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2502502506@100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试验参数一览表找试件名称火设计轴压尊比砖n绢f贴’竹cu种(鸣MP)园型钢配钢垦率愧a磨CSRC凤1窗0.8镜24.1阁9该1.23疼%券CSRC源2-1粉1.0庆24.1妨9镇2.88代%充CSRC核2-2遵1.0锈34.6步7洁2.88哑%椒CSRC傻2-3裂1.1猎34.6蚕7壁2.88志%洞CSRC清3握1.1墙24.1治9艺4.88烟%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01/5001/2001/50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加载装置示意图抄2.2.焰2羞旁加载中制度雀试验前先文施诞加响1/区6躁预定轴向愤荷载峰并进行预狠加载锋，通过对唐柱身同一球截面处纵也筋应变的区监测，判瘦断此时是李否为轴心贩受力状态书，检查各护试验仪器鉴是否工作赠正常。施良加水平荷究载前，先碌施加预定妨竖向荷载拘，并保持霜恒定。水睬平加载采候用低周往惠复静力加阀载制度，朝采用位移智控制。具课体加载制环度如图嫂3拜所示。图2.2.离3近量测方案图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幸水平荷载劫和竖向荷狮载直接通秘过压力传宜感器量测夹。伙电子逢位移计体主要哲用于量测击柱顶水平神力作用点张的侧向位仅移及柱底辩可能发生哭的滑移。新钢筋、鼓型钢悠应变采盟用黎3×5m丰m塘电阻应变杆片量测患，具体布夏置如来图某4腊和补图辫5冈所示。尸纵筋应变卵片布置在笨柱底塑性划铰区域。过箍筋应变涛片用来汪测量蔽可能发生秃的剪切变编形和侧向揭膨胀。隶所有力、煮位移和应孔变信号均扶通过替MTS-宽GT北控制系统执和各DH38抄16咐数据采集炉仪自动采化集。26060602602606060260260365365625260625X1X2X4X3X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16图5型钢应变片布置详图次3奇试验结果再分析财3.1就试件破坏灯形态消在位移恳角什1/12统0(6.竟25mm辰)宅时，轴压伍力较小试盾件挥CSRC迷1浅受拉纵筋挣屈服，轴免压力较大沈试舌件鱼CSRC庄2-著2绳、涨CSRC摸2-队3斗及端CSRC御3财受压纵筋拾先屈服，屈对应位移算角分别书为暂1/10揪0(7.运5mm跳)伏、涂1/15扑0(5m避m鹊)鞠和翠1/10棒0(7.添5mm勉)川。此后，养弯曲裂缝阳开始明显堆向试件根度部斜向发堤展，宽度到不断增加扒。试冤件恰CSRC炸1普在械1/10脏0您位移印角名(7.5市mm弟)讲时受压纵见筋才屈服怜。显然，慰小轴力的战试薪件屑CSRC优1迷(敢设计轴压组比导0.命8微，实际轴惜力班460.宣6kN轮)倘发生的是姜大偏压破技坏。鼻缴痛在位移该角陵1/70广(10.洞7mm泰)仓时，所有喝试件受压觉区混凝土舅均开始轻疑微起皮，去随循环数摩及位移幅睡值的增加哲，混凝土琴逐渐压酥左、剥落。苗试件根部兽两个方向披的水平裂欠缝全部交允叉、贯通诱。此时，遥高轴压比治的三个试楼件披CSRC如2-肥2之、侍CSRC只2-已3我及彻CSRC隶3秘受拉纵筋伴相继屈服购。弯剪裂琴缝也不断罢发展，在输试件根部俭及中部形预成大小不锁一兆的壳“沙X膜”推型交叉裂南缝，此时石，箍筋应匙变增加较凳快，个别歼箍筋屈服乎。但由于裤型钢的存泛在，没有言试件发生煌剪切破坏抬。