SRC-RC混合结构转换柱中型钢与混凝土的抗剪性能*

伍凯 薛建阳 赵鸿铁

(1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098;2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

组合结构与混合结构是具有广阔应用前景的结构形式［1-5］.SRC-RC 竖向混合结构是由型钢混凝土(SRC)结构与钢筋混凝土(RC)结构组成的竖向不规则结构.转换柱是SRC-RC 竖向混合结构中连接下部SRC 柱与上部RC 柱的过渡构件，型钢局部存在于转换柱的中下部.转换柱的合理设计应实现SRC-RC 竖向混合结构刚度和承载能力的逐级递减，避免结构出现薄弱层.

型钢的局部存在导致转换柱的受力性能和破坏特征明显有别于常规的框架柱，型钢与混凝土之间的剪力分配及两者之间的相互作用方式是影响转换柱抗震性能的重要因素.在国内，SRC-RC竖向混合结构已在高层及超高层建筑中得以应用，但对转换柱的性能研究较少［6-9］;国外学者对转换柱试件进行了相关的抗震性能试验［10-14］.提升SRC-RC 竖向混合结构体系的抗震性能，应首先保证转换构件具有良好的延性性能和耗能能力，避免严重的剪切破坏;但截至目前，针对SRC-RC竖向混合结构的分析与研究尚未涉及钢与混凝土之间的内力传递、剪力分配及其对转换柱受力性能的影响.

文中通过16 根转换柱试件的低周反复荷载试验，研究了型钢与混凝土之间的剪力分配，分析了混凝土在反复荷载作用下的抗剪损伤，以期为转换柱破坏机理及基本力学行为的研究提供理论基础与试验数据.

1 试验概况

1.1 试件设计

共设计了16 根柱高L =1 000 mm 的转换柱试件，剪跨比=2.5，截面尺寸为220 mm×160 mm，并分别配置了14#和10#工字钢，配钢率ρss分别为6.11%、4.08%.型钢在转换柱中的延伸高度Lss分别为400、600、800 mm，相应的型钢延伸高度系数ξ(ξ=Lss/L)为0.4、0.6、0.8.试件截面均设置了4 根16 mm变形纵筋.除试件SRC4-2-N*与试件S4-2-N 外的其他试件均进行了箍筋加密，一部分试件在型钢截断区域进行了局部的箍筋加密，另一部分试件全高箍筋加密.箍筋采用直径为6.5mm 的光圆钢筋，箍筋加密区与常规箍筋配置区域的箍筋间距分别取为48、96 mm，体积配箍率ρsv分别为1.92%、0.96%.轴压比n 分别取为0.2、0.4，n =N/(fcA)，fc为混凝土轴心抗压强度，N 为轴向压力，A 为截面面积.所有试件均采用商品混凝土浇筑，实测混凝土立方体抗压强度平均值为59.1MPa.共使用了两批钢材，实测力学性能如表1 所示.

表1 钢材实测力学性能1)Table 1 Measured mechanical properties of steel

试件的钢骨架如图1 所示，试件的设计参数与部分试验数据如表2 所示.试验在平移四联杆试验装置上进行“建研式”加载，并采用了荷载和位移混合控制的方法.

图1 试件的钢骨架(单位:mm)Fig.1 Steel skeleton of tested specimens (Unit:mm)

1.2 破坏形态

虽然剪跨比为2.5，但大多数转换柱试件产生了剪切破坏，只有少数试件发生了粘结破坏或弯曲破坏.剪切破坏发生在抗剪能力相对较差的RC 部分，而粘结破坏和弯曲破坏发生在下部的SRC 部分.图2 给出了具有代表性的破坏形态，型钢与混凝土之间的相互作用及由此产生的剪力传递是导致此类破坏的根本原因.

