董宏英 張力嘉 曹萬林 喬崎云 劉恒超

(北京工業(yè)大學建筑工程學院, 北京 100124)

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密柱-鋼板深梁結構抗震性能試驗研究

董宏英 張力嘉 曹萬林 喬崎云 劉恒超

(北京工業(yè)大學建筑工程學院, 北京 100124)

提出了一種內藏密柱-鋼板深梁混凝土組合剪力墻,密柱-鋼板深梁為其核心鋼構．為研發(fā)高性能密柱-鋼板深梁結構,對4個具有不同設計參數的試件進行了低周反復荷載試驗．試件的密柱分為方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土、工字鋼3種截面,鋼板深梁分為Q235，Q345兩種鋼材,試件剪跨比為1.5．基于試驗,分析了各試件的承載力、剛度及退化過程、延性、滯回特性、耗能、損傷與破壞過程,提出了密柱-鋼板深梁結構承載力計算模型,計算結果與實測結果符合較好．研究結果表明:“強密柱、弱鋼板深梁”型結構可實現延性屈服機制;密柱截面用鋼量相同時,采用圓鋼管混凝土密柱的結構性能最好;與采用Q345鋼板深梁的結構相比,采用Q235鋼板深梁的結構雖承載力略小但延性更好;密柱-鋼板深梁結構具有良好的抗震性能和延性屈服機制．

密柱-鋼板深梁;低周反復荷載試驗;抗震性能;承載力計算

地震區(qū)復雜高層建筑抗震設計對高性能的鋼-混凝土組合剪力墻提出了較高的要求．為提高剪力墻的抗震性能,國內外學者進行了較多的研究．聶建國等[1-2]對低剪跨比雙鋼板-混凝土組合剪力墻、方鋼管混凝土暗柱內嵌鋼板-高強混凝土組合剪力墻的抗震性能進行了一系列試驗研究．呂西林等[3]對16個內置鋼板鋼筋混凝土剪力墻進行了抗震性能的研究,并且擬合出內置鋼板鋼筋混凝土剪力墻的受剪承載力計算公式．崔龍飛等[4-5]研究了內置鋼板與內置鋼桁架混凝土組合剪力墻抗震性能對比以及不同鋼-混凝土組合剪力墻抗震性能．蔣歡軍等[6]對新型的抗震耗能剪力墻地震耗能計算進行了推導并進一步優(yōu)化分析,得出了耗能效果與剛度強度的關系．Kharmale等[7]提出了一種剛性梁柱節(jié)點剪力墻的塑性設計方法,通過設定一種特殊延性和優(yōu)選的屈服機制,對重力二階效應進行了必要的補充改進．在本課題組研究鋼管混凝土邊框內藏鋼板剪力墻抗震性能與損傷加固的基礎上[8],本文提出了一種內藏密柱-鋼板深梁混凝土組合剪力墻,該組合剪力墻的核心鋼構為密柱-鋼板深梁結構．研究該組合剪力墻抗震性能的首要問題是揭示密柱-鋼板深梁結構的抗震機理．針對4個具有不同密柱截面形式和不同鋼板深梁材料強度試件進行低周反復荷載試驗,研究其抗震性能．密柱選用方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土、工字鋼3種不同截面,鋼板深梁選用了Q235和Q345兩種不同材料．分析了不同參數對試件承載力、剛度及退化過程、延性、滯回特性、耗能、損傷與破壞過程的影響．基于試驗,提出了力學計算模型．

1 試驗

1.1 試件設計

設計了4個1/5縮尺密柱-鋼板深梁結構試件,柱距在1～3 m之間的柱稱為密柱,跨高比小于2的簡支梁或跨高比小于2.5的多跨連續(xù)梁稱為深梁;試件剪跨比均為1.5．試件F-1和試件F-3均為方鋼管混凝土密柱-鋼板深梁結構,前者鋼板深梁為Q235鋼材,后者鋼板深梁為Q345鋼材;試件F-2邊柱為圓鋼管混凝土密柱-鋼板深梁結構,中柱為方鋼管混凝土柱,鋼板深梁為Q235鋼材;試件F-4為工字型鋼密柱-鋼板深梁結構,鋼板深梁為Q235鋼材．試件均設置3道鋼板深梁．試件模型幾何尺寸見圖1．

方鋼管混凝土柱采用□140 mm×140 mm×4 mm方鋼管,圓鋼管混凝土柱采用○160 mm×5 mm圓鋼管,均采用Q345無縫鋼管制作;工字鋼柱由Q345鋼板焊接而成．試件密柱用鋼量相同,鋼板深梁高160 mm、厚4 mm,插入鋼管柱腔體內并與之焊接,或直接與工字鋼柱焊接．

