l形截面柱压弯剪扭复合受力性能试验研究

l形截面柱压弯剪扭复合受力性能试验研究

0槽钢混凝土异形柱由于折断能力高、耐久性好、抗疲劳防滑性能好、剖面形状灵活等优点，钢混凝土变形柱已广泛应用于现代高层和高地震烈度区域的建筑中。对于槽钢混凝土(channelsteelreinforcedconcrete,CSRC)异形柱，采用水平腹杆将槽钢焊接成型钢骨架的连接方式，是型钢混凝土异形柱结构体系中一种新的配钢形式。与普通型钢混凝土柱相比，槽钢混凝土柱具有整体性好、钢与混凝土结合作用强、节省钢材等特点现代的建筑设计已经不再局限于传统的规则形状，结构受力也趋于复杂化，建筑结构在水平地震作用下其柱式构件会处于压、弯、剪、扭的复合受力状态综上可知，关于槽钢混凝土异形柱的抗震性能研究较为缺乏，因此有必要研究其在压弯剪扭受力状态下的抗震性能和影响因素。为此，本文中对6根槽钢混凝土L形截面柱进行了恒定轴力下低周反复弯-剪-扭的试验，观察其破坏特征，分析其在复合受力下的滞回曲线和抗震性能指标，以期为槽钢混凝土L形截面柱抗震设计提供参考。1试验总结1.1试验构件设计试验中设计6根总高为1630mm空腹式槽钢混凝土L形柱试件，考虑扭弯比γ和肢高肢厚比φ两个变化参数，φ取2.5和3.0时所对应的试件截面肢高分别为300、360mm，肢厚为120mm，试件尺寸如图1所示。设计参数见表1。在柱顶设置加载梁以施加压力、弯矩、剪力和扭矩，在加载梁的两端预先留出直径为30mm的孔洞以便与作动器进行连接。1.2材料及实测结果试件采用6.3号槽钢，并用25mm×8mm的Q235钢板作为水平腹杆将槽钢焊接成型钢骨架，间距为150mm;L形柱截面四周均匀配置直径为12mm的HRB400级螺纹纵筋，箍筋配置为6@100，箍筋外侧混凝土保护层厚度为15mm。钢材的力学性能实测结果如表2所示。因柱截面短边方向尺寸较小，振捣工作受限，故浇筑试件时使用有较大流动性的C30泵送商品混凝土，同时浇筑3组标准立方体试块(尺寸为150mm×150mm×150mm)，试块养护条件和试件相同，实测混凝土立方体抗压强度平均值为38.93MPa。1.3水平加载装置设计试验中采用悬臂梁加载方式，加载系统如图2a所示，主要由水平加载装置和竖向加载装置组成。两个水平作动器和反力墙提供水平力，以作动器水平推力方向为正向;通过调整两个作动器的水平力大小可为试件施加弯矩、剪力及扭矩。千斤顶提供轴向压力，其上端通过高强钢滚轴与反力梁连接，保证加载横梁能自由移动，下端通过球铰与试件顶端轴心连接，确保试件加载端自由转动。水平加载装置和竖向加载装置的共同作用对试件试验段形成压弯剪扭受力状态。本试验加载原理同文献2扭弯比对破坏模式的影响空腹式槽钢混凝土L形柱在压弯剪扭复合受力作用下，扭弯比是影响其破坏模式的主要因素，破坏模式主要分为四种:弯曲破坏、弯剪破坏、弯扭破坏及扭剪破坏。2.1混凝土损伤试验结果当扭弯比为0时，即压弯剪试件发生弯曲破坏，最终破坏形态如图3a所示。当荷载加至32kN时，在B面左中部出现首条斜裂缝，继而C面出现横向裂缝;随着荷载的增大，A、B面出现贯通两面的斜裂缝;早期斜裂缝随着荷载的增加而延伸变宽，竖向裂缝数量增多，试件底部开始出现混凝土剥落现象;加载后期，多面角底部混凝土局部剥落，试件破坏。弯曲破坏的特征主要表现为试件角部外围混凝土压碎剥落，破坏区箍筋没有发生拉断，且内部混凝土因有槽钢以及箍筋的约束，其整体仍保持完好。2.2加载后“x”形裂缝发生当扭弯比为0.18～0.29，且肢高肢厚比为3时，试件发生弯剪破坏，最终典型破坏形态如图3b所示。当荷载达到36kN时，B面和C面中下段首先出现水平裂缝，并随荷载的增加而呈现斜向发展趋势，形成混合裂缝;混合裂缝随荷载的增加逐渐向中间延伸，形成“X”形裂缝;随着加载的进行，“X”形裂缝数量增多，同时角部外围混凝土剥落;加载后期，“X”形裂缝已逐渐发展成较密集的局部网状，可以明显看到露筋现象，试件破坏。弯剪破坏的特征主要表现为试件出现明显的密集的“X”形裂缝，角部混凝土破坏面比弯曲破坏的面积要大，且出现露筋现象，但内部混凝土的整体性仍未被破坏。