核心型钢混凝土柱抗震性能试验

核心型钢混凝土柱抗震性能试验研究摘要：本文通过对5个1/2比例模型柱试件的低周反复加载试验，研究在高轴压比下配置核心型钢对钢筋混凝土柱的抗震性能的影响。主要研究参数包括轴压比、型钢配钢率和混凝土强度等级。试验结果表明，配置核心型钢能够显著提高混凝土柱的变形能力和耗能能力，并且使混凝土柱在大变形下的轴向承载能力趋于稳定，提高结构在强烈地震下的抗倒塌能力。关键词：核心型钢混凝土柱，抗震性能，试验研究，轴压比1引言核心型钢混凝土结构(CoreSteelReinforcedConcrete，简称CSRC)是指在普通钢筋混凝土柱截面核心设置含钢率较低的实腹式型钢所形成的新型结构形式。这种结构形式可有效的提高大轴压比下抗震性能较差的RC柱的轴压比限值，减小柱截面尺寸并避免出现短柱。同时，由于核心型钢配钢率较低(2~3%)、型钢截面高度较小，梁的纵筋可方便的在节点区贯通，避免在型钢上打孔，降低施工难度。另外，该结构形式的防火性能较好，可以大大节省防火涂料的造价。总之，核心型钢混凝土结构是一种有较大发展潜力和经济效益的结构形式。国内外关于核心型钢混凝土柱的研究报告还很少，文献[1]进行了8个核心型钢混凝土柱试件的低周反复加载试验，核心工字钢截面高度为1/3试件截面高度。研究结果表明，当配钢率为1.62%时，CSRC柱有较好的变形性能和耗能能力，而当配钢率为3.2%时，试验得到的滞回曲线与普通SRC结构的滞回曲线很接近。文献[2]开展的钢管高强混凝土叠合柱研究与核心型钢混凝土柱有类似的作用，他们研究了核心钢管混凝土部分和外围叠合混凝土部分之间的轴力分配，讨论了各主要参数对上述轴力分配关系的影响，最后在对大量计算结果进行分析的基础上，建议了相应的设计名义轴压比限值。在国内，关于CSRC结构或构件的抗震性能试验和理论研究工作尚未开展，因此，很有必要对此开展系统的试验研究工作。2试验概况2.1试件设计试件截面尺寸为250mm×250mm，试件高度为750mm，以模拟施加工程中剪跨比为3的结构框架柱。试件截面配筋均采用812的HRP335钢筋，配筋率为1.81%，箍筋采用6@100，体积配箍率为0.93%。型钢采用3种截面形式，配钢率分别为1.23%、2.88%和4.88%。试件详细尺寸及截面构造见图1。试件参数汇总见表1。试验主要参数为设计轴压比、型钢配钢率和混凝土强度等级。2.2加载及量测方案2.2.1加载装置加载装置如图2所示。竖向荷载由电动液压千斤顶通过电动超高压稳压油泵作用于柱顶，前端球铰允许柱顶转动，竖向千斤顶在水平加载时可以随上部特制低摩阻滑动小车水平移动。水平力的施加通过预埋在试件中的连接件与MTS加载控制系统连接。整个加载过程通过MTS拟动力加载系统施加，采用MTS-GT控制系统控制。图1试件尺寸及截面详图250图1试件尺寸及截面详图2502502506@100加载点75011009005025050011003501100预埋的吊装孔302006@12018200型钢定位钢筋3019025030606250805530553040CSRC180301900302501030558055302506010CSRC21253019030250103030130303025010010CSRC3表1试验参数一览表博试件名称灰设计轴压比狠n液f仓’隆cu裙(得MP)滔型钢配钢率存a遵CSRC1筝0.8预24.19份1.23%趁CSRC2-养1跌1.0处24.19狐2.88%幸CSRC2-陆2暴1.0豪34.67缘2.88%尊CSRC2-亭3斧1.1蛙34.67朗2.88%巨CSRC3朴1.1跟24.19激4.88%2.2加载及量测方案2.2.1加载装置加载装置如图2所示。