不同类型异形柱耐震性与适用性分析

杨 明,伍 凯,葛鸿鹏,张 莉

(1.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098;2.中国建筑西北设计研究院,陕西 西安 710003)

异形柱结构是近年来发展起来的一种新型结构。异形柱的截面一般有“T”、“L”、“十”字等形式。柱肢宽度与填充墙等厚,避免柱楞凸出,把建筑美观和使用的灵活性有机地结合,为用户提供舒适的工作和居住环境,增加房间的实际使用面积,提高空间的利用率[1]。异形柱抗震能力基本相同的情况下,带暗柱钢筋混凝土异形柱、型钢混凝土(SRC)异形柱与普通钢筋混凝土(RC)异形柱相比,综合用钢量直接关系到整个工程的造价,因此对其耐震性与适用性进行分析与研究是非常重要的。目前,国内外学者对异形柱的抗震性能进行了较为详细的分析和研究,对异形柱的含钢率也有了一定的研究,但对异形柱适用性的研究相对较少[2]。

在已有试验研究和大量工程实践的基础上[3-10],通过对试验数据进行系统地分析、统计、线性回归,分别确定了三类异形柱延性系数、承载力、耗能能力、极限侧移角与含钢率的比值,对三类异形柱的耐震性与适用性进行了评估。分析与评估的结果可为异型柱的工程应用提供一些数据资料和参考依据。

1 试验概况

1.1 含钢率

对于RC异形柱、带暗柱钢筋混凝土异形柱、SRC异形柱,含钢率取纵向配筋率与纵向配钢率之和,不考虑体积配箍率,其公式为:

式中:As为纵向钢筋横截面面积;Ass为纵向钢材横截面面积;A为混凝土全截面面积。

1.2 极限侧移角

按现行抗震规范,在大震(罕遇烈度地震)作用下,结构的非弹性变形要小于容许极限变形,以防止结构倒塌,因此要求结构的层间侧移角应小于某一规定限值(对钢筋混凝土框架为1/50)。表1给出了实测各试件的极限侧移角。三类异形柱的极限侧移角大多数都超过了1/50。特别是SRC异形柱的极限侧移角大部分可达到甚至超过1/30;带暗柱钢筋混凝土异形柱的极限侧移角均超过1/40。可见SRC、带暗柱钢筋混凝土异形柱具有较好的抗倒塌能力。

1.3 耗能能力

耗能能力是指在往复水平荷载作用下吸收和消耗能量的能力,以试件荷载-变形滞回曲线所包围的面积来衡量,也是表示抗震性能的一个重要指标。试件的耗能能力通常用等效粘滞阻尼系数he表示,其公式为:

式中:S(ABC+CDA)表示滞回环面积;S(OBE+ODF)表示以滞回环上下顶点相对应的三角形面积如图1虚线所示。

图1 P-Δ滞回环曲线

计算等效粘滞阻尼系数he,关键在于滞回环面积的确定,采用Origin8.0软件,利用其强大的绘图功能,将试验采集的数据绘制成滞回曲线图,然后用CAD格式保存,利用CAD可以准确地计算每一个滞回环的面积。由表1可知,三类异形柱的he大部分都超过了0.15。特别是带暗柱钢筋混凝土异形柱的he均超过0.20,部分大于0.30;SRC异形柱的he大部分超过0.20,最大可达到0.41。可见带暗柱钢筋混凝土、SRC异形柱具有较好的吸收和消耗能量的能力。

按现行规范,异形柱的含钢率要小于一定限值,对 RC异形柱为 5.00%、SRC异形柱为15.00%[11-15]。由表1可知,34个试件含钢率变化范围是1.66%～12.70%。

1.4 加载装置

能够进行三类异形框架柱耐震性研究的试验装置很多,其中常见的有简支梁式、连续梁式、悬臂柱式和“建研式”几种。在进行RC钢筋混凝土异形柱试验时,采用的试验装置是悬臂柱式;在进行带暗柱钢筋混凝土异形柱试验时,采用的试验装置是简支梁式;在进行SRC型钢混凝土异形柱试验时,采用的试验装置是“建研式”。

1.5 加载制度

在进行RC钢筋混凝土异形柱试验时,水平荷载加载先由力控制,再由位移控制。水平荷载的变化按正弦波形式,每级控制荷载或控制位移均循环两次。为了观察到更多破坏现象,试验过程中,当滞回环出现明显的不稳定或试件破坏严重时方停止加载。

在进行带暗柱钢筋混凝土异形柱试验时,首先将轴力N对准异形柱的形心,然后施加轴力,并使其保持不变,然后施加低周反复水平荷载F。用多点数采集系统采集钢筋应变,用X-Y函数记录水平力F水平位移U滞回曲线。弹性阶段用位移与荷载联合控制其水平荷载,弹塑性阶段主要用位移控制其水平加载。

表1 试件参数

在进行SRC型钢混凝土异形柱试验时,水平荷载采用荷载和位移混合控制方法。在试件达到屈服荷载前,采用荷载增量控制方法,20 kN为一级增量,每级荷载循环一次。试件屈服后,按等幅位移增量控制,以屈服时水平位移的倍数逐级增加,每一级位移下循环三次,直到SRC异形柱受压屈服、水平荷载下降到最大值的70%时停止试验。

