钢骨钢管混凝土柱抗震性能试验研究.docx

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钢骨钢管混凝土柱抗震性能试验研究

钢骨-钢管混凝土柱抗震性能试验研究*

摘　要：

通过4根钢骨-钢管混凝土柱试件在高轴向压力和低周反复水平荷载作用下的试验，研究钢骨-钢管混凝土柱的抗震性能。

设计时主要考虑轴压比、含骨率对试件抗震性能的影响。

根据采集的荷载、位移等数据，绘制出试件的滞回曲线和骨架曲线。

试验结果表明，该组合柱滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力。

随含骨率的增大，试件刚度衰减速度减缓，构件承载力和延性有明显的提高，耗能能力增加。

随着轴压比的增加，试件刚度衰减速度加快，其骨架曲线下降段越陡，相应的构件延性越差，耗能能力减小。

关键词：

组合柱；抗震性能；轴压比；含骨率

随着现代建筑的发展，建筑物的高度、跨度不断增加，建筑结构底部柱子承受着越来越大的轴力，普通的钢筋混凝土柱，由于受到轴压比的限制，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。

虽然钢骨混凝土组合柱和钢管混凝土组合柱能提高抗震性能，但在混凝土强度等级较高或轴压比很大的情况下，其延性并不理想，而钢骨-钢管混凝土柱可减缓剪切裂缝形成[1-2]，钢管、钢骨和混凝土之间协同工作，可提高柱子的承载力和延性。

1　试验概况

本试验共包括4个试件，以轴压比和含骨率为主要的试验参数。

钢骨-钢管混凝土柱轴压比计算中包括了钢材承受的轴力，因此也可以称为轴压力系数[3]。

国内关于钢管混凝土柱[4-5]的文献中都用轴压比，该组合柱的受力性能与钢管混凝土柱相似，因而这里称为轴压比。

试验柱的长径比（L/D）为5.48，高度均为1200mm，钢管外径219mm，壁厚6mm，混凝土采用商用C50混凝土，试件主要参数见表1。

表1　试件主要参数

试件编号钢骨尺寸/mm宽度厚度轴压比n轴向预加荷载/kN钢骨截面积/mm2L12-0.412050.410461200L12-0.612050.615711200L12-0.712050.718331200L9-0.69050.61513900

注：

试件编号L12-0.4表示试件中钢管截面积为1200mm2，轴压比为0.4。

试件尺寸及截面形状见图1。

1—往复水平力；2—竖向力；3—钢管；4—钢骨；5—混凝土。

图1　试件尺寸及截面形状

试验实测混凝土立方体抗压强度为50.2MPa，根据文献[6-7],混凝土的轴心抗压强度按式

（1）确定：

（1）

式中：

0.88为实际构件与立方体强度的比值；对混凝土强度等级为C50及以下的取αc1=0.76，对C80取αc1=0.82；C40及以下取αc2=1，对C80取αc2=0.87，其间按线性插值确定;fcu为混凝土立方体抗压强度。

在加载初期水平力每级增加10kN，循环1次；屈服后按屈服位移的50%加载，循环3次。

应变片布置在塑性铰区域，环向应变片用来测量钢管的侧向膨胀。

2　试验结果分析

2.1　滞回曲线

P-Δ曲线如图2所示，可看出，滞回曲线饱满，下降平缓，说明具有良好的耗能能力和塑性变形能力。

a—L12-0.4;b—L12-0.6;c—L12-0.7;d—L9-0.6。

图2　试验滞回曲线

2.2　骨架曲线

由图3可看出，构件的极限承载能力与极限位移随含骨率的增加而增加。

当轴压比增大时，构件的极限荷载先增大后减小，极限位移减小。

图3　试件骨架曲线

2.3　刚度衰减

由试件L12-0.6与L9-0.6（图4a）对比可知，含骨率的提高延缓了刚度退化。

由试件L12-0.4、L12-0.6与L12-0.7（图4b）对比可知，含骨率相同的试件，刚度衰减速度随轴压比的增大而增加。

在相同的位移荷载作用下，高轴压比试件的刚度比低轴压比试件的低。

图4　不同参数对刚度衰减的影响

2.4　耗能性能

耗能性能由耗能系数E来表示[8]，图5中阴影部分面积与两个三角形面积和之比为能量耗散系数E，按式

（2）计算：

（2）

式中：

S（FBE+FDE）为图5中滞回曲线上、下两半部分的面积，结构或构件消耗的地震能量通过这两部分的面积之和来表示，即构件达到极限位移时滞回曲线外包线所围的面积；S（ΔAOB+ΔCOD）为图5中三角形AOB、COD的面积之和，表示假定结构或构件从加载至极限位移、其一直处于弹性阶段时，在正反两个方向上所吸收的地震能量。

