分析財3.1就試件破壞燈形態(tài)消在位移懇角什1/12統(tǒng)0(6.竟25mm辰)宅時，軸壓伍力較小試盾件揮CSRC迷1淺受拉縱筋掙屈服，軸免壓力較大沈試舌件魚CSRC莊2-著2繩、漲CSRC摸2-隊3斗及端CSRC御3財受壓縱筋拾先屈服，屈對應(yīng)位移算角分別書為暫1/10揪0(7.運5mm跳)伏、涂1/15撲0(5m避m鵲)鞠和翠1/10棒0(7.添5mm勉)川。此后，養(yǎng)彎曲裂縫陽開始明顯堆向試件根度部斜向發(fā)堤展，寬度到不斷增加扒。試冤件恰CSRC炸1普在械1/10臟0您位移印角名(7.5市mm弟)講時受壓縱見筋才屈服憐。顯然，慰小軸力的戰(zhàn)試薪件屑CSRC優(yōu)1迷(敢設(shè)計軸壓組比導(dǎo)0.命8微，實際軸惜力班460.宣6kN輪)倘發(fā)生的是姜大偏壓破技壞。鼻繳痛在位移該角陵1/70廣(10.洞7mm泰)倉時，所有喝試件受壓覺區(qū)混凝土舅均開始輕疑微起皮，去隨循環(huán)數(shù)摩及位移幅睡值的增加哲，混凝土琴逐漸壓酥左、剝落。苗試件根部獸兩個方向披的水平裂欠縫全部交允叉、貫通誘。此時，遙高軸壓比治的三個試樓件披CSRC如2-肥2之、侍CSRC只2-已3我及徹CSRC隸3秘受拉縱筋伴相繼屈服購。彎剪裂琴縫也不斷罷發(fā)展，在輸試件根部儉及中部形預(yù)成大小不鎖一兆的殼“沙X膜”推型交叉裂南縫，此時石，箍筋應(yīng)匙變增加較凳快，個別殲箍筋屈服乎。但由于褲型鋼的存泛在，沒有言試件發(fā)生煌剪切破壞抬。罰舍昨在位移燕角禽1/50球(15m市m續(xù))痕循環(huán)時，候試件保護意層基本剝糠落，并伴縣有混凝土棟的壓碎聲念音。試淚件拼CSRC陳3惹在導(dǎo)1/3贊5陽位移主角較(21.拜4mm披)奇時保護層之剝落，同暴時型鋼受趕壓翼緣屈政服。此時伯，試件承印載能力開旅始下降，新但下降速卻度緩慢。數(shù)在位移逮角責(zé)1/35影(21.蓮4mm袋)谷時，所有緒試件的保讀護層均完性全剝落，潤此時，部詢分縱筋應(yīng)和變采集通跌道已經(jīng)溢姻出，試京件耽CSRC焰2-均2徑及錢CSRC侍2-脖3軌受壓縱筋衰已經(jīng)向外域壓屈，而思試工件金CSRC繞1炊及源CSRC跪3謊在馳1/2士5戚位移國角犬(30m導(dǎo)m壺)躍時，縱筋顏才壓屈。赤可見，軸殃力越大，辯核心型鋼梅配鋼率越經(jīng)小，縱筋埋越早被壓釋屈。隨循循環(huán)的不斷侮發(fā)展，試穿件根部縱搜筋最終全糖部向外壓閃屈，呈蛋現(xiàn)之“紡燈籠鉗狀聚”強破壞狀態(tài)戰(zhàn)。試件強貍度和剛度胳退化開始老加快，直育至試驗結(jié)打束。整個杏試驗過程亞中，軸力折基本保持育恒定，沒蘋有發(fā)生突維然降低的則情況。這索說明核心啞型鋼混凝峽土柱完全朱可以滿播足沒“飼大震不絮倒騙”許的抗震要止求，在較開大層間位凍移角下保懲證豎向承封載能力無機損失或損模失很小，敢保障住戶固的生命安蝴全。試件猜破壞的最補終形態(tài)如城圖輛6倡所示。圖6試件最終破壞形態(tài)圖6試件最終破壞形態(tài)(a)CSRC2-2(b)CSRC2-3(c)CSRC3拔3.2章滯回曲線撿特征蠅試驗記錄披的試件滅典型味滯回曲線裙如圖戴7醉所示。竄通過對試卸件滯回曲紗線的分析及，齊可以得到乳以下斷不同試驗術(shù)參數(shù)的滯寬回特征節(jié)：霞(1)賓稀初始荷載俘小于開裂敏荷載時，馬所有試件案基本處于稻彈性階段猴，卸載后正殘余變形蔑很小。隨命著位移幅友值的增加耕，特別是磚縱向鋼筋齒屈服后，柱試件進入柿彈塑性階鬧段，卸載崇后存在一您定的殘余動變形。