表2 试件设计参数与试验数据1)Table 2 Parameters of specimens and test data

图2 试件破坏形态Fig.2 Failure modes of specimens

2 型钢与混凝土的剪力分配

由于型钢局部存在于转换柱的中下部，两者之间的内力传递需要依靠型钢与混凝土之间的相互挤压作用完成，并最终完成内力分配与变形协调.型钢的局部存在提高了转换柱下部截面的承载力和刚度，导致反弯点上移.虽然随着型钢延伸高度等参数的不同，转换柱的反弯点位置有所波动，但波动幅度不大，大致位于3/5 倍柱高位置附近.反弯点与型钢截断点的相对位置关系决定了转换柱中型钢与混凝土的剪力分配，如图3 所示.当型钢延伸高度不超过3/5 倍柱高时，混凝土通过与型钢的相互挤压将剪力V1传递至型钢，V1即为型钢承担的剪力大小，其大致作用于型钢顶部;当型钢延伸高度超过3/5 倍柱高时，混凝土与型钢之间的相互作用力除了V1以外(此时其作用点大致位于试件的反弯点附近)，在反弯点以上的区域，由于弯曲变形的不协调，两者之间在型钢顶部区域还存在由相互挤压所产生的剪力V2传递，此时V1与V2的差值为型钢承担的剪力大小.

图3 转换柱中型钢的受剪模型Fig.3 Shear model of shape steel in transfer columns

图4 给出了ω 与μ 之间的关系，型钢分配到的剪力越多，转换柱的延性性能与变形能力越差.

图4 型钢剪力分配系数与位移延性系数的关系Fig.4 Relationship between distribution coefficient of shear force in shape steel and displacement ductility coefficient

通过数据分析可知，影响型钢与混凝土之间剪力分配比例的主要因素包括配钢率、型钢延伸高度及轴压比，体积配箍率的影响相对较小.ω 与这些主要因素间的相互关系如图5 所示.

由图5(a)给出的ω 与ρss的统计结果可见，ω随ρss的增大而增大.对于ρss较大的转换柱试件，型钢的抗弯承载力较大，型钢腹板在同等条件下分担的剪力也相对较大.

由图5(b)可见，ξ 对转换柱的剪力分配有较大影响.随着ξ 的增加，ω 呈现先减小后增大的规律，ξ=0.6 时ω 降到最小值;ω 随ξ 的变化速率与ρss有关，ρss较大时变化速率较快.

由图5(c)可见，ω 随着轴压比n 的增大有一定程度的减小.当n =0.2 时，ω 介于0.24～0.69 之间，均值为0.445;当n =0.4 时，ω 介于0.21～0.61之间，均值为0.394.较大的轴压力虽然加快了粘结裂缝的发展，但同时延缓了剪切裂缝和弯曲裂缝的发展，此时混凝土的刚度退化相对较慢，混凝土承担的弯矩和剪力相对较大，而型钢分担的剪力略有减小.

图5 型钢剪力分配系数与各影响因素的关系Fig.5 Relationship between distribution coefficient of shear force in shape steel and influence factors

3 型钢剪力的作用高度

型钢承受的剪切力本质上为型钢与混凝土之间挤压应力的合力［15］.当型钢延伸高度不超过试件的反弯点时，若假定挤压应力为均匀分布，则型钢剪力作用点位置即为挤压区域的中点，挤压区高度则为型钢剪力作用点至型钢顶端距离的2 倍，因此Lv也从侧面反映了挤压区面积的大小.图6(a)给出了ρss与Lv/L 的相互关系.对于配置10#工字钢的转换柱试件，Lv/L 介于0.21～0.40 之间，均值为0.309;对于配置14#工字钢的转换柱试件，Lv/L 则介于0.23～0.50 之间，均值为0.314.随着配钢率的增加，虽然型钢承担的剪力增大，但型钢翼缘宽度同样增加，因此单位高度上的挤压面积有所增加;这两方面的影响基本抵消，型钢的配钢率对Lv/L 的影响较小.

