核心型钢混凝土柱抗震功能试验

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试验参数一览表拍试件名倦称绣设计轴夸压比表n傅f颠’剖cu拿(蜘MP)指型钢配目钢率箩a扇CSR垄C1配0.8数24.该19群1.2同3%愉CSR词C2-赴1阶1.0污24.拜19硬2.8示8%酷CSR根C2-怒2学1.0厚34.伍67度2.8棉8%勺CSR迈C2-简3药1.1拢34.嫩67桑2.8腥8%枯CSR厦C3畜1.1尤24.私19床4.8申8%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加载装置示意图葬2.2撑.圈2茶唯加载耳制度貌试验前解先施屈加秤1/拾6傻预定轴弯向荷载阿并进行麻预加载偿，通过泼对柱身抵同一截进面处纵秆筋应变止的监测及，判断目此时是烘否为轴督心受力雄状态，仆检查各处试验仪赌器是否杂工作正企常。施哀加水平筋荷载前农，先施突加预定连竖向荷佛载，并娘保持恒明定。水潜平加载趁采用低摇周往复眼静力加告载制度殖，采用画位移控尊制。具种体加载换制度如啦图候3校所示。竖2.2蒸.吧3及量测方吩案图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旺水平荷缘载和竖佣向荷载宵直接通劲过压力覆传感器袭量测。墓电子宇位移计纤主要裙用于量剥测柱顶僻水平力责作用点繁的侧向篮位移及看柱底可洁能发生节的滑移猫。钢筋毒、际型钢衬应变采映用魂3×5利m傲m躺电阻应障变片量播测否，具体急布置如立图缺4逼和倘图敬5辈所示。爷纵筋应撇变片布渗置在柱勇底塑性厉铰区域僚。箍筋预应变片歼用来逃测量祖可能发位生的剪少切变形颈和侧向郊膨胀。释所有力营、位移多和应变此信号均览通过什MTS茶-GT贵控制系滩统和挪DH3定816伶数据采西集仪自疫动采集碧。26060602602606060260260365365625260625X1X2X4X3X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16图5型钢应变片布置详图纱3破试验结珠果分析即3.1亚筐试件破伐坏形态况在位移食角盗1/1郑20(丙6.2喉5mm牲)党时，轴寇压力较浩小试叫件沸CSR捧C海1揭受拉纵徒筋屈服吨，轴压老力较大衡试樱件巧CSR轰C2-密2粪、应CSR弱C2-恶3鸡及丧CSR丧C历3吸受压纵敲筋先屈签服，对蜜应位移醋角分别息为希1/1旦00(置7.5困mm御)谱、繁1/1阳50(张5mm殿)贝和目1/1火00(扬7.5疼mm任)愿。此后键，弯曲投裂缝开柿始明显咐向试件调根部斜刚向发展捷，宽度盖不断增话加。试梦件站CSR闲C银1校在基1/1编0绢0侍位移续角夹(7.睛5mm增)盏时受压批纵筋才安屈服。增显然，脾小轴力身的试乏件隐CSR日C1谊(组设计轴瓶压尝比胶0.喉8局，实际疼轴富力飞460动.6k博N脉)戏发生的朋是大偏吹压破坏猎。隐禾米在位移仙角绕1/7指0(1歉0.7茄mm掏)叛时，所瞧有试件犹受压区当混凝土狼均开始陪轻微起瞎皮，随融循环数阴及位移更幅值的鞋增加，鸦混凝土雅逐渐压糠酥、剥势落。试盗件根部所两个方发向的水滔平裂缝迅全部交谣叉、贯休通。此话时，高悠轴压比服的三个拼试妇件籍CSR碧C2-咸2狠、膛CSR僵C2-世3世及邮CSR令C蛾3晌受拉纵葱筋相继傲屈服。粒弯剪裂索缝也不侨断发展幻，在试姿件根部驰及中部没形成大问小不一露的王“踩X滚”诉型交叉谋裂缝，轿此时，杨箍筋应制变增加夫较快，杏个别箍荣筋屈服煮。但由梨于型钢棕的存在特，没有么试件发繁生剪切躁破坏。内烫竭在位移激角尾1/5喜0(1弃5mm鼻)锅循环时艘，试件下保护层细基本剥适落，并激伴有混筑凝土的义压碎声久音。试惰件齿CSR咐C晌3雨在延1/3筑5胆位移绞角如(21偿.4m苹m派)垄时保护翅层剥落模，同时仗型钢受取压翼缘胶屈服。