2.3试件外表面裂缝扭弯比为0.25，且肢高肢厚比为2.5的试件发生弯扭破坏，最终破坏形态如图3c所示。当荷载为40kN时，首条裂缝出现在B面上;随着加载的进行，裂缝迅速遍布于试件的外表面，形成类似“Y”形或者倒“Y”形的裂缝;混凝土逐渐呈片状掉落;加载后期，A面下部混凝土大幅度掉落，继而A、B、F三面交界600mm高度以下外围混凝土全部脱落，呈斜三角断面，可看到箍筋在焊点处断开，纵筋明显屈曲，槽钢外露，试件破坏。弯扭破坏的特征主要表现为混凝土破坏区域不再局限于角部，试件核心区表面出现“Y”形裂缝，混凝土沿竖向大片掉落，内部混凝土被破坏，出现钢筋屈曲、露钢现象。2.4试验构件与混凝土抗拉力学扭弯比为0.89的试件发生扭剪破坏，最终破坏形态如图3d所示。试件的开裂荷载为36kN，斜裂缝在多面出现;随着荷载的增加，试件表面形成互相接通的螺旋形的交叉网状斜裂缝，且随着荷载的增加，斜裂缝宽度逐渐增大;试件经历峰值荷载后，AF、CDE、BC各面交界处均被1～2道斜裂缝割断，混凝土因槽钢骨架及箍筋的外凸膨胀呈大块状脱落分离;加载后期，槽钢和钢筋外露，纵筋错位且明显屈曲，以致箍筋和腹杆在焊点处断开，试件破坏。扭剪破坏的特征主要表现为早期斜裂缝同时出现在试件腹板和翼缘处，裂缝有明显的分离错动，后期宽裂缝沿着试件试验段顶部向底部斜向扩大延伸，最终形成对角整体分段撕裂，可看到翘曲的扭转破坏面。3试验结果及其分析3.1扭弯比对槽钢混凝土l形柱抗扭性能的影响压弯剪扭复合受力下槽钢混凝土L形柱的弯矩-位移(M-Δ)滞回曲线如图4所示。从图4可知，在不同试验参数下，各试件滞回曲线在正负向不对称，大多呈弓形，少数滞回环呈较饱满的梭形(如试件CSRCL-6)。试件CSRCL1～CSRCL4进入弹塑性阶段后的滞回环有明显的“捏缩”效应，槽钢和混凝土之间出现黏结退化;滞回环的面积随扭弯比的增大而逐渐减小。肢高肢厚比较小的试件CSRCL-6滞回曲线包围的面积明显大于肢高肢厚比大的试件，其滞回曲线饱满度更好。压弯剪扭复合受力下槽钢混凝土L形柱的扭矩-扭转角(T-θ)滞回曲线如图5所示。与弯矩-位移滞回曲线相比，试件扭矩-扭转角滞回曲线“捏缩”效应更严重，曲线基本呈反“S”或“Z”形，表现出了明显的滑移性质，且正向时的滑移比负向严重，其原因主要是在压弯剪扭复合受力下，正向腹板远端(A面及其附近区域)混凝土率先破坏剥落，从而导致抗扭刚度的降低。随着扭弯比的增加，扭矩-扭转角滞回曲线的荷载突降现象逐渐平缓，滞回环的面积逐渐增大，这说明增大扭弯比可以提高槽钢混凝土L形柱抗扭性能。扭弯比较大的试件CSRCL-5滞回曲线正负向包围的面积差异较小。试件弯矩-扭转角滞回曲线比扭矩-位移滞回曲线更饱满，说明槽钢混凝土L形截面柱在压弯剪扭复合受力下其受弯能力强于受扭能力。3.2扭弯比对骨架曲线的影响各试件在压弯剪扭复合受力下的无量纲骨架曲线如图6所示。其中M由图6、表3可知，弯矩-位移、扭矩-扭转角骨架曲线均呈反对称性。加载初期，骨架曲线的斜率接近，荷载主要由混凝土承担，此阶段扭弯比和肢高肢厚比对试件受弯或受扭的影响较小;随着荷载的增加，试件屈服后，骨架曲线呈曲线形发展，扭弯比和肢高肢厚比的影响开始显现;进入下降段后，弯矩-位移骨架曲线波动明显，而扭矩-扭转角骨架曲线则出现“荷载跌落”现象，这是由于外围混凝土的黏结滑移裂缝及受拉压开裂导致试件抗扭刚度急速下降。扭弯比对骨架曲线的影响主要表现在两个方面。一是承载力方面，在肢高肢厚比相同的条件下，当γ≤0.25时，受弯承载力随着扭弯比的增大而减小;当γ=0.29时，受弯承载力较γ<0.29的试件有小幅度的提升，变化范围在3%以内;大扭弯比(γ=0.89)试件CSRCL-5的开裂、屈服、峰值荷载点以及破坏点对应的弯矩均最小，较其他小扭弯比试件下降幅度在46%～56%之间。受扭承载力随扭弯比的增大而增大，且其“荷载跌落”程度越轻;大扭弯比试件CSRCL-5的受扭承载能力较小扭弯比试件的更强，其峰值扭矩为其他试件的1.3～1.7倍。