图6 型钢剪力作用点高度与各影响因素的关系Fig.6 Relationship between shear action spot of shape steel and influence factors

Lv/L 随着ξ 的增加表现出先升后降的变化规律，与ω 截然相反，如图6(b)所示.当ξ 小于0.6时，Vss随着ξ 的增加而减小，此时型钢与混凝土之间的挤压面积减小，型钢剪力作用点至型钢顶端的距离相应减小，而型钢实际的延伸长度增大，因此Lv/L 增大;ξ 超过0.6 后，反弯点以上的型钢与混凝土之间产生与加载方向相反的挤压应力，其合力导致Lv/L 开始逐渐减小;ρss对Lv/L 随ξ 的变化速率有一定影响，ρss越大，Lv/L 变化速率越快.当柱底截面型钢达到屈服状态时，Lv与Vss为反比例关系，Vss可由式(1)计算.因此，随着ξ 的增加，型钢承担的剪力呈现先减小后增大的规律，与Lv的变化规律截然相反.

式中，Mss为柱底型钢弯矩.

虽然轴压比n 对ω 影响相对较小，但对Lv/L 却有较大影响.Lv/L 随着轴压比n 的增大而减小，如图6(c)所示.n 增大时，虽然ω 变化幅度不大，但由于试件的承载力有较大幅度的提高，因此型钢剪力Vss同时增长，钢与混凝土之间的挤压面积增大，型钢剪力作用点至型钢顶端的距离增大，而Lv/L 相应减小.

4 混凝土抗剪损伤

型钢剪切力反作用于混凝土截面中部，起到了间接荷载的作用，导致混凝土出现拉应力，加速了其损伤发展［16-17］.在转换柱的整个受力过程中，型钢与混凝土具有相同的侧移曲线.假定柱底型钢与混凝土具有相同的截面曲率，并忽略型钢的塑性发展，则两种材料按式(2)进行剪力分配.混凝土损伤折减系数η 可由式(3)计算，用于考虑不同剪切荷载作用下混凝土的损伤以及由此引起的混凝土截面抗弯刚度衰减.

式中，Vs、Vc分别为外荷载作用下型钢和混凝土各自分担的剪力，Ess、Ec分别为型钢和混凝土的弹性模量，Iss、Ic分别为型钢截面和混凝土截面的惯性矩.

16 根转换柱试件的ηm介于0.119～0.451 之间，混凝土损伤差异较明显.型钢配钢率、型钢延伸高度、轴压比等诸多因素均对混凝土的损伤状态产生影响.

ω 与ηm的相关性如图7(a)所示.由图可得出两个规律:(1)配置14#工字钢的转换柱试件的ηm小于配置10#工字钢的试件;(2)ω 越大，ηm越小，两参数大体呈线性关系.这两个规律共同体现了型钢剪力对混凝土损伤的影响:配钢率越大、ω 越大，型钢分配得到的剪力越大，此时混凝土核心区承受间接荷载效应越明显，混凝土损伤越显著，因此ηm越小.

图7 混凝土损伤折减系数与各影响因素的关系Fig.7 Relationship between damage reduction coefficient of concrete and influence factors

ξ 与ηm的关系如图7(b)所示.由图可见，随着ξ 的增加，ηm先增大后减小，表现出与ω 相反的变化规律.该变化特征本质上反映了型钢剪力对混凝土损伤的影响，随着ξ 的增加，型钢承担的剪力先降后升，而ηm的变化情况正好相反.

不同轴压比试件的ηm分布如图7(c)所示.由图示结果可见，对于具有相同轴压比的试件，随着其余因素的改变，混凝土的损伤表现出较大的波动.当n 较大时，混凝土抗裂性能提升，压应力延缓了裂缝的出现与发展，因此其余因素的影响相对较小，ηm的波动性降低.

Lv反映了型钢配钢率、型钢延伸高度、轴压比以及构造措施等诸多因素对ηm的综合影响效果，ηm与Lv/L 的关系如图7(d)所示.由图示结果可见，随着Lv/L 的增大，ηm整体表现出增大的趋势.型钢作用点位置较高时，混凝土的损伤相对较弱.

