土 木 建 筑 与 环 境 工 程!!!!!!!!!!!!!!!! 第! 卷!+ 表 =! 混凝土力学性能 =! 试验概况 =! 试件设计 参 照 我 国 0建 筑 抗 震 设 计 规 范 1!EW?)) 混凝土参数 立方体抗压强度 +ZP0 轴心抗压强度 +ZP0 弹性模量 <6 +ZP0 试验值

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1 第 卷第 期土木建筑与环境工程 年 月!!# $%!&'$&! ' &! ''! # % 形截面钢骨混凝土异形柱框架抗震性能 杨 涛 张喜德 同济大学土木工程学院建筑工程系 上海 广西大学土木建筑工程学院 南宁 摘 要 参照国家抗震规范 ( 度设防的标准 制作一榀 比例的由钢筋混凝土梁和 形截面钢骨混凝土异形柱组成的单跨两层的框架模型 通过拟静力试验 研究了结构的破坏形态 刚度退化 延性与耗能等抗震性能 试验结果表明 形截面钢骨异形柱框架结构抗震性能良好 柱中钢骨在结构抗震中发挥了明显的作用 试验研究和分析结果表明 钢骨异形柱框架结构的抗震性能可满足抗震设防的要求 关键词 钢骨混凝土 异形柱 抗震性能 拟静力试验 中图分类号 ( 文献标志码 # 文章编号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由于异形柱结构可以避免室内出现梁柱棱角 提高空间的利用率 使建筑更加美观适用 因此近年来在工程中得到了广泛的应用 国内外学者对异形 ) 柱的受力性能进行了分析和研究 由于截面不规则 异形柱结构的抗震性能是研究的主要内容之一 影响异形柱抗震性能的因素有轴压比 柱肢长宽比 )* 荷载作用角等 为改善异形柱结构的抗震性能 常采用沿异形柱全长加密箍筋 设置暗柱或剪力墙 ( 等措施 但这些措施可能对建筑的空间布置产生不利影响 例如影响门窗布置等 通过在异形柱柱肢中布置型钢 钢管或其他形式的钢骨 便形成了钢骨异形柱 钢骨异形柱具有较高的承载力 可减小 柱肢尺寸 降低对建筑空间布置的影响 试验研究 ) 表明 钢骨异形柱具有较好的抗震性能 目前 对钢骨异形柱构件及梁柱节点的抗震性能有了一定的研究 但对钢骨异形柱结构整体抗震性能的试验研究较少 因此 制作一榀 比例的由 形截面钢骨异形柱和普通钢筋混凝土梁组成的单跨两层的框架模型 分别采用拟动力及拟静力的试验方法 对钢骨异形柱框架结构的抗震性能进行了研究 该文为拟静力试验的研究成果 主要研究了结构的破坏形态 刚度退化 延性与耗能等抗震性能 同时 基于试验结果提出了相关结论和有待进一步研究的问题 收稿日期 () ) 作者简介 杨涛 * ) 男 同济大学博士研究生 主要从事混凝土结构的研究 )! & ( $

2 土 木 建 筑 与 环 境 工 程!!!!!!!!!!!!!!!! 第! 卷!+ 表 =! 混凝土力学性能 =! 试验概况 =! 试件设计 参 照 我 国 0建 筑 抗 震 设 计 规 范 1!EW?)) 混凝土参数 立方体抗压强度 +ZP0 轴心抗压强度 +ZP0 弹性模量 <6 +ZP0 度 设 防*( 类 场 地 土 设 计 一 榀 +# 比 例的单跨两层框架模型%抗震等级为二级& 其中%框 架柱采用 K 形截面 钢 骨 异 形 柱%根 据 柱 的 受 力 特 点 表 >! 钢材力学性能 屈服强度 *O 弹性模量 <N + ZP0 + ZP0 钢材种类 类别 规格 TPW#!? 