4個試件采用同批C45細石混凝土澆筑,實測彈性模量為32.8 GPa,立方體抗壓強度為45.3 MPa．實測鋼材力學性能見表1．

表1 鋼材力學性能

1.2 試驗方案與測點布置

本試驗在北京工業(yè)大學工程結構試驗中心完成．試件加載裝置見圖2(a),加載現場照片見圖2(b)．本試驗采用低周反復荷載的加載方式,首先在加載梁頂部施加一豎向荷載1 000 kN保持不變,水平荷載由水平拉壓千斤頂施加,加載點位于加載梁中點,距試件基礎頂面的距離為1 110 mm．4個試件全部采用荷載和位移聯合控制的方式進行加載,即在試件屈服之前采用荷載控制加載,屈服之后采用位移控制加載．距離基礎頂面1 110 mm處布置電子位移計,基礎側面布置電子百分表,鋼管混凝土邊柱距基礎頂面210 mm處布置電子百分表,分別接IMP應變數據采集系統(tǒng)采集試驗數據．豎向和水平荷載傳感器接IMP數采系統(tǒng)監(jiān)測豎向荷載和記錄水平荷載值．

應變片布置在鋼管柱上下兩端的4個角部、鋼板深梁四角及中部．應變片通過IMP數采系統(tǒng)采集．試驗損傷和破壞現象通過人工觀測．

2 試驗結果及分析

2.1 破壞特征

試件破壞形態(tài)見圖3,實測各試件破壞及損傷過程如下．

1) 試件F-1．當荷載加至負向240 kN(即極限荷載的83.5%)時,受壓側的鋼管混凝土柱下端出現鼓包,高度約2 mm;加載至298.79 kN(即位移角為1/50)時,鋼板深梁全部屈曲,達到極限荷載,荷載隨后開始下降;隨著位移的逐漸增大,承載力逐漸下降,鋼板深梁與柱的連接處開始撕裂,整體的斜向鼓起變?yōu)槠叫兴倪呅?試件最終破壞形態(tài)見圖3(a)．

(a) 試件F-1

(b) 試件F-2

(c) 試件F-3

(d) 試件F-4

(a) 加載裝置(單位：mm)

(b) 加載現場

(a) 試件F-1

(b) 試件F-2

(c) 試件F-3

(d) 試件F-4

2) 試件F-2．加載至正向280 kN時,受拉柱底部與基礎頂面處出現縫隙;加載至312 kN(即極限荷載的86.7%)時,中柱受壓角部出現鼓起約2 mm,下部受壓側鋼板發(fā)生平面外屈曲;加載至極限荷載360 kN時,鋼板深梁全部出現平面外屈曲,中柱受壓角部出現4 mm鼓包;加載結束時位移為56 mm,位移角達到1/20,下部爆皮現象嚴重,鋼板深梁平面外屈曲達到40 mm,與柱的連接部位撕裂30 mm．最終破壞形態(tài)見圖3(b)．

3) 試件F-3．當加載至正向261 kN(即極限荷載的85.2%)時,受壓柱下側角部出現鼓包;加載至極限荷載305 kN時,受壓邊柱外側角部鼓起5 mm,鋼板深梁均出現平面外屈曲,變形高度最大達到4 mm;當荷載下降至178 kN時,受壓柱開裂達到20 mm,混凝土壓碎外露,鋼板深梁屈曲嚴重,角部撕裂最大達70 mm．試件最終破壞狀態(tài)見圖3(c)．

4) 試件F-4．當加載至正向191 kN時,鋼板深梁均出現屈曲,最大可達4 mm;加載至極限荷載234 kN時,邊柱柱角彎曲變形屈曲達到4 mm;隨著位移與荷載的不斷增加,工字鋼柱和鋼板變形逐漸加大,至破壞時邊柱受壓部分爆皮嚴重,翼緣屈曲達到12 mm,鋼板深梁屈曲嚴重．試件最終破壞狀態(tài)見圖3(d)．由圖可知,4個試件均出現鋼板嚴重屈曲現象,若內藏在混凝土中,會抑制屈曲效果．

2.2 承載力、位移和剛度退化

實測所得試件正負兩向屈服荷載均值Fy和正負兩向極限荷載均值Fu見表2．各試件加載點高度處水平位移實測值及延性系數實測值見表3．由表可知,與試件F-1相比,試件F-2的屈服荷載均值提高了18.7%,極限荷載均值提高了18.9%,水平最大位移和延性系數略有提高;與試件F-3相比,試件F-2的屈服荷載和極限荷載實測值均有較大提高．這表明邊框柱截面形式的不同對結構承載力影響較大,圓形邊框柱對承載力提高較為明顯．與試件F-3相比,試件F-1的承載力略有降低,延性系數略有提高,表明鋼板深梁材料強度的不同對結構的承載力和延性有一定影響．

