不同配钢形式的型钢混凝土十字形异形柱抗震性能的比较研究

张 波 方 林 金国芳 李凯文

（1.同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092；2.无锡城市职业技术学院，无锡214000）

不同配钢形式的型钢混凝土十字形异形柱抗震性能的比较研究

张 波1，*方 林1金国芳1李凯文2

（1.同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092；2.无锡城市职业技术学院，无锡214000）

对4个不同轴压比、配钢率、加载方向的实腹式型钢混凝土（SSRC）十字形异形柱进行低周反复荷载试验，得到其荷载-位移滞回曲线、位移延性、强度衰减及耗能能力等抗震性能。与空腹式型钢混凝土（LSRC）十字形异形柱的抗震性能进行对比，分析结果表明：实腹式型钢混凝土十字形异形柱滞回曲线饱满，强度衰减幅度较小，耗能能力较高，延性良好。

型钢混凝土十字形异形柱，实腹式，空腹式，低周反复荷载试验，抗震性能

1 引 言

型钢混凝土异形柱（SRC异形柱）结构是一种新型的组合结构，它将型钢与异形柱结合起来，不仅具有钢筋混凝土异形柱布置灵活、美观实用、增加房屋使用面积等优点［1］，而且改善了钢筋混凝土异形柱承载力较低、抗震性能较差、使用范围有限等弱点，因此具有良好的应用前景。SRC十字形异形柱是型钢混凝土异形柱体系的一种主要结构形式，根据配钢方式的不同，SRC十字形异形柱可以分为实腹式和空腹式两种［2-3］。综合已有的研究成果，对SRC十字形异形柱的研究主要集中在构件承载力方面，而对其抗震性能的试验研究并不多［4-7］。文献［8-9］对4个空腹式型钢混凝土（LSRC）十字形异形柱的抗震性能进行了试验研究，分析比较了轴压比、剪跨比、加载方向对其抗震性能的影响。目前，关于实腹式型钢混凝土（SSRC）十字形异形柱抗震性能的研究还未见报道。本文通过对4个试件进行低周反复荷载试验，研究SSRC十字形异形柱的抗震性能，并与文献［8-9］中LSRC十字形异形柱试件抗震性能相比较，为其工程应用提供参考。

2 试验概况

共设计了4个实腹式型钢混凝土十字形异形柱试件，编号为SSRC1-SSRC4。试件按1/2缩尺比例制作，肢高为360 mm，肢厚为120 mm，肢高肢厚比为3.0，柱高为1 170 mm，剪跨比均采用3.25。纵筋为HRB400，箍筋为HPB300。混凝土强度等级均为C50。试件钢骨采用焊接型钢，材质为Q235。设计变化参数有轴压比、配钢率及加载方向。为方便比较，实腹式与空腹式十字形异形柱试件［8］的基本信息见表1，其中空腹式十字形异形柱试件编号为LSRC1-LSRC4，主要参数有空腹式配钢形式、加载角、轴压比、剪跨比。实腹式型钢混凝土十字形异形柱试件的配筋、配钢情况详见表2，实腹式与空腹式试件的截面详见图1、图2。

表1 试件基本信息表Table 1 Design param eters of specimens

图1 实腹式试件截面图（单位：mm）Fig.1 Cross Profile of SSRC sPecimens（Unit：mm）

表2 SSRC试件配钢特征明细表Table 2 Steel reinforcement of SSRC specimen

图2 空腹式试件截面图［8］（单位：mm）Fig.2 Cross Profile of LSRC sPecimens（Unit：mm）

由图2可以看出，SSRC与LSRC十字形异形柱试件配钢形式的主要区别为：实腹式试件采用钢板焊接方法形成钢骨部分；而空腹式试件中钢骨是通过水平腹杆和斜腹杆分别将T形钢和槽钢焊接起来形成桁架形式；槽钢桁架形式的空腹式试件中未配置纵筋。

3 加载装置及加载制度

3.1 加载装置

SSRC十字形异形柱试验采用悬臂柱式加载。先采用液压千斤顶按轴压比施加恒定的竖向荷载，然后由电液伺服作动器施加往复水平荷载。试验数据由电液伺服结构试验系统及微机控制。加载装置如图3所示，试件立面及仪表布置如图4所示。

LSRC十字形异形柱试验采用建研式加载装置［9］。相比于悬臂柱式加载，建研式加载方法可以保证受剪面平行，但试件高度为悬臂式的一倍，试验操作相对复杂。从试验结果来看，加载方式的不同，使实腹式与空腹式十字形异形柱的破坏特点稍有不同，而对试件抗震性能的影响并不明显。

