型钢再生混凝土短梁框架抗震性能试验研究

苏益声，梁胤鸿，王琦彬，江兰

(1.广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西 南宁 530004)

0 引言

近年来我国高层建筑发展迅速，转换层结构中跨高比在2.0～5.0的转换梁在工程中应用较多，属于短梁。已有震害表明短梁框架是结构抗震中的薄弱环节，且是地震损毁最为严重的结构之一。作为结构荷载传递的关键部位，短梁框架需承担来自上部的巨大荷载，易发生剪切脆性破坏，延性差且耗能低，因此在设计环节需保证其具有足够的刚度及强度。而型钢混凝土(SRC)结构正是以型钢自身固有的特点增强构件和结构的强度与延性，型钢、钢筋、混凝土的协同工作使得SRC结构具备了更高的承载力和刚度[1]。在短梁框架中使用SRC梁代替传统钢筋混凝土梁，不仅能够提升其抗震性能，还能有效减小梁的截面高度进而降低转换层的高度，提高空间利用率[2]。而对于框架结构中的柱，使用钢管混凝土结构(CFST)可以增大其承载力[3]，利用钢管的套箍作用改善核心混凝土的弹塑性性能，提升结构的抗震性能[4]。

迄今为止，国内外关于短梁框架的研究主要集中于钢筋混凝短梁框架的力学性能研究[5- 8]，而对于型钢混凝土短梁框架则相对较少[9-11]，而将其与钢管混凝土结构相结合形成组合短梁框架进行的相关试验研究和理论分析更是相当匮乏[1,12-13]。考虑到既要保证其结构的承载能力与抗震性，又符合可持续发展的理念，将普通混凝土材料替代为再生混凝土，形成钢管再生混凝土柱组合型钢再生混凝土短梁框架这一新型结构，这种替代还能够缓解天然骨料紧缺问题又循环利用了建筑垃圾。目前尚未见关于钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架的抗震性能研究的报道，所以有必要对该结构的抗震性能开展深入研究。

1 试验概况

1.1 试件设计

图1 试件设计图

表1 型钢再生混凝土短梁框架设计参数

1.2 材料性能

① 粗骨料物理性能

本试验中所采用的再生粗骨料粒径为5～20 mm，实测得的粗骨料基本性能见表2。各取代率混凝土的配合比见表3。

表2 粗骨料的基本性能

② 钢材和混凝土的力学性能

依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2016)中的相关规定，轴心抗压强度试件采用150 mm×150 mm×300 mm的标准棱柱体，与框架试件同条件浇筑养护后，通过抗压强度试验测得其轴心抗压强度fc，不同取代率的混凝土实测力学性能见表3。

表3 混凝土实测力学性能

依照《钢及钢产品力学性能试验取样位置及式样制备》(GB/T 2975—2018)对钢材取样，按照《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T 228—2002)中的相关规定，通过性能试验获得钢材材料实测力学性能见表4。

表4 钢材材料实测力学性能

1.3 试验方法和加载制度

低周反复加载试验采用了如图2所示的加载试验装置图。依据设计轴压比确定竖向荷载，在框架柱顶部和短梁跨中布置3个相同的1 000 kN的液压千斤顶进行同步荷载施加，分四级等量加荷。水平加载采用全位控的加载方式，先按1、2、3、4 mm的位移每级1 mm单循环加载；从5 mm开始，以5 mm位移的整数倍为级差，每级循环3次，当结构承载力下降显著或钢管柱发生明显鼓曲变形或试件失稳时即停止加载。位移控制加载制度如图3所示。

1.试件;2.反力墙;3.反力架;4.作动器;5.液压千斤顶;6.滑动支座;7.构件连接板;8.千斤顶垫块;9.压梁

图3 位移控制加载制度

1.4 试验现象

在竖向荷载加载阶段，梁跨中底部出现弯曲裂缝，各试件未出现明显的变形，此时框架仍处于弹性阶段；在水平位移加载阶段初期，在梁端从支座到1/3跨长度区域、梁底至3/5跨高区域内产生斜向裂缝；水平位移加载至5 mm时，原有裂缝向跨中加载点处延伸扩展；水平位移加载至10 mm时，支座斜裂缝数量增多且有所延长，跨中裂缝数量几乎未增加；当水平位移加载至15 mm时，主要裂缝基本出齐；之后位移继续增大至20 mm，梁裂缝宽度与数量有所增加，梁端角部有小部分混凝土压碎现象，方钢管柱底部轻微鼓曲；当水平位移加载至25 mm时，梁端底部混凝土呈压酥状态，裂缝开展较大，柱上部和底部钢管鼓曲明显，上部鼓曲量值约为9 mm；水平加载的最终阶段，梁端塑性铰区抗剪承载力显著退化，试件发生剪切破坏，承载能力急剧降低停止试验。随着取代率的增加，梁端混凝土压碎的严重程度加深，试件破坏形态如图4所示。