或此时，编试件承存载能力闻开始下帝降，但时下降速堂度缓慢铜。在位乓移慌角逼1/3抛5(2舌1.4青mm输)盗时，所瞧有试件敌的保护丢层均完图全剥落沟，此时迎，部分焰纵筋应绍变采集穷通道已赔经溢出爷，试勉件桑CSR价C2-岔2疗及羽CSR遵C2-抬3错受压纵都筋已经构向外压薯屈，而谜试跃件挥CSR失C丧1躁及秒CSR闻C泉3爪在专1/2惨5州位移刮角浇(30晒mm冤)猫时，纵跃筋才压蒙屈。可种见，轴嚷力越大泥，核心件型钢配围钢率越庄小，纵棵筋越早圈被压屈绢。随循傅环的不蔽断发展颈，试件旋根部纵喊筋最终阁全部向煤外压屈鼠，呈骡现骆“尘灯笼朱状词”杀破坏状愿态。试慌件强度泪和刚度拼退化开玉始加快蔽，直至拳试验结虫束。整量个试验茅过程中卡，轴力堤基本保库持恒定圆，没有杯发生突互然降低滚的情况邪。这说拳明核心惩型钢混谅凝土柱德完全可蒸以满伏足狼“织大震不挤倒园”答的抗震送要求，币在较大熄层间位住移角下冻保证竖已向承载段能力无况损失或且损失很蝇小，保昂障住户修的生命贴安全。蜂试件破倦坏的最塑终形态驾如影图厕6厌所示。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柜3.2昏底滞回曲检线未特征鸣试验记除录的试奔件苦典型块滞回曲乡线如图春7避所示。脖通过对命试件滞校回曲线炭的分析桌，轰可以得堡到拌以下慨不同试社验参数肌的滞回华特征资：汉(1)为勿初始荷残载小于铸开裂荷稼载时，唇所有试魔件基本莫处于弹铃性阶段千，卸载程后残余技变形很鸦小。随基着位移割幅值的铅增加，尖特别是大纵向钢党筋屈服刑后，试汽件进入拼弹塑性治阶段，害卸载后立存在一妥定的残箭余变形质。所有车滞回曲娱线在推挪和拉时瞒均存在请不同程洲度的不妨对称，追部分原蛾因是包叛兴格效住应造成参的毒。炕陈(2)育纽进入弹膨塑性阶传段，滞斧回环捏俯拢现象闭并未出备现，滞帜回环非设常饱满诉，试件努具有良供好的塑爬性变形荐能力和巧滞回耗挎能能力劣。这说荒明，在甘加载过值程中，案无较大岔的剪切爸裂缝出估现，从尊而没有拔因为加矛载和卸这载过程潮中斜裂算缝的开爸展和闭抬合而导贫致滞回垮环捏拢初，试验血中的现隙象也证赤实了这保一点。翁章(3抚)视闹在呢1/3蓝5鸣位移角上之筝隶前，所宁有试巩件执(步除锚固飞件失效蚊的纸CSR避C2-炼1垮外驻)肉在同级添位移幅台值下，宋各循环丧曲线基鸦本重合罪，强度惭和刚度驱退化很哲小。对同比各试瞎件强度邀和刚度耀开始明暗显退化恩时的位秤移角，爽小轴压瞧比旋的郑CSR估C徒1疑为奉1/2位5踢，而大炎轴压比市的某CSR桶C2-竭2傻、圆CSR毫C2-另3夫和广CSR以C强3处分别泪为布1/2今5贝、玻1/3肢5阵和录1/2匙0颈。试件堵最后两厚个循环拨的承载气力降低筹幅度有阔以下特夹征：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试件滞回曲线屑试诵件粱CSR感C1固(瓣设计轴秆压丝比赠0.8燥)袖和慰CSR辈C2-掉2龟(盟设计轴乡压讽比各1.1潮)针的最后龄一个循钥环凉(1/闻2腥0蹲位移角河第一个巨循春环亦)冷前一个雄循英环进(1/栋2悬5植位移角造的第三惕个循猛环润)丈的承载帜力降低惊比例分过别摆为敏53雅%伙和勒61轮%台。而试压件撕CSR罩C3万(铃设计轴烤压慰比液1.1饥)搅此时的辩承载力尚降低比诚例仅包为拳10闸%书，其最牛后一个患循室环完(1/主1防8惨位移角种第一个吩循创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试件滞回曲线唐轴压比防越大，漏试件承望载力随烫位移角浇幅值的霸增加退午化就越誓快，而树随型钢忙配钢率秩的增加惩，这种宣现象得姜以改善州。也就曾是说，维增加型衫钢配钢挽率可以绳提卷高存CSR照C永柱在相钳同轴力躺下的变盘形能力贪和抗倒在塌能力钉，从而伞可以提滋高轴压枣比限值积。搭3.夫3构骨架爹曲线语5次个试件哄的骨架暴曲线汇辟总如齐图灯8怖。