所瘡有滯回曲很線在推和襪拉時均存摘在不同程訪度的不對滋稱，部分循原因是包購興格效應(yīng)穴造成的育。型萍(2)向?qū)нM入彈塑負(fù)性階段，旨滯回環(huán)捏蓄攏現(xiàn)象并舉未出現(xiàn)，氣滯回環(huán)非炭常飽滿，計試件具有稀良好的塑舞性變形能疏力和滯回寬耗能能力偷。這說明鍬，在加載臥過程中，固無較大的漏剪切裂縫蔬出現(xiàn)，從爐而沒有因禽為加載和注卸載過程趙中斜裂縫煙的開展和因閉合而導(dǎo)厭致滯回環(huán)醋捏攏，試膠驗中的現(xiàn)爭象也證實公了這一點恨。引發(fā)(3)箭象在畫1/3掛5或位移角播之乎兩前，所有洽試屑件荒(左除錨固件仇失效室的念CSRC單2-重1雷外割)讀在同級位的移幅值下忽，各循環(huán)由曲線基本把重合，強及度和剛度澆退化很小撓。對比各批試件強度句和剛度開發(fā)始明顯退夢化時的位嬸移角，小堡軸壓比誘的臣CSRC里1足為畏1/2器5免，而大軸治壓比破的蘿CSRC覆2-脫2允、筋CSRC則2-朝3敞和球CSRC阻3豐分別暗為窄1/2斥5顛、根1/3聚5武和孝1/2逃0童。試件最卻后兩個循朗環(huán)的承載衣力降低幅有度有以下攤特征：02550-25(a)CSRC1-50(mm)0100200300-100-200-300P(kN)02550-25(b)CSRC2-2-50(mm)0100200300-100-200-300P(kN)02550-25(c)CSRC3-50(mm)0100200300-100-200-300P(kN)圖7試件滯回曲線祥試稱件委CSRC霧1撒(屑設(shè)計軸壓艦比證0.8浩)訂和罰CSRC服2-2臺(蝴設(shè)計軸壓雕比攪1.1愧)奔的最后一何個循昂環(huán)得(1/2深0蛋位移角第化一個循夾環(huán)烏)隔前一個循填環(huán)畢(1/2醋5輸位移角的姥第三個循傾環(huán)趴)儀的承載力攻降低比例挖分別溉為戴53根%霉和紐61鉛%侄。而試霧件段CSRC柄3李(彎設(shè)計軸壓歐比井1.1束)綢此時的承聰載力降低無比例僅隆為尊10集%野02550-25(a)CSRC1-50(mm)0100200300-100-200-300P(kN)02550-25(b)CSRC2-2-50(mm)0100200300-100-200-300P(kN)02550-25(c)CSRC3-50(mm)0100200300-100-200-300P(kN)圖7試件滯回曲線粥軸壓比越層大，試件筒承載力隨去位移角幅勞值的增加咐退化就越在快，而隨勵型鋼配鋼陵率的增加籍，這種現(xiàn)離象得以改披善。也就斃是說，增夏加型鋼配禁鋼率可以笑提就高易CSR淺C腫柱在相同窄軸力下的馳變形能力去和抗倒塌購能力，從違而可以提若高軸壓比神限值。含3.它3名骨架蒼曲線郊5蛙個試件的普骨架曲線奸匯總?cè)缂鈭D胞8憑。主要特泥征點試驗陰結(jié)果如烘表繪2裳所示。由寧圖芬8宵可見，相況同軸壓比栽試件的上學(xué)升段基本植接近。在是最高荷載乒點之后試丘件水平承層載力下降擾，形成負(fù)紹剛度，它忠是堤P費-此效應(yīng)及強主度和剛度江退化的綜派合反映。依試救件鑒CSRC妖2-奇1尤由于常錨固件失輩效，導(dǎo)致垮其骨架曲涌線的后續(xù)牙段無法得嶄到。其它捎試件骨架表曲線均有撈明顯的強喜化段，這磨說明核心欠型鋼混凝太土柱在大色軸壓比下目仍然具有光良好的變剝形能力。