第29卷第4期 2007年8月 工程抗震与加固改造 Vo1.29,No.4 Eaahquake Resistant Engineering and Retrofitting Aug.2007 [文章编号]1002 8412f2007)04.0068—05 型钢混凝土压弯构件抗震性能试验研究 陈才华,王翠坤,孙慧中(中国建筑科学研究院,北京100013) [摘要】通过对18根剪跨比为4.23的型钢混凝土柱进行低周反复荷载试验,研究型钢混凝土压弯构件的抗震性能。分析 了试验构件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线和耗能能力,并详细探讨了轴压比和配箍率对型钢混凝土压弯构件抗震性能的 影响。试验结果表明型钢混凝土压弯构件具有良好的抗震性能。 [关键词】型钢混凝土柱;抗震性能;轴压比;配箍率 [中图分类号]TU317 [文献标识码]A Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Reinforced Concrete Compression—bending Members Chert Cai-hua,Wang Cui-kun,Sun Hui-zhong(China Academy ofBuilding Research,& 凡g 100013,Chia)n Abstract:To study the seismic behavior of steel reinforced concrete(SRC)compression—bending members,18 SRC colurflii¥with the span ratio 0f 4.23 are tested under low cyclic reversed loading.By anMyzing the failure patterns,hysteresis loops.skeleton cu ̄es and energy dissipation capacity of such members,the influence of axial compression ratio and stirrup ratio on seismic behavior of SRC compression-bending members are discussed.The test resuhs show that the SRC compression—bending members possess the favorable seismic behavior. Keywords:steel reinforced concrete column;seismic behavior;axial compression ratio;stirrup ratio 1 引言 了保证构件发生弯曲型破坏,构件高度取1200mm, 剪跨比 为4.23。型钢含钢率6.15%,纵筋配筋率 1.68%,构件形状及截面配筋见图1。 』 随着高层建筑中大量采用型钢混凝土结构,对 其抗震性能的研究也在不断深入。从二十世纪80 年代后期开始,国内许多学者对型钢混凝土柱在反 复荷载作用下的滞回曲线、延性以及耗能能力进行 了大量的研究¨ ]。刚开始主要集中在对剪跨比很 小的短柱抗震性能的研究,后来扩展到采用高强混 凝土的短柱,对压弯起控制作用的型钢混凝土长柱 研究相对较少。为全面了解不同轴压比和配箍率型 钢混凝土柱的抗震性能,并对规范修订提供参考资 料,为此进行了18根剪跨比为4.23的型钢混凝土 工 2鳗 盟 1L_ 柱的低周反复荷载试验。 2试验概况 2.1试件设计 混凝土设计强度C50,型钢采用Q235钢,纵筋 470 b 260 J ̄470—j 图1构件形状及截面配筋图 采用HRB335钢筋,箍筋采用HPB235钢筋。根据试 验设备能力,构件截面设计尺寸180mm×260mm,为 试验中变化的参数是轴压比和体积配箍率。