l形截面柱壓彎剪扭復(fù)合受力性能試驗研究

l形截面柱壓彎剪扭復(fù)合受力性能試驗研究

0槽鋼混凝土異形柱由于折斷能力高、耐久性好、抗疲勞防滑性能好、剖面形狀靈活等優(yōu)點，鋼混凝土變形柱已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高層和高地震烈度區(qū)域的建筑中。對于槽鋼混凝土(channelsteelreinforcedconcrete,CSRC)異形柱，采用水平腹桿將槽鋼焊接成型鋼骨架的連接方式，是型鋼混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系中一種新的配鋼形式。與普通型鋼混凝土柱相比，槽鋼混凝土柱具有整體性好、鋼與混凝土結(jié)合作用強(qiáng)、節(jié)省鋼材等特點現(xiàn)代的建筑設(shè)計已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的規(guī)則形狀，結(jié)構(gòu)受力也趨于復(fù)雜化，建筑結(jié)構(gòu)在水平地震作用下其柱式構(gòu)件會處于壓、彎、剪、扭的復(fù)合受力狀態(tài)綜上可知，關(guān)于槽鋼混凝土異形柱的抗震性能研究較為缺乏，因此有必要研究其在壓彎剪扭受力狀態(tài)下的抗震性能和影響因素。為此，本文中對6根槽鋼混凝土L形截面柱進(jìn)行了恒定軸力下低周反復(fù)彎-剪-扭的試驗，觀察其破壞特征，分析其在復(fù)合受力下的滯回曲線和抗震性能指標(biāo)，以期為槽鋼混凝土L形截面柱抗震設(shè)計提供參考。1試驗總結(jié)1.1試驗構(gòu)件設(shè)計試驗中設(shè)計6根總高為1630mm空腹式槽鋼混凝土L形柱試件，考慮扭彎比γ和肢高肢厚比φ兩個變化參數(shù)，φ取2.5和3.0時所對應(yīng)的試件截面肢高分別為300、360mm，肢厚為120mm，試件尺寸如圖1所示。設(shè)計參數(shù)見表1。在柱頂設(shè)置加載梁以施加壓力、彎矩、剪力和扭矩，在加載梁的兩端預(yù)先留出直徑為30mm的孔洞以便與作動器進(jìn)行連接。1.2材料及實測結(jié)果試件采用6.3號槽鋼，并用25mm×8mm的Q235鋼板作為水平腹桿將槽鋼焊接成型鋼骨架，間距為150mm;L形柱截面四周均勻配置直徑為12mm的HRB400級螺紋縱筋，箍筋配置為6@100，箍筋外側(cè)混凝土保護(hù)層厚度為15mm。鋼材的力學(xué)性能實測結(jié)果如表2所示。因柱截面短邊方向尺寸較小，振搗工作受限，故澆筑試件時使用有較大流動性的C30泵送商品混凝土，同時澆筑3組標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊(尺寸為150mm×150mm×150mm)，試塊養(yǎng)護(hù)條件和試件相同，實測混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值為38.93MPa。1.3水平加載裝置設(shè)計試驗中采用懸臂梁加載方式，加載系統(tǒng)如圖2a所示，主要由水平加載裝置和豎向加載裝置組成。兩個水平作動器和反力墻提供水平力，以作動器水平推力方向為正向;通過調(diào)整兩個作動器的水平力大小可為試件施加彎矩、剪力及扭矩。千斤頂提供軸向壓力，其上端通過高強(qiáng)鋼滾軸與反力梁連接，保證加載橫梁能自由移動，下端通過球鉸與試件頂端軸心連接，確保試件加載端自由轉(zhuǎn)動。水平加載裝置和豎向加載裝置的共同作用對試件試驗段形成壓彎剪扭受力狀態(tài)。本試驗加載原理同文獻(xiàn)2扭彎比對破壞模式的影響空腹式槽鋼混凝土L形柱在壓彎剪扭復(fù)合受力作用下，扭彎比是影響其破壞模式的主要因素，破壞模式主要分為四種:彎曲破壞、彎剪破壞、彎扭破壞及扭剪破壞。2.1混凝土損傷試驗結(jié)果當(dāng)扭彎比為0時，即壓彎剪試件發(fā)生彎曲破壞，最終破壞形態(tài)如圖3a所示。