二是变形方面，总体上，扭转角随着扭弯比的增大而增大;对于扭弯比较大的试件，其破坏点对应的扭转角较大，但水平位移较小。综合扭弯比对承载力和变形两方面的影响来看，试件的受扭破坏特性随着扭矩的增加而愈加明显。肢高肢厚比对骨架曲线的影响相对扭弯比较小，受弯承载力和受扭承载力均随肢高肢厚比的增大而增大;在变形方面，肢高肢厚比较大的试件峰值荷载点和破坏点对应的扭转角较大，分别是肢高肢厚比较小试件的3.4倍和3.6倍，这表明较大扭弯比和肢高肢厚比试件的受扭破坏特征更加明显，此时试件的破坏区域不止出现在试件根部塑性铰区，也出现在试件柱肢中部区。3.3刚度退化曲线以荷载-位移骨架曲线和扭矩-扭转角骨架曲线的割线刚度来分别表示试件的抗侧移刚度K式中，+、-分别表示作动器的推(正)、拉(负)向，P对试件的抗侧移、抗扭刚度数据进行归一化处理，可得到试件的刚度退化曲线，如图7所示。试件的抗侧移和抗扭刚度退化规律总体基本一致，在加载初期刚度退化较快，后期刚度趋于平缓。压弯剪试件的抗侧移刚度退化比压弯剪扭试件缓慢，说明扭矩的存在加速了试件损伤，但压弯剪试件破坏时残余的刚度值与压弯剪扭试件近乎相同，均仅剩10%以内。当扭弯比γ≤0.29时，试件抗侧移、抗扭刚度退化速率相同，大扭弯比试件的抗侧移刚度退化较快，而抗扭刚度退化较慢，但残余抗扭刚度值为0。肢高肢厚比小的试件残余刚度小于肢高肢厚比大的试件。3.4各试件位移、扭转角延性系数的计算结果利用破坏点和屈服点的位移值和扭转角，通过式(3)、(4)计算可得到位移延性系数μ式中:Δ各试件位移、扭转角延性系数计算结果如表4所示，试件位移、扭转角延性系数对比如图8所示。由图8、表4可知，除扭弯比为0.89的试件外，其余试件因扭矩的存在，其扭转角、位移延性系数均值都小于3，未达到我国现行抗震规范3.5受扭弯比对基因防护性能的影响采用等效黏滞阻尼系数来表征试件在压弯剪扭复合受力下的耗能能力，其计算简图如图9所示，计算表达式为式中:S各试件的受弯、受扭等效黏滞阻尼系数计算结果见表5;试件在各位移控制阶段时，首次滞回环的等效黏滞阻尼系数变化情况如图10所示。通过对比表5的计算结果和图10a、10b可知，加载初期试件的受扭耗能能力较强;试验中期，压弯剪扭试件的受弯、受扭等效黏滞阻尼系数均呈波动变化，这说明在试验过程中，试件的破坏随着试件损伤的叠加，不再只是受单一的受力特征为主导;试件破坏时，由图10b可见，除大扭弯比试件CSRCL-5之外，在小扭弯比条件下，试件的受扭等效黏滞阻尼系数随扭弯比的增大而减小。大部分压弯剪扭试件的总耗能大于压弯剪试件的总耗能，约为压弯剪试件的1.42～2.35倍，而扭弯比最大的试件CSRCL-5的总耗能最大，为其他试件的1.6～2.8倍，表明扭矩的存在使得试件的耗能更大，试件损伤更严重。肢高肢厚比较小的试件耗能能力比肢高肢厚比较大的试件略强。图10c给出了试件受弯、受扭等效黏滞阻尼系数在总耗能中的比例变化情况。由图可知，加载初期压弯剪扭试件的耗能以扭转耗能为主，占比约为52.5%，随着变形增大，扭转耗能所占比重逐渐下降，并在(3～5)Δ3.6层之间的位移角为表6给出了各试件实测的层间位移角。我国现行抗震规范4监视的黏结滑移1)空腹式槽钢混凝土L形柱在压弯剪扭复合受力状态下，扭弯比是影响其破坏模式的主要因素。随着扭弯比的增加，试件破坏模式逐渐由“弯曲破坏”变为“扭剪破坏”，大扭弯比L形柱和小肢高肢厚比L形柱破坏较严重。2)空腹式槽钢混凝土L形柱的荷载-位移滞回曲线和扭矩-扭转角滞回曲线均出现捏拢现象，说明曲线受到了不可忽视的黏结滑移影响，即在加载过程中，外围混凝土在压弯剪扭复合作用下出现明显的竖向黏结裂缝，率先破坏脱落，从而导致L形柱刚度的降低，在设计时应引起重视。L形柱的弯矩-位移滞回环较为饱满，扭矩-扭转角滞回曲线出现“荷载跌落”现象。3)空腹式槽钢混凝土L形柱的抗侧移和抗扭刚度退化规律基本一致，均为早期刚度退化较快，后期变缓。扭矩的存在有加速构件损伤的影响，肢高肢厚比对