主要府特征点两试验结恨果如亲表薄2长所示。孕由图它8捞可见，凤相同轴热压比试祥件的上姥升段基础本接近荷。在最驾高荷载导点之后倒试件水石平承载尺力下降相，形成银负刚度泰，它是君P代-壤效应及庙强度和还刚度退页化的综续合反映端。试旗件佳CSR蕉C2-组1斜由于轰锚固件坟失效，掌导致其懒骨架曲护线的后音续段无左法得到同。其它罗试件骨可架曲线半均有明赛显的强视化段，钻这说明符核心型窗钢混凝发土柱在贺大轴压罗比下仍痛然具有靠良好的舅变形能断力。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多表静2向示P固-恶骨架曲末线特征燃点试验写结果员试件收n煎P裹c响(拘kN)丝c牲(拳mm)愧P幕y煤(肤k叹N)狱y燃(颗mm)吊P络m简(冷k常N)僵P菜u份(沾k扫N)泥u宪(止mm)纯＝映u隐/锅y折CSR冤C1花0.8威75.蚕8贝2.5趋105迹6.2科5汇167顿.5叙121苏.6饮31.敬4宰5.0派2质CSR锤C2-梢2籍1.0帜120剑2.5潜180榜6.2援5距234拖.4鞋181秤.1目28.文99北4.6敌4梦CSR启C2-芳3学1.1饥95旗3.7出5惠195垂5.0墓179乐.8痰152爸21.溜4侮4.2页8奶CSR置C3路1.1册107纵2.5妖162崭7.5暑212估.2移178冠.5锦34.办34穿4.5栽8寒3.劣3歌耗能性扎能女耗能能贺力是对斥抗震性健能评价俩的重要喊指标。臣每次循蔬环中滞化回环线违所围面览积代表狠每次循培环耗能挖大小，凶表示耗闸能能力踢好坏的坚指标之圈一是等廉效粘滞睡阻尼系爪数。等规效粘滞抬阻尼系隐数越大栽，结构云耗能能国力越大圾。等效历粘滞阻设尼系数锯h固e晨按下式夜计算。(1)负式中，蹈S缴ABC性、隔S飞C撤D掌A添为椭圆稼包围面椒积，砖S弓O穷B乡E币、帐S妖ODF治为三角田形包围兴面积，户分别拾如绳图元9惩所示骂。董分别氧取融3厚个位移世角幅维值非1/5宽0铲、林1/3孕5烫和开1/2全0折的第一寿个滞回删环，按凯式勤(厕1狠)虾计算相基应的等龙效粘滞狐阻尼系厅数，计绩算结果两列列于表左3芽中劫。翻表弃3子合卧不同位搞移幅值箭下等效键粘滞阻栋尼系数倘试件编专号昼1/5始0割1/燃35顾1/男25赴CSR喜C1爆0.1坏48讯0.1泻88弓0.2蛾46加CSR捆C2-漂2寨0.1节81蚀0.2观11蜡0.2搭96候CSR珍C2-档3底0.2架35誉0.2跨78跌——渡CSR院C3盼0.1岛28朱0.1港87狸0.2悦43油由给表负3谜可历知，轴筹压比越好小、核手心型钢膏配钢率胜越大，意试件的威耗能能忆力越强盛。试且件主CSR僚C3(踪n=1嚷.1毁)胃与试固件腾CSR民C1(奖n=0膝.8傅)异的耗能离能力基渐本相同株，可见旗核心型盲钢对试革件在高妙轴压比搂下耗能察能力的滚贡献。4结论注(1)逼亡所有傲试件的幅设计轴碑压比均茄接近或棒超过混镰凝土规晃范的规本定限垄值樱0.客9爪，但其令延性系统数仍率在扇4.2超8戒～盼5.0创2端之间。役对比樱文献若[3]熔中绩剪跨比熄为裹3爆的常规哨框架柱稀的试验东结果，仁在设计漆轴压比京为罢0.梦9寒时，其嘴位移延贝性系数判仅臣有菜3.8燃6德。这说魂明在重制载柱中选配置核稼心型钢怕能够较直大幅度偿改善轴罚压比超蛮限柱的槽变形能抚力。雅爷(2鞠)熄慌试件承佣受较高子的竖向参荷载并钟在整个照试验过需程中，裳特别是璃在水平过加载下钥的破坏乞阶段，蛇即使箍邮筋拉脱牛，纵向改钢筋压幻屈乳成颗“荐灯笼吸状砌”唤的情况磨下，竖凳向承载若力仍保锻持很好利的稳定蓄性。这浇说明核壤心型钢裙混凝土道柱碍在尤“左大款震统”召作用下迅，进入孤弹塑性匹变形阶饿段具有聚较好的贼抵抗竖姻向荷载匹的能力衬，抗倒猛塌能力嫌较强。储蒙(3郊)个谋核心型绞钢的配我钢率对州试件的逐变形能惨力有较耐大影响坏。配钢途率较大枣的试篇件蚀CSR裤C3欠(枝设计轴演压健比碍