（工程力学专业论文）H型钢部分外包混凝土组合短柱抗震性能的试验研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着现代建筑的发展，建筑物的高度、跨度不断增加，传统的钢筋混凝土结构已 经满足不了现代建筑的要求。因为高层、超高层建筑结构底部柱子所受的轴向压力很 大，如仍采用钢筋混凝土柱，由于受轴压比的限制，导致柱截面尺寸非常大，不仅影 响使用功能，而且往往形成不利于结构抗震的短柱。最近几十年，钢与混凝土组合结 构在我国的应用越来越广泛，研究也越来越深入，其优良性能和技术经济指标使它有 着更广泛的应用前景。本文描述了一种新型组合柱，称之为部分包裹混凝土组合柱， 由焊接h 型钢在两翼缘之间浇筑混凝土而形成，同时在两翼缘之间焊接一定数量的 横向系杆。这种组合柱具有h 型钢在工厂预制、支模和浇筑混凝土方便快速以及良 好的防火性能等优点。 为了研究这种新型组合柱的受力性能，本文对五个焊接普通h 型钢部分包裹混 凝土组合短柱进行了低周反复加载试验，试验主要考虑的参数为轴压力系数、含钢率、 剪跨比。试验结果表明：钢与混凝土能够很好的协同工作，短柱滞回曲线饱满，没有 明显的捏缩现象；达到极限荷载后具有良好的变形能力，位移延性系数在3 4 0 - 4 4 0 之间，满足延性构件的要求；刚度退化平缓，耗能能力强；说明h 型钢部分包裹混凝 土组合短柱具有良好的抗震性能。通过分析可知，轴压力系数对构件抗震性能的影响 最为显著。基于一定的基本假定，给出了h 型钢部分外包混凝土柱的轴压力系数限 值计算公式。 在试验基础上，根据材料的本构关系，采用条带划分的方法对h 型钢部分外包 混凝土柱的弯矩一曲率关系进行了全过程分析，并与试验结果进行比较，结果表明二 者具有较好的一致性。 关键词：焊接h 型钢；部分包裹混凝土组合柱：滞回曲线；变形能力；耗能能力 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 1 t l lt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o n s t r u c t i o n ，t h eh e i g h ta n dt h es p a no fb u i l d i n ga r e o nt h ei n c r e a s e ，t h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r e so fr e i n f o r c e dc o n c r e t ec a l ln o tm e e tr e q u i r e m e n t s o ft h em o d e mc o n s t r u c t i o n i fr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o l u m n sa r es t i l la p p l i e di nt h e h i g h l e v e l ，u l t r a - h i g h r i s eb u i l d i n g s ，i tw i l lr e s u l ti ni n c r e a s e ds i z eo fc o l u m n ss e c t i o n b e c a u s eo fb i ga x i a lc o m p r e s s i o na n dl i m i t so fa x i a lc o m p r e s s i o nr a t i o t h i sn o to n l y a f f e c t ss e r v i c ef u n c t i o n ，b u ta l s om a yb e c o m es h o r tc o l u m n sw h o s es e i s m i cb e h a v i o ri s p o o r 1 1 1 ec o m p o s i t es t r u c t u r eo fs t e e la n dc o n c r e t eh a sd e v e l o p e df a s ti no u rc o u n t r yi n r e c e n td e c a d e s i t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n dt e c h n i c a le c o n o m i c a li n d e xm a k ei th a v ea w i d e rr a n g eo fa p p l i c a t i o n s an e wc o m p o s i t ec o l u m ni sd e s c r i b e di n t h i sp a p e r , w h i c hi s n a m e dp a r t i a l l ye n c a s e dc o m p o s i t e ( p e c ) c o