圖圖8試件骨架曲線020304050-50-300-2000100200300(mm)P(kN)-100-40-30-20-1010BECOAFD圖9等效粘滯系數(shù)示意圖姐表纏2算P辮-扁骨架曲線越特征點試醒驗結(jié)果摸試件培n裁P歐c努(奶kN)瞎c蠶(卸mm)浩P偉y嫁(鬧k躺N)餐y毒(跡mm)平P巨m盡(偽k甜N)踩P勾u玻(宗k呀N)乒u睛(雷mm)辣＝挎u坐/痰y復(fù)CSRC麻1健0.8皆75.8梅2.5會105逝6.25赤167.盲5摘121.皺6搭31.4番5.02堤CSRC東2-2尸1.0松120命2.5渡180精6.25燙234.蒙4服181.餓1梳28.9類9霧4.64候CSRC跌2-3梢1.1住95肺3.75閥195殃5.0蝦179.各8數(shù)152額21.4枝4.28夾CSRC障3替1.1雕107話2.5斤162螞7.5呢212.烈2塌178.股5狠34.3派4細(xì)4.58錦3.戒3虧耗能性能陜耗能能力醫(yī)是對抗震瞇性能評價并的重要指蘿標(biāo)。每次儉循環(huán)中滯斧回環(huán)線所求圍面積代攻表每次循伯環(huán)耗能大色小，表示貓耗能能力粱好壞的指恒標(biāo)之一是醒等效粘滯藥阻尼系數(shù)原。等效粘旁滯阻尼系閱數(shù)越大，撲結(jié)構(gòu)耗能要能力越大沒。等效粘億滯阻尼系遵數(shù)信h譜e潑按下式計忠算。(1)粗式中，別S亦ABC專、帶S捏C紋D舍A謀為橢圓包遷圍面積，綢S率O擺B侮E沾、碧S禿ODF麗為三角形戲包圍面積氣，分別數(shù)如芽圖杏9刮所示剖。贈分別扇取飽3帽個位移角熄幅廁值倘1/5段0呢、續(xù)1/3堤5御和粉1/2局0煮的第一個定滯回環(huán)，梳按宜式潑(救1焦)禁計算相應(yīng)煮的等效粘位滯阻尼系抹數(shù)，計算吧結(jié)果列截于表籃3兼中蹦。垃表聲3忽譽賤不同位移糖幅值下等講效粘滯阻倒尼系數(shù)律試件編號布1/50獻(xiàn)1/東35察1/極25君CSRC蠢1葡0.14散8季0.18音8助0.24首6溜CSRC昆2-2絲0.18完1兇0.21垂1喊0.29貌6繼CSRC印2-3奮0.23走5半0.27分8膽——塔CSRC泥3惕0.12件8習(xí)0.18霉7外0.24飾3藝由紫表疑3組可逃知，軸壓如比越小、毀核心型鋼寫配鋼率越輸大，試件蝕的耗能能武力越強。匪試昂件剛CSRC膠3(n=凝1.1咬)易與試迫件嶼CSRC蛙1(n=意0.8教)構(gòu)的耗能能淹力基本相打同，可見需核心型鋼鐮對試件在臉高軸壓比當(dāng)下耗能能套力的貢獻(xiàn)與。4結(jié)論陶(1)蝴允所有旱試件的設(shè)使計軸壓比廟均接近或籠超過混凝糊土規(guī)范的鋪規(guī)定限換值你0.撒9鵲，但其延過性系數(shù)仍盜在旬4.2崗8督～觸5.0沾2紡之間。對絨比停文獻(xiàn)寫[3]俯中條剪跨比帥為萌3屠的常規(guī)框礙架柱的試連驗結(jié)果，角在設(shè)計軸逃壓比貸為渣0.旱9然時，其位酬移延性系順數(shù)僅幼有黨3.8鴨6院。這說明撿在重載柱物中配置核少心型鋼能艙夠較大幅芬度改善軸資壓比超限贊柱的變形誘能力。盆辯(2)棕震試件承受捎較高的豎叫向荷載并版在整個試懶驗過程中征，特別是簽在水平加維載下的破從壞階段，彼即使箍筋溜拉脫，縱排向鋼筋壓器屈殖成予“請燈籠凡狀驕”疼的情況下常，豎向承很載力仍保消持很好的租穩(wěn)定性。拿這說明核卻心型鋼混論凝土柱溝在攀“擺大低震怖”齒作用下，帆進入彈塑橫性變形階拋段具有較域好的抵抗棉豎向荷載瘡的能力，弦抗倒塌能瘦力較強。犬西(3)盤偶核心型鋼聾的配鋼率仆對試件的宣變形能力攝有較大影遠(yuǎn)響。配鋼碧率較大的必試他件攻C