梁*柱箍筋 )#g)? TPW#!? 柱纵筋 ))!# )!g)? K 形截面钢骨异形柱柱肢长 +)) <<*宽 #? <<%柱 TQW!!? 梁纵筋 &M!*) )+g)? 肢长宽比为!' #&钢筋混凝土梁高!?)<<%梁翼缘板 [#!? 型钢 V)!)M )g)? 着重在柱肢端部配置钢骨(柱的承载力计算参照0型 # 钢混凝土组合结 构 技 术 规 & 框架梁采用普通钢筋混凝土梁%按照普通混凝土受弯 构件进行配筋&框架模型层高 ' M? <%跨度!' ) <& 厚?)<<*宽+))<<&异形柱中钢骨由 [#!? 级V) 工字型钢加工 而 成%体 积 配 钢 率!含 纵 筋$为?' #\ & 试件的具体尺寸 和 配 筋!钢$如 图 所 示%实 测 混 凝 土和钢材的力学性能见表 *表 #& 由截面尺寸及材 料特性计算可知%柱端抗弯承载力与梁端抗弯承载力 的比值大 于 ' #!规 范 限 值$%符 合 强 柱 弱 梁 的 要 求& 按照抗震设计的相关规定%在框架梁两端 M)) << 范 围内加密箍筋&为了提高 钢 骨 与 混 凝 土 之 间 的 咬 合 力%保证钢骨与混凝土的整体工作性能%在柱肢钢骨 之间设置 d!)g! 等 边 角 钢 连 接 件%角 钢 连 接 件 在 柱中的布置如图 # 所示& 图 >! 角钢连接件布置图 >! 加载方案 根据 0型 钢 混 凝 土 组 合 结 构 技 术 规 程 #))$%柱的轴压比 ; 按下式计算' F *6#6 *0#0 其中%F 为轴 向 压 力( *6 为 混 凝 土 轴 心 抗 压 强 度% #6 为混凝土截面积% #0 为 *0 为型钢的抗拉强度% ;+ 型钢截面积&试验时在框架柱顶部各施加 )))C( 的轴向压力%轴压 比 为 #?& 由 于 两 个 作 动 器 难 以 协调加载%因此只在试件顶部施加水平荷载%加 载 装 置如图! 所示& 加 载 时 采 用 混 合 控 制 的 方 式%第 一 个加载循环采用荷载控制%其他循环采用位移控 制& 力控循环加载 至 框 架 梁 端 纵 向 钢 筋 屈 服%并 以 此 时 对应的框架顶点位移作为基准控制位移 ( &位控循 环加载时%对试件施加变幅三角波荷载%位移控 制 幅 图 =! 框架尺寸和配筋钢# 值依次 为 (* #(*!(4%每 个 位 移 控 制 幅 值 循 环! 次&当试 件 所 能 承 受 的 荷 载 下 降 至 峰 值 荷 载 的

3 第#期 杨! 涛!等) K 时%认为试件发生最终破坏& 图 B! 裂缝分布图 图! 加载装置! 试验过程 在拟静力之前 的 试 验 中%框 架 梁 端 的 腹 板 和 翼 缘处产生了 微 小 的 裂 缝%开 裂 荷 载 约 为 M)C(& 拟 静力试验开始后%在第一个加载循环中%当正向加载!推$至?#C( 时%底 层 框 架 梁 端 纵 向 钢 筋 达 到 屈 图 C! 塑性铰形成过程 服%对应框架顶点 位 移 约 为 <<& 取 基 准 控 制 位 移 ( +<< %进行 位 控 加 载& 在 ( 的 位 控 循 环 >! 试验分析 加载过程中%梁 端 腹 板 和 翼 缘 上 裂 缝 的 宽 度 逐 步 加 =! 