工字形截面钢管混凝土柱的设计

工字形截面钢管混凝土柱的设计

钢管混凝土柱的方案北京平西大厦地铁车辆段综合工程，底部两侧为大型平台框架结构，大平台顶部采用住宅楼结构。为了满足建筑功能和结构强度的要求，采用了基于缩小比例结构的两层大型平台框架。笔者课题组提出了一种新的设计方案,与原设计柱等截面、等用钢量,但截面组合方式不同。工程中为工字形截面内藏工字型钢混凝土组合柱。本文方案为工字形截面钢管混凝土柱。以往有关钢管混凝土柱抗震性能的研究,其截面多为矩形或圆形,也有少量异形截面钢管混凝土柱研究的文献,尚未见到对工字形截面钢管混凝土抗震性能研究的文献。非底部加强型钢管混凝土柱在水平力作用下,底部截面往往是控制柱子承载力和延性性能的关键。文研究了底部加强型多腔体异形截面钢管混凝土巨型柱的抗震性能,采取了在多腔异形截面钢管混凝土柱底部截面受力较大的角部内贴焊接角钢的加强措施。本文提出工字形截面钢管混凝土柱的同时,又提出了底部加强型工字形截面钢管混凝土柱,采取在工字形钢管翼缘贴焊钢板的加强措施,已获国家专利。为研究工字形截面钢管混凝土柱的弯曲变形性能和剪切变形性能,进行了模型低周反复荷载试验。1土柱抗弯性能和抗剪性能设计了3个试件。实际工程中的底层型钢混凝土工字形截面柱,截面高度3400mm、腹板厚度1400mm、翼缘宽度2600mm、翼缘厚度600mm,柱高11400mm,底层柱反弯点高度为7600mm,剪跨比λ=2.235,属弯曲变形为主的试件。本文工字形截面钢管混凝土柱,设计中考虑了与原设计等截面、等用钢量原则。试验模型柱截面按1/10缩尺,但模型柱高度的确定,考虑了便于同时研究工字型钢管混凝土柱抗弯性能和抗剪性能:(1)设计了普通工字形截面钢管混凝土柱,模型柱高1000mm,剪跨比λ=2.941,比原型剪跨比有所增大,弯曲变形特征更为明显;(2)同时设计了底部加强型工字型截面钢管混凝土柱,虽模型柱高也为1000mm,但底部加强区高度为400mm,在加强区截面抗弯能力显著提高情况下,便于研究上部600mm高度未加强截面的剪切变形性能。其中:试件CFSG-1为普通工字形钢管混凝土柱;试件CFSG-2为在底部截面翼缘外侧贴焊5mm厚钢板的工字形钢管混凝土柱;试件CFSG-3为在CFSG-1底部截面翼缘周边均贴焊5mm厚钢板的工字形钢管混凝土柱。试件CFSG-2和CFSG-3的底部加强区高度取400mm,实际工程中,构造要求为底部加强区高度不小于1.1倍柱截面高度。各试件几何尺寸及配钢见图1,图中未标注的钢板其厚度均为3mm。各试件混凝土设计强度为C45,采用同一批细石商品混凝土浇筑,混凝土实测立方体抗压强度均值为48.72MPa,弹性模量为3.28×104N/mm2。模型中钢板均采用Q235B级钢,其实测力学性能见表1。对3个试件进行低周反复荷载试验,首先施加竖向力1660kN并保持恒定,相应轴压比为0.6,然后施加往复水平力,水平加载点距柱底部1000mm。在试件屈服前以力控制加载为主,也用位移角监控;当试件屈服后,以位移控制加载为主。当试件严重破坏后停止试验。试验加载装置见图2。2试验结果2.1cfsg-1试验结果这里强调加强工字形截面钢管混凝土底部翼缘,目的是充分发挥沿整个层间大范围的钢管混凝土腹板钢板的抗剪耗能性能。在地震作用下,楼层框架柱的受力特点:弯矩上下两端较大、中部较小;轴力变化不大;层间沿高各截面的剪力基本相同。工字型截面柱翼缘抗弯作用为主,腹板抗剪作用为主。钢筋混凝土柱,剪切破坏为脆性破坏,应遵循“强剪弱弯”原则设计。