型钢超高强混凝土框架不同剪跨比抗震性能试验研究

马英超，贾金青，张建成

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)



型钢超高强混凝土框架不同剪跨比抗震性能试验研究

马英超，贾金青，张建成

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

为了研究型钢超高强混凝土框架的抗震性能及剪跨比对整体结构的影响，共进行了2榀单层单跨框架结构抗震性能试验对比分析，研究的主要目的是验证不同剪跨比型钢超高强混凝土框架结构的抗震性能。并且通过试验得到不同剪跨比下的破坏形态、P-Δ滞回曲线、骨架曲线、位移延性系数、强度退化、刚度退化、耗能能力。结果表明：剪跨比2的框架结构柱的破坏现象严重，其强度，刚度退化快，能量耗散能力低。

型钢超高强混凝土；框架结构；剪跨比；强度退化；刚度退化；耗能能力

低剪跨比结构的抗震性能和破坏程度要比高剪跨比的严重很多，随着城市的扩大和发展，建筑向高层和超高层发展已经成为一个必然的趋势，而超高强混凝土完全满足结构要求，与普通混凝土相比，具有更好的抗压性和耐久性，而包裹型钢的结构形式能够降低结构的脆性，使材料能发挥各自的优点。与型钢混凝土结构或型钢高性能混凝土结构相比，其承载力完全满足需求，整体性也更优于后者，所以此结构形式被更广泛的应用到高层和超高层建筑中[1]。

但目前仍然缺乏对型钢超高强混凝土框架整体结构的研究。因此近些年对框架结构的研究日益增多，郑山锁等[2]通过对SRHSHPC框架结构地震损伤试验研究，分析其在反复加载试验过程中，对结构破坏过程，破坏机制等的影响；李忠献等[3]研究翼缘削弱的型钢混凝土框架抗震性能；付传国等[4]进行了预应力和非预应力型钢混凝土框架受力及抗震性能的实验研究；郑文忠等[5]进行了型钢混凝土梁-角钢混凝土柱框架抗震性能试验研究。综上所述，这些研究都局限在普通混凝土的层面，并没有研究超高强混凝土结构体系，更没有具体到研究剪跨比对框架整体结构的影响，并且剪跨比对型钢超高强混凝土框架结构具体有那些影响目前仍然是未知领域，这不仅影响了此种结构的设计规范制定，同时也阻碍了这种结构的发展。但现实情况中型钢超高强混凝土框架结构具体的实践应用，迫切需要对其进行安全评估。基于以上情况，本文进行了型钢超高强混凝土框架不同剪跨比对比试验研究。

1　试验概况

2榀型钢超高强混凝土框架结构在拟静力作用下的抗震试验研究。重点研究在轴压比相同的条件下，不同剪跨比框架在循环荷载作用下，对框架整体结构的抗震性能影响。

1.1试件设计与制作

实验共设计了2榀单层单跨试件，试件设计与原型比为1∶2，柱梁截面强度比为1.2。柱子的计算高度分别为1 200 mm和800 mm；计算跨度为2 000 mm。柱采用C100混凝土，梁采用C40混凝土。柱截面尺寸200 mm×200 mm，梁的截面尺寸160 mm×200 mm。柱采用复合箍筋，箍筋间距60 mm，梁采用矩形箍筋，间距是60 mm，节点核心区复合箍筋间距是50 mm，设计上采用强节点弱构件形式。在试件设计过程中，剪跨比为2和3的框架，其内部配置形式完全相同。具体截面型式和布置见图1、图2，材料参数见表1。

图1　型钢超高强混凝土框架

图2　框架截面型式

1.2加载方案及测量内容

试验在加载的过程中，2榀单层单跨框架的轴压力均采用试验轴压比为0.38，根据《型钢混凝土组合结构技术规程》[6](JGJ138-2001)，属于二级抗震等级，具体施加的轴压力为1 600 kN。详细参数设置见表2。在加载过程，加载的原理与单个柱子的加载原理相近，水平横梁起到承担轴压力的作用，滚轴能保持轴力的方向不变，梁两侧的钢杆主要承担框架结构的拉力作用，水平千斤顶主要起到约束框架移动作用，这能使试验测得的数据更加精确，便于试验分析。