(a) RCF-1

分析3个试件的破坏过程以及最终破坏现象，可以总结出如下特点：

① 不同再生骨料掺量的混凝土框架的破坏形态没有本质的区别，RCF-3试件与RCF-1试件相比，梁端混凝土相对来说压碎得略为严重，这是由于再生骨料的空隙率较大且存在许多微小裂缝，相较于天然骨料在斜截面裂缝更容易开展。

② 竖向荷载阶段在梁跨中区域范围内产生微小弯曲裂缝，进入水平位移加载阶段梁端首先出现斜裂缝，并逐步向跨中加载点延伸和发展，斜裂缝较多且宽度较大，梁端部上下部型钢翼缘以及钢筋先达到屈服应变值。

③ 各试件加载至屈服状态时柱子均未发生变形，峰值状态时上下柱端钢管出现了轻微的鼓曲，破坏阶段时柱子钢管的鼓曲比较严重。各试件节点处破坏阶段的柱子鼓曲环未发生倾斜，梁角部混凝土压碎，说明梁向柱端传的力较为均匀分散至柱子截面，采用型钢腹板穿柱的节点连接方式能够较好的保证传力的均匀性。

④ 3个试件均是梁先发生明显剪切破坏后，钢管柱脚部才出现明显鼓曲，形成较为明显的压弯塑性铰。

2 试验结果与分析

2.1 滞回曲线

对结构进行低周反复加载，得到的作用力(P)与位移(Δ)之间的关系曲线即为滞回曲线(P-Δ曲线)。滞回曲线可以用来反映结构或构件在地震作用下的变形特征、强度衰减、刚度退化、能量耗散等基本地震反应行为，它能够反映出构件或结构的综合抗震性能[1]。

型钢再生混凝土短梁框架滞回曲线如图5所示，通过分析图5中各型钢再生混凝土短梁框架的滞回曲线可以看出，试件的P-Δ曲线较为饱满平滑，几乎没有发生捏拢现象，接近梭子的形状，这表明3榀框架的耗能性能较为良好；曲线在正负向大致对称，试件加至峰值荷载后，承载力下降且刚度和强度退化明显。与天然骨料试件RCF-1相比，RCF-2的曲线形状差异不大，但RCF-3较前两者曲线饱满性略差，说明全再生混凝土短梁框架试件的耗能性能略差于只含天然骨料的短梁框架。

(a) 试件RCF-1

2.2 骨架曲线

骨架曲线是指在低周反复荷载作用下每级循环加载时达到的水平力最大峰值的轨迹，是结构抗震性能的重要表征[13]。骨架曲线一般是由试验获取的P-Δ滞回曲线中每级荷载的第一次循环加载的峰值点依次连接形成。本试验的滞回曲线经过相关处理后得到的型钢再生混凝土短梁框架骨架曲线如图6所示。

图6 型钢再生混凝土短梁框架骨架曲线

由图6可以看出，在加载初期，各试件的荷载与位移呈现出线性关系，这个阶段框架处于弹性工作状态，试件的骨架曲线在这一阶段一直上升；随着位移的增大，试件刚度有所退化，荷载的增速减慢，曲线上升变缓；峰值荷载以后，试件进入破坏阶段，位移增大荷载减小。

对比三种不同取代率试件的骨架曲线可以看出，在弹塑性阶段，曲线出现略微分离；100%取代率试件的极限承载力最高，0和50%取代率试件的极限承载力居其次；但在峰值点过后的下降段，天然骨料试件RCF-1的曲线下降趋势稍缓于其余两者，试件RCF-3有明显的承载力骤降折点，可推测含天然骨料的试件抗震性能略优于含再生骨料试件。

2.3 承载力与位移延性系数

本文中采用等能量法来确定试件的屈服点，Δy为屈服位移，Py为屈服荷载；破坏点定义为曲线下降段上承载力为0.85Pm的点，即破坏时的结构承载力Pu下降到峰值承载力的85%，与该点对应的位移定义为破坏位移Δu[1]。位移延性系数的表达式为μ=Δu/Δy，它是用来评判结构或构件的延性的一项指标。层间位移角的表达式为θ=Δ/H，其中Δ表示框架层间位移，H表示框架层高。

三个框架的实测特征点值及位移延性系数见表5，各特征点处的层间位移角见表6。可以看出3个试件的荷载值波动幅度较小，因此再生骨料取代率对试件的承载力影响不大。由表5、表6可知：

表5 各试件的特征点及位移延性系数

表6 层间位移角

① 3个试件的位移延性系数在2.1～2.3，与试件RCF-1相比，试件RCF-2和试件RCF-3的延性系数分别下降了7.76%和9.05%，说明只含有天然骨料的试件相对延性更好，取代率的增大会降低试件的延性。