而钢管混凝土柱腹板的钢板抗剪变形性能很好,它不仅比钢筋混凝土柱抗剪变形能力显著提高,也比型钢混凝土柱和钢管混凝土叠合柱发挥钢材抗剪变形性能有利,若不充分发挥钢管混凝土柱沿整个层间大范围的腹板钢板抗剪耗能性能,对充分发挥钢管混凝土柱在抗地震倒塌过程中的抗弯、抗剪综合耗能能力是极为不利的,这是采取工字型截面钢管混凝土柱底部翼缘加强措施的根本原因所在。试件损伤破坏过程验证这一构造措施十分有效。试件CFSG-1、CFSG-2和CFSG-3的最终破坏形态见图3,各试件的根部破坏形态见图4。对各试件的破坏过程及特征分析如下:(1)试件CFSG-1。达到屈服荷载之前,试件未出现明显损伤现象。随着水平位移的增大,首先在两受压翼缘外侧距柱底40mm、190mm高度处先后出现屈曲鼓凸。之后,底部受压翼缘侧面沿高多处屈曲鼓凸,角部焊缝开裂,钢管内混凝土压碎。底部腹板受压屈曲鼓凸出现在中轴两侧,说明腹板截面中部焊接肋板约束两侧钢板鼓凸作用明显。试件呈弯曲破坏形态,塑性铰约在柱底300mm高度范围内。试验表明,试件在底部弯塑性铰域以上的部分,截面损伤较轻,未能充分发挥腹板钢板沿柱全高的抗剪塑性变形耗能性能。(2)试件CFSG-2。达到屈服荷载后,在受压翼缘底部贴焊钢板出现屈曲鼓凸,鼓凸中心距柱根部60mm,贴焊钢板鼓凸有防止和延缓原有钢管受压翼缘外侧钢板鼓凸的作用。随着水平位移的增大,在腹板底部钢板出现了两道X形斜向交叉受剪屈曲鼓凸,并逐步向上增多。底部贴焊钢板底部焊缝开裂,之后底部翼缘角部焊缝开裂,焊缝被撕裂的长度达到120mm。试件严重破坏时,腹板底部110mm高度处截面中轴肋板两侧出现受压屈曲鼓凸。试件以弯曲破坏为主,塑性铰约在底部200mm高度内。腹板钢板的X形斜向交叉受剪屈曲鼓凸沿高分布较广,底部加强区域受剪屈曲鼓凸程度相对低,有利于发挥弯矩较大区域的底部抗弯能力;底部加强区域以上各截面腹板钢板的受剪屈曲鼓凸程度较为均匀,较充分发挥了各截面腹板钢板抗剪耗能性能。(3)试件CFSG-3。达到屈服荷载后,受压翼缘外侧的底部贴焊钢板首先出现屈曲鼓凸(图5(c)右下角),中心距柱根部60mm,贴焊钢板鼓凸有防止和延缓原有钢管受压翼缘外侧钢板鼓凸的作用,在腹板底部出现了两道X形斜向交叉受剪屈曲鼓凸,且受剪屈曲鼓凸随着水平位移的增大逐步向上增多。之后,根部翼缘钢板焊缝被撕裂,内部混凝土在往复荷载作用下被压酥挤出。翼缘上的受压屈曲鼓凸出现在距柱根部140mm范围内,腹板上的X形斜向受剪屈曲鼓凸沿柱全高出现,因底部全翼缘贴焊钢板在明显提高截面抗弯能力的同时,对截面抗剪能力的提高也有一定贡献,因此试件承载力明显提高情况下,底部加强区域受剪屈曲鼓凸程度仍较小,使得底部截面抗弯和抗剪能力得到合理匹配,弯曲变形耗能性能和剪切变形耗能性能均得到充分发挥。底部加强区域上部腹板钢板受剪屈曲程度较大,充分发挥了截面腹板钢板抗剪变形耗能能力。2.2cfsg-2试验与cfsg-3试验结果对比各试件的实测屈服荷载值、极限荷载值见表2。表2中,Fy为屈服荷载;Fu为极限荷载;屈强比μyu是Fy与Fu的比值。由表2可知,试件CFSG-2、CFSG-3和试件CFSG-1相比:屈服荷载和极限荷载明显提高,屈服荷载分别提高了16.90%、31.21%,极限荷载分别提高了15.02%、28.55%;屈强比较为接近,仅分别高了1.64%、2.07%。2.3极限荷载作用下的位移角分析实测所得各试件的位移和位移角以及延性系数见表3。其中:Uy是与明显屈服荷载Fy对应的屈服位移;Uu为与极限荷载Fu对应的位移;Ud为弹塑性最大位移(骨架曲线上荷载下降至极限荷载的85%时的位移);位移延性系数μ=Ud/Uy;屈服位移角θy=Uy/H;顶点弹塑性位移角θd=Ud/H,H为水平位移测点距试件基础顶面的高度(1000mm)。