薄壁C型钢—竹胶板组合箱型柱抗震性能试验1)

蒋天元 李玉顺 单 炜 张王丽

(宁波大学，宁波，315211) (东北林业大学) (宁波大学)

中国是竹的故乡。在我国大约有37属500多种竹子，约占世界竹子种类的50%，竹资源相当丰富［1－2］。同时竹子作为一种可再生能源，其生长速度非常快，一般3～4 a就可成材利用［3］。如能对天然竹子进行一系列的化学处理和物理加工，使其能充当各种建筑材料加以推广利用，将会在很大程度上减少我国每年的钢筋和混凝土用量，这对实现节能减排、促进我国建筑业朝着绿色健康的方向发展将具有重要的意义［4］。

人造竹胶合板是经过干燥、浸胶、组坯和热压胶合而成，具有刚度大、强度高、化学性能稳定等优良特性，是一种能根据结构构件需求任意调整尺寸的建筑材料［5］。竹胶合板通过结构胶黏剂黏结各种类型的冷弯薄壁型钢，能够方便地得到各种截面形式的组合构件，表现出良好的组合效应，并能有效地克服薄壁型钢的过早屈曲，较好地发挥材料的高强度，节省钢材，这已在钢—竹组合楼板、钢—竹组合梁、钢—竹组合墙体的相关试验中得到了验证［6－9］。

笔者提出一种新的钢—竹组合柱构件，即在开口相对的两块冷弯薄壁C型钢四周用结构胶黏剂黏结4块竹胶合板，形成箱型截面的冷弯薄壁C型钢—竹胶合板柱。对钢—竹组合柱进行拟静力加载试验，分析组合柱的滞回性能、延性、耗能能力、变形能力以及承载能力。

1 材料与方法

1.1 试件设计与制作

本次试验共制作了5个组合柱试件，截面尺寸分160 mm×160 mm和180 mm×180 mm两种，钢材采用冷弯薄壁C型钢，厚度分为1.5、2.0 mm两种;竹胶板采用竹帘胶合板，厚度统一为18.6 mm。钢板和竹胶板均由大型的专业生产商加工生产。组合柱试件长度均设计成1 550 mm，计算长度为965 mm。具体试验参数见表1，图1即为组合柱的截面示意图和实物图。

1.2 试验装置与加载

采用MTS电液伺服程控结构试验系统对钢—竹组合柱试件进行拟静力加载试验。加载时，作动器与组合柱上端连接，对柱子进行左右往复运动加载，柱下端由专门加工生产的钢夹具固定，上端设置滚动装置，可供组合柱上端在作动器伸长方向上自由运动。为模拟柱子实际受力状态，在其中3根组合柱上端利用千斤顶对柱子施加320kN的轴向力，通过放置在千斤顶与滚动装置之间的轴力传感器进行数值控制。施加轴力试件加载装置见图2(a)(b)。轴压比为零的组合柱试件在柱上端移掉千斤顶和传感器，直接利用作动器施加水平荷载即可。

表1 组合柱试件参数

图1 钢—竹组合柱试件

图2 钢—竹组合柱试件加载图

本试验利用位移控制方法对5个组合柱试件加载。在0～20 mm幅值范围内，每级位移以2 mm为步长递增，20～40 mm范围内，每级以5 mm位移为幅值递增，位移达到40 mm后，则以10 mm为步长加载，每级位移往复循环两次直到试件破坏不适合继续承载为止。同时，在每级加载达到位移峰值时进行持荷2 s。在加载过程中，如发现组合柱轴向力下降，则及时对柱子轴力补载。

组合柱C型钢板和竹胶合板上的受力情况由应变片反应读取。分别在组合柱3个截面处黏贴不同数量的箔式电阻应变片，纵向应变片测量柱子的正向应变，横向应变片测量柱子的剪切应变(3个截面位置分别为柱上端MTS夹板下端、柱中部、固定夹具上端)。在每个截面处，组合柱外表面竹胶板和内层钢板的应变片相互对应黏贴，以研究柱子同一截面处竹胶板和钢板对承载力的贡献程度。考虑到柱加载时下端夹具可能会产生变形，为测量柱端的真实位移，在组合柱的下端夹具、中部、上端作动器夹板处分别设置一个位移计，应变片和位移计的布置位置见图3。

图3 应变片、位移计布置位置

2 结果与分析

2.1 破坏特征和分析

5根钢—竹组合柱的破坏类型基本相似:破坏均发生在试件下端根部，根部以上部位未发生明显破坏。有轴向力作用的组合柱，在位移达到40 mm后，与薄壁C型钢腹板黏结组合的竹胶板因剪切力的作用开始发生撕裂破坏，钢板与竹胶板也开始脱胶，裂缝宽度随着柱顶荷载的增加而迅速变大，最后根部钢板屈服，组合柱水平承载力下降，不适合继续承载(图4(a)(b))。无轴向力的组合柱试件在钢板屈服后仍可继续加载，最后在柱子根部C型钢翼缘处的竹胶板因夹具前后挤压发生明显的鼓囊变形，待柱上端位移达到100 mm时，试件水平承载力下降，结束加载(图4(c)(d))。

图4 组合柱试件破坏形态

试验结果表明，钢—竹组合柱下端左右两侧(平面与柱上端运动方向平行)竹胶板因剪切力作用容易发生脱胶撕裂破坏，最后前后两侧竹胶板因夹具的反复交替挤压作用发生屈鼓撕裂。轴压力的大小直接影响组合柱的极限水平位移，无轴压的试件顶部位移可达100 mm左右。长细比对试件的极限承载力起到一定作用，但对试件加载初期的受力性能无明显影响。