耗能性能 大%并有一定的延伸(同时%梁端出现了若干新裂缝% 试件的荷载 ] 柱 顶 位 移 滞 回 曲 线 如 图 M 所 示& 柱上未发现裂缝&在 控 制 位 移 为 #( 时%梁 翼 缘 板 上 滞回曲线较为 饱 满%说 明 结 构 的 耗 能 能 力 较 好& 在 裂缝贯通%梁端 形 成 塑 性 铰(此 时%柱 肢 棱 角 处 的 混 力控及 ( 的位控循环中%荷载 ] 顶点位移滞回曲线 凝土出现零星 的 局 部 剥 落 现 象%底 层 柱 脚 腹 板 处 混 接近线性%说明 结 构 尚 处 于 弹 性 状 态& 当 控 制 位 移 凝土产生微小 的 裂 缝(此 循 环 过 程 中 试 件 承 受 的 最 依次 增 加 到 #(*!(* +( 时%在 经 历 第 一 个 循 环 加 载 大荷载为!!' MC(& 控 制 位 移 增 至!( 时%上 下 两 后%试件的承载 能 力 均 有 所 降 低 并 伴 随 着 一 定 的 滑 层柱的柱脚处 均 出 现 较 明 显 的 裂 缝%梁 上 裂 缝 进 一 移(梁端损伤的积累及梁*柱裂缝的发展是导 致 承 载 步发展%梁翼缘开裂严重(此循环过程中试件所承受 力降低和滑移 产 生 的 主 要 原 因& 试 验 过 程 中%试 件 的最大 荷 载 MC(& 当 控 制 位 移 增 加 至 +( 的承载能力未出现陡降& 时%上下两层柱 的 柱 脚 处 均 出 现 了 明 显 的 局 部 压 碎 区域%梁端开裂严重(加载过程中梁端混凝土不断剥 落%框架发生明显的变形(试验过程中试件承受的最 大荷载约为 +) C(%对 应 位 移 为!M' *! <<& 在 +( 的循环加载后%由于加载装置的限制%试验结束& B! 破坏形态 试验过程中对梁柱节点性能和裂缝分布特点进 行了考察&随着 荷 载 的 增 加%梁 柱 节 点 区 边 缘 形 成 一条主裂缝%节 点 核 心 区 未 发 现 裂 缝& 梁 端 裂 缝 分 图 R! 荷载$顶点位移滞回曲线 布密集%在试验的破坏阶段%柱脚处混凝土均被不同 结构的耗能 能 力 可 用 等 效 粘 滞 阻 尼 系 数 '9 予 程度地压碎&框架最终破坏时的裂缝分布如图 + 所 以量化 ##%试件典型滞 回 环 的 等 效 粘 滞 阻 尼 系 数 见 示&试验中塑性 铰 的 形 成 过 程 依 次 为 底 层 梁 端*顶 表!& 由 表 可 知%等 效 粘 滞 阻 尼 系 数 随 循 环 加 载 次 层梁端和底 层 柱 脚 处!图?$%塑 性 铰 的 形 成 过 程 较 数的增多 而 变 大%说 明 结 构 的 耗 能 能 力 逐 渐 增 强& 为合理%符合2强柱弱梁3的抗震设计& 相关试 验 表 明%框 架 结 构 的 粘 滞 阻 尼 系 数 多 介 于

4 土 木 建 筑 与 环 境 工 程!!!!!!!!!!!!!!!! 第! 卷!M # )? #?之 间!+ & 本 试 验 中%框 架 模 型 的 粘 滞 阻尼系数也符合此分布特点%结构耗能性能较好& 表 B! 平均环线折算刚度 位移控制值 环线刚度 作用方向 ( #(!( +( 正向 *' * +' B' BM 反向 ) *' M' B? 表! 典型滞回环粘滞阻尼系数 '9 典型滞回环 力控 ( #(!( +( '9 )!+ )*! +!?) 骨架曲线为荷载 ] 顶点位移滞回曲线中每一级 荷载第一次循 环 的 峰 值 点 所 连 成 的 外 包 络 曲 线%试 验中框架的荷载 ] 顶 点 位 移 骨 架 曲 线 如 图 B 所 示& 由于加载装置 的 问 题%骨 架 曲 线 未 能 得 到 完 整 的 下 降段& C(/<<]$ B+!! 结构的延性 延性是结构抗震 性 能 的 重 要 指 标 之 一?