當(dāng)荷載加至32kN時，在B面左中部出現(xiàn)首條斜裂縫，繼而C面出現(xiàn)橫向裂縫;隨著荷載的增大，A、B面出現(xiàn)貫通兩面的斜裂縫;早期斜裂縫隨著荷載的增加而延伸變寬，豎向裂縫數(shù)量增多，試件底部開始出現(xiàn)混凝土剝落現(xiàn)象;加載后期，多面角底部混凝土局部剝落，試件破壞。彎曲破壞的特征主要表現(xiàn)為試件角部外圍混凝土壓碎剝落，破壞區(qū)箍筋沒有發(fā)生拉斷，且內(nèi)部混凝土因有槽鋼以及箍筋的約束，其整體仍保持完好。2.2加載后“x”形裂縫發(fā)生當(dāng)扭彎比為0.18～0.29，且肢高肢厚比為3時，試件發(fā)生彎剪破壞，最終典型破壞形態(tài)如圖3b所示。當(dāng)荷載達(dá)到36kN時，B面和C面中下段首先出現(xiàn)水平裂縫，并隨荷載的增加而呈現(xiàn)斜向發(fā)展趨勢，形成混合裂縫;混合裂縫隨荷載的增加逐漸向中間延伸，形成“X”形裂縫;隨著加載的進(jìn)行，“X”形裂縫數(shù)量增多，同時角部外圍混凝土剝落;加載后期，“X”形裂縫已逐漸發(fā)展成較密集的局部網(wǎng)狀，可以明顯看到露筋現(xiàn)象，試件破壞。彎剪破壞的特征主要表現(xiàn)為試件出現(xiàn)明顯的密集的“X”形裂縫，角部混凝土破壞面比彎曲破壞的面積要大，且出現(xiàn)露筋現(xiàn)象，但內(nèi)部混凝土的整體性仍未被破壞。2.3試件外表面裂縫扭彎比為0.25，且肢高肢厚比為2.5的試件發(fā)生彎扭破壞，最終破壞形態(tài)如圖3c所示。當(dāng)荷載為40kN時，首條裂縫出現(xiàn)在B面上;隨著加載的進(jìn)行，裂縫迅速遍布于試件的外表面，形成類似“Y”形或者倒“Y”形的裂縫;混凝土逐漸呈片狀掉落;加載后期，A面下部混凝土大幅度掉落，繼而A、B、F三面交界600mm高度以下外圍混凝土全部脫落，呈斜三角斷面，可看到箍筋在焊點處斷開，縱筋明顯屈曲，槽鋼外露，試件破壞。彎扭破壞的特征主要表現(xiàn)為混凝土破壞區(qū)域不再局限于角部，試件核心區(qū)表面出現(xiàn)“Y”形裂縫，混凝土沿豎向大片掉落，內(nèi)部混凝土被破壞，出現(xiàn)鋼筋屈曲、露鋼現(xiàn)象。2.4試驗構(gòu)件與混凝土抗拉力學(xué)扭彎比為0.89的試件發(fā)生扭剪破壞，最終破壞形態(tài)如圖3d所示。試件的開裂荷載為36kN，斜裂縫在多面出現(xiàn);隨著荷載的增加，試件表面形成互相接通的螺旋形的交叉網(wǎng)狀斜裂縫，且隨著荷載的增加，斜裂縫寬度逐漸增大;試件經(jīng)歷峰值荷載后，AF、CDE、BC各面交界處均被1～2道斜裂縫割斷，混凝土因槽鋼骨架及箍筋的外凸膨脹呈大塊狀脫落分離;加載后期，槽鋼和鋼筋外露，縱筋錯位且明顯屈曲，以致箍筋和腹桿在焊點處斷開，試件破壞。扭剪破壞的特征主要表現(xiàn)為早期斜裂縫同時出現(xiàn)在試件腹板和翼緣處，裂縫有明顯的分離錯動，后期寬裂縫沿著試件試驗段頂部向底部斜向擴(kuò)大延伸，最終形成對角整體分段撕裂，可看到翹曲的扭轉(zhuǎn)破壞面。3試驗結(jié)果及其分析3.1扭彎比對槽鋼混凝土l形柱抗扭性能的影響壓彎剪扭復(fù)合受力下槽鋼混凝土L形柱的彎矩-位移(M-Δ)滯回曲線如圖4所示。從圖4可知，在不同試驗參數(shù)下，各試件滯回曲線在正負(fù)向不對稱，大多呈弓形，少數(shù)滯回環(huán)呈較飽滿的梭形(如試件CSRCL-6)。試件CSRCL1～CSRCL4進(jìn)入彈塑性階段后的滯回環(huán)有明顯的“捏縮”效應(yīng)，槽鋼和混凝土之間出現(xiàn)黏結(jié)退化;滯回環(huán)的面積隨扭彎比的增大而逐漸減小。肢高肢厚比較小的試件CSRCL-6滯回曲線包圍的面積明顯大于肢高肢厚比大的試件，其滯回曲線飽滿度更好。壓彎剪扭復(fù)合受力下槽鋼混凝土L形柱的扭矩-扭轉(zhuǎn)角(T-θ)滯回曲線如圖5所示。