表2　试件设计参数

轴压力加载采用先预加40%目标值，持载一段时间后再继续加载至目标值，并在整个试验过程中保持竖向轴力大小恒定，见加载装置图3。施加水平往复力，试验以位移转角为加载机制，采用拟静力位移控制加载，第一个循环位移转角为0.25%，前三个循环以0.25%为增量，每个幅值循环一次，第四个幅值开始以0.5%位移转角为增量，每个幅值循环三次。具体循环加载根据文献[7]，见图4。

图3　加载示意图

图4循环加载图

2　试验破坏过程

2.1试件SRC-N38-I2

剪跨比2的框架结构与剪跨比3的框架加载位移转角一致。水平作动器采用位移控制加载，依据Δ/L位移转角为加载方式。在1%位移转角时，柱根部出现竖向压缩裂缝，进行到该幅值的第3次循环时，柱根保护层裂缝增大。当进入到1.5%位移转角时，柱根部0 mm～100 mm范围有斜裂缝，而50 mm～100 mm出现水平裂缝。梁端没有变化。2%位移转角时，柱根部混凝土压碎，梁端100 mm～150 mm范围出现斜裂缝，柱根部0 mm～100 mm范围混凝土压碎脱落，在进入到第三次循环时，柱底200 mm范围内斜裂缝增多，并呈现出与原斜裂缝平行的情况。混凝土保护层破坏严重。梁端50 mm范围裂缝增多并加宽。当达到2.5%～3.5%时，柱破坏更加严重，柱根0 mm～100 mm混凝土保护层脱落。梁端50 mm范围内裂缝增宽，同时伴随有混凝土的脱落。在整个破坏过程中，裂缝主要集中在柱根部，通过裂缝的情况可以判断结构发生了压弯剪破坏。

2.2试件SRC-N38-I3

在位移转角为1%时，每级幅值进入三次循环，并且柱子根部发出清脆的响声，保护层出现细小的水平裂缝，柱子根部同时也出现竖向裂缝，竖向裂缝主要是轴压力作用下混凝土劈裂产生的；在进入1.5%位移幅值时，在水平位移超过上一个循环的位移幅值时，柱子内部发出清脆的响声，同时伴有柱根部混凝土压碎现象，而梁端200 mm范围内也出现竖向的弯曲裂缝。当位移转角在2%～3%范围时，梁端50 mm范围内，混凝土保护层脱落，水平裂缝增多，柱根竖向裂缝向上延伸，柱根部混凝土表面起鼓，混凝土破坏严重，并且0 mm～30 mm范围内无压碎现象，此时节点核心区出现微小的裂缝。从整体裂缝出现和分布的情况判断，框架破坏属于压屈和弯曲破坏。两框架最终破坏形态见图5。

3　试验结果及其分析

3.1滞回曲线

不同剪跨比构造型式的框架柱在往复荷载作用下，形成的P-Δ滞回曲线的关系见图6，在加载初期，整体结构加载幅值都很小均处于弹性阶段，主要是因为开始阶段结构未产生裂缝，主要的耗能是通过结构的整体变形产生的。因此完成一次往复循环所形成的滞回曲线耗能能力很小，基本呈捏缩的直线。随着加载幅值增加，滞回环包围的面积逐渐增大，形成一个饱满的梭形，表明结构的耗能能力增强。框架在裂缝下工作，裂缝的张开和闭合使其具有很好的变形能力，吸收了结构在大变形下的能量。当承载力达到屈服位移时，应力-应变曲线出现一个平滑段，并且同一幅值下的第2、3次循环没有明显的退化。试件SRC-N38-I2和试件SRC-N38-I3比较，剪跨比2的位移幅值更小，达到峰值荷载的力更大，并且在达到峰值荷载后结构失稳更迅速。