② 在《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[14]中对结构的弹性层间位移角做出了限定：在多遇(中震)地震下，多、高层钢结构的弹性层间位移角限值为1/250，钢筋混凝土框架结构的限值为1 /550。本文各试件屈服时的层间位移转角在1/95～1/76，这表明试件在弹性阶段的层间位移角在达到规范的限值时未进入屈服状态，弹性变形能力较为良好，达到规范的要求。

③ 在《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[14]中对结构的弹塑性位移角做出了限定：在罕遇(大震)地震作用下，多、高层钢结构和钢筋混凝土框架结构的弹塑性位移角限值为1/50。本文各试件破坏时的层间位移角在1/41～1/36，这表明试件在弹塑性阶段的层间位移转角在达到规范的限值时，未发生严重的破坏现象，达到了规范对于结构应具备良好抗倒塌性能的要求。

2.4 耗能能力

试验所得的滞回曲线中，滞回环围成的面积即为构件所消耗的能量。在研究工程结构的抗震性能时，等效黏滞阻尼系数的大小常被用来作为评判结构耗能能力的一个重要指标[15]。等效黏滞阻尼系数计算模型如图7所示。等效黏滞阻尼系数的计算公式如下：

图7 等效黏滞阻尼系数计算模型

(1)

式中，S(ABC+CAD)表示滞回环ABCD所围的面积；S(ΔOBE+△ODF)表示滞回环正负向峰值点与坐标轴横轴所围成的三角形面积之和。

在第i级位移加载时，第i次循环的等效黏滞阻尼系数用hei(i=1,2,…,7)表示，代表水平位移加载各试件在各级位移循环下的等效黏滞阻尼系数见表7。

表7 等效黏滞阻尼系数

由表7可以看出，各个试件的he均随着位移的增加而增大，试件耗散掉的能量随位移增加而增大。本课题组曾针对钢筋再生混凝土短梁框架的抗震性能开展研究，其研究结果显示该短梁框架结构的等效黏滞阻尼系数he在0.224～0.25[13]，而本文中试件破坏时的等效黏滞阻尼系数在0.30～0.39，均在0.30以上，相较之下本试验中的试件表现出了更为良好的抗震耗能能力。

试件耗能能力如图8所示，由图8可看出，各试件的等效黏滞阻尼系数的变化趋势基本一致，再生骨料含量的增多会降低结构的耗能性能，但是这种不利影响较小，含有再生骨料的型钢再生混凝土短梁框架也有较好的耗能能力。

图8 试件耗能能力

2.5 刚度退化

图9 刚度退化规律

本文采用割线刚度K[16]来描述试件随加载位移值的改变而呈现出的退化规律，其计算公式如下：

(2)

式中，±Pi表示第i级加载时，第一次循环正、反向的峰值点处荷载值；±δi表示该循环中峰值点处的水平位移值。各试件在各级位移循环下的刚度退化规律如图9所示。

由图9可知，各试件的刚度随着位移的增大而减小，前期刚度退化曲线斜率较大，试件的刚度退化速率较快，后期有所减缓。

对比不同再生粗骨料试件可知，RCF-1的初始刚度最大，RCF-2和RCF-3与其相差不大，说明与只含有天然骨料试件相比，含有再生骨料会略微降低试件的初始刚度；三个试件刚度退化曲线差异较小，说明再生骨料取代率对试件刚度退化影响不显著。

3 结论

① 低周反复荷载作用下的三个方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架的破坏形态较类似，均呈现为梁剪切破坏，柱上下端钢管鼓屈。

② 三个框架的滞回曲线较为饱满，均未发生明显捏拢，形状接近平滑的梭形；试件在发生破坏时的等效黏滞阻尼系数he均在0.30以上，随着再生骨料含量的增多，结构的耗能性能会降低，但与本课题组前期对方钢管再生混凝土柱-钢筋再生混凝土短梁混合框架的抗震性能研究结果[13]相对比，具有更良好的耗能性能。

③ 三个试件再生骨料的含量不同，但屈服和破坏时的层间位移转角差别不大，各试件在弹性阶段的变形能力均良好，发生屈服时层间位移转角在1/95～1/76，远大于规范规定的限值，能够满足规范要求；各试件的抗倒塌能力均良好，发生破坏时弹塑性层间位移转角在1/41～1/36，远大于规范规定的限值，能够满足规范要求。

④ 与只含天然骨料的型钢短梁框架相比，含再生骨料的框架随着取代率的增加，其延性系数及初始刚度均随之降低。

⑤ 方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架具有良好的承载能力、变形能力和抗震性能，与传统钢筋混凝土短梁框架相比，能有效减小梁的截面高度，并能缓解当前天然骨料资源匮乏的现状，应用于实际工程中是可行的。