l u m n t 1 1 en e wp a r t i a l l ye n c a s e dc o m p o s i t e c o l u m nc o n s i s t so faht y p es t e e lc o l u m nw i t hs t e e lt i eb a r sw e l d e db e t w e e nt h ec o l u m n f l a n g et i p sa n dt h ec o n c r e t ei s i nt w ob l o c k ss e p a r a t e db yt h ew e b ，n l ec o l u m nh a s a d v a n t a g e so ft h ei n - p l a n tp r e f a b r i c a t i o no fs t e e l ，t h eq u i c ka n dc o n v e n i e n tc o n c r e t e f o r m w o r ka n dp o u r i n ga n dt h ef i r er e s i s t a n c ep r o p e r t y i no r d e rt or e s e a r c ht h i sn e wc o m p o s i t ec o l u m n ，i nt h i st e x t ，r e s e a r c hi sc a r r i e do nf i v e hs t e e lp a r t i a l l ye n c a s e dc o m p o s i t ec o l u m n s ，u n d e rl o wf r e q u e n c yc y c l i cl o a d t h e p a r a m e t e r si n c l u d er a t i oo fa x i a lc o m p r e s s i o nf o r c e 、s t e e lr a t i oa n ds l e n d e m e s sr a t i o t l l e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep a r t i a l l ye n c a s e dc o m p o s i t ec o l u m n sh a v et h ep l u m p h y s t e r e t i cc u r v e ，n os i g n i f i c a n tr e d u c t i o no ft h ep i n c hp h e n o m e n o n ；g o o dd e f o r m a t i o n a b i l i t ya f t e rt h es p e c i m e n sr e a c h e su l t i m a t el o a d s ，t h ed u c t i l i t yc o e f f i c i e n t sa r eb e t w e e n 3 4 0 a n d4 4 0 t h ec o l u m n sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fd u c t i l es p e c i m e n s ；t h er i g i d i t y d e g r a d a t i o no fc o l u m n si sl o w ，t h es p e c i m e n sh a v eg o o de n e r g yd i s s i p a t i o nc a p a c i t y ；t h e r e s u l t si n d i c a t et h a ths t e e lp a r t i a l l ye n c a s e dc o m p o s i t e ( p e c ) c o l u m nh a se x c e l l e n t e a r t h q u a k er e s i s t a n tp r o p e r t i e s b ya n a l y z e d ，a x i sp r e s s u r ec o e f f i c i e n to nt h ei m p a c to f s e i s m i cp e r f o r m a n c ec o m p o n e n ti st h em o s ts i g n i f i c a n t b a s e do ns o m eb a s i ca s s u m p t i o n ， l i m i t e dv a l u e so fa x i a lc o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n to fhs t e e lp a r t i a l l ye n c a s e dc