表2 屈服荷載和極限荷載均值

表3 水平位移及延性系數實測值

注:Uy為試件達到明顯屈服時正負兩向水平位移均值;Ud為荷載下降至極限荷載85%時對應的位移(對于試件F-4,則為試驗結束時的位移);θp為彈塑性位移角;μ=Ud/Uy為延性系數．

試件的剛度實測值及其衰減系數見表4．實測所得各試件的剛度K-位移角θ關系曲線見圖4．

由表4和圖4可知:① 各試件的剛度退化逐漸變慢,并隨變形的加大逐漸趨于直線．② 與試件F-1相比,試件F-2的初始彈性剛度和屈服剛度分別增大了12.7%和6.1%,而試件F-4則分別下降了15.7%和8.2%,說明不同的邊框密柱形式對試件剛度有較大影響,圓鋼管混凝土柱-鋼板深梁結構的剛度較大;試件F-3與試件F-1相比,初始彈性剛度和屈服剛度提高較小,表明不同的鋼板深梁材料對結構剛度影響較?。?試件F-2的剛度退化系數比試件F-1減小了6%,表明圓形邊框密柱的剛度退化速度更快．

表4 剛度實測值及其衰減系數

注:Ko為試件初始彈性剛度均值;Ky為試件屈服時割線剛度;βyo=Ky/Ko為從初始彈性到明顯屈服時的剛度衰減系數．

圖4 K-θ關系曲線

2.3 耗能和滯回特性

實測所得各試件水平荷載F-水平位移U關系曲線見圖5,其骨架曲線見圖6．試件F-4由于試驗設備原因,加載至水平位移30 mm處停止．由圖可知:① 與試件F-4相比,試件F-1、試件F-2和試件F-3的滯回環(huán)更飽滿,承載力更高,鋼管混凝土密柱-鋼板深梁結構耗能能力更強．② 試件F-1與試件F-3的滯回曲線基本相同,說明鋼板深梁鋼材強度的不同對耗能能力有一定影響．

(a) 試件F-1

(b) 試件F-2

(c) 試件F-3

(d) 試件F-4

圖6 骨架曲線

各試件的耗能實測值見表5．根據滯回曲線,利用積分求得試件破壞時的累積面積之和,以此作為實際耗能．

表5 耗能實測值

注:he為等效黏滯阻尼系數;E0.02為1/50位移角(位移為22 mm)時的耗能值.

由表可知,試件F-2與試件F-1相比,1/50位移角時耗能值E0.02提高了10.2%,破壞時彈塑性耗能值EP提高了36.2%,表明圓鋼管試件耗能性能優(yōu)于方鋼管試件;試件F-4與試件F-1相比,1/50位移角時耗能值下降了25.3%,表明工字鋼試件的耗能能力低于鋼管混凝土試件．由此可知,圓鋼管混凝土密柱-鋼板深梁結構的抗震性能優(yōu)于方鋼管邊框柱結構和工字鋼邊框柱結構．

根據《結構抗震試驗》[9]規(guī)定,可以用he來評定結構耗能能力,計算簡圖見圖7,計算式為

(1)

式中,SCBA+CDA為滯回環(huán)面積,表示試件在一個循環(huán)過程消耗的能量;SEOB+FOD為滯回環(huán)卸載點到橫坐標軸之間三角形的面積．

圖7 he計算示意圖

由表5可知, 4個試件的等效黏滯阻尼系數均達到0.3以上,耗能能力較好．

3 承載力計算

3.1 承載力模型

根據試驗,建立了鋼管混凝土密柱-鋼板深梁結構承載力計算簡化模型(見圖8)．圖中,Fh為加載時水平推力;N為加載時軸力;NLc,NMc,NRc分別為左柱、中柱、右柱分配的軸力;FLc,FMc,FRc分別為左柱、中柱、右柱承擔的水平推力;MLc,MMc,MRc分別為左柱、中柱、右柱承擔的極限彎矩;Vi為第i道鋼板深梁的剪力;H為密柱-鋼板深梁結構柱的高度;b為密柱-鋼板深梁結構柱的寬度;L為鋼板深梁的寬度;h為鋼板深梁的高度．

模型的基本假定如下:① 密柱-鋼板深梁結構柱底部為固定端,上部為無轉角的水平滑動支座;② 密柱-鋼板深梁結構各柱的豎向荷載分配按柱頂的面積比分配;③ 密柱-鋼板深梁結構柱截面變形符合混凝土結構中的平截面假定,忽略鋼管柱內受拉區(qū)混凝土的抗拉作用;④ 鋼板深梁的反彎點位于跨中界面,受彎剪達到屈服;⑤ 密柱-鋼板深梁結構柱的上下柱端鋼板均受壓彎屈服.