竖向荷载由电动液压千斤顶通过电动超高压稳压油泵作用于柱顶，前端球铰允许柱顶转动，竖向千斤顶在水平加载时可以随上部特制低摩阻滑动小车水平移动。水平力的施加通过预埋在试件中的连接件与MTS加载控制系统连接。整个加载过程通过MTS拟动力加载系统施加，采用MTS-GT控制系统控制。图3加载制度循环次数0图3加载制度循环次数01/5001/2001/501/251/701/120-1/500-1/200-1/120-1/70-1/50-1/25位移角图2加载装置示意图极2.2.负2充铃加载烂制度通试验前先施定加迅1/秧6跃预定轴向荷载撇并进行预加载积，通过对柱身陶同一截面处纵锤筋应变胁的监测，判断篮此时是否为轴晕心受力状态，山检查各试验仪麦器是否工作正拜常伏。施加水平荷匙载前，先施加队预定竖向荷载缝，并保持恒定渡。水平加载采渔用低周往复静引力加载制度，烧采用位移控制确。具体加载制解度厅如图甲3蒜所示。该2.2.剖3盟钱量测方案图4钢筋编号及应变片布置详图图4钢筋编号及应变片布置详图D9010905510ABCEFGHA1A2B2B1C1D1D2E1E2123456F2F1G1G2H2H1C2杯水平荷载和竖刊向荷载直接通桶过压力传感器末量测。更电子周位移计狂主要仁用于量测柱顶离水平力作用点返的侧向位移及箭柱底可能发生轨的滑移。钢筋乳、杏型钢殊应变采用疗3抽×肌5mm呆电阻应变片量给测穷，具体布置如赏图逢4膀和图岗5宋所示。稻纵筋应变片布挤置在柱底塑性核铰区域。箍筋撤应变片用来眨测量蜻可能发生的剪畜切变形和侧向腥膨胀。火所有力、位移摔和应变信号均殿通过骡MTS-GT醒控制系统和包DH3816催数据采集仪自请动采集。26060602606060260260365365625260625X1X2X4X3X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16图5型钢应变片布置详图菜3友鞭试验结果分析绪3.1挂试件破坏形态峡在位移角饺1/120(混6.25mm本)赴时，轴压力较驼小试件洗CSRC1撑受拉纵筋屈服剥，轴压力较大么试件秃CSRC2-卫2棚、霸CSRC2-惹3属及别CSRC3骄受压纵筋先屈廊服，对应位移娃角分别为浇1/100(张7.5mm)柏、栽1/150(杏5mm)忙和户1/100(起7.5mm)各。此后，弯曲神裂缝开始明显鸡向试件根部斜巡向发展，宽度稿不断增加。试叙件盆CSRC1番在抽1/100途位移角徒(喉7.5mm)摊时受压纵筋才幸屈服。显然，委小轴力的试件颂CSRC1(勺设计轴压比撒0.8具，实际轴力贪460.6k栋N)悼发生的是大偏不压破坏。腥邻在位移角揪1/70(1礼0.7mm)追时，所有试件腊受压区混凝土口均开始轻微起焦皮，随循环数缩及位移幅值的鲁增加，混凝土华逐渐压酥、剥婆落。试件根部息两个方向的水午平裂缝全部交芳叉、贯通。此跪时，高轴压比初的三个试件樱CSRC2-骡2偏、胆CSRC2-介3畏及侦CSRC3刊受拉纵筋相继功屈服。弯剪裂陆缝也不断发展量，在试件根部甘及中部形成大爷小不一的赵“铜X舟”披型交叉裂缝，催此时，箍筋应捡变增加较快，咱个别箍筋屈服茫。但由于型钢杜的存在，没有馆试件发生剪切姜破坏。项小在位移角奋1/50(1拼5mm)格循环时，试件泼保护层基本剥寄落，并伴有混玉凝土的压碎声只音。试件匀CSRC3挥在币1/35岔位移角苗(眯21.4mm吓)岁时保护层剥落辆，同时型钢受尘压翼缘屈服。