根 据《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138.2001)对 框架柱轴压比限值的分级,设计轴压比以 分别取 [收稿日期】2007.04-03 维普资讯 http://www.cqvip.com 第29卷第4期 陈才华,等:型钢混凝土压弯构件抗震性能试验研究 0.5、0.65和0.75三级,与之对应的试验轴压比n. 分别取为0.3、0.4和0.46。按规范对框架柱箍筋加 密区的要求,计算得到本次试验构件在不同轴压比 下规范要求的最小体积配箍率(见表1)。试验中以 规范要求的体积配箍率为上限,并在此基础上降低 两档,即每级轴压比下采用3种不同的体积配箍率。 本次试验所有试件的参数见表2。 表1规范要求的设计轴压比下的最小体积配箍率 设计轴压 最小配箍 最小体积 比nd 特征值 配箍率』D (%) 0.5 0.13 1.43 图2加载装置示意图 0.65 0.16 1.76 液压千斤顶施加轴向压力,水平方向利用电液伺服 0.75 0.185 2.04 控制拉压千斤顶施加往复作用力,加载装置见图2。 加载时首先根据轴压比一次性施加轴力至预定值, 表2试验构件参数 然后保持轴压力值不变,通过水平放置的拉压千斤 试验轴 剪跨比 含钢率 配筋率 体积配箍率 箍筋 试件编号 压比顶循环加卸水平力。加载时根据《建筑抗震试验方 n. P (%) p (%) p (%) 配置 法规程》(JGJO!一96)的规定,采用荷载与位移双控制。 SRC1.1-1 0.3 4.23 6.15 1.68 1.43 6.5@53 在构件屈服以前按荷载控制加载,荷载分级施加,第 一sRC1.1.2 0.3 4.23 6.15 1.68 1.43 6.5@53 级加载到估计最大荷载的20%,以后逐级增加 10%,每级反复循环一次;试件屈服后,按屈服时柱 SRC1.2.1 0.3 4.23 6.15 1.68 1.17 6.5@65 顶相对侧移的倍数进行控制,加载位移依次为2Ay, SRC1.2.2 0.3 4.23 6.15 1.68 1.17 6,5@65 3Ay,4Ay……每级反复循环三次,不断加大构件位 SRC1.3.1 0.3 4.23 6.15 1.68 0.95 6.5@80 移,直至水平荷载下降到峰值荷载的85%时或试件 SRC1.3.2 0.3 4.23 6.15 1.68 0.95 6.5@80 不能再承担预定轴压力时停止。 SRc2.1.1 0.4 4.23 6.15 1.68 1.77 6.5@43 2.3测试内容 SRc2.1.2 0.4 4.23 6.15 1.68 1.77 6.5@43 试验测试内容包括:水平位移、水平荷载、型钢 SRc2.2.1 0.4 4.23 6.15 1.68 1.43 6.5@53 应变、纵筋应变、混凝土应变。水平位移通过与基座 固定的电子位移计测量,水平荷载通过千斤顶传感 SRc2.2.2 0.4 4.23 6.15 1.68 1.43 6.5@53 器测量,型钢应变、纵筋应变和混凝土应变利用事先 sRC2.3.1 0.4 4.23 6.15 1.68 1.17 6.5@65 布置的应变片测量。所有数据通过高速静态应变仪 SRc2.3.2 0.4 4.23 6.15 1.68 1.17 6.5@65 自动采集和记录。 SRc3.1.1 0.46 4.23 6.15 1.68 2.05 6.5@37 3试验结果 SRC3.1.2 0.46 4.23 6.15 1.68 2.05 6.5@37 3.1破坏形态 SRc3.2.1 0.46 4.23 6.15 1.68 1.77 6.5@43 本次试验所有试件均发生弯曲型破坏,其破坏 SRc3.2.2 0.46 4.23 6.15 1.68 1.77 6.5@43 过程符合一般弯曲型试件的破坏特点。