(a) 整體模型圖

(b) 左柱

(c) 中柱

(d) 右柱

3.2 承載力計算

由2.2節(jié)和2.3節(jié)可知,鋼管混凝土密柱-鋼板深梁結構達到極限承載力時,柱的上下端截面均達到極限彎矩,形成塑性鉸．根據結構力學和承載力模型的平衡條件,可分別得到密柱-鋼板深梁結構柱各自分配的水平荷載．

對左柱底形心取矩可得

(2)

對中柱底形心取矩可得

(3)

對右柱底形心取矩可得

(4)

鋼板深梁剪力為

V=γfvht

(5)

式中,γ為鋼板深梁抗剪強度修正系數,一般取0.7～0.8,本文建議取0.75;fv為鋼板深梁的抗剪強度設計值;t為鋼管的管壁厚度．

鋼管混凝土密柱-鋼板深梁結構整體水平承載力為

Fh=FLc+FMc+FRc

(6)

鋼管混凝土密柱-鋼板深梁結構的密柱截面類型包括方鋼管混凝土柱、圓鋼管混凝土柱形和工字型鋼柱．極限彎矩計算中,鋼材應力-應變關系采用理想彈塑性模型,混凝土應力-應變關系采用規(guī)范[10]建議的模型．

3.3 計算值與實測值的比較

根據3.1節(jié)和3.2節(jié)中的承載力計算模型和公式,得到各鋼管混凝土密柱-鋼板深梁試件的承載力,與實測值的比較見表6．由表可知,計算值與實測值基本符合,表明承載力簡化模型適用于此類構件的計算分析．

表6 鋼管混凝土試件承載力計算值與實測值比較

4 結論

1) 提出的密柱-鋼板深梁結構具有良好的抗震性能．鋼板深梁與密柱設計參數應合理匹配,以實現“強密柱、弱鋼板深梁”的延性屈服機制．

2) 密柱截面類型對密柱-鋼板深梁結構抗震性能有明顯影響．截面用鋼量相同時,圓鋼管混凝土密柱性能優(yōu)于方鋼管混凝土密柱和工字鋼密柱．

3) 鋼板深梁材料對密柱-鋼板深梁結構抗震性能有一定影響．與Q345鋼板深梁試件相比,Q235鋼板深梁試件的承載力略小、延性更好．

4) 密柱-鋼板深梁結構作為型鋼混凝土剪力墻的核心鋼構,具有良好的抗震性能．

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Experimental study on seismic behavior of structure with dense columns-deep steel plate beams

Dong Hongying Zhang Lijia Cao Wanlin Qiao Qiyun Liu Hengchao

(College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

The composite concrete shear wall embedded with dense columns-deep steel plate beams as the core structure was proposed. In order to investigate a high-performance structure with dense columns-deep steel plate beams, low cyclic loading experiments were carried out on four specimens with different design parameters. Three section styles, including concrete filled square steel tube column, concrete filled circular steel tube column, and I-section steel column, were adopted for dense columns. The steel strengths of deep beams included two grades, Q235 and Q345. The shear span ratios of all the specimens were 1.5. Based on the experiments, the load-bearing capacities, stiffness and deterioration processes, ductilities, hysteretic behaviors, energy dissipations, damage and failure processes of specimens were analyzed. The load-bearing capacity calculation model was established, and the calculation results were in good agreement with the test results. The investigation results show that the structure with “strong columns and weak deep steel plate beams” can achieve the ductile yield mechanism. Among three types of dense columns with the same steel consumption, the structure with circular steel tube columns has the best seismic performance. Compared with the structure of Q345, the structure with steel deep beams of Q235 has better ductility in spite of lower load-bearing capacity. The structure with dense columns-deep steel plate beams has good seismic performance and shows good ductile yield mechanism.

dense columns-deep steel plate beams;low-cycle loading experiment;seismic behavior;load-bearing capacity calculation

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.024

2014-12-24. 作者簡介: 董宏英(1966—)，女，博士，副教授， donghy@bjut.edu.cn.

北京市自然科學基金資助項目(8122004)、“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ13B02).

董宏英,張力嘉,曹萬林,等.密柱-鋼板深梁結構抗震性能試驗研究[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(3):550-556.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.024

TU398

A

1001-0505(2015)03-0550-07