3.2骨架曲线

骨架曲线是各个循环加载过程中，每个幅值第一次循环加载应力-应变点连成的曲线。虽然超高强混凝土的脆性很大，但和型钢的组合展现了很好的变形性能。试件SRC-N38-I2和试件SRC-N38-I3在相同转角下，进行了框架剪跨比2和3的比较，从图7中可以看出相同位移幅值下，进行了框架剪跨比2和3的比较，试件SRC-N38-I2的承载力高，最大承载力所对应的幅值更小，并且达到最大荷载点后，其力下降的斜率要比试件SRC-N38-I3大很多，承载力衰减很快，表明它的抗震能力相对较差。试件SRC-N38-I3框架承载力上升比较平缓，达到峰值荷载后，承载力衰减相对比较缓慢，稳定性要比试件SRC-N38-I2好很多。

图5　结构的最终破坏形态

图6　滞回曲线

图7型钢超高强混凝土框架骨架曲线对比

3.3位移延性

位移延性系数根据文献[8-9]采用能量等值法如图8，使折线与曲线所围图形面积相等，即SAEC=SOAS2，其中E点横坐标对应的是屈服位移，C点对应的是极限位移。并且根据文献[10]计算各框架屈服位移：

(1)

式中：λ为位移延性系数；Δu为极限位移；Δy为屈服位移。

图8能量等值法示意图

通常极限位移取峰值荷载的85%所对应的位移，但由于是复合箍筋混凝土结构[11-12]，故极限位移取80%峰值荷载所对应的位移。由于框架在往复力作用下，推力和拉力存在一定的误差，故对延性系数有一定的影响。剪跨比2框架要比剪跨比3的延性系数略小，但延性值均很低，框架柱的破坏严重，具体延性系数见表3。

3.4强度退化

强度退化是位移幅值不变的条件下，结构承载力随荷载反复循环次数的增加而降低的现象[13-14]。通常用强度退化系数λi表示，表达式为：

(2)

表3　框架各特征点荷载-位移实测值

图9由于框架的剪跨比不同，所有采用等位移转角加载方式，在1%～2%位移转角范围内，试件SRC-N38-I2和试件SRC-N38-I3在加载过程中，强度退化趋势基本一致。在2%～3%位移转角范围，试件SRC-N38-I2有一段上升区间，说明强度退化的速率要比上一个区间段退化的速率小，而试件SRC-N38-I3框架强度继续衰减。说明在相同位移转角下，剪跨比小的框架强度衰减要相对稳定。

图9框架强度退化系数比较

3.5刚度退化

刚度退化是结构在试验过程中，整体结构的刚度随着位移幅值和循环次数的增加而降低的现象。本文根据抗震试验设计方法规程[7]研究了在轴压比相同，剪跨比不同的情况下，整体结构在相同位移转角时正、反向最大荷载的绝对值和与对应的位移绝对值和的比。采用平均割线刚度Ki表示，公式为：

(3)

式中：+Fi、-Fi为某一幅值循环往复第i次时正、反向最大荷载值；+Δi、-Δi是与其相对应的位移; i是循环的次数。

图10展示了框架的割线刚度，试件SRC-N38-I2框架的初始割线刚度很大，并且在实验过程中，割线刚度斜率很大，表明刚度退化的很快，结构抗震偏于不安全。主要是由于剪跨比小的试件SRC-N38-I2结构，在相同的破坏弯矩下，所需的力大，所以其初始刚度大。而刚度退化的较快是由于剪跨比小的框架发生剪切破坏，剪切破坏是脆性破坏，在结构破坏过程中，结构破坏前没有明显的变形或其他的征兆，剪跨比大的结构发生的是弯曲破坏，弯曲破坏是延性破坏，破坏过程缓慢，有明显的破坏过程。因此剪跨比小的试件SRC-N38-I2结构刚度衰减的很快。

在1%位移转角范围内，由于整体结构还处于弹性阶段，两条曲线刚度退化都比较快；随着位移幅值的增加，框架结构进入到弹塑性阶段，刚度的衰减变慢，整体刚度衰减趋势比较均匀，剪跨比2的割线刚度退化依然比剪跨比3的框架快。实验表明，剪跨比小的框架结构更不利于抗震性能的要求。

