馬英超，賈金青，張建成

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

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型鋼超高強(qiáng)混凝土框架不同剪跨比抗震性能試驗研究

馬英超，賈金青，張建成

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

為了研究型鋼超高強(qiáng)混凝土框架的抗震性能及剪跨比對整體結(jié)構(gòu)的影響，共進(jìn)行了2榀單層單跨框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗對比分析，研究的主要目的是驗證不同剪跨比型鋼超高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。并且通過試驗得到不同剪跨比下的破壞形態(tài)、P-Δ滯回曲線、骨架曲線、位移延性系數(shù)、強(qiáng)度退化、剛度退化、耗能能力。結(jié)果表明：剪跨比2的框架結(jié)構(gòu)柱的破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，其強(qiáng)度，剛度退化快，能量耗散能力低。

型鋼超高強(qiáng)混凝土；框架結(jié)構(gòu)；剪跨比；強(qiáng)度退化；剛度退化；耗能能力

低剪跨比結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞程度要比高剪跨比的嚴(yán)重很多，隨著城市的擴(kuò)大和發(fā)展，建筑向高層和超高層發(fā)展已經(jīng)成為一個必然的趨勢，而超高強(qiáng)混凝土完全滿足結(jié)構(gòu)要求，與普通混凝土相比，具有更好的抗壓性和耐久性，而包裹型鋼的結(jié)構(gòu)形式能夠降低結(jié)構(gòu)的脆性，使材料能發(fā)揮各自的優(yōu)點。與型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或型鋼高性能混凝土結(jié)構(gòu)相比，其承載力完全滿足需求，整體性也更優(yōu)于后者，所以此結(jié)構(gòu)形式被更廣泛的應(yīng)用到高層和超高層建筑中[1]。

但目前仍然缺乏對型鋼超高強(qiáng)混凝土框架整體結(jié)構(gòu)的研究。因此近些年對框架結(jié)構(gòu)的研究日益增多，鄭山鎖等[2]通過對SRHSHPC框架結(jié)構(gòu)地震損傷試驗研究，分析其在反復(fù)加載試驗過程中，對結(jié)構(gòu)破壞過程，破壞機(jī)制等的影響；李忠獻(xiàn)等[3]研究翼緣削弱的型鋼混凝土框架抗震性能；付傳國等[4]進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土框架受力及抗震性能的實驗研究；鄭文忠等[5]進(jìn)行了型鋼混凝土梁-角鋼混凝土柱框架抗震性能試驗研究。綜上所述，這些研究都局限在普通混凝土的層面，并沒有研究超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)體系，更沒有具體到研究剪跨比對框架整體結(jié)構(gòu)的影響，并且剪跨比對型鋼超高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)具體有那些影響目前仍然是未知領(lǐng)域，這不僅影響了此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范制定，同時也阻礙了這種結(jié)構(gòu)的發(fā)展。但現(xiàn)實情況中型鋼超高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)具體的實踐應(yīng)用，迫切需要對其進(jìn)行安全評估?；谝陨锨闆r，本文進(jìn)行了型鋼超高強(qiáng)混凝土框架不同剪跨比對比試驗研究。

1　試驗概況

2榀型鋼超高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)在擬靜力作用下的抗震試驗研究。重點研究在軸壓比相同的條件下，不同剪跨比框架在循環(huán)荷載作用下，對框架整體結(jié)構(gòu)的抗震性能影響。

1.1試件設(shè)計與制作

實驗共設(shè)計了2榀單層單跨試件，試件設(shè)計與原型比為1∶2，柱梁截面強(qiáng)度比為1.2。柱子的計算高度分別為1 200 mm和800 mm；計算跨度為2 000 mm。柱采用C100混凝土，梁采用C40混凝土。柱截面尺寸200 mm×200 mm，梁的截面尺寸160 mm×200 mm。柱采用復(fù)合箍筋，箍筋間距60 mm，梁采用矩形箍筋，間距是60 mm，節(jié)點核心區(qū)復(fù)合箍筋間距是50 mm，設(shè)計上采用強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件形式。在試件設(shè)計過程中，剪跨比為2和3的框架，其內(nèi)部配置形式完全相同。具體截面型式和布置見圖1、圖2，材料參數(shù)見表1。