罚舍昨在位移燕角禽1/50球(15m市m续)痕循环时，候试件保护意层基本剥糠落，并伴县有混凝土栋的压碎声念音。试泪件拼CSRC陈3惹在导1/3赞5阳位移主角较(21.拜4mm披)奇时保护层之剥落，同暴时型钢受赶压翼缘屈政服。此时伯，试件承印载能力开旅始下降，新但下降速却度缓慢。数在位移逮角责1/35影(21.莲4mm袋)谷时，所有绪试件的保读护层均完性全剥落，润此时，部询分纵筋应和变采集通跌道已经溢姻出，试京件耽CSRC焰2-均2径及钱CSRC侍2-脖3轨受压纵筋衰已经向外域压屈，而思试工件金CSRC绕1炊及源CSRC跪3谎在驰1/2士5戚位移国角犬(30m导m壶)跃时，纵筋颜才压屈。赤可见，轴殃力越大，辩核心型钢梅配钢率越经小，纵筋埋越早被压释屈。随循循环的不断侮发展，试穿件根部纵搜筋最终全糖部向外压闪屈，呈蛋现之“纺灯笼钳状聚”强破坏状态战。试件强狸度和刚度胳退化开始老加快，直育至试验结打束。整个杏试验过程亚中，轴力折基本保持育恒定，没苹有发生突维然降低的则情况。这索说明核心哑型钢混凝峡土柱完全朱可以满播足没“饲大震不絮倒骗”许的抗震要止求，在较开大层间位冻移角下保惩证竖向承封载能力无机损失或损模失很小，敢保障住户固的生命安蝴全。试件猜破坏的最补终形态如城图辆6倡所示。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拔3.2章滞回曲线捡特征蝇试验记录披的试件灭典型味滞回曲线裙如图戴7醉所示。窜通过对试卸件滞回曲纱线的分析及，齐可以得到乳以下断不同试验术参数的滞宽回特征节：霞(1)宾稀初始荷载俘小于开裂敏荷载时，马所有试件案基本处于稻弹性阶段猴，卸载后正残余变形蔑很小。随命着位移幅友值的增加耕，特别是砖纵向钢筋齿屈服后，柱试件进入柿弹塑性阶闹段，卸载崇后存在一您定的残余动变形。所疮有滞回曲很线在推和袜拉时均存摘在不同程访度的不对滋称，部分循原因是包购兴格效应穴造成的育。型萍(2)向导进入弹塑负性阶段，旨滞回环捏蓄拢现象并举未出现，气滞回环非炭常饱满，计试件具有稀良好的塑舞性变形能疏力和滞回宽耗能能力偷。这说明锹，在加载卧过程中，固无较大的漏剪切裂缝蔬出现，从炉而没有因禽为加载和注卸载过程赵中斜裂缝烟的开展和因闭合而导厌致滞回环醋捏拢，试胶验中的现争象也证实公了这一点恨。引发(3)箭象在画1/3挂5或位移角播之乎两前，所有洽试屑件荒(左除锚固件仇失效室的念CSRC单2-重1雷外割)读在同级位的移幅值下忽，各循环由曲线基本把重合，强及度和刚度浇退化很小挠。对比各批试件强度句和刚度开发始明显退梦化时的位婶移角，小堡轴压比诱的臣CSRC里1足为畏1/2器5免，而大轴治压比破的萝CSRC覆2-脱2允、筋CSRC则2-朝3敞和球CSRC阻3丰分别暗为窄1/2斥5颠、根1/3聚5武和孝1/2逃0童。试件最却后两个循朗环的承载衣力降低幅有度有以下摊特征：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试件滞回曲线祥试称件委CSRC雾1撒(屑设计轴压舰比证0.8浩)订和罚CSRC服2-2台(蝴设计轴压雕比搅1.1愧)奔的最后一何个循昂环得(1/2深0蛋位移角第化一个循夹环乌)隔前一个循填环毕(1/2醋5输位移角的姥第三个循倾环趴)仪的承载力攻降低比例挖分别溉为戴53根%霉和纽61铅%侄。而试雾件段CSRC柄3李(弯设计轴压欧比井1.1束)绸此时的承聪载力降低无比例仅隆为尊10集%野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试件滞回曲线粥轴压比越层大，试件筒承载力随去位移角幅劳值的增加咐退化就越在快，而随励型钢配钢陵率的增加籍，这种现离象得以改披善。也就毙是说，增夏加型钢配禁钢率可以笑提就高易CSR浅C肿柱在相同窄轴力下的驰变形能力去和抗倒塌购能力，从违而可以提若高轴压比神限值。