與彎矩-位移滯回曲線相比，試件扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線“捏縮”效應(yīng)更嚴(yán)重，曲線基本呈反“S”或“Z”形，表現(xiàn)出了明顯的滑移性質(zhì)，且正向時的滑移比負(fù)向嚴(yán)重，其原因主要是在壓彎剪扭復(fù)合受力下，正向腹板遠(yuǎn)端(A面及其附近區(qū)域)混凝土率先破壞剝落，從而導(dǎo)致抗扭剛度的降低。隨著扭彎比的增加，扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線的荷載突降現(xiàn)象逐漸平緩，滯回環(huán)的面積逐漸增大，這說明增大扭彎比可以提高槽鋼混凝土L形柱抗扭性能。扭彎比較大的試件CSRCL-5滯回曲線正負(fù)向包圍的面積差異較小。試件彎矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線比扭矩-位移滯回曲線更飽滿，說明槽鋼混凝土L形截面柱在壓彎剪扭復(fù)合受力下其受彎能力強(qiáng)于受扭能力。3.2扭彎比對骨架曲線的影響各試件在壓彎剪扭復(fù)合受力下的無量綱骨架曲線如圖6所示。其中M由圖6、表3可知，彎矩-位移、扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線均呈反對稱性。加載初期，骨架曲線的斜率接近，荷載主要由混凝土承擔(dān)，此階段扭彎比和肢高肢厚比對試件受彎或受扭的影響較小;隨著荷載的增加，試件屈服后，骨架曲線呈曲線形發(fā)展，扭彎比和肢高肢厚比的影響開始顯現(xiàn);進(jìn)入下降段后，彎矩-位移骨架曲線波動明顯，而扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線則出現(xiàn)“荷載跌落”現(xiàn)象，這是由于外圍混凝土的黏結(jié)滑移裂縫及受拉壓開裂導(dǎo)致試件抗扭剛度急速下降。扭彎比對骨架曲線的影響主要表現(xiàn)在兩個方面。一是承載力方面，在肢高肢厚比相同的條件下，當(dāng)γ≤0.25時，受彎承載力隨著扭彎比的增大而減小;當(dāng)γ=0.29時，受彎承載力較γ<0.29的試件有小幅度的提升，變化范圍在3%以內(nèi);大扭彎比(γ=0.89)試件CSRCL-5的開裂、屈服、峰值荷載點以及破壞點對應(yīng)的彎矩均最小，較其他小扭彎比試件下降幅度在46%～56%之間。受扭承載力隨扭彎比的增大而增大，且其“荷載跌落”程度越輕;大扭彎比試件CSRCL-5的受扭承載能力較小扭彎比試件的更強(qiáng)，其峰值扭矩為其他試件的1.3～1.7倍。二是變形方面，總體上，扭轉(zhuǎn)角隨著扭彎比的增大而增大;對于扭彎比較大的試件，其破壞點對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角較大，但水平位移較小。綜合扭彎比對承載力和變形兩方面的影響來看，試件的受扭破壞特性隨著扭矩的增加而愈加明顯。肢高肢厚比對骨架曲線的影響相對扭彎比較小，受彎承載力和受扭承載力均隨肢高肢厚比的增大而增大;在變形方面，肢高肢厚比較大的試件峰值荷載點和破壞點對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角較大，分別是肢高肢厚比較小試件的3.4倍和3.6倍，這表明較大扭彎比和肢高肢厚比試件的受扭破壞特征更加明顯，此時試件的破壞區(qū)域不止出現(xiàn)在試件根部塑性鉸區(qū)，也出現(xiàn)在試件柱肢中部區(qū)。3.3剛度退化曲線以荷載-位移骨架曲線和扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線的割線剛度來分別表示試件的抗側(cè)移剛度K式中，+、-分別表示作動器的推(正)、拉(負(fù))向，P對試件的抗側(cè)移、抗扭剛度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，可得到試件的剛度退化曲線，如圖7所示。