#%常 采 用位移延性系数 &( 来衡量' &( + (-+(O 其中%(O 为屈服位移( (- 为极限位移%一般取结 构的最大承载力下降?Z 时所对应的位移&本 次 试 验中%框架 模 型 在 经 历 控 制 位 移 为 +( 的 循 环 加 载 后%正向承 载 力 无 明 显 下 降%反 向 承 载 力 降 低 了 约 M\ &由于未能得到完整的下降段%因此只能对 框 架 模型的延性做 定 性 的 评 估& 反 向 加 载 时%框 架 最 大 承载力为!+*C(%采用2通用屈服弯矩法3##确定结 构的屈服位移 (O _B' ) <<&试验中%当反 向 承 载 力下降了 M\ 时%对应位移 (9 _++<<&因此%结构 的位移延性系数应大于 #. M! 可 知% 图?! 骨架曲线 在试验后期框 架 模 型 刚 度 退 化 平 稳%结 构 具 有 在 维 持承载力的同 时 提 高 变 形 的 能 力& 同 时%相 关 试 验 >! 刚度退化 结构刚度的退化反映了地震作用下结构抗侧能 研究也表明 *)#%钢骨异 形 柱 在 不 同 轴 压 比*荷 载 角 力的衰减%退化 刚 度 可 用 同 一 控 制 位 移 下 的 平 均 环 及配钢量的情况下%承载力下降阶段较为平缓%位 移 线折算刚度 B 来表示' 延性系数一般 在!' ) 以 上%部 分 情 况 下 可 达 M' )以 ; B+ ' 上&综合以上分 析%认 为 框 架 模 型 的 位 移 延 性 系 数 ; G+ '( 应不小于!' )%可以满足 延 性 系 数 应 处 于!? 之 间 其中%G 为指定位移控 制 值 下 第 次 循 环 位 移 峰值所对应 的 荷 载 值( ( 为 指 定 位 移 控 制 值 下 第 次循环的位移峰值&试件的平均环线折算刚度退化 曲线见表 +&与单个 K 形截面钢骨异形柱构件的抗 震性能相比较 *#%框架的刚度退化具有类似规律%即 前期刚度衰减快%后期刚度衰减逐渐减慢%其刚度退 所示& 的要求 M#& B! 柱中钢骨的性能 选取图 + 中 左 侧 框 架 柱 底 层 柱 脚 最 不 利 截 面% 对柱中钢骨的 工 作 性 能 进 行 研 究%钢 骨 上 的 测 点 布 置如图 * 所示&根据测点处钢骨的荷载 ] 应变 滞 回 曲线%将每一级荷载第一个循环的峰值点连线%得 到 柱中钢骨的荷载 ] 应变骨架曲线%如图 ) 所示& 根 据型钢的力学性能指标%其屈服 应 变 约 为?!)*+& 由图可见%在正*反 向 荷 载 作 用 下%钢 骨 不 同 部 位 受 力有一定差异%但其性能都得到了较好的发挥& 图 D! 刚度退化曲线 注'对 比 曲 线 为 文 献 *#中 试 件 e!%该 试 件 为 K 形 截 面 钢 骨异形柱%荷载作用方向柱肢长 宽 比 为!' )%混 凝 土 强 度 等 级 为 图 E! 钢骨测点布置图! 图 钢骨荷载$应变骨架曲线 2+)%轴压比为 *\ &

5 第 期 杨 涛 等 形截面钢骨混凝土异形柱框架抗震性能 * + 角钢连接件由于钢骨表面积大且较为平整 角钢连接件 以提高钢骨与混凝土的锚固及咬合力 在底层柱脚附近 沿柱截面 & 轴方向的角钢连接件上布置测点 如图 得到角钢连接件典型的荷载 应变滞回曲线如图 所示 由图可见 角钢的应变与荷载的随动性明显 由于角钢连接件两端与钢骨相连 受力的变化很大程度上反映了其参与结构整体工作的程度及对钢骨的约束作用 因此 角钢连接件的设置有利于钢骨之间组成空间体系 并增强钢骨与混凝土的整体工作性能 参考文献 # #6#? #22# 2 &'!0'0! '! $'0$ $ '&'$ 4$&'0 & 7! $ '! 