o m p o s i t e c o l u m n sa r ep u tf o r w a r dt h r o u g hc a l c u l a t i n g b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，a c c o r d i n gt oc o n s t i t u t i v er e l a t i o n so fm a t e r i a l s ，t h e r e l a t i o n s h i po fm o m e n ta n dc u r v a t u r e i sd e r i v e db yt h em e t h o do fd i v i d i n gs t r i p s ， c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t ；t w or e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n t k e y w o r d s ：w e l d e dh - s e c t i o ns t e e l ；p a r t i a l l ye n c a s e dc o m p o s i t es t u bc o l u m n ；h y s t e r e t i c c u r v e ；d e f o r m a t i o nc a p a c i t y ；e n e r g yd i s s i p a t i o nc a p a c i t y 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 磕切嗍 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着我国经济的发展，建筑物的高度不断增加，传统的钢筋混凝土结构已经不能 适应这种发展的需要。由于高层建筑底部柱子轴力很大，如仍采用钢筋混凝土柱，因 受轴压比限制，柱截面必然很大，这一方面会减少使用面积，另一方面也易形成短柱， 降低柱子的延性。为了解决上面的问题，工程中常采用钢一混凝土组合柱，如型钢混凝 土柱和钢管混凝土柱i l l 。在型钢混凝土柱中，型钢被包裹在混凝土中，提高了柱子的 抗剪能力；而在钢管混凝土柱中，钢管对混凝土施加连续的约束作用，提高了混凝土 的抗压强度并显著改善了混凝土特别是高强混凝土延性差的特性【z 】。综合考虑型钢混 凝土柱和钢管混凝土柱的优、缺点，本文提出了一种重载柱设计的新模式，部分包裹 混凝土组合柱。该组合柱是在h 型钢翼缘间浇筑混凝土，通过型钢和混凝土的协同 工作，达到提高柱子的承载力、延性以及耐火性能的目的。 1 1 概述 1 1 1 型钢混凝土组合结构的特点 型钢混凝土( s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，简称s r c ) 结构，又被称为钢骨混凝土结 构，是以型钢为钢骨并在型钢周围配置钢筋和浇筑混凝土的埋入式组合结构体系，构 件是钢和混凝土两种材料的组合体，由混凝土、型钢、纵向钢筋和箍筋组成【3 4 1 。这 种结构体系在日本称之为钢骨混凝土结构( s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e ) ，在英、美等西 方国家称之为混凝土包钢结构( s t e e le n c a s e dc o n c r e t e ) ，在前苏联则称之为劲性钢筋混 凝土结构，其构件中的型钢是轧制或焊接成型的，分为实腹式和空腹式两种。在抗震 结构中多采用实腹式s r c 构件，常见的实腹式型钢混凝土柱内型钢芯柱的截面形式 如图1 1 所示l 5 l ： ( b )( c )( d ) 图1 1 常见型钢混凝土柱截面形式 内蒙古科技大学硕士学位论文 s l k 结构中的型钢与混凝土共同作用，可以发挥钢材良好的抗拉性能和混凝土 良好的抗压性能，从而使两种材料的强度都能够得到充分的利用【3 】。 实腹式型钢混凝土构件制作简单，承载力大，抗震性能好；空腹式型钢混凝土构 件比较节省材料，但制作费用较高，抗震性能比普通钢筋混凝土构件稍好【6 】。以下主 要对实腹式型钢混凝土构件进行研究，其具有如下特性： ( 1 ) 与传统的钢结构相比 1 ) 型钢混凝土构件的外包混凝土可以防止型钢的局部屈曲，提高构件的整体刚 度，显著改善型钢平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。 2 ) 采用型钢混凝土结构可比纯钢结构节约钢材约5 0 以上【7 ，8 】。 3 ) 包裹在型钢外面的钢筋混凝土不仅在刚度和强度上发挥作用，而且可以取代 钢结构外涂的防锈和防火材料，增加结构耐久性，并节省经常性维护费用。 ( 2 ) 与钢筋混凝土结构相比 1 ) 型钢的配置使构件的承载力大为提高，截面中的型钢和混凝土协同工作，共 同承担荷载，使得型钢混凝土构件的承载力高于同样截面尺寸的钢筋混凝土构件的承 载力，因此可以减小构件截面尺寸。