2 试验分析

从含钢率与延性系数的关系判断三类异形柱的适用性。由表1可知,三类异形柱的延性系数大部分都超过3.0,可见其具有较好的抗震性能。特别是带暗柱钢筋混凝土异形柱的延性系数均超过3.5,大部分都超过4.0,表现出更好的变形能力。由表2和图2可知,当含钢率在1.66%～2.55%时,适用性最好的是带暗柱钢筋混凝土异形柱;当含钢率在2.55%～4.00%时,适用性最好的是RC异形柱;当含钢率在4.00%～8.00%时,适用性最好的是带暗柱钢筋混凝土异形柱;当含钢率超过8.00%时,只能采用SRC异形柱。

从含钢率与承载力的关系判断三类异形柱的适用性。由表1可知,承载力从高到底依次是SRC异形柱、带暗柱钢筋混凝土异形柱、RC混凝土异形柱。由表2和图3可知,当含钢率1.66%～2.95%时,适用性最好的是带暗柱钢筋混凝土异形柱;当含钢率在2.95%～4.00%时,适用性最好的是RC异形柱;当含钢率在4.00%～12.70%时,适用性最好的是SRC异形柱。

从含钢率与耗能能力的关系判断三类异形柱的适用性。由表1可知,等效粘滞阻尼系数从高到低依次是带暗柱钢筋混凝土异形柱、SRC异形柱、RC异形柱,特别是大部分带暗柱钢筋混凝土异形柱的等效粘滞阻尼系数都超过0.25,可见,其具有很好的抗倒塌能力。由表2和图4可知,当含钢率在1.66%～3.38%时,适用性最好的是带暗柱钢筋混凝土异形柱;当含钢率在3.38%～4.00%时,适用性最好的是RC异形柱;当含钢率在4.00%～8.00%时,适用性最好的是带暗柱钢筋混凝土异形柱;当含钢率超过8.00%时,只能采用SRC异形柱。

表2 试件的线性拟合函数

图2 试件的延性系数与含钢率关系曲线

图3 试件的承载力与含钢率关系曲线

图4 试件的耗能能力与含钢率关系曲线

从含钢率与极限侧移角的关系判断三类异形柱的适用性,由表1可知,其极限侧移角绝大部分都超过了1/50。特别是SRC异形柱的极限侧移角更大,极限侧移角大部分都大于1/30;带暗柱钢筋混凝土异形柱的极限侧移角均超过1/40。可见SRC异形柱和带暗柱钢筋混凝土异形柱具有较好的抗倒塌能力。由表2和图5可知,当含钢率在1.66%～3.67%时,适用性最好的是RC异形柱;当含钢率在3.67%～8.00%时,适用性最好的是带暗柱钢筋混凝土异形柱;当含钢率超过8.00%时,只能采用SRC异形柱。

依据含钢率的不同,采用Origin8.0进行线性拟合,可知RC异形柱、带暗柱钢筋混凝土异形柱、SRC异形柱的延性系数、承载力、耗能能力、极限侧移角与含钢率的线性拟合函数,如表2所示。

综合以上分析,采用加权平均的计算方法将延性系数、承载力、耗能能力、极限侧移角与含钢率4个独立的比值联系起来,根据表2,用一个综合指标ζ来反映异形柱的适用性,ζp=0.25μp+0.25Fp+0.25hep+0.25θp(ζp代表 RC 异形柱);ζa=0.25μa+0.25Fa+0.25hea+0.25θa(ζa代表带暗柱钢筋混凝土异形柱);ζx=0.25μx+0.25Fx+0.25hex+0.25 θx(ζx代表SRC异形柱)。通过三者的对比与分析,可知,当含钢率在3.00%～4.00%时,RC异形柱的适用性较好;当含钢率在 1.66%～3.00%或者4.00%～8.00%时;带暗柱钢筋混凝土异形柱的适用性较好。当含钢率大于8.00%时,只能采用SRC异形柱。

图5 试件的极限侧移角与含钢率关系曲线

3 结 论

通过对34根异形柱的试验结果进行综合分析,可以得出以下结论:

(1)当含钢率在3.00%～4.00%时,RC异形柱的适用性较好;当含钢率在1.66%～3.00%或者4.00%～8.00%时;带暗柱钢筋混凝土异形柱的适用性较好;当含钢率大于8.00%时,只能采用SRC异形柱。

(2)SRC异形柱的极限侧移角大部分可达到甚至超过1/30,可见其具有较好的抗倒塌能力。

(3)带暗柱钢筋混凝土异形柱的 he均超过0.20,部分大于0.30,可见其具有较好的吸收和消耗能量的能力。

(4)带暗柱钢筋混凝土异形柱的延性系数均超过3.5,大部分都超过4.0,可见其具有很好的变形能力。

(5)SRC、带暗柱钢筋混凝土异形柱构与RC异形柱相比,其抗倒塌能力、吸收和消耗能量的能力、变形能力均具有较大程度的提高。

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