試件的抗側(cè)移和抗扭剛度退化規(guī)律總體基本一致，在加載初期剛度退化較快，后期剛度趨于平緩。壓彎剪試件的抗側(cè)移剛度退化比壓彎剪扭試件緩慢，說明扭矩的存在加速了試件損傷，但壓彎剪試件破壞時殘余的剛度值與壓彎剪扭試件近乎相同，均僅剩10%以內(nèi)。當(dāng)扭彎比γ≤0.29時，試件抗側(cè)移、抗扭剛度退化速率相同，大扭彎比試件的抗側(cè)移剛度退化較快，而抗扭剛度退化較慢，但殘余抗扭剛度值為0。肢高肢厚比小的試件殘余剛度小于肢高肢厚比大的試件。3.4各試件位移、扭轉(zhuǎn)角延性系數(shù)的計算結(jié)果利用破壞點和屈服點的位移值和扭轉(zhuǎn)角，通過式(3)、(4)計算可得到位移延性系數(shù)μ式中:Δ各試件位移、扭轉(zhuǎn)角延性系數(shù)計算結(jié)果如表4所示，試件位移、扭轉(zhuǎn)角延性系數(shù)對比如圖8所示。由圖8、表4可知，除扭彎比為0.89的試件外，其余試件因扭矩的存在，其扭轉(zhuǎn)角、位移延性系數(shù)均值都小于3，未達(dá)到我國現(xiàn)行抗震規(guī)范3.5受扭彎比對基因防護(hù)性能的影響采用等效黏滯阻尼系數(shù)來表征試件在壓彎剪扭復(fù)合受力下的耗能能力，其計算簡圖如圖9所示，計算表達(dá)式為式中:S各試件的受彎、受扭等效黏滯阻尼系數(shù)計算結(jié)果見表5;試件在各位移控制階段時，首次滯回環(huán)的等效黏滯阻尼系數(shù)變化情況如圖10所示。通過對比表5的計算結(jié)果和圖10a、10b可知，加載初期試件的受扭耗能能力較強(qiáng);試驗中期，壓彎剪扭試件的受彎、受扭等效黏滯阻尼系數(shù)均呈波動變化，這說明在試驗過程中，試件的破壞隨著試件損傷的疊加，不再只是受單一的受力特征為主導(dǎo);試件破壞時，由圖10b可見，除大扭彎比試件CSRCL-5之外，在小扭彎比條件下，試件的受扭等效黏滯阻尼系數(shù)隨扭彎比的增大而減小。大部分壓彎剪扭試件的總耗能大于壓彎剪試件的總耗能，約為壓彎剪試件的1.42～2.35倍，而扭彎比最大的試件CSRCL-5的總耗能最大，為其他試件的1.6～2.8倍，表明扭矩的存在使得試件的耗能更大，試件損傷更嚴(yán)重。肢高肢厚比較小的試件耗能能力比肢高肢厚比較大的試件略強(qiáng)。圖10c給出了試件受彎、受扭等效黏滯阻尼系數(shù)在總耗能中的比例變化情況。由圖可知，加載初期壓彎剪扭試件的耗能以扭轉(zhuǎn)耗能為主，占比約為52.5%，隨著變形增大，扭轉(zhuǎn)耗能所占比重逐漸下降，并在(3～5)Δ3.6層之間的位移角為表6給出了各試件實測的層間位移角。我國現(xiàn)行抗震規(guī)范4監(jiān)視的黏結(jié)滑移1)空腹式槽鋼混凝土L形柱在壓彎剪扭復(fù)合受力狀態(tài)下，扭彎比是影響其破壞模式的主要因素。隨著扭彎比的增加，試件破壞模式逐漸由“彎曲破壞”變?yōu)椤芭ぜ羝茐摹?，大扭彎比L形柱和小肢高肢厚比L形柱破壞較嚴(yán)重。2)空腹式槽鋼混凝土L形柱的荷載-位移滯回曲線和扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線均出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象，說明曲線受到了不可忽視的黏結(jié)滑移影響，即在加載過程中，外圍混凝土在壓彎剪扭復(fù)合作用下出現(xiàn)明顯的豎向黏結(jié)裂縫，率先破壞脫落，從而導(dǎo)致L形柱剛度的降低，在設(shè)計時應(yīng)引起重視。L形柱的彎矩-位移滯回環(huán)較為飽滿，扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線出現(xiàn)“荷載跌落”現(xiàn)象。3)空腹式槽鋼混凝土L形柱的抗側(cè)移和抗扭剛度退化規(guī)律基本一致，均為早期剛度退化較快，后期變緩。扭矩的存在有加速構(gòu)件損傷的影響，肢高肢厚比對