在高层建筑中，构件截面的减小可以增加建筑使 用面积和净高，同时也减轻了建筑物自重，经济效益可观。 2 ) 型钢混凝土结构韧性大，延性好，抗震性能优良。 3 ) 型钢混凝土构件中由于型钢的存在，施工时混凝土浇筑工作有一定困难。 1 1 2h 型钢部分包裹混凝土组合柱的特点 h 型钢部分包裹混凝土组合柱( 简称p e c 柱) 是指由焊接h 型钢在两翼缘之间浇 筑混凝土而形成，同时在两翼缘之间焊接一定数量的横向系杆，是钢与混凝土组合结 构的一种新型构件9 1 ，截面形式如图1 2 所示。 t f 厂焊接h 型钢 一一t 。 ， a 一 4 i 一 b - 图1 2p e c 柱截面形式 r i j i 刮j i l 内蒙古科技大学硕士学位论文 h 型钢部分包裹混凝土组合柱的力学性能、耐火性能等要优于钢结构和钢筋混凝 土结构。因为柱中的型钢已经起到了钢筋混凝土的受力纵筋、箍筋和模板的综合作用， 克服了钢筋混凝土结构抗拉强度低的弱点；而混凝土又对钢结构稳定、刚度和强度进 行了加强，同时裸露在外的钢截面面积减少，耐火性能要比钢结构好。如果再采取一 定的构造措施，例如在型钢翼缘间焊接横向钢筋，一方面可以加强对混凝土的约束， 另外还可以减轻在混凝土压碎后型钢翼缘发生局部屈曲的程度。因此，型钢部分包裹 混凝土组合结构，特别是应用于柱构件时，能够节约模板、缩短工期，发挥了钢结构 和钢筋混凝土结构各自的优点，其应用前景应该是十分值得期待的。 1 1 3 国内外h 型钢部分包裹混凝土组合柱的应用 由部分包裹混凝土组合柱和钢梁组成的框架特别适合建造高层和超高层，与高层 钢结构相比，由于混凝土承担了一大部分荷载，从而可以大大的减小柱子的截面尺寸， 增加房间的使用面积。在国外，特别是欧洲和北美一些国家对这种结构研究的比较深 入，并且已经将研究成果编入了相关的规范当中。 在国内，一般将p e c 组合结构称为外包h 型钢结构，属于外包钢结构中的一种 形式。而外包钢结构，简称为s e r c ，这一概念是1 9 9 4 年，原冶金部建筑研究总院 钢结构所的陈云波与清华大学合作，辅导4 个毕业生做设计时提出的，他的研究生马 重辛对u 形薄壁钢梁填充混凝土的弯曲性能进行了研究，这种u 形薄壁钢梁填充混 凝土的形式也属于s e r c 结构，此项技术近几年应用到了我国的钢结构住宅建设中 0 0 l o 从国内的文献来看，西安建筑科技大学【l i 】曾经做过外包h 型钢混凝土梁的试验 研究。文献【1 1 】共制作了三个试件，钢梁采用的是热轧h 型钢，试件在制作过程中采 用在腹板上穿孔将箍筋穿过后对接点焊的方式，混凝土的浇筑采用的是先浇筑一侧待 达到一定强度以后再浇筑另一侧的方式，详见文献 1 1 】。作者结合试验研究情况，利 用传统的弹性力学理论，分别研究了外包型钢混凝土梁的正截面承载力、刚度变形能 力和在裂缝方面的性质，同时还建立了有限元分析模型，提出了相关的计算公式并进 行了对比。 1 2 研究课题的提出 1 2 1 型钢混凝土柱的抗震性能研究现状 ( 1 ) 国内的主要研究概况 西安建筑科技大学【1 2 l 、华侨大学【1 3 】、西南交通大学 1 4 l 、内蒙古科技大学【1 5 】东 内蒙古科技大学硕士学位论文 南大学【1 6 】先后进行了一些型钢混凝土柱构件的研究。其中西安建筑科技大学【1 2 】分析 了剪跨比、轴压比、配箍率以及混凝土强度对型钢高强混凝土柱延性的影响，提出了 不同剪跨比、不同配箍率的型钢高强混凝土柱的轴压比限值；华侨大学【1 3 】在型钢混凝 土结构基础上提出核心型钢混凝土结构，并对核心型钢混凝土结构研究意义进行概要 分析；东南大学【l6 】从钢骨混凝土柱界限破坏时内力的平衡条件出发，推导出了钢骨混 凝土轴压比限值计算的一个新公式，并简化后提出了其实用计算公式。内蒙古科技大 学u5 j 根据材料的本构关系，采用条带划分的方法对钢骨高强混凝土柱的弯矩一曲率关 系进行了数值分析，给出轴压力系数限值计算公式。 大连理工大学【i7 】进行了钢骨短柱抗震试验，对此类柱的破坏形态及受力性能进行 了研究，在此基础上提出了实用的承载力计算近似公式，之后又对此进行了有限元数 值分析；西南交通大学【l8 j 对空腹桁架式型钢混凝土框架柱和普通钢筋混凝土框架柱进 行往复加载对比试验，给出空腹桁架式型钢混凝土框架柱的抗震设计建议。 ( 2 ) 国外的主要研究概况 国外也进行了许多型钢混凝土柱构件抗震性能的研究：s s w a d d i w u d h i p o n g 和 d j i a n d 憎j 研究了钢筋混凝土梁( r c b e 锄卜一型钢混凝土柱( s r c c o l 啪节点的滞 回性能。内容包括8 个试件加载至破坏：观察到三种破坏模式：弯曲破坏、梁弯剪破 坏、节点剪切破坏。结果表明该类型节点的耗能力依赖于破坏模式和轴压力水平。通 过非线性有限元分析提出一个考虑了型钢截面、箍筋、柱轴压比的节点抗剪模型。 j u n i c h is a k a i 和c h i a k , im a t s u i t 2 d j 对实腹式h 型钢混凝土柱的滞回性能进行了研究。