圖1　型鋼超高強(qiáng)混凝土框架

圖2　框架截面型式

1.2加載方案及測量內(nèi)容

試驗在加載的過程中，2榀單層單跨框架的軸壓力均采用試驗軸壓比為0.38，根據(jù)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6](JGJ138-2001)，屬于二級抗震等級，具體施加的軸壓力為1 600 kN。詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見表2。在加載過程，加載的原理與單個柱子的加載原理相近，水平橫梁起到承擔(dān)軸壓力的作用，滾軸能保持軸力的方向不變，梁兩側(cè)的鋼桿主要承擔(dān)框架結(jié)構(gòu)的拉力作用，水平千斤頂主要起到約束框架移動作用，這能使試驗測得的數(shù)據(jù)更加精確，便于試驗分析。

表2　試件設(shè)計參數(shù)

軸壓力加載采用先預(yù)加40%目標(biāo)值，持載一段時間后再繼續(xù)加載至目標(biāo)值，并在整個試驗過程中保持豎向軸力大小恒定，見加載裝置圖3。施加水平往復(fù)力，試驗以位移轉(zhuǎn)角為加載機(jī)制，采用擬靜力位移控制加載，第一個循環(huán)位移轉(zhuǎn)角為0.25%，前三個循環(huán)以0.25%為增量，每個幅值循環(huán)一次，第四個幅值開始以0.5%位移轉(zhuǎn)角為增量，每個幅值循環(huán)三次。具體循環(huán)加載根據(jù)文獻(xiàn)[7]，見圖4。

圖3　加載示意圖

圖4循環(huán)加載圖

2　試驗破壞過程

2.1試件SRC-N38-I2

剪跨比2的框架結(jié)構(gòu)與剪跨比3的框架加載位移轉(zhuǎn)角一致。水平作動器采用位移控制加載，依據(jù)Δ/L位移轉(zhuǎn)角為加載方式。在1%位移轉(zhuǎn)角時，柱根部出現(xiàn)豎向壓縮裂縫，進(jìn)行到該幅值的第3次循環(huán)時，柱根保護(hù)層裂縫增大。當(dāng)進(jìn)入到1.5%位移轉(zhuǎn)角時，柱根部0 mm～100 mm范圍有斜裂縫，而50 mm～100 mm出現(xiàn)水平裂縫。梁端沒有變化。2%位移轉(zhuǎn)角時，柱根部混凝土壓碎，梁端100 mm～150 mm范圍出現(xiàn)斜裂縫，柱根部0 mm～100 mm范圍混凝土壓碎脫落，在進(jìn)入到第三次循環(huán)時，柱底200 mm范圍內(nèi)斜裂縫增多，并呈現(xiàn)出與原斜裂縫平行的情況。混凝土保護(hù)層破壞嚴(yán)重。梁端50 mm范圍裂縫增多并加寬。當(dāng)達(dá)到2.5%～3.5%時，柱破壞更加嚴(yán)重，柱根0 mm～100 mm混凝土保護(hù)層脫落。梁端50 mm范圍內(nèi)裂縫增寬，同時伴隨有混凝土的脫落。在整個破壞過程中，裂縫主要集中在柱根部，通過裂縫的情況可以判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生了壓彎剪破壞。