2.2 滞回曲线

滞回曲线集中体现构件的抗震性能。图5所示的即是组合柱试件顶端水平荷载P－位移Δ滞回曲线，可以看出滞回曲线在刚开始时(柱端位移约在20 mm范围内)成梭形，型钢与竹胶板表现出较好的组合效应，随着荷载、位移的增大，柱下端竹胶板开始脱胶，滞回曲线呈弓形，有明显的“捏缩”效应，组合柱开始出现大量滑移。这些滑移主要是因为柱下端竹胶板的脱胶开裂、C型钢板的屈曲造成的。KZ1、KZ2和KZ5试件的滞回曲线整体上较饱满，表现出较好的耗能能力。

图5 试件滞回曲线

2.3 耗能系数及延性系数

在周期反复荷载作用下，试件每经过一个循环都要吸收能量和释放能量，其中，加载时从外界吸收能量，卸载时释放能量。滞回曲线环所包围的面积越大，试件耗能能力越强，本文利用能量耗散系数评价钢—竹组合柱的耗能能力，即E=S(ABC+CDA)/S(OBE+ODF)(图6)［10］。5 根组合柱试件的耗能系数见表2。

图6 耗能系数确定图

表2 承载力实测结果

延性系数反应的是构件在地震荷载作用下变形能力的大小。一个具有良好变形能力的结构构件能吸收较多的能量，并且在构件破坏前有明显的征兆，很大程度上保障了人们的生命和财产安全。延性系数μ=Δu/Δy。式中:Δy为试件的屈服位移;Δu为试件的极限位移。但由于实验室客观试验条件的限制，有轴压装置的组合柱顶端无法进行大范围移动，因此，本试验的极限位移Δu取极限荷载下的位移Δmax，计算出来的延性系数会偏小。由于试件荷载—位移曲线无明显的屈服点，采用荷载—位移曲线的能量等效面积法确定屈服荷载Py和屈服位移Δy［11］(图7)，利用上式可计算5根柱的延性系数，结果见表2。可以看出，各试件的耗能系数值在0.48～1.53，延性系数在2.03～4.01(从试件的滞回曲线上来看，试件达到极限荷载后，承载力下降很缓慢，实际延性系数值会增大很多)，说明采用冷弯薄壁C型钢与竹胶合板组合的柱子具有一定的耗能能力和变形能力，能满足一般建筑结构对抗震的需求。

图7 屈服点确定图

3 组合柱承载力计算

3.1 计算方法

从组合柱试验的应变分析中可知:应变沿组合柱截面高度基本呈线性分布，符合平截面假定(图8);组合柱在前后侧的C型钢板屈服时柱子进入屈服阶段;内层钢板屈服前，竹胶板与钢板应变基本一致，表现出较好的组合效应。因此，对组合柱在轴向力和水平力的共同作用下的承载力计算可作如下假定:

①C型钢板和组合柱同时屈服;

②符合平截面假定;

③竹胶板的应变—应力关系方程为σb=Eb·εb。

根据上述假定，可得钢—竹组合柱在轴向力和水平力共同作用下的截面应变图和计算模型图(图9(a)(b))。截面应变由水平荷载产生的弯曲应变和轴向力产生的应变两部分叠加组成。

由图9可得:

由力的叠加原理:

由力、力矩平衡条件:

式中:M为柱底弯矩承载力;P为轴向荷载;Mb为竹胶板承担的柱底弯矩;Ms为钢板承担的柱底弯矩;Es为钢弹性模量;Eb为竹胶板弹性模量;F为柱顶水平承载力;h为组合柱计算长度;Ab为竹胶板截面面积;As为钢截面面积;Ib为竹胶板对形心轴的惯性矩;Is为钢对形心轴的惯性矩;a为方形钢截面边长;b为组合柱截面边长;εN为轴压作用下的纵向应变;εb，M，max为弯矩作用下竹胶板的最大应变;εs，M，max为弯矩作用下钢板的最大应变;εy为钢板屈服应变。

由式(1)—式(4)可得水平承载力:F=M/h(F为柱顶水平承载力;h为组合柱计算长度)。

图8 KZ5应变沿柱截面高度分布图

图9 钢—竹组合柱理论计算示意图

3.2 计算值与试验值比较

采用上述方法计算组合柱在轴向力的作用下的水平承载力。计算值与试验值见表3。

表3 水平极限承载力计算结果比较

4 结论

冷弯薄壁C型钢和竹胶合板通过黏合剂复合成箱形钢—竹组合柱具有良好的组合效应，型钢和竹胶板能够共同变形和承担外力，其力学性能优良，具有较高的刚度和承载能力，能应用于实际工程领域。

轴压比对组合柱的受力性能起控制作用。轴压比越大，组合柱下端胶层开裂越早，极限承载力越低。长细比和钢板厚度(含钢率)影响组合柱的极限承载能力和后期刚度，但对组合柱初期受力性能无明显影响。

试验滞回曲线呈反S形或Z形，KZ1、KZ2和KZ5试件的滞回环包围的面积较饱满，说明组合柱在低周反复荷载作用下能表现出较好的延性和耗能能力，能满足我国部分地区的建筑结构抗震设防要求。

根据组合柱承载力计算的3点假定，得出组合柱在轴向力作用下的水平承载力理论计算公式是可行的，利用此公式计算的结果与试验数据吻合较好。

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