图5　计算简图

根据JGJ101—96《建筑抗震试验方法规程》[9]的规定，可以用等效黏滞阻尼比he来衡量各试件的抗震性能，由式（3）计算：

（3）

各试件等效黏滞阻尼比he在表2中给出。

对于钢筋混凝土构件，其破坏时的等效黏滞阻尼比为0.1～0.2[10]，而对于钢骨-钢管混凝土构件，即使在很高的轴压比下其等效黏滞阻尼比都在0.3以上，可以看出钢骨-钢管混凝土构件的耗能能力远好于钢筋混凝土构件。

从本次试验结果来看，轴压比是影响he的主要因素。

例如，当轴压比由0.4增大到0.7时，试件的he从0.618下降到0.467。

此外，钢骨的含量对试件的耗能能力也有一定的影响。

例如，试件L9-0.6和L12-0.6的he分别为0.438和0.508，he提高15.9%。

表2　组合柱试验结果

编号nρEhe加载方向L12-0.40.40.03193.8810.618正向负向L12-0.60.60.03193.1910.508正向负向L12-0.70.70.03192.9320.467正向负向L9-0.60.60.02392.7490.438正向负向

注：

n、ρ、E、he分别为轴压比、含骨率、能量耗散系数、等效黏滞阻尼比。

2.5　延性分析

位移延性系数采用式（4）计算：

（4）

式中:

μ为试件的延性系数;Δy为试件的屈服位移;Δu为试件的极限位移。

极限位移角计算式为：

（5）

式中：

Ru为极限位移角；Δu为极限位移；Lh为层高，通常取柱加载点至柱根部的距离。

本试验研究轴压比及含骨率对钢骨-钢管混凝土柱延性的影响。

根据JGJ101—96的规定，试件各阶段的荷载、位移及延性指标见表3。

表3　试验结果

试件编号加载方向屈服值极限值Py/kNΔy/mmPu/kNΔu/mmμμ均值RuRu均值L12-0.4正向89.66.11107.859.069.68.41/211/21负向-87.77.88-104.157.937.31/21L12-0.6正向94.85.88126.333.065.67.31/361/35负向-91.14.03-122.836.419.01/33L12-0.7正向90.74.42117.627.726.26.91/411/40负向-89.04.07-116.431.617.71/38L9-0.6正向82.14.72104.532.146.87.11/371/38负向-80.04.17-104.931.057.41/39

2.5.1　轴压比的影响

由表3可以看出，随着轴压比的增加，极限位移减小，延性降低。

各试件的位移延性系数均值为6.9～8.4，在0.6和0.7的高轴压比下，试件仍具有良好的延性，表明钢骨-钢管混凝土柱具有良好的塑性变形能力和抗倒塌能力。

型钢高强混凝土柱延性系数为3～5.22[11-12]，可见该种形式组合柱延性优于型钢高强混凝土柱。

试件轴压比从0.4增加到0.6时，延性系数下降13.1%，试件轴压比从0.6增加到0.7时，延性系数下降5.5%。

2.5.2　含骨率的影响

由表3可以看出，随着含骨率的增加，柱的延性系数增大。

当轴压比为0.6，含骨率从2.39%增加到3.19%时，延性系数增加2.9%，极限位移角提高8.6%。

含骨率越大，对核心混凝土约束作用就越强，并且钢骨分担的轴向力增加，从而提高构件的延性。

3　结束语

通过钢骨-钢管混凝土柱的低周反复加载试验，分析了该种形式组合柱的抗震性能，主要结论如下：

1）在较高的轴压比下，钢骨-钢管混凝土柱屈服后仍可在多次循环加载后保持稳定和较高的承载力，滞回曲线丰满，滞回骨架曲线的下降段较缓慢。

2）对于钢筋混凝土构件，其破坏时的等效黏滞阻尼比为0.1～0.2，型钢混凝土构件等效黏滞阻尼比在0.3左右，本次试验中等效黏滞阻尼比都在0.3以上。

能量耗散系数E集中在2.74～3.88之间，均大于1，钢骨-钢管混凝土柱耗能指标满足结构抗震设计要求。

3）随着轴压比的增加，钢骨-钢管混凝土柱的延性系数减小，极限位移角也减小。

随着含骨率的增加，柱的延性系数增大，极限位移角增大。

位移延性满足混凝土柱延性系数大于3的要求，可用于高烈度地震区建筑的结构设计。

参考文献

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