2.2試件SRC-N38-I3

在位移轉(zhuǎn)角為1%時，每級幅值進(jìn)入三次循環(huán)，并且柱子根部發(fā)出清脆的響聲，保護(hù)層出現(xiàn)細(xì)小的水平裂縫，柱子根部同時也出現(xiàn)豎向裂縫，豎向裂縫主要是軸壓力作用下混凝土劈裂產(chǎn)生的；在進(jìn)入1.5%位移幅值時，在水平位移超過上一個循環(huán)的位移幅值時，柱子內(nèi)部發(fā)出清脆的響聲，同時伴有柱根部混凝土壓碎現(xiàn)象，而梁端200 mm范圍內(nèi)也出現(xiàn)豎向的彎曲裂縫。當(dāng)位移轉(zhuǎn)角在2%～3%范圍時，梁端50 mm范圍內(nèi)，混凝土保護(hù)層脫落，水平裂縫增多，柱根豎向裂縫向上延伸，柱根部混凝土表面起鼓，混凝土破壞嚴(yán)重，并且0 mm～30 mm范圍內(nèi)無壓碎現(xiàn)象，此時節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)微小的裂縫。從整體裂縫出現(xiàn)和分布的情況判斷，框架破壞屬于壓屈和彎曲破壞。兩框架最終破壞形態(tài)見圖5。

3　試驗結(jié)果及其分析

3.1滯回曲線

不同剪跨比構(gòu)造型式的框架柱在往復(fù)荷載作用下，形成的P-Δ滯回曲線的關(guān)系見圖6，在加載初期，整體結(jié)構(gòu)加載幅值都很小均處于彈性階段，主要是因為開始階段結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生裂縫，主要的耗能是通過結(jié)構(gòu)的整體變形產(chǎn)生的。因此完成一次往復(fù)循環(huán)所形成的滯回曲線耗能能力很小，基本呈捏縮的直線。隨著加載幅值增加，滯回環(huán)包圍的面積逐漸增大，形成一個飽滿的梭形，表明結(jié)構(gòu)的耗能能力增強(qiáng)?？蚣茉诹芽p下工作，裂縫的張開和閉合使其具有很好的變形能力，吸收了結(jié)構(gòu)在大變形下的能量。當(dāng)承載力達(dá)到屈服位移時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)一個平滑段，并且同一幅值下的第2、3次循環(huán)沒有明顯的退化。試件SRC-N38-I2和試件SRC-N38-I3比較，剪跨比2的位移幅值更小，達(dá)到峰值荷載的力更大，并且在達(dá)到峰值荷載后結(jié)構(gòu)失穩(wěn)更迅速。

3.2骨架曲線

骨架曲線是各個循環(huán)加載過程中，每個幅值第一次循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變點連成的曲線。雖然超高強(qiáng)混凝土的脆性很大，但和型鋼的組合展現(xiàn)了很好的變形性能。試件SRC-N38-I2和試件SRC-N38-I3在相同轉(zhuǎn)角下，進(jìn)行了框架剪跨比2和3的比較，從圖7中可以看出相同位移幅值下，進(jìn)行了框架剪跨比2和3的比較，試件SRC-N38-I2的承載力高，最大承載力所對應(yīng)的幅值更小，并且達(dá)到最大荷載點后，其力下降的斜率要比試件SRC-N38-I3大很多，承載力衰減很快，表明它的抗震能力相對較差。試件SRC-N38-I3框架承載力上升比較平緩，達(dá)到峰值荷載后，承載力衰減相對比較緩慢，穩(wěn)定性要比試件SRC-N38-I2好很多。

圖5　結(jié)構(gòu)的最終破壞形態(tài)

圖6　滯回曲線

圖7型鋼超高強(qiáng)混凝土框架骨架曲線對比

3.3位移延性

位移延性系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]采用能量等值法如圖8，使折線與曲線所圍圖形面積相等，即SAEC=SOAS2，其中E點橫坐標(biāo)對應(yīng)的是屈服位移，C點對應(yīng)的是極限位移。并且根據(jù)文獻(xiàn)[10]計算各框架屈服位移：

(1)

式中：λ為位移延性系數(shù)；Δu為極限位移；Δy為屈服位移。

圖8能量等值法示意圖

通常極限位移取峰值荷載的85%所對應(yīng)的位移，但由于是復(fù)合箍筋混凝土結(jié)構(gòu)[11-12]，故極限位移取80%峰值荷載所對應(yīng)的位移。由于框架在往復(fù)力作用下，推力和拉力存在一定的誤差，故對延性系數(shù)有一定的影響。剪跨比2框架要比剪跨比3的延性系數(shù)略小，但延性值均很低，框架柱的破壞嚴(yán)重，具體延性系數(shù)見表3。