0 4' 0! ) & % '0 '$&! &',& $& ' )( # #6#? #22# 2 &' )!0'0! '! $'0$ $ '&'$ 4$&'0 &7!$ '! 0 4' 0! ) & ) % '0 '$&! &',& $& ' *) 6, ) % '0 '! $'0$ $ '&' ' 4' 0' 4!7!4' 0! 07!$ '! # 8,& $& ( ( ) ( 6, 9!7! % '0 '! $'0 $ $ '&'$,& $&! ) ''! ( * ) 钱稼茹 李耕勤 异形柱用于 ( 度抗震设防建筑研究 工业建筑 () 图 角钢连接件荷载 应变滞回曲线 ) 结论和建议 通过对 形截面钢骨异形柱与普通钢筋混凝土梁组成的框架模型进行拟静力试验研究 得到以下结论 低周反复荷载作用下 框架的荷载 位移滞回曲线饱满 典型滞回环粘滞阻尼系数介于 之间 结构具有良好的耗能性能 结构破坏时 塑性铰首先出现在梁端 最后出现在底层柱脚处 塑性铰形成机制较为合理 在荷载作用下 梁柱节点核心区未发生破坏 异形柱中不同部位钢骨受力有一定的差异 其中柱肢端部钢骨的性能得到了较好的发挥 角钢连接件的设置有利于增强钢骨与混凝土之间的整体工作性能 钢骨异形柱框架刚度退化具有前期快 后期慢的特点 试验中虽然未能得到结构荷载 位移骨架曲线完整的下降段 但通过分析认为其位移延性系数应不小于 可以满足抗震要求 钢骨异形柱与钢筋混凝土梁组成的框架具有较好的耗能能力和合理的破坏机制 能够满足抗震设防的要求 试验中 框架梁端部开裂较为严重 有必要对框架梁进行优化设计 同时 应对钢骨的合理配置做进一步的研究 8# -) 8,& 0!$&! '$!) % '0 $ & 4!0! 5!&% '!!$ &!!$&!! &'!& ( 8 0 &! & $&! () 曹云中 干钢 唐锦春 柱肢长宽比对空间异形柱框架抗震性能的影响 工程力学 * () #< )6<- -# -#- #- 8) 6 8 ' $'' &%)5!0&% &!$! 4 '!!$ ' $'?) ' 5!&% '$!) '$&! $! ''! '$%!$ * () * 杨溥 唐剑 陈名弟 等 钢筋砼异形柱在不同加载方向的受力性能分析 重庆大学学报 ( ( *) #- 2 #- 8# 6 8-)?8'& #! '!!$$ $!& 3 '$! % '0 $! 0!' ' &%!1 &0! '$&! % /!!'!& ( (*) ( 曹万林 胡国振 崔立长 等 钢筋混凝土带暗柱异形柱抗震性能试验及分析 建筑结构学报 ) #< - <)6 '& 7 '! ' & 0! '!!$4'%! ) % '0$ 5!&%$ $''0$ 9!0!,& $& ' ) 蒋丽娜 钢骨混凝土 形截面异形柱抗震性能试验研究? 广西 广西大学 7 '! ' & ' ' $% '!!$ 4'%! &'' '! $'0 $ $ '&' '$!) % '0 $?- 7!- 7!!'!& 下转第 页