选 择型钢尺寸、材料强度、配箍率、轴压比作为计算参数，通过弹塑性分析研究了骨架 曲线，讨论了各个参数对强度退化和刚度退化的影响作用。l e etk 和p a i l a d e 【2 1 】 提出一个适用的型钢混凝土梁柱滞回模型，它具有较高的可靠性和计算效率。该模型 将截面离散化为钢筋单元、型钢单元、混凝上单元，引入非线性材料本构关系，并考 虑可能出现的纵向钢筋失稳。最后将计算结果同循环加载及拟动力试验结果进行比 较，验证了其可靠性。h s u , ，h l ，w a n g ，c l 【2 2 】主要研究了型钢混凝土构件在弯扭 反复作用下的受力性能。其中试验了三种不同截面特性共1 4 个试件。结果表明：中等 水平的扭矩即可大大降低构件的抗弯承载力。 1 2 2 型钢混凝土柱的抗震性能指标 由于型钢混凝土结构的特殊性，各国有关型钢混凝土结构理论也不尽相同，而是 分为偏向钢结构的允许强度理论和偏向钢筋混凝土结构的极限强度理论，但在对型钢 内蒙古科技大学硕士学位论文 混凝土结构的抗震性能研究中则都参照了钢筋混凝土结构的理论。自2 0 世纪5 0 年代 起，日本等国就开始了对钢骨混凝土结构抗震性能的试验研究，近年来，我国也进行 了一系列的试验研究工作，并取得了一定成果。研究结果表明，影响型钢混凝土柱抗 震性能的主要因素为：剪跨比、轴压比、配箍率、含钢率等。 ( 1 ) 剪跨比的影响 剪跨比是反映柱截面所承受的弯矩与剪力相对大小的一个参数，框架柱的剪跨比 u 常近似表示为兄= 导( h 。：柱净高，h o ：柱截面有效高度) z ，z d 剪跨比对柱抗震性能的影响主要表现在两个方面【2 3 】： 1 ) 剪跨比对柱破坏形态的影响 当剪跨比很小( 旯 1 5 ) 时，一般发生剪切斜压破坏。在剪力作用下，柱受剪平面 出现对角线方向的斜裂缝，随着反复荷载作用，形成交叉斜裂缝，将柱身分割成矩形 或菱形块，最后因混凝土保护层被压碎而剥落，柱宣告破坏。 当1 5 0 4 o 5 时，( n 为轴力设计值，n 。为型钢混凝土柱轴 0 。 心受压承载力n o = f 。b h + 丘彳鼯) 型钢混凝土柱的抗震性能显著降低。研究表明，影 响型钢混凝土柱延性的主要因素是柱中钢筋混凝土部分的轴压比，而在型钢混凝土柱 中，由于型钢分担了部分轴力，可以有效减小混凝土部分的轴压比，提高柱的抗震性 能。因此，为考虑型钢承担的轴力，对于型钢混凝土柱，轴压比限值改用轴压力限值 内蒙古科技大学硕士学位论文 表示。日本规范规定型钢混凝土框架柱轴压力限值n 必彳。+ 2 丘彳鹤) 。式中系数 反映了钢筋混凝土部分的轴压比限值，与日本钢筋混凝土结构规范规定的轴压比 ，j 限值是一致的：型钢项前的系数考虑了破坏阶段在荷载长期作用下，钢筋混凝土 - j 部分轴力向钢骨部分转移的影响。 日本钢筋混凝土规范的材料指标和荷载取值体系与我国设计方法不同，因此上式 不能直接用于我国的型钢混凝土结构设计。 根据我国的试验研究2 6 1 ，型钢混凝土柱的轴压力限值可表示n , , c c o a 。+ z 。凡) 式中1 1 为轴压力系数限值设计值。 由此可见，可通过控制型钢混凝土柱的轴压力系数限值来控制其轴压力的大小， 因此，对型钢混凝土柱而言，轴压力系数限值是影响其抗震性能的重要因素。 表1 1 为钢骨混凝土结构设计规程( y b 9 0 8 2 9 7 ) 对钢骨混凝土柱轴压力系数限 值设计值所作的具体规定。 表1 1 钢骨混凝土柱的轴压力限值系数胛 ( 3 ) 用钢量的影响 彳 型钢混凝土柱的用钢量是指内埋型钢面积与构件全截面积之比，即麒= 鲁。 。 6 矗 已有的试验结果表明1 27 j ：用钢量越大的型钢混凝土柱，其抗震性能越好。但是， 型钢混凝土柱的用钢量也有一定限制，若过小，则体现不出型钢的作用，承载力提高 不多，受力性能接近于普通钢筋混凝土柱；若用钢量过大，则一方面造成施工时混凝 土浇筑困难，另一方面由于型钢截面尺寸过大造成混凝土保护层过小，影响型钢和混 凝土的粘结作用，使其难以共同工作，易产生粘结失效破坏【2 引。因此，各国对型钢混 凝土构件中的用钢量均有所规定：美国钢结构学会认为【2 6 1 ，型钢混凝土构件中的用钢 量麒不得小于4 0 ，否则按钢筋混凝土构件计算；日本规范规定【2 9 】型钢混凝土构件 用钢量不应小于8 0 ；而钢骨混凝土结构设计规程从我国钢骨混凝土结构的工 程应用出发，规定钢骨混凝土构件( 梁、柱) 用钢量浮动范围为2 1 5 。 ( 4 ) 配箍率的影响 钢筋混凝土柱在轴压比相同的情况下，位移延性系数随配箍率的提高而增加。根 据已有的试验【3 0 3 1 1 ，型钢混凝土柱的位移延性系数也随配箍率的提高而增加，因此， 配箍率对型钢混凝土柱的抗震性能具有一定的影响。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 2 3 本课题的提出 在型钢混凝土构件中，所有型钢都被包裹在混凝土中，能够提高柱子的抗剪性 能1 3 z 。混凝土则增加了型钢的刚度和抗局部以及整体的屈曲能力，同时也提高了钢材 的耐久性和柱子的耐火性能。其缺点是混凝土浇筑需要大量的模板，梁柱节点处理过 于复杂，同时需配置箍筋以防止混凝土的剥落，给施工造成不便。