3.4強(qiáng)度退化

強(qiáng)度退化是位移幅值不變的條件下，結(jié)構(gòu)承載力隨荷載反復(fù)循環(huán)次數(shù)的增加而降低的現(xiàn)象[13-14]。通常用強(qiáng)度退化系數(shù)λi表示，表達(dá)式為：

(2)

表3　框架各特征點荷載-位移實測值

圖9由于框架的剪跨比不同，所有采用等位移轉(zhuǎn)角加載方式，在1%～2%位移轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，試件SRC-N38-I2和試件SRC-N38-I3在加載過程中，強(qiáng)度退化趨勢基本一致。在2%～3%位移轉(zhuǎn)角范圍，試件SRC-N38-I2有一段上升區(qū)間，說明強(qiáng)度退化的速率要比上一個區(qū)間段退化的速率小，而試件SRC-N38-I3框架強(qiáng)度繼續(xù)衰減。說明在相同位移轉(zhuǎn)角下，剪跨比小的框架強(qiáng)度衰減要相對穩(wěn)定。

圖9框架強(qiáng)度退化系數(shù)比較

3.5剛度退化

剛度退化是結(jié)構(gòu)在試驗過程中，整體結(jié)構(gòu)的剛度隨著位移幅值和循環(huán)次數(shù)的增加而降低的現(xiàn)象。本文根據(jù)抗震試驗設(shè)計方法規(guī)程[7]研究了在軸壓比相同，剪跨比不同的情況下，整體結(jié)構(gòu)在相同位移轉(zhuǎn)角時正、反向最大荷載的絕對值和與對應(yīng)的位移絕對值和的比。采用平均割線剛度Ki表示，公式為：

(3)

式中：+Fi、-Fi為某一幅值循環(huán)往復(fù)第i次時正、反向最大荷載值；+Δi、-Δi是與其相對應(yīng)的位移; i是循環(huán)的次數(shù)。

圖10展示了框架的割線剛度，試件SRC-N38-I2框架的初始割線剛度很大，并且在實驗過程中，割線剛度斜率很大，表明剛度退化的很快，結(jié)構(gòu)抗震偏于不安全。主要是由于剪跨比小的試件SRC-N38-I2結(jié)構(gòu)，在相同的破壞彎矩下，所需的力大，所以其初始剛度大。而剛度退化的較快是由于剪跨比小的框架發(fā)生剪切破壞，剪切破壞是脆性破壞，在結(jié)構(gòu)破壞過程中，結(jié)構(gòu)破壞前沒有明顯的變形或其他的征兆，剪跨比大的結(jié)構(gòu)發(fā)生的是彎曲破壞，彎曲破壞是延性破壞，破壞過程緩慢，有明顯的破壞過程。因此剪跨比小的試件SRC-N38-I2結(jié)構(gòu)剛度衰減的很快。

在1%位移轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，由于整體結(jié)構(gòu)還處于彈性階段，兩條曲線剛度退化都比較快；隨著位移幅值的增加，框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入到彈塑性階段，剛度的衰減變慢，整體剛度衰減趨勢比較均勻，剪跨比2的割線剛度退化依然比剪跨比3的框架快。實驗表明，剪跨比小的框架結(jié)構(gòu)更不利于抗震性能的要求。

圖10框架割線剛度退化曲線

3.6耗能能力

根據(jù)[15-17]能量耗散準(zhǔn)則，整體結(jié)構(gòu)耗能能力以每個位移轉(zhuǎn)角下應(yīng)力-應(yīng)變所形成的滯回環(huán)面積來衡量。