6 土木建筑与环境工程 第 卷 - #-'&# ' &! & $& ' )! &' ) ' & ' '0 '&!$ &'0 $' & $& ' &% % &'!! 8 0 &! & $&! * *)* 张毅刚 王成 辐射型体内张拉成形空间网格结构 * 2*) - 6# <. ' & 0! ' ' ) $' & ' '0) $% ',& $&! ''! (*) 胡加珠 吕令毅 张拉结构的找形方法评述 建筑科学 ( ) 8B )! 0! '&%0 &'!' & $& ' 9!0!,$!' $'( ) 杨睿 董石麟 倪英戈 预应力张弦梁结构的形态分析 改进的逆迭代法 空间结构 ( ) #- 3 8-)- B! 0!! ' & ' '04' &! & $& ' ) 0!!'0! ' ')!&' &! '& 0, &!,& $& ' ( ) 余志祥 赵雷 张力结构形态确定的改进方法 四川建筑科学研究 )* 8 #! '0! 0! '&%0 &'!' & $& ',!$% 9!0!,$!' $' )* * 张其林 索和膜结构 上海 同济大学出版社 ( 万红霞 索和膜结构形状确定理论研究? 武汉 武汉理工大学 ) * 马美玲 张弦梁结构找形和受力性能研究? 杭州 浙江大学建筑工程学院 ) 张毅刚 薛素铎 杨庆山 等 大跨空间结构 北京 机械工业出版社 - 6# <.#$!!!&''' ' &! '! 5!&%&' & & ' '0 $% ' ' &% 8 &' &!, '$!& ' ' $' 0) '0,&'',& $& ) 6#- 8)-#-;#- 6 - # 6 -) - #-'&,& 0! $' &%'! &' ) ' & ' '0 '&!$ &'0 $' & $& ' &% % &'!! 8#,,8 &, * ) - 6# <.2 ;. $& 4'%! & $% & $& ' &' &% 8 &!& &', '$!!& ' ' (( - 6# <.< &%'0'! &%' & $% 0 & ' '0) $% ',& $&! ''! ) 钱若军 杨联萍 张力结构的分析 设计 施工 南京 东南大学出版社 )( 编辑 陈 蓉 上接第 * 页 陈宗平 薛建阳 赵鸿铁 等 型钢混凝土异形柱抗震性能试验研究 建筑结构学报 *( ) 6 <-)28- : 8#) #- 6#< 6<-) 8 '& 7 '! ' & & 0 '!!$ 4'%! &'' '! $'0 $ $ '&' '$!) % '0 $ 9!0!,& $& ' *( ) - ( 型钢混凝土组合结构技术规程, 朱伯龙 结构抗震试验 北京 地震出版社 ( 王来 王铁成 陈倩 低周反复荷载下方钢管混凝土框架抗震性能的试验研究 地震工程与工程振动 )* ;#- 8 ) 6-6 8# 7 '! ' & & 0 '!!$ ' $'$ $ '&')!'0 '$& & 4 ' 0' 5) '' '0 $ $!$ 0! &%/ +'! ''! 0! ''!!4 &! )* 王雪芳 郑建岚 自密实高强混凝土框架结构的抗震性能研究 福州大学学报 *)** ;#- : 0 ' &%/ +' '! & $'4'%! ')$ $&! %! %) & ' &% $ $ '&' ' B 1%!'!& *)** 6#, 6 &! &%' '!!$ ' $'&% '') & 0! ' &) '! &! $ $ '&' ' &%/ +'! ''! 0,& $&?!$ ) 赵艳静 李忠献 陈云霞 四级抗震等级时钢筋混凝土异形柱轴压比限值的研究 建筑结构学报 () 6#< #) 6 ) :8#3' ' $%!!& ' 7!$ '! &! '$! % '0 3 $! $ ' &% '!!$ 0' 9!0!,& $& ' () 编辑 胡英奎