图4 试件立面及测点布置图（单位：mm）Fig.4 SSRC sPecimens facade and instrument arrangement（Unit：mm）

图3 SSRC十字形异形柱加载装置Fig.3 Test setuP of SSRC sPecimens

3.2 加载制度

SSRC十字形异形柱试件水平低周反复加载均采用位移控制［10］。试验前，先取设计轴压力的30%重复加载2次；然后通过千斤顶在柱顶一次施加预定竖向荷载并保持恒定，最后施加水平位移。试件屈服前，每级循环1次，增加幅度为0.25Δy；达到屈服位移后，每级循环3次，增加幅度为0.50Δy，施加5次后，增加幅度变为Δy，直至试件的荷载下降到峰值荷载的85%或试件破坏为止，其中Δy为屈服位移。具体加载制度如图5所示。

图5 加载制度Fig.5 Loading scheme of sPecimens

4 破坏特征及破坏机理

剪跨比很大程度上决定了试件的破坏形态。实腹式试件的剪跨比均为3.25，LSRC2和LSRC3试件的剪跨比为2.5，从试验过程及破坏特征来看，这6个试件的破坏形态主要表现为弯曲破坏，破坏过程大致相同，基本表现为：首先在试件的底端出现水平微裂缝，随着荷载的增大，水平裂缝不断加剧，随后柱脚混凝土开始剥落并沿柱身向上发展，箍筋外露，当荷载达到一定值时，纵筋屈曲，型钢及箍筋外围混凝土压溃，试件破坏。由于空腹式试件采用建研式加载，使柱上端在加载过程中也有裂缝产生，除此之外，发生弯曲破坏的试件破坏过程基本相同。从破坏机理上来说，对于SSRC试件的破坏起控制作用的是纵向型钢。在水平裂缝出现之前，型钢与混凝土作为整体共同承受荷载，变形协调一致；柱脚混凝土开裂后，逐渐退出工作，截面应力转移至纵筋及型钢，纵筋首先发生屈服，随着混凝土压溃面积不断增大，截面内力主要由型钢承担，当型钢翼缘屈曲时试件破坏。对于LSRC试件，发生弯曲破坏时，纵筋压屈外凸，柱脚混凝土几乎都被压碎剥落，压碎区高度约与柱截面肢高相当，但纵向型钢均未屈服。SSRC试件的破坏形态如图6所示。

图6 SSRC试件破坏形态Fig.6 SSRC sPecimen failuremodes

剪跨比较小的试件LSRC1、LSRC4发生剪切斜压破坏。破坏过程大致为：首先出现腹部斜裂缝，然后出现交叉斜裂缝并将试件划分为若干菱形块，随荷载的增大，原斜裂缝发展为几条主要的交叉斜裂缝，被分割的菱形混凝土块被压碎脱落，最后被箍筋包围的混凝土压碎，斜腹杆压屈外凸，试件破坏。从破坏机理来说，LSRC1和LSRC4主要经历了弹性、弹塑性和破坏三个阶段。试件开裂前为弹性阶段，此时型钢与混凝土变形小且协同一致。试件开裂后进入弹塑性阶段，混凝土裂缝增大退出工作，释放弹性能转移给型钢及箍筋，截面剪应力重分布，型钢、箍筋变形迅速，达到峰值荷载时，型钢、箍筋屈服，试件破坏［9］。

5 滞回性能

SSRC十字形异形柱试件滞回曲线如图7所示，从图中可以看出以下特点：

（1）各试件的滞回曲线基本呈饱满的梭形。

（2）屈服之前，试件基本处于弹性阶段，加、卸载曲线基本重合，残余变形均较小；试件屈服之后，随着位移幅值的不断增大，试件残余变形逐步增大，试件的承载力仍有提高，试件达到峰值荷载后，滞回环加、卸载曲线趋于平缓，残余变形明显。

（3）配钢率较高的试件滞回环更丰满，极限变形及荷载循环次数都明显高于配钢率低的试件。

（4）沿45°方向加载的试件在达到极限承载力之前滞回性能良好，当超过极限承载力之后，试件承载力下降迅速，循环次数较其他试件明显减少，总体滞回性能较差。观察该试件破坏过程，导致这种结果的原因有两种：一方面，接近破坏时，SRC4两柱肢中的纵筋基本都屈服，并有多根断裂，柱肢中混凝土核心区基本都被压溃，承载力削弱明显；另一方面，试件达到极限荷载之后，柱脚与地梁交界处混凝土也有部分被压碎，使地梁对试件的约束能力下降。