分析表3可知:(1)试件CFSG-2、CFSG-3和试件CFSG-1相比,屈服位移分别提高了6.85%、28.00%,极限荷载对应位移分别提高了30.41%、60.75%,弹塑性最大位移分别提高了17.27%、69.25%,说明底部加强型工字形钢管混凝土柱弹塑性变形能力显著提高。(2)试件CFSG-2极限荷载对应的位移角达到了1/28,试件CFSG-3极限荷载所对应的位移角达到了1/23,虽此时位移角已经超过了规范规定的柱子弹塑性位移角1/50限值,但承载力还未进入下降段,说明其具有良好的弹塑性变形与抗倒塌能力。(3)试件CFSG-2、CFSG-3和试件CFSG-1相比,其延性系数分别提高了9.87%、45.81%,说明工字形截面钢管混凝土柱底部全翼缘贴焊钢板的加强措施,对提高其延性效果更明显。2.4试件的刚度退化规律各试件刚度实测值及各阶段刚度退化系数见表4。表4中:K0为初始弹性刚度;Ky为屈服割线刚度;βyo=Ky/Ko,表示试件从初始阶段到屈服时刚度的衰减。3个试件的“刚度K-位移角θ”全过程曲线比较见图6(a),局部放大图见6(b)。由表4和图5可见:试件CFSG-2、CFSG-3、CFSG-1的刚度退化规律接近;试件CFSG-2、CFSG-3和试件CFSG-1相比,初始刚度分别提高了13.87%和26.64%,屈服刚度分别提高了9.46%,13.07%,屈服刚度与初始刚度的比值分别减小了3.90%和10.78%。2.5滞回曲线滞后于试件cfsg-1实测所得各试件的滞回曲线见图7,实测所得各试件的骨架曲线见图8。图中U为顶部水平加载点高度的水平位移,F为水平荷载。实测试件耗能见表5。滞回环所包围面积的积累为结构弹塑性耗能的大小,因各试件的加载过程实际上存在差异,这里取滞回曲线外包络线包围的面积作为比较用的耗能值。由图6、图7和表5可见:(1)试件CFSG-1滞回环非常饱满,反映了其弯曲变形为主的特征;试件CFSG-2滞回环较为饱满,虽比试件CFSG-1滞回环中部捏拢现象明显一些,但比较骨架曲线可见它的承载力和延性比试件CFSG-1明显提高;试件CFSG-3滞回环也较为饱满,但比试件CFSG-2滞回环中部捏拢现象更明显一些,主要反映该试件弯剪变形的特征,比较骨架曲线可见,试件CFSG-3的承载力和延性比试件CFSG-2明显提高,比试件CFSG-1显著提高;(2)试件CFSG-2、试件CFSG-3比试件CFSG-1耗能分别提高了25.18%、114.35%。3计算的可靠性3.1钢板应力应变的基本概念正截面承载力计算假定:(1)截面应变分布符合平截面假定;(2)不考虑混凝土的抗拉强度;(3)钢管内混凝土抗压强度提高系数取α1=1.2;(4)钢板应力-应变关系用理想弹塑性模型;(5)截面钢材受拉、受压均达屈服应力。本文试验工字形截面钢管混凝土柱根部截面均受弯屈服,弯矩最大的根部截面为大偏压屈服。正截面承载力计算模型见图8。图8(a)为截面受力图,图8(b)为截面上混凝土应力分布图,图8(c)为截面上钢材应力分布图,图8(d)给出了截面尺寸。图中:N′af为受压翼缘钢板压力,N′af=f′aA′af,f′a为钢板抗压强度,A′af为受压区翼缘钢板面积(不含腹板伸入翼缘钢板);N′aw为受压区腹板钢板所受压力,Ν´aw=f´axβ1t,x为混凝土受压区高度,t为沿腹板向钢板厚度之和,h′f为受压翼缘截面高度,β1为等效矩形应力图的特征值取0.8;Nc为受压区翼缘和腹板内混凝土所受压力之和,Nc=a1fc(b′-b′w)h′f+a1fcb′wx,fc为混凝土抗压强度,b′为受压区翼缘截面宽度,b′w为受压区腹板截面宽度;Naf为受拉区翼缘钢板所受拉力,Naf=faAaf,fa为钢板抗拉强度,Aaf为受拉翼缘钢板面积;Naw为受拉腹板钢板所受力,Νaw=fa(h-xβ1-hf)t‚h为截面高度;M为截面所受弯矩,N为截面所受轴力,e0=M/N为偏心距;V为截面所受剪力,V=Vc+Va,Vc为混凝土所受剪力,Va为钢材所受剪力。