在水平荷载 作用下,首先在柱根部的四个角出现水平裂缝;随着 sRc3.3.1 0.46 4.23 6.15 1.68 1.43 6.5@53 荷载的增加,角部的水平裂缝向侧面和正面中部发 SRc3.3.2 0.46 4.23 6.15 1.68 1.43 6.5@53 展,并且从柱根部向上出现新的水平裂缝;继续加大 2.2加载装置及加载制度 荷载,两侧的水平缝贯通,正面水平缝继续延伸,到 本次试验采用悬臂直立式加载方式,竖向采用 型钢翼缘处时,由于受到翼缘的约束,发展缓慢,且 维普资讯 http://www.cqvip.com 工程抗震与加固改造 2Oo7年8月 图3试件最终破坏形态 16O 120 80 —40 堇0 .R.40 —80 -120 16O .4O.3O.2O.10 0 10 2O 3O 4O 位移(ram) 位移(ram) 位移(mm) (a)n=0 3,pv=1 43% (b)n=0 4, =1.77% (c)n=0.46, 2.05% 图4构件滞回曲线 有部分水平裂缝开始朝斜向发展;随着荷载进一步 有显著的变化。荷载达到屈服强度以后,加载与卸 加大,水平裂缝和斜裂缝发展缓慢,竖向受压裂缝出 载刚度逐步降低,并且刚度的降低幅度随着加载循 现,柱根角部有条状混凝土压溃脱落;随着顶部位移 环次数的增加而增大,具有明显的退化现象。在到 的加大和往复循环作用,竖向裂缝向上发展并加宽, 达极限荷载之前,构件的塑性发展并不充分,滞回环 最终导致两侧的混凝土保护层剥落,同时正面保护 面积较小,耗能能力较弱;过了极限荷载之后,随着 层混凝土也出现大量的网状裂缝;最后,整个保护层 位移的加大,塑性得到充分体现,滞回曲线变得非常 完全脱落,根部纵筋压曲鼓出,承载力迅速降低并导 饱满,滞回环的面积显著增大,体现出很强的耗能能 致最终破坏。图3列出了试件SRC1—1 2、SRC2.1—1 力。 和SRC3。3—2的最终破坏形态。 (2)轴压比对构件滞回曲线影响较大。配箍率 3.2 滞回曲线 相同、轴压比不同构件的滞回曲线见图5,从中可以 滞回曲线是判断构件抗震性能的一个重要指 看出:相同配箍率下,轴压比小的构件滞回曲线更为 标,其形状越饱满,则耗能能力越强,抗震性能越好。 饱满,极限荷载之后的滞回曲线更加稳定,多次循环 本次试验各构件的滞回曲线都呈饱满的梭形,表明 后构件的水平承载力降低的不显著,所能经受的极 均具有良好的抗震能力,通过分析比较各构件的滞 限变形大。而轴压比大的构件滞回曲线相对狭小, 回曲线,可以得出型钢混凝土压弯构件滞回曲线的 极限荷载后的稳定性下降,承载力衰减严重,极限变 几个特点: 形能力弱于小轴压比试件。 (1)滞回曲线充分体现了型钢混凝土柱具有较 (3)配箍率对构件的滞回曲线有一定影响。轴 好的耗能能力。图4是本次试验部分试件的滞回曲 压比相同、配箍率不同构件的滞回曲线见图6,从中 线,从中可以看出:水平荷载较小时,试件保持弹性, 可以看出:相同轴压比下,配箍率越大,构件的滞回 荷载一位移曲线沿直线上升,卸载后变形恢复。随 曲线越饱满,极限荷载后的承载力下降越平缓,构件 着荷载的增加,荷载一位移曲线逐渐偏离直线,卸载 的变形能力、耗能能力越强,延性性能越好。 时有一定的残余变形,构件开始进入弹塑性阶段;但 3.3骨架曲线 一直到屈服荷载以前,试件的加载和卸载刚度都没 连接每级荷载作用下构件滞回曲线的峰值点即 维普资讯 http://www.cqvip.com 第29卷第4期 陈才华,等:型钢混凝土压弯构件抗震性能试验研究 一40.30-20.10 0 10 20 30 40 位移(mm) (a)n=0 3,0v:1 43% 位移(mm) (c)n=0.46, =1.43% 图5构件滞回曲线 160 120 80 —40 堇0 ・R.40 .80 .120 160 .位移(mm) (a)n=0 46,0v=2 05% 位移(ram) (b)n=0,46,0v=1 77% 位移(mm) (c)n=0.46, =1 43% 图6构件滞回曲线 可得到构件的骨架曲线。本次试验试件骨架曲线可 以分为弹性上升段、弹塑性上升段和下降段。弹性 上升段对应于构件开裂以前,整体表现为弹性,荷载 随位移的增大而线性增加。弹塑性上升段从构件开 能力更强、强度衰减更慢。