与型钢混凝土构件 相比较，配置h 型钢的这种部分包裹混凝土组合柱具有浇筑混凝土方便快捷，节省 模板，梁柱节点易于处理等优点。 另外，由于国内外已有对p e c 柱的轴心受压，单向偏心受压和双向偏心受压进 行了研究，为了更深入地了解此类构件的受力性能，我们提出了首先对焊接h 型钢 部分包裹混凝土组合短柱抗震性能研究的课题。由于国内对这种部分包裹混凝土组合 结构的研究还很少，所以本课题的提出具有很重要的意义，通过初步的研究可以为以 后的进一步研究提供一定的基础，为制定相应的组合结构技术规范提供必要的依据。 1 3 本课题的主要研究内容及创新点 本文的主要工作是对不同轴压力系数、含钢率和剪跨比的5 个试件进行试验研究， 完善h 型钢部分外包混凝土柱抗震性能的计算理论，促进这种新型构件的应用。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 揭示在这三种参数变化的情况下h 型钢部分包裹混凝土柱的破坏模式、破坏 特点及极限承载力； ( 2 ) 根据试验结果，研究h 型钢部分包裹混凝土柱的滞回特性、承载能力、变形 能力、刚度退化、耗能能力、强度退化，分析不同的试验参数对试验结果的影响，并 对其抗震性能做出评价； ( 3 ) 在试验研究的基础上，结合理论分析给出h 型钢部分包裹混凝土短柱轴压力 系数限值的近似计算方法； ( 4 ) 根据材料的本构关系，采用条带划分的方法对h 型钢部分包裹混凝土柱的弯 矩一曲率关系进行全过程分析，并与试验结果进行比较。 本文的创新点： ( 1 ) 首次对h 型钢部分包裹混凝土短柱进行抗震试验研究，分析了低周反复荷载 对构件抗震性能的影响； ( 2 ) 提出h 型钢部分包裹混凝土短柱轴压力系数限值的近似计算方法。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2p e c 组合短柱轴压力系数限值的计算 试验研究和工程实践表明，轴压比是影响框架柱破坏形式、变形能力和抗震性能 的重要因素。在钢筋混凝土框架柱中，当轴压比超过一定限值时，无论配筋率如何提 高，框架柱的延性都不能得到明显改善。这主要是因为在高轴压比下，框架柱承受水 平荷载前已因为高轴力的存在而产生了较大的预压应变，预压应变使柱截面的塑性转 动能力大大降低、延性变差。而如果在设计中轴压比定得太低，虽然可以较好地控制 柱的破坏形态，构件延性也较好，箍筋用量较少，但是，柱截面的尺寸也将因此变大， 而且有可能导致短柱的形成，反而降低柱的延性。故确定一个合适的轴压力系数限值 对h 型钢部分包裹混凝土柱的抗震性能和延性而言非常重要。 2 1 混凝土、钢材的本构关系 2 1 1 混凝土的本构关系 关于混凝土的应力一应变关系，从2 0 世纪5 0 年代开始，国内外就有许多研究， 描述混凝土本构关系模型的文献也很多，具体归纳如下【3 3 】： ( 1 ) 基于曲线适度法、插值或数学函数得出的应力一应变关系模型； ( 2 ) 以弹性力学为基础得出的本构关系模型； ( 3 ) 以塑性力学为基础得出的本构关系模型； ( 4 ) 塑性断裂理论： ( 5 ) 内时理论等。 混凝土的应力一应变关系曲线的形状和特征是混凝土内部结构发生变化的外部 标志。采用不同的混凝土本构关系模型，对混凝土破坏机理的分析以及极限承载力的 计算存在一定的差异。为计算和分析的方便，多以德国r u s c h 建议的而被国内外广泛 采用的应力一应变关系模型【3 3 】作为混凝土的本构关系模型。如图2 1 所示。 应力一应变关系为： g 6 0 s o s s u 式中：五为混凝土棱柱体抗压强度： 氏相应于极限抗压强度时的应变，取岛= 0 0 0 2 ： 占。为混凝土的极限压应变，取占。= 0 0 0 3 5 ： 8 - 1j 一、， 占一岛 ，。一 一 搪一岛 五 五 = = 仃 仃 内蒙古科技大学硕士学位论文 o 岛毛 图2 1 混凝土的本构关系图2 2 钢材简化的本构关系 2 1 2 钢材的本构关系 由于在加载后期h 型钢部分包裹混凝土柱系杆外围保护层混凝土不断剥落，受 压钢骨翼缘可能发生局部屈曲。因此，钢材简化的本构关系【3 5 】如图2 2 所示。 则应力一应变关系为： 仃= e 占( 0 e - - - - - e ，) 盯- - lb ， 詈 、 i【、2 i 艿 i i pi b i i 4 l i 厂 i互 i 图3 4 试验加载装置图 1 反力墙2 反力架3 试件4 压梁5 传感器6 传感器7 拉压千斤项8 竖向千斤项9 滑动滚轴 3 眈加载制度 试验时，首先取竖向荷载的1 0 进行预加载，然后加载到预定荷载并一直保持到 试验结束。正式试验前预加水平荷载一次，以检查加载设备和测量仪器是否正常工 作。水平荷载采用力一位移混合控制加载，屈服前按荷载分级控制，每级约为3 t ，循 环一次；屈服后采用位移控制，每级约为0 3 倍的屈服位移，循环三次，直至试件破 坏。试验加载制度如图3 5 所示。 图3 5 试验加载制度图 循环次数 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 5 3 测点布置 ( 1 ) 应变片的布置： 1 ) 型钢翼缘板上应变片的布置方式为：在试件基座顶面上l o o m m 处和2 0 0 m m 处h 型钢翼缘板的边缘各布置4 枚纵向应变片，以得到翼缘板的应变一荷载关系曲 线。