环此时，试件承书载能力开始下乎降，但下降速肃度缓慢。在位喝移角惧1/35(2岭1.4mm)非时，所有试件债的保护层均完异全剥落，此时屠，部分纵筋应阶变采集通道已潜经溢出，试件仁CSRC2-蝇2自及槽CSRC2-坑3日受压纵筋已经买向外压屈，而窜试件星CSRC1怒及牵CSRC3秆在每1/25锋位移角业(迎30mm)荣时，纵筋才压灰屈。可见，轴疾力越大，核心半型钢配钢率越游小，纵筋越早迁被压屈。随循寿环的不断发展啊，试件根部纵踪筋最终全部向素外压屈，呈现骂“确灯笼状吼”芽破坏状态。试倘件强度和刚度屋退化开始加快详，直至试验结悬束。整个试验缘过程中，轴力轰基本保持恒定钱，没有发生突乓然降低的情况弃。这说明核心雁型钢混凝土柱铸完全可以满足膨“临大震不倒邻”救的抗震要求，欣在较大层间位钓移角下保证竖克向承载能力无刚损失或损失很晕小，保障住户裙的生命安全。答试件破坏的最妖终形态如图倒6陵所示。图6试件最终破坏形态图6试件最终破坏形态(a)CSRC2-2(b)CSRC2-3(c)CSRC3雷3.2孕滞回曲线判特征犁试验记录的试算件惰典型察滞回曲线如图键7辟所示。追通过对试件滞戚回曲线的分析伤，种可以得到使以下聪不同试验参数相的滞回特征引：碌(1)约妥初始荷载小于喇开裂荷载时，迎所有试件基本防处于弹性阶段敬，卸载后残余流变形很小。随学着位移幅值的枯增加，特别是陆纵向钢筋屈服葱后，试件进入演弹塑性阶段，酬卸载后存在一有定的残余变形弱。所有滞回曲同线在推和拉时姿均存在不同程籍度的不对称，涂部分原因是包温兴格效应造成吨的东。签繁(2)嘴锐进入弹塑性阶运段，滞回环捏婶拢现象并未出转现，滞回环非母常饱满，试件狸具有良好的塑贿性变形能力和续滞回耗能能力邻。这说明，在绝加载过程中，田无较大的剪切梨裂缝出现，从破而没有因为加盐载和卸载过程铲中斜裂缝的开汁展和闭合而导鞭致滞回环捏拢霜，试验中的现贺象也证实了这河一点。罪(3筋)亡还在绸1/3雪5围位移角吩之笛奥前，所有试汉件活(齐除锚固件失效命的净CSRC2-趟1货外快)胸在同级位移幅摊值下，各循环颤曲线基本重合起，强度和刚度臂退化很小。对克比各试件强度倦和刚度开始明诞显退化时的位韵移角，小轴压废比巴的见CSRC魄1申为吃1/2月5流，而大轴压比池的兽CSRC2-桶2把、删CSRC2-绞3稿和仅CSRC炮3亡分别册为姑1/2爬5睛、借1/3距5屈和僵1/2笨0悠。洗试件最后两个亏循环的承载力谜降低幅度精有以下特征：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)图7试件滞回曲线板试类件叼CSRC1屿(蠢设计轴压面比普0.8成)秩和叛CSRC2-且2尊(润设计轴压怠比袭1.1)的的赖最后一个循泊环笔(1/2此0煤位移角第一个诚循凉环森)贩前顽一个循用环些(1/2宏5者位移角悼的轮第三个循肥环群)瞒的承载力降低蛛比例分别钱为五53扮%酸和阔61计%恨。判而时试库件顶CSRC3心(创设计轴压慈比稳1.1肥)晚此时的承载力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)图7试件滞回曲线饥轴压比越大，劳试件承载力随华位移角幅值的稍增加退化就越阿快，而随型钢探配钢率的增加伐，这种现象得托以改善。也就旅是说，增加型要钢配钢率可以暮提敢高僵CSR惩C贼柱在相同轴力唉下的变形能力效和抗倒塌能力易，泄从而可以提高谣轴压比限值。块3.肝3垒吩骨架府曲线炸5斑个试件的骨架聋曲线汇总如兴图英8诊。荒主要特征点试煎验结果如宗表失2缎所示。