因此,增加配箍率有助于 提高构件的极限变形能力和延缓其在反复荷载作用 下的强度衰减。 相同配箍率构件在不同轴压比下的无量纲骨架 曲线见图8。从图中可以看出,无量纲骨架曲线上 升段几乎重合,但是下降段有明显的区别,轴压比越 小,其下降段越平缓且极限位移越大。可见,轴压比 小的构件的变形能力更强、强度衰减更慢。 3.4耗能能力 裂至荷载达到峰值,此时随着混凝土的开裂损伤以 及部分退出工作,加上钢筋和型钢进入屈服,构件的 刚度逐渐减小,表现出明显的弹塑性。在荷载达到 峰值以后,受到更多混凝土退出工作,钢筋和型钢进 入塑性以及轴压力p-A效应的影响,骨架曲线进入 下降段,不同构件下降段的走势受到轴压比和配箍 结构构件的耗能能力是评价其抗震性能的一个 率的影响而有所差别,有的相对平缓,有的相对陡 峭,表现出不同的变形能力和强度衰减。 重要依据,构件的耗能能力越强,则在地震中吸收的 能量越多,从而可有效地减小地震造成的危害。反 通过将骨架曲线无量纲化,可以更好地观察构 件在最大荷载前后的变形特征和强度衰减,并对不 同参数构件的骨架曲线进行比较。无量纲化的具体 作法为:以P/P一为纵坐标,A/A。为横坐标,其中 P、△是加载过程中的水平荷载与水平位移,P一是 最大水平荷载,△ 是对应于最大水平荷载的水平位 移。 复荷载作用下构件的耗能能力与其滞回曲线一个滞 回环的面积成正比,因此通常以滞回曲线的饱满程 度作为耗能能力好坏的评价依据。这种方法虽然比 较直观,但不便于进行定量分析,于是引入等效粘滞 阻尼系数来对构件耗能能力进行量化,数值越大代 表耗能能力越强。等效粘滞阻尼系数的计算方法参 见文献[6]。 相同轴压比下不同配箍率构件的无量纲骨架曲 线见图7。从中可以看出,无量纲骨架曲线上升段 计算表明,构件的等效粘滞阻尼系数随加载位 移增大而增大,本次试验试件破坏时的等效粘滞阻 尼系数均在0.4以上,显示出很好的耗能性能。图9 (a)对比了轴压比相同、配箍率不同构件的等效粘滞 几乎重合,但是下降段有明显的区别,构件配箍率越 大,下降段越平缓且极限位移越大,表明构件的变形 维普资讯 http://www.cqvip.com
工程抗震与加固改造 2007年8月 :‘ dn △f△n △f△o (a)轴压比n=0 3 (b)轴压比n=4 (c)轴压比n=0.46 图7体积配箍率对骨架曲线的影响 - 一f }/ { / ・一n=0 3 .——1一n=0 4 : d0 z ̄./Ao 霎一 df1 (a)体积配箍率pv:1 17% (b)体积配箍率pv:1.43% (c)体积配箍率 =1.77% 图8轴压比对骨架曲线的影响 O.5 l0 4 , , 一- 凝 1Ii5 凝 盛 察 据 凝 神 訾 盛 凝 神0 1 羹 =O.3 _ 一n=0 4 r—n=0 46 3O 35 — O O 0 5 10 1 5 2O 25 位移(Inm) (a)轴压比n=O 4 位移(mil1) fb)体积配箍率 =1.43% 图9等效粘滞阻尼系数与位移的关系 阻尼系数,从图中可以看出,在轴压比相同的情况 率对型钢混凝土压弯构件抗震性能的影响,得出了 如下主要结论: 下,体积配箍率越高的构件在加载后期的等效粘滞 阻尼系数越大,表明耗能能力更强。图9(b)对比了 配箍率相同、轴压比不同构件的等效粘滞阻尼系数, (1)型钢混凝土长柱在低周反复荷载作用下发 生延性较好的弯曲型破坏,破坏过程较为缓慢;滞回 从图中可以看出,在体积配箍率相同的情况下,轴压 比越低的构件在加载后期的等效粘滞阻尼系数越 大,表明耗能能力更强。 4结论 曲线呈饱满的梭形。耗能能力强;骨架曲线的下降段 较为平缓,表现出较好的变形能力。试验证实了型 钢混凝土柱具有良好的抗震性能。 (2)轴压比是影响型钢混凝土压弯构件抗震性 能的重要因素。随着轴压比增大,滞回曲线包含的 面积越来越小,耗能能力变弱,骨架曲线的下降段越 (下转第85页) 通过低周反复荷载试验,对型钢混凝土压弯构 件的抗震性能,包括破坏形态、滞回特性、骨架曲线、 耗能能力等进行了分析,比较了轴压比和体积配箍 维普资讯 http://www.cqvip.com 第29卷第4期 周世军:连续梁施工损伤及修复过程的结构行为分析 ・85・ 到0.2mm,其余均在0.05mm左右)。