对比SSRC十字形异形柱与LSRC十字形异形柱的滞回曲线［8］，可以得出：

（1）对于发生弯曲破坏的试件，LSRC十字形异形柱滞回曲线呈现明显捏拢现象，而SSRC十字形异形柱试件滞回曲线呈饱满梭形。这种差异一方面是因为SSRC试件中钢骨整体性较好；另一方面，LSRC试件在纵筋屈服、混凝土压碎之后便发生破坏，钢骨部分并未屈服，因此钢骨性能未得到有效利用，而SSRC试件中钢骨在纵筋、混凝土退出工作后仍能继续承担荷载，有效延缓了试件的破坏，直至型钢翼缘发生屈服。

（2）沿45°方向加载时，各试件的极限承载力得到提高，达到极限承载力之后，曲线下降相对较快，滞回性能较沿工程轴加载的试件相对较差。这是因为两柱肢相交处产生剪应力集中所致。

图7 SSRC十字形异形柱滞回曲线Fig.7 Hysteretic curves of SSRC sPecimens

6 强度衰减

由试件滞回曲线可以看出，在同一级位移荷载幅值下，随循环次数的增加，试件强度不断降低，强度衰减越快，表明结构继续抵抗荷载的能力下降越多，当遭遇地震余震时，越容易发生破坏。强度衰减可以用某一控制位移下第n次循环的峰值荷载与该级位移下首次加载时的峰值荷载之比来表示。SSRC十字形异形柱试件强度衰减与试件位移荷载的关系如图8所示。

对于SSRC十字形异形柱试件，从图8可以看出：

（1）SSRC试件正负方向强度衰减基本对称。

（2）轴压比对试件强度衰减的影响不可忽视。轴压比大的试件SSRC2，强度衰减缓慢，破坏时强度衰减幅值较小。

图8 SSRC十字形异形柱试件强度衰减Fig.8 Strength deterioration of SSRC sPecimens

（3）沿45°方向加载的试件，接近试件破坏时，强度衰减迅速，衰减幅度较大，继续承受荷载的能力较差。

由于配钢形式的不同，SSRC十字形异形柱试件与LSRC十字形异形柱试件在试验过程中强度衰减程度有所差异：

（1）SSRC十字形异形柱试件在加载过程中，强度衰减不断增大，衰减速度较稳定，直至试件破坏。而LSRC十字形异形柱试件在破坏前，衰减幅度并不明显，当试件破坏时，强度衰减突然加剧。出现这种差异主要是因为LSRC试件中钢骨在纵筋和混凝土退出工作后不能有效参与承载，钢骨未能屈服而试件已经发生破坏。

（2）实腹式十字形异形柱试件SSRC1-SSRC4在最终破坏时，强度衰减最大值分别为9.6%、5.7%、14.4%和15.9%；空腹式十字形异形柱试件LSRC2和LSRC3强度衰减约为32%和25%，相比之下，SSRC十字形异形柱试件强度衰减程度相对较小，一定程度上反映了该结构继续抵抗荷载的能力较好。

7 耗能能力

试件的耗能性能是评估其抗震性能的重要依据，它反映了构件在反复荷载作用下吸收能量的大小，使结构在地震过程中不至于发生严重破坏。耗能性能以试件滞回曲线所包围的面积来衡量。两种配钢形式的试件均以黏滞阻尼系数h［11］e来表示耗能特性。

由各试件的试验结果可以看出，随着荷载的不断增大，滞回曲线包围的面积不断增大，即耗能能力不断增强，因此黏滞阻尼系数he在试验过程中是不断增大的，当试件接近破坏时，he达到最大值。表3给出了各试件在破坏时的黏滞阻尼系数。

表3 各试件破坏时黏滞阻尼系数heTable 3 Dissipative ratio he at each failure point

从表3中可见，SSRC十字形异形柱各试件在破坏时的黏滞阻尼系数最小为0.273，最大为0.366，LSRC十字形异形柱试件的he最大为0.243，而钢筋混凝土矩形柱的值在0.1～0.2之间，而普通钢筋混凝土异形柱的耗能能力较矩形柱更差［9］，因此SSRC十字形异形柱试件具有更好的耗能能力。相比于空腹式配钢，实腹式配钢使钢骨在试件接近破坏时有效地承担荷载，发挥了延性良好的材料性能，最终使试件的耗能能力得到提升。