本文柱为大偏压受力,截面受压区高度x≤ξbh,ξb=0.8/[1+fa/(0.0033Ea]为相对界限受压区高度,Ea为钢材弹性模量。根据平衡条件,可得Ν=Ν´af+Ν´aw+Νc-Νaf-Νaw(1)Ν(e0-h2+h´f2)=faAaf(h-hf2-h´f2)+fat(h-xβ1)(h-h-x/β12-h´f2)-f´atxβ1(x2β1-h´f2)-α1fcb´wx(x2-h´f2)(2)将以上公式写为:Ν=f´aA´af+f´atxβ1+α1fc(b´-b´w)h´f+α1fcb´wx-faAaf-fat(h-xβ1)(3)Ν(e0-h2+h´f2)=faAaf(h-hf)+fat(h-hf-xβ1)(h-hf+xβ1)-f´atxβ1(x2β1-h´f2)-α1fcbwx(x2-h´f2)(4)试件水平承载力计算公式为:F=Μ/Η(5)式中:H为试件加载点至基础距离。本文试验表明,因贴焊钢板仅在边缘与原有钢管钢板贴角焊接,两钢板共同工作后期有时出现脱离对共同工作性能略有影响,因此在承载力计算中应考虑贴焊钢板受力折减系数α,采用折减贴焊钢板厚度方法予以考虑,在贴焊钢板厚度不大于原有钢管钢板厚度条件下,取α=0.6～0.8。3.2正截面、斜截面的充填材料强度计算参考《组合结构设计规范》(JGJ138)征求意见稿中有关矩形钢管混凝土框架柱的斜截面抗剪承载力计算公式,本文工字形钢管混凝土柱斜截面抗剪承载力计算时,其截面通高腹板为矩形,近似按矩形钢管混凝土斜截面承载力计算,并引入翼缘贡献系数β,以考虑翼缘对斜截面抗剪承载力的贡献。工字形钢管混凝土柱斜截面抗剪承载力V按下式计算:V=β(2λ+1.5ftAc+0.58λfaAay)+0.07Ν(6)式中:Ac为剪压区混凝土的面积,ft为混凝土抗拉强度;Aay为通高腹板钢板面积,fa为腹板钢板抗拉强度;λ为对应计算截面的剪跨比;N为轴向压力,当N>0.3fcAc时,取N=0.3fcAc;β为翼缘贡献系数,本文构造条件下,取β=1.1～1.3。由式(5)、式(6)计算所得试件正截面、斜截面承载力与实测水平承载力比较见表6。计算中材料强度取实测值相应的材料强度标准值,取α=0.7,取β=1.2。由表6可见:(1)各试件在上部非加强区或下部加强区的斜截面承载力计算值均大于正截面承载力计算值,说明试件的屈服为正截面首先屈服,当正截面钢板材料全截面屈服时,截面抗弯能力提高,斜截面才开始进入一定的屈服,这与试验结果一致。(2)各试件的上部截面弯矩比下部截面弯矩小,正截面承载力由下部截面控制,正截面计算值和实测值较为接近,试件CFSG-3的误差略大,待进一步深化分析。(3)各试件沿高所有截面剪力相等,且剪力等于水平荷载,计算所得试件CFSG-3上部非加强区斜截面承载力617.45kN与实测试件水平承载力601.10kN较为接近,说明该试件上部截面的剪切变形较大,上部腹板钢板发挥剪切屈服耗能能力较为充分,与实测结果相符。试件斜截面承载力计算,对翼缘的贡献采取了修正系数的方法,较为简单,有待深化研究。4截面抗弯性能(1)与普通工字形截面钢管混凝土柱相比,底部加强型工字形截面钢管混凝土柱的底部截面加强区域,截面抗弯承载力明显提高,虽该区域腹板也出现受剪屈服