见图3 6 ： 2 ) 型钢腹板上应变片的布置方式为：在试件基座顶面上l o o m m 处和2 0 0 m m 处 腹板上均匀布置了3 枚纵向应变片。 3 ) 系杆应变片的布置为：在试件基座顶面上2 0 0 m m 处箍筋中间位置布置l 枚 应变片。 4 ) 混凝土应变片的布置为：在试件基座顶面上l o o m m 处和2 0 0 m m 处混凝土侧 面各布置2 枚纵向应变片。 图3 6 测点布置图 靴 翼缘应变片 8 k 腹板应变片 o 细杆应变片 孰 上l 翼缘应变片 2 2 ( 2 ) 位移计的设置： 1 ) 测量柱头位移的位移计的设置：在试件顶部侧面安装测量水平位移的位移计 2 个。试件顶部的位移计是通过在h 型钢翼缘端加焊钢筋棍，挂一个带重锤的玻璃片， 玻璃片垂直水平地面，将位移计顶在玻璃片上即可。 2 ) 测量基座位移的位移计的设置：在基座端部安装测量水平位移的位移计1 个。 直接在基座端部贴玻璃片，将位移计顶在玻璃片上即可。 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 试验结果与分析 4 1 试验过程描述 为了便于描述试验现象，规定加载端所在一侧为h 型钢的前侧，与之相对一侧 为h 型钢的后侧，加载端的左右两侧分别为h 型钢两翼缘之间两混凝土侧面。规定 如图4 1 所示。 图4 1p e c 柱四个侧面规定 ( 1 ) p e c 1 试验过程 试验初期先按力控制加载，按3 t ，6 t ，9 t ，逐级加载。当p 滞回曲线出现拐点时 判定柱屈服，此时的位移为屈服位移。，然后按位移控制加载，位移增量为0 2 a 一 加载到0 4 。时，h 型钢翼缘两侧出现微小的鼓曲，鼓曲位置距基座大约5 0 m m ，在 反向加载的过程中鼓曲被拉平。随着位移的继续增加，前后侧鼓曲的程度和范围在逐 渐增大。加载至1 6 a 。时，混凝土面柱根区形成水平弯曲裂缝，随着荷载的增加，水 平裂缝不断发展，并伴有细小的斜裂缝产生，但斜裂缝相对于水平裂缝发展较慢。在 接近最大位移荷载时，水平裂缝不断发展、贯通，横向系杆保护层与h 型钢翼缘接 触处混凝土开始剥落。h 型钢翼缘也出现了比较明显的鼓曲。加载至2 0 。时，整个 柱根部出现了严重的鼓曲变形，试件根部附近横向系杆间的混凝土压碎，此时水平荷 载已经下降到极限荷载的8 5 以下，试验终止。试件的破坏形态见图4 2 。 ( 2 ) p e c 2 试验过程 经检查试件p e c 2 上各个应变片，传感器和三个位移计都能正常工作。试件 p e c 2 与p e c 1 不同之处在于含钢率，即h 型钢的翼缘厚度不同，其余参数均相同。 试验初期，柱顶水平荷载较小，试件处于弹性受力阶段。当函数记录仪上p 曲 线出现拐点时判定柱屈服，开始按位移控制加载，位移增量为o 3 。加载到1 6 a ， 时，柱根部h 型钢两侧翼缘出现微小鼓曲，同级反向加载时钢板受拉而恢复成平面， 同时在柱根部弯矩最大截面处混凝土面出现水平裂缝。随着位移的逐级增加，翼缘鼓 曲程度与范围随之增加，混凝土水平裂缝不断发展，并伴有细小的斜裂缝产生。加载 到1 9 。时，h 型钢两侧翼缘的鼓曲已经非常明显，鼓曲变得不可恢复，同时有混凝 土碎裂的声音，加载至2 2 a 。时，整个柱根部出现了严重的鼓曲变形，试件根部附近 内蒙古科技大学硕士学位论文 横向系杆间的混凝土压碎，此时水平荷载已经下降到极限荷载的8 5 以下，试验终止。 试件的破坏形态见图4 3 。 ( 3 ) p e c 3 试验过程 在力控制加载时，h 型钢翼缘未见鼓曲，混凝土没有裂缝产生。当p a 曲线出现 明显拐点时，开始按位移控制加载，位移增量为0 3 5 。加载到1 7 a 。时，h 型钢 翼缘发生鼓曲，柱根部有微小的水平斜裂缝产生。加载到2 0 5 。时，听到柱根混凝 土发出脆裂声，伴有水平裂缝和斜裂缝产生。随着加载位移的增大，水平裂缝贯通、 保护层混凝土剥落，h 型钢翼缘鼓曲明显，鼓曲的位置距基座约5 0 m m 处。加载到 2 7 5 。时，水平荷载大幅度下降。水平荷载下降到极限荷载的8 5 以下，试验终止。 由于轴压力系数的增大，p e c 3 与p e c 1 相比鼓曲的程度增加，鼓曲范围增大，试件 的破坏形态见图4 4 。 ( 4 ) p e c 4 试验过程 试件p e c 4 与p e c 3 相比，含钢率不同，即h 型钢的翼缘厚度不同，其余参数 保持不变。加载初期柱处于弹性阶段，没有明显的变形。当p a 曲线上出现拐点后， 由位移控制加载，位移增量为0 3 。加载到2 2 。时，h 型钢两侧翼缘的鼓曲已经 非常明显，鼓曲变得不可恢复，同时有混凝土碎裂的声音，加载至2 8 。时，整个柱 根部出现了严重的鼓曲变形，试件根部附近横向系杆间的混凝土压碎，整个柱身已形 成一条贯通的斜裂缝，并且柱根区的混凝土保护层大面积剥落。此时水平荷载已经下 降到极限荷载的8 5 以下，试验终止。由于含钢率的增大，p e c 4 与p e c 2 相比鼓 曲的程度，鼓曲范围减小。