8 延性分析

8.1 位移延性系数

试件的延性采用延性系数来表示，即uΔ= Δu/Δy，其中，Δy为屈服位移，Δu为破坏位移。试件破坏时的侧移角表示为θu=Δu/L，其中，θu表示侧移角，L表示柱高。表4列出了各试件的平均延性系数及破坏时的侧移角。

从表中可以看出，SSRC十字形异形柱具有良好的延性。此外，《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ 149—2006）［12］规定，罕遇地震作用下，钢筋混凝土异形柱结构的弹塑性层间位移角限值为1/60，因此SSRC十字形异形柱具有良好的塑性变形能力。

表4 试件延性系数及侧移角Table 4 Ductility factors and drift rotation angles

8.2 影响延性的主要因素分析

主要从轴压比、配钢率、加载方向、配钢形式、剪跨比五个方面考虑其对型钢混凝土十字形异形柱延性的影响。

（1）轴压比。轴压比对试件的延性影响并不明显。对于SSRC十字形异形柱试件，其他条件相同的情况下，当轴压比由0.3提高到0.5时，试件的延性系数变化很小。而在LSRC十字形异形柱试验中，轴压比对延性的影响同样很小。

（2）配钢率。对于SSRC十字形异形柱，当其他条件相同时，配钢率由5.69%提高到7.78%时，试件的延性系数提高了约14%，因此配钢率的提高对SSRC试件延性有明显影响。而在LSRC十字形异形柱试验中，虽然配钢率不同，但配钢率低的试件配置了纵筋，有利于延性提高，同时加载方向和钢骨配置方法也对延性有影响，因此配钢率对LSRC试件延性的影响程度不易判别。

（3）加载方向。对于SSRC十字形异形柱，当试件沿45°方向加载时，虽然配钢率有了提高，但延性仍然相对较差。而LSRC十字形异形柱试件沿45°加载时，同样显示出了延性较差的特性。

（4）配钢形式。对比实腹式配钢、配T形钢桁架和配槽钢桁架三种配钢形式，实腹式配钢的十字形异形柱的延性相对较好，空腹式配钢形式试件的延性次之。

（5）剪跨比。剪跨比直接影响了试件的破坏形态，剪跨比较大的试件均发生弯曲破坏，剪跨比较小的试件则发生剪切型破坏。从试验结果可以看出，弯曲型破坏的试件延性最好，剪切型破坏次之。

9 结 论

通过对4个SSRC十字形异形柱进行低周反复加载试验，并与LSRC十字形异形柱抗震性能进行比较［8］，得到了以下结论：

（1）沿45°加载时，SSRC与LSRC十字形异形柱试件的滞回性能及延性较差；接近破坏时，试件强度衰减迅速。

（2）剪跨比大时，SSRC与LSRC十字形异形柱试件发生弯曲破坏，延性较好。

（3）与LSRC十字形异形柱相比，SSRC实腹式十字形异形柱滞回曲线更为丰满，耗能能力更强，延性相对较好，抗震性能优越。

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Seism ic Behaviors of Steel Reinforced Concrete Cross-shaped Columnsw ith Different Steel Reinforcement Designs

ZHANG Bo1，*FANG Lin1JIN Guofang1LIKaiwen2
（1.Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Wuxi City College of Vocational Technology，Wuxi214000，China）

Seismic behaviors of solid-web steel reinforced concrete（SSRC）cross-shaPed columns were investigated through low cycle reversed loading testing of four column sPecimenswith various axial comPression ratios，steel ratios and loading directions.Column failure Processes and Patterns were recorded.The loaddisPlacement hysteretic curve，ductility，strength deterioration，and energy dissiPating caPacitywere analyzed. ComParison between the SSRC cross-shaPed column and the lattice style steel reinforced concrete（LSRC）cross-shaPed column showed that the solid-web sPecimens hadmore energy dissiPation caPacities.The strength deterioration of SSRC sPecimens was not so significant.The SSRC sPecimens also have good ductility.

steel reinforced concrete，solid-web cross-shaPed column，lattice tyPe cross-shaPed column，low cycle reversed loading exPeriment，seismic Performance

2014-03-16

江苏省“六大人才高峰”资助项目（JY-060）；江苏省第四期“333工程”培养资金资助项目（BRA2012027）

*联系作者，Email：hoPe.zb@163.com