图10框架割线刚度退化曲线

3.6耗能能力

根据[15-17]能量耗散准则，整体结构耗能能力以每个位移转角下应力-应变所形成的滞回环面积来衡量。

结构的能量耗散能力与滞回曲线所包围的面积有着密切的联系，面积越大，能量的耗散能力也就越大。图11是框架在不同位移转角下，各加载幅值第一次循环加载的耗能能力。框架在1.5%位移转角范围内，结构的耗能能力相近。随着试验继续加载，1.5%位移转角成为试件SRC-N38-I2的拐点，此后框架能量耗散曲线的斜率变缓，耗能能力减弱。在1.5%位移转角之前，结构还保持其整体的性能，混凝土破坏现象不严重，在1.5%转角后，混凝土出现了很大的破坏现象，结构的整体性下降，因此试件SRC-N38-I2能量耗散能力降低。主要因为小剪跨比框架发生的是脆性破坏，并且斜裂缝从截面的中心区域向边缘开裂，弯曲破坏裂缝是从截面的边缘向中心区域开裂，它的强度和刚度退化的都十分迅速，所以它的耗能能力要弱。

图11框架耗能曲线

3.7应变片分析

通过梁端和柱底纵筋和型钢的应变分析，以试件SRC-N38-I2为主要研究对象。

图12(a)主要研究框架结构在变形过程中，梁端和柱底同时发生受拉或者受压破坏过程中，纵筋的应变形式。应变分析发现，梁端纵筋很早的进入到弹塑性变形阶段，而柱底纵筋的应变主要在弹性阶段变化，只在试验结束前才进入到弹塑性变形阶段。

图12(b)中，型钢的变形与纵筋的变形相似，梁端型钢很早的进入到弹塑性变形阶段，但最终试验的结束都是以柱子的最终破坏为标准。

图12应变对比分析

上述的应变分析与试验过程中裂缝出现的先后顺序一致，这就更进一步验证了结构的破坏过程。

4　结　论

通过对不同剪跨比框架的试验研究，得到以下结论：

(1) 剪跨比对型钢超高强混凝土结构的影响非常的大，剪跨比越小，结构的破坏越严重，相对应的位移幅值越小，不利于结构的应用。

(2) 剪跨比越小，型钢超高强混凝土框架结构的峰值力就越大，骨架曲线的斜率就越大，力下降的速度也就越大，不利于抗震设计。

(3) 剪跨比2的型钢超高强混凝土框架结构，初始刚度大，刚度退化快，并且其耗能能力差，对结构的抗震不利。

(4) 剪跨比2的型钢超高强混凝土框架，在相同位移转角下，耗能能力比剪跨比3的框架的耗能能力低30%。并且在相同位移幅值下，耗能能力差距更大。

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Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Ultra-high Reinforced Concrete Frames of Different Shear Span Ratio

MA Yingchao, JIA Jinqing, ZHANG Jiancheng

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

In order to study the seismic behavior of steel reinforced ultra-high strength concrete frame structure and the influence of shear span ratio to the entire structure, this research carried out the seismic behavior of contrast analysis of two one-story and one-bay frames, the main purpose of the research is to verify the seismic behavior of steel ultra-high strength concrete frame structures with different shear span ratio, meanwhile gain the destroy style of the different shear span ratio,P-△ hysteresis curve, skeleton curve, displacement ductility, energy dissipation, strength and stiffness degradation. The result showed that the shear span ratio 2 of frame structure destroyed severely, and the bottom of the column was damaged more severely than beam end, strength and stiffness degenerated, and the capacity of energy dissipation reduced as well.

steel ultra-high strength concrete； frame structure； shear span ratio； strength degradation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.037

2016-04-22

2016-05-19

国家自然科学基金项目(51078059，51178078)

马英超(1985—)，男，辽宁铁岭人，博士研究生，研究方向为结构工程。E-mail:mayingchao1985@163.com

TU398+.2

A

1672—1144(2016)04—0188—07