试件的破坏形态见图4 5 。 ( 5 ) p e c 5 试验过程 试件p e c 5 与p e c 3 相比，剪跨比不同其余参数相同。由于试件5 的水平力作 用加载点升高，所以加载装置高度重新调整。试验初期先按力控制加载，按3 t ，6 t ，9 t 逐级加载。当p a 滞回曲线出现拐点时判定柱屈服，此时的位移为屈服位移。，然 后按位移控制加载，位移增量为o 3 5 。加载到1 7 a 。时，h 型钢翼缘均发生鼓曲， 柱根部有微小的水平斜裂缝产生。加载到2 7 5 。时，连续听到混凝土被压碎的响声， 柱根部h 型钢翼缘发生了严重的鼓曲，沿柱身产生数条贯通的水平裂缝，柱根区的 保护层混凝土开始剥落。水平荷载大幅度下降，水平荷载下降到极限荷载的8 5 以下， 试验终止。由于剪跨比的增大，p e c - 5 与p e c 3 相比鼓曲的程度增加，鼓曲范围增大。 试件的破坏形态见图4 6 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 2 破坏形态 从5 个试件的试验现象可以得出： ( 1 ) 承受低周反复荷载作用的试件，破坏形态大致相同。柱根部h 型钢翼缘出现 严重鼓曲，鼓曲部位的核心混凝土被压碎，鼓曲的位置大约距基座5 0 r a m 左右。 ( 2 ) 轴压力系数( o 2 5 ) 的试件与轴压力系数( 0 1 5 ) 的试件相比，h 型钢翼缘开始发 生鼓曲后，鼓曲发展程度增加较快，破坏时鼓曲严重。 嗍 剧 匿 阻4 6 试件p e c - $ 破坏现象 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 3h 型钢部分包裹混凝土短柱抗震性能分析 4 3 1 荷载位移滞回曲线 j i 镳愿 羧 毖二。， r k 目 ” 黪?，旅 ”徽 纱赢 么熊 鹾 矽；a 赢 兹黪 1 缓 驴“锚 ，兹蹶 ”缮 ”一1 5 图t 7p a 滞回曲线 内蒙古科技大学硕士学位论文 由图4 7 可知，荷载一位移滞回曲线具有以下特征： ( 1 ) 在屈服之前，试件处于弹性阶段，p 曲线基本呈线性变化，循环一次所形 成的滞回曲线的面积较小，加载和卸载时的刚度都没有较大变化。 ( 2 ) 试件屈服以后，试件开始进入弹塑性阶段，加载与卸载时的刚度逐步降低， 并且随着循环次数的增加，降低的程度在加快，滞回曲线的面积逐渐增大。 ( 3 ) 达到最大荷载后，加载与卸载时的刚度进一步降低，随反复荷载次数增加， 塑性铰的转动能力不断增强，滞回环的面积增大，滞回环形状愈加饱满。 结果表明，h 型钢部分外包混凝土短柱滞回曲线饱满，没有明显的捏缩现象。随 着轴压力系数的增加，滞回曲线的饱满程度降低，滞回环所包围的面积明显减小。达 到最大荷载后，承载力衰减迅速，极限变形和荷载循环次数都明显小于轴压力系数小 的试件。随着含钢率的增加，滞回曲线更加饱满，因此具有良好的抗震性能。 4 3 2 应变分析 ( 1 ) 横向系杆应变 在h 型钢部分包裹混凝土柱中，系杆的配置主要是对柱核心混凝土提供更为直 接、有效的约束作用，使该部分混凝土得到加强而不至于过早脱落，从而使型钢与混 凝土更好地协同工作。 试验中实测横向系杆应变如表4 1 所示( 因p e c 1 系杆应变片损坏，表中未列) 。 表4 1 实测系杆应变 注：应变单位为( 雌) 。 由图4 8 可知，在试件达到屈服荷载之前，系杆处于弹性状态，随着水平荷载的 增大应变值增加的较小。过屈服荷载后，应变急剧增加。试件p e c - 4 的系杆应变比 试件p e c 2 的应变数值大，增长也较快，这与两试件的参数特征有关。试件p e c - 4 比试件p e c 2 的轴压力系数大，除此之外，其它参数均相同。轴压力越大，系杆对 混凝土的约束力越大，系杆应变值就越大。在临近破坏、系杆外混凝土剥落后，柱核 心混凝土由于受约束较好，不产生剥落，仍能够与钢骨共同工作。由此可见，在h 钢部分包裹混凝土柱中，系杆对核心混凝土具有一定的约束作用。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 2 ) h 型钢翼缘应变 由图4 9 可知，同样荷载时，试件p e c 4 的型钢应变比试件p e c 3 的应变数值 小，增长较慢，这与两试件的参数特征有关。试件p e c 4 比试件p e c 3 的含钢率大， 除此之外，其它参数均相同。在加载初期型钢和混凝土的应变线性增长，但混凝土因 为出现塑性变形，弹性模量渐减，其承担的轴压力增长幅度逐渐减小。故型钢承担的 轴压力部分加大。在加载的后期，h 型钢翼缘已达到屈服，应变增长较快，但应力维 持不变。轴压力全部由混凝土承受，混凝土的应力加速增长，直到其抗压强度值。混 凝土达到峰值应变后，型钢的应力仍维持不变，混凝土的应力随应变的增大而减小， 当应变达到很大值时，混凝土残余强度接近零，柱的承载力由型钢控制。故柱中型钢 承担的荷载较大，含钢率越大，对应的屈服荷载越大。 0蜘1 仰1 5 1 0 蕾姗 0锄1 0 0 0 如锄笛姗娜 0 蜘 1 0 0 0 1 5 拙娜锄 0锄 1 0 0 0 1 锄揶 图4