結(jié)構(gòu)的能量耗散能力與滯回曲線所包圍的面積有著密切的聯(lián)系，面積越大，能量的耗散能力也就越大。圖11是框架在不同位移轉(zhuǎn)角下，各加載幅值第一次循環(huán)加載的耗能能力?？蚣茉?.5%位移轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的耗能能力相近。隨著試驗繼續(xù)加載，1.5%位移轉(zhuǎn)角成為試件SRC-N38-I2的拐點，此后框架能量耗散曲線的斜率變緩，耗能能力減弱。在1.5%位移轉(zhuǎn)角之前，結(jié)構(gòu)還保持其整體的性能，混凝土破壞現(xiàn)象不嚴(yán)重，在1.5%轉(zhuǎn)角后，混凝土出現(xiàn)了很大的破壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的整體性下降，因此試件SRC-N38-I2能量耗散能力降低。主要因為小剪跨比框架發(fā)生的是脆性破壞，并且斜裂縫從截面的中心區(qū)域向邊緣開裂，彎曲破壞裂縫是從截面的邊緣向中心區(qū)域開裂，它的強(qiáng)度和剛度退化的都十分迅速，所以它的耗能能力要弱。

圖11框架耗能曲線

3.7應(yīng)變片分析

通過梁端和柱底縱筋和型鋼的應(yīng)變分析，以試件SRC-N38-I2為主要研究對象。

圖12(a)主要研究框架結(jié)構(gòu)在變形過程中，梁端和柱底同時發(fā)生受拉或者受壓破壞過程中，縱筋的應(yīng)變形式。應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，梁端縱筋很早的進(jìn)入到彈塑性變形階段，而柱底縱筋的應(yīng)變主要在彈性階段變化，只在試驗結(jié)束前才進(jìn)入到彈塑性變形階段。

圖12(b)中，型鋼的變形與縱筋的變形相似，梁端型鋼很早的進(jìn)入到彈塑性變形階段，但最終試驗的結(jié)束都是以柱子的最終破壞為標(biāo)準(zhǔn)。

圖12應(yīng)變對比分析

上述的應(yīng)變分析與試驗過程中裂縫出現(xiàn)的先后順序一致，這就更進(jìn)一步驗證了結(jié)構(gòu)的破壞過程。

4　結(jié)　論

通過對不同剪跨比框架的試驗研究，得到以下結(jié)論：

(1) 剪跨比對型鋼超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的影響非常的大，剪跨比越小，結(jié)構(gòu)的破壞越嚴(yán)重，相對應(yīng)的位移幅值越小，不利于結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

(2) 剪跨比越小，型鋼超高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)的峰值力就越大，骨架曲線的斜率就越大，力下降的速度也就越大，不利于抗震設(shè)計。

(3) 剪跨比2的型鋼超高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)，初始剛度大，剛度退化快，并且其耗能能力差，對結(jié)構(gòu)的抗震不利。

(4) 剪跨比2的型鋼超高強(qiáng)混凝土框架，在相同位移轉(zhuǎn)角下，耗能能力比剪跨比3的框架的耗能能力低30%。并且在相同位移幅值下，耗能能力差距更大。

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Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Ultra-high Reinforced Concrete Frames of Different Shear Span Ratio

MA Yingchao, JIA Jinqing, ZHANG Jiancheng

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

In order to study the seismic behavior of steel reinforced ultra-high strength concrete frame structure and the influence of shear span ratio to the entire structure, this research carried out the seismic behavior of contrast analysis of two one-story and one-bay frames, the main purpose of the research is to verify the seismic behavior of steel ultra-high strength concrete frame structures with different shear span ratio, meanwhile gain the destroy style of the different shear span ratio,P-△ hysteresis curve, skeleton curve, displacement ductility, energy dissipation, strength and stiffness degradation. The result showed that the shear span ratio 2 of frame structure destroyed severely, and the bottom of the column was damaged more severely than beam end, strength and stiffness degenerated, and the capacity of energy dissipation reduced as well.

steel ultra-high strength concrete； frame structure； shear span ratio； strength degradation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.037

2016-04-22

2016-05-19

國家自然科學(xué)基金項目(51078059，51178078)

馬英超(1985—)，男，遼寧鐵嶺人，博士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。E-mail:mayingchao1985@163.com

TU398+.2

A

1672—1144(2016)04—0188—07