含3.它3名骨架苍曲线郊5蛙个试件的普骨架曲线奸汇总如尖图胞8凭。主要特泥征点试验阴结果如烘表绘2裳所示。由宁图芬8宵可见，相况同轴压比栽试件的上学升段基本植接近。在是最高荷载乒点之后试丘件水平承层载力下降扰，形成负绍刚度，它忠是堤P费-此效应及强主度和刚度江退化的综派合反映。依试救件鉴CSRC妖2-奇1尤由于常锚固件失辈效，导致垮其骨架曲涌线的后续牙段无法得崭到。其它捎试件骨架表曲线均有捞明显的强喜化段，这磨说明核心欠型钢混凝太土柱在大色轴压比下目仍然具有光良好的变剥形能力。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姐表缠2算P辫-扁骨架曲线越特征点试醒验结果摸试件培n裁P欧c努(奶kN)瞎c蚕(卸mm)浩P伟y嫁(闹k躺N)餐y毒(迹mm)平P巨m尽(伪k甜N)踩P勾u玻(宗k呀N)乒u睛(雷mm)辣＝挎u坐/痰y复CSRC麻1健0.8皆75.8梅2.5会105逝6.25赤167.盲5摘121.皱6搭31.4番5.02堤CSRC东2-2尸1.0松120命2.5渡180精6.25烫234.蒙4服181.饿1梳28.9类9雾4.64候CSRC跌2-3梢1.1住95肺3.75阀195殃5.0虾179.各8数152额21.4枝4.28夹CSRC障3替1.1雕107话2.5斤162蚂7.5呢212.烈2塌178.股5狠34.3派4细4.58锦3.戒3亏耗能性能陕耗能能力医是对抗震眯性能评价并的重要指萝标。每次俭循环中滞斧回环线所求围面积代攻表每次循伯环耗能大色小，表示猫耗能能力粱好坏的指恒标之一是醒等效粘滞药阻尼系数原。等效粘旁滞阻尼系阅数越大，扑结构耗能要能力越大没。等效粘亿滞阻尼系遵数信h谱e泼按下式计忠算。(1)粗式中，别S亦ABC专、带S捏C纹D舍A谋为椭圆包迁围面积，绸S率O摆B侮E沾、碧S秃ODF丽为三角形戏包围面积气，分别数如芽图杏9刮所示剖。赠分别扇取饱3帽个位移角熄幅厕值倘1/5段0呢、续1/3堤5御和粉1/2局0煮的第一个定滞回环，梳按宜式泼(救1焦)禁计算相应煮的等效粘位滞阻尼系抹数，计算吧结果列截于表篮3兼中蹦。垃表声3忽誉贱不同位移糖幅值下等讲效粘滞阻倒尼系数律试件编号布1/50献1/东35察1/极25君CSRC蠢1葡0.14散8季0.18音8助0.24首6溜CSRC昆2-2丝0.18完1凶0.21垂1喊0.29貌6继CSRC印2-3奋0.23走5半0.27分8胆——塔CSRC泥3惕0.12件8习0.18霉7外0.24饰3艺由紫表疑3组可逃知，轴压如比越小、毁核心型钢写配钢率越输大，试件蚀的耗能能武力越强。匪试昂件刚CSRC胶3(n=凝1.1咬)易与试迫件屿CSRC蛙1(n=意0.8教)构的耗能能淹力基本相打同，可见需核心型钢镰对试件在脸高轴压比当下耗能能套力的贡献与。4结论陶(1)蝴允所有旱试件的设使计轴压比庙均接近或笼超过混凝糊土规范的铺规定限换值你0.撒9鹊，但其延过性系数仍盗在旬4.2岗8督～触5.0沾2纺之间。对绒比停文献写[3]俯中条剪跨比帅为萌3屠的常规框碍架柱的试连验结果，角在设计轴逃压比贷为渣0.旱9然时，其位酬移延性系顺数仅幼有党3.8鸭6院。这说明捡在重载柱物中配置核少心型钢能舱够较大幅芬度改善轴资压比超限赞柱的变形诱能力。盆辩(2)棕震试件承受捎较高的竖叫向荷载并版在整个试懒验过程中征，特别是签在水平加维载下的破从坏阶段，彼即使箍筋溜拉脱，纵排向钢筋压器屈殖成予“请灯笼凡状骄”疼的情况下常，竖向承很载力仍保消持很好的租稳定性。拿这说明核却心型钢混论凝土柱沟在攀“摆大低震怖”齿作用下，帆进入弹塑横性变形阶抛段具有较域好的抵抗棉竖向荷载疮的能力，弦抗倒塌能瘦力较强。犬西(3)盘偶核心型钢聋的配钢率仆对试件的宣变形能力摄有较大影远响。配钢碧率较大的必试他件攻C