图8 给出了部分试件在不同荷载等级下的η 的理论计算曲线，同时给出了由试验数据分析得出的η 的发展曲线.

随着外荷载的增大，型钢剪力逐渐增加，混凝土承受的间接荷载效应越来越显著，混凝土损伤越来越严重，η 不断减小，截面抗弯刚度迅速丧失.反过来，混凝土损伤的加剧又降低了混凝土的抗剪能力，导致型钢剪力进一步增大.如此交错影响导致混凝土损伤不断积累，直到试件无法继续承担外荷载而破坏.

试件加载的起始阶段，混凝土整体性较好，外荷载较小而混凝土分担的剪力较大，混凝土损伤发展缓慢，此时反复荷载形成的滞回环面积较小，混凝土的损伤耗能较少，滞回曲线如图9 所示.

当试件屈服后，裂缝较多，发展较充分，试件在受力过程中的非线性越来越明显，混凝土损伤耗能增加，滞回环面积增大;试件加载至最大荷载时，柱底型钢已经屈服;继续加载，型钢剪力基本保持不变，而损伤积累导致混凝土承载力衰减，因此虽然柱顶侧移继续增大，但试验荷载开始降低.对于型钢分担剪力较多的试件，由于混凝土损伤发展较快，承载力下降更迅速，骨架曲线下降段陡峭.更多数量的箍筋此时能够较好地约束混凝土的裂缝发展，保持混凝土的整体性，有利于提高试件的延性性能，改善屈服后变形能力和耗能能力.

图8 型钢剪力与混凝土损伤折减系数的关系Fig.8 Relationship between shear force of shape steel and damage reduction coefficient of concrete

在试件屈服后的加载阶段，混凝土的裂缝发展较充分，引起了相对滑移，出现了捏拢现象，导致滞回环面积不断减小，试件承受反复荷载的能力越来越弱.引起捏拢现象的相对滑移主要包括型钢与混凝土之间沿粘结裂缝的滑移以及混凝土之间沿发展较充分剪切开裂面的滑移.无论是粘结滑移还是剪切滑移，本质上都是接触面剪切作用的结果，也反映了抗剪损伤的影响.为了提升试件的抗震性能，应首先降低型钢对混凝土产生的间接荷载效应，以及由此引起的抗剪损伤.

图9 试件的滞回曲线Fig.9 Hysteretic curves of specimens

5 结论

文中以16 根转换柱试件为研究对象进行了低周反复荷载试验，分析了剪力在转换柱中钢与混凝土之间的分配规律，以及型钢剪力作用点至柱根部的距离，并研究了混凝土在反复荷载作用下的抗剪损伤，得到如下结论:

(1)型钢的局部存在提高了转换柱下部截面的承载力和刚度，导致反弯点上移，大致位于3/5 倍柱高处;反弯点与型钢截断点的相对位置关系决定了转换柱中钢与混凝土的剪力分配.

(2)影响型钢与混凝土之间剪力分配比例的主要因素包括配钢率、型钢延伸高度及轴压比.型钢剪力随着型钢配钢率的增大而增大;随着型钢延伸高度的增加，型钢剪力呈现先减小后增大的规律，延伸高度达到3/5 倍柱高时型钢剪力降到最小值;型钢剪力随轴压比的增大有一定程度的减小.

(3)型钢的配钢率对型钢剪力的作用点至柱根部的距离影响较小，此距离随着轴压比的增大而减小，随着型钢延伸高度的增加表现出先升后降的变化规律.

(4)型钢剪力反作用于混凝土截面中部，导致拉应力的出现，加速了混凝土的损伤.型钢配钢率、型钢延伸高度、轴压比等诸多因素均影响混凝土的损伤状态.混凝土的粘结滑移和剪切滑移都是接触面剪切作用的结果，本质上反映了抗剪损伤的影响，导致了捏拢现象，降低了试件的耗能能力.混凝土的损伤又反过来降低了其抗剪能力，导致型钢剪力进一步增大.如此交错影响导致混凝土损伤不断积累直到试件破坏.

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