顾由图察8陕可见，相同轴塘压比试件的上繁升段基本接近宅。在最高荷载任点之后试件水尘平承载力下降辨，形成负刚度选，它是键P俱-榜效应及强度和滔刚度退化的综顿合反映。试错件援CSRC2-伯1揭由于兵锚固件失效，盗导致其骨架曲方线的后续段无申法得到。其它发试件骨架曲线救均有明显的强贡化段，这匪说明核心型钢脑混凝土柱在大阀轴压比下仍然朱具有良好的变蛇形能力。图图8试件骨架曲线020304050-50-300-2000100200300(mm)P(kN)-100-40-30-20-1010BECOAFD图9等效粘滞系数示意图柳粱表仆2今P醋-它骨架曲线特征片点试验结果似试件罩n浩P剧c就(径kN)吴c糖(镇mm辛)赚P迁y容(晕k食N)闻y衰(虑mm鄙)喉P尝m晋(筋k煮N)约P汽u员(依k广N)电u们(援mm半)塌＝忘u独/渴y边CSRC1衫0.8犹75.8吸2.5夫105牧6.25赠167.5散121.6僚31.4久5.02售CSRC2-芦2状1.0紫120绍2.5科180法6.25次234.4享181.1未28.99仙4.64争CSRC2-钓3答1.1碗95比3.75跟195跟5.0念179.8湿152陶21.4仙4.28彼CSRC3谊1.1隐107交2.5罗162抵7.5朝212.2炕178.5窝34.34链4.58竞3.叔3喘坑耗能性能伴耗能能力是对桐抗震性能评价抽的重要指标。贩每次循环中滞尚回环线所围面爷积代表每次循像环耗能大小，要表示耗能能力至好坏的指标之勒一是等效粘滞遍阻尼系数。等芳效粘滞阻尼系征数越大，结构竖耗能能力越大所。等效粘滞阻多尼系数赤h雨e涝按下式计算。吸发军暖草尚搞(抓1铜)疼式中，轨S浓ABC职、跟S示C料D溪A富为椭圆包围面蝇积，省S程O想B歌E亩、理S布ODF毒为三角形包围巡面积，县分别划如图约9废所示叫。蚀分别辣取渗3滨个位移角幅卷值被1/5币0接、冷1/3痒5捷和赤1/2亏0峡的第一个滞回拴环，按式劣(劳1昆)守计算相应的等张效粘滞阻尼系越数，计算结果糟列晶于表孟3疲中恢。但表退3咸还亚不同位移幅值芹下等效粘滞阻陡尼系数鸣试件编号迅1/50涨1/棍35宋1/醒25谊CSRC1亩0.148培0.188浴0.246扮CSRC2-对2绸0.181惭0.211助0.296冶CSRC2-柱3翼0.235选0.278犯——备CSRC3丛0.128构0.187轨0.243旋由表灰3融可句知，轴压比越肆小、核心型钢泊配钢率越大，当试件的耗能能受力越强。参试滤件昆CSRC3(蚂n=1.1披)恶与试食件够CSRC1(赞n=0.8聚)叼的耗能能力基竞本相同，可见植核心型钢对试圆件在高轴压比蚊下耗能能力的盏贡献。4结论侮(1)挂补所有痒试件的设计轴等压比均接近或昏超过混凝土规袍范的规定限滚值副0.牺9辜，但其延性系头数仍零在牵4.2顿8仿～票5.0六2用之间混。对比跑文献涉[伍3南]详中拖剪跨比数为演3扑的常规框架柱搅的试验结果尽，在设计轴压们比溪为租0.闸9酷时，其位移延关性系数仅较有揭3.86纠。双这说明在重载灭柱中配置核心贡型钢能够较大昨幅度改善轴压槐比超限柱的变绣形能力。朱(2偏)延掘试件承受较高脉的竖向荷载并逃在整个试验过角程中，特别是行在水平加载下卡的破坏阶段，校即使箍筋拉脱纸，纵向钢筋压喇屈混成精“抵灯笼井状煤”第的情况下，竖夫向承载力仍保拔持很好的稳定状性。这说明核艳心型钢混凝土抹柱沿在每“诚大旱震少”友作用下，进入帅弹塑性变形阶找段具有较好的六抵抗竖向荷载咳的能力，抗倒傍塌能力较强。碧(3盗)维概核心型钢的配士钢率对试件的脆变形能力有较清大影响。配钢掘率较大的试布件艳C