回顶荷载到 690t时最大拉应力为5.5MPa,上缘最大压应力为 11.3MPa。③在二期恒载及活载作用下,2 墩附近 梁上下缘应力趋向与回顶最大吨位时力的作用趋向 相反,属减载。④在徐变作用下,回顶超载力逐渐减 小,约大半超载力将消失,混凝土梁应力状态将大为 改善。三年后2 墩附近区域下缘混凝土最大拉应 理,然后进行碳纤维布加固,以增强结构的耐久性和 承载能力。另外,第一、二跨跨中截面压应力储备较 小,可以在进行2#墩左右底板碳纤维布加固的同 时对第一、二跨跨中区域进行碳纤维布补强处理。 参考文献: [1]周世军,朱唏.钢筋混凝土箱梁的非线性有限元分析及 模型试验研究[J].土木工程学报,1996,29(4):21~30 力将降至压应力为0.85MPa左右,上缘混凝土最大 压应力为6.5MPa,基本到达正常设计的应力范围。 (4)建议的加固方案:2 墩左右顶板共20m~ 30m范围首先进行裂缝处理,然后将铺装层钢筋网 加强,以防止顶板钢筋和预应力钢束锈蚀,提高承载 能力;2 墩左右底板共16m范围也首先进行裂缝处 [2]杨子江,周世军.钢筋混凝土曲线箱梁的非线性分析 [J].土木工程学报,1997,30(3):23~29 [3]周世军.钢筋混凝土箱形梁的极限承载力分析[J].铁 道学报,1997,19(2):73~79 [4] 王国鼎等.桥梁检测与加固[M].北京:人民交通出版 社.20o3 [作者简介]周世军(1961~),男,博士,教授,博导,E-mail: ̄zhou8@163.com (上接第67页) [5] 姜忻良,刘康,谷岩等.混凝土密排内框架一纤维石膏 板低周往复试验研究[J].建筑结构学报,2004,8(4):50 ~程动力特性分析[J].地震工程与工程振动,2006,26 (1):100~104 [8] GB50011-2001,建筑抗震设计规范[s].北京:中国建筑 工业出版社,2001 54 [6]姜忻良,张月楼,聂其林等.混凝土灌芯纤维增强石膏 板T型节点构件抗震性能试验研究[J].地震工程与工 程振动,2004,10(5):149~153 [9] 叶列平,康胜,曾勇.双功能带缝剪力墙的弹性受力性 能分析[J].清华大学学报(自然科学版)1999,39(12): 79~81 [7]姜忻良,高海,许岩,张宇.复合墙板计算模型与试点工 [作者简介】姜忻良(1951~),男,浙江嘉兴人,教授,博士生导师,主要从事复杂结构分析,结构一土相互作用动力分析,E. mail:jiangxinliang@126.com (上接第72页) 来越陡,强度衰减加快,极限变形能力减弱,延性变差。 能的试验研究[P].西安冶金建筑学院,1985 [2] 张素芳.SRC框架短柱在低周反复荷载作用下的延性 [J].西南交通大学学报,1990,(2) (3)体积配箍率对型钢混凝土压弯构件抗震性 能有较大的影响。随着体积配箍率的增大,构件的 [3]赵世春等.劲性钢筋混凝土柱基本抗震行为的试验研 究[J].建筑结构学报,1996,(6) 极限变形能力增强,骨架曲线下降段更平缓,延性性 能提高;反复荷载作用下的强度衰减变慢,耗能能力 增强。尤其在轴压比较大的情况下,体积配箍率对 抗震性能的改善作用更为明显。 参考文献: [4] 贾金青等.配箍率对钢骨高强混凝土短柱轴压力系数 限值影响的试验研究[J].土木工程学报,2002,(6) [5]李俊华,赵鸿铁,薛建阳.型钢高强混凝土柱延性的试 验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2004,(4) [6]马永欣,郑山锁.结构试验[M].北京:科学出版社,2001 [1]姜维山,赵鸿铁,牟星之.劲性钢筋混凝土短柱抗震性 [作者简介】 陈才华(1982~),男,硕士研究生
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