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摘要：型钢混凝土异形柱结构是一种新型的组合结构，将型钢与异形柱结合起来，克服了钢筋混凝土异形柱承载力较低、抗震性能较差、适用范围有限等弱点，同时具有异形柱结构框架柱在室内不凸出、布置灵活、美观实用等优点，因此这种新型组合结构具有一定的应用前景。本文分析了型钢混凝土柱抗震性能的研究。
关键词：型钢混凝土柱；抗震；性能
我国人口多、资源匮乏，特别是随着我国都市化、城镇化建设的进展，对高层、超高层建筑的需求越来越多。而型钢混凝土柱截面形式又特别适合高层、超高层建筑支柱采用，但国内外有关预压型钢混凝土柱技术资料很少，研究成果也不是很多。
1 试验概况
1.1 试件设计与制作
设计两种新型截面型钢混凝土柱：试件SRC2 内含带翼缘的十字型钢，型钢外翼缘和混凝土保护层内侧相贴；试件SRC3 ～ SRC5 的型钢沿2个主轴旋转45°斜向布置，型钢翼缘宽度约为试件SRC2 型钢翼缘的1 /2。为便于对比还设计了1 根普通十字型钢SRC柱，试件编号为SRC1，为了对混凝土达到更好的约束效果，箍筋采用四边形连续螺旋箍筋，根据混凝土保护层厚度和型钢尺寸确定箍筋边长，利用钢筋弯曲机加工成形，绑扎时先将纵筋按间距焊在内箍上，然后将型钢自上而下放置于焊好的钢筋框架内，并于上下两端进行固定。
1.2 材料力学性能
实测型钢翼缘和腹板的抗拉强度分别为348.6MPa和323.5MPa，纵筋和箍筋的抗拉强度分别为514MPa和332.6MPa。屈服强度取卸载时材料0.2%残余变形所对应的应力值。采用C40商品混凝土，所有试件为同一批浇筑，同时采用自然养护。试验前对预留的8个边长为150 mm 的标准立方体试块进行测试，得到各个试块的强度指标如表3所示，则混凝土平均立方体抗压强度标准值fcu，k为51.5N/mm2。
1.3 量测内容。试验量测的主要内容有：柱顶竖向荷载、柱顶水平荷载、柱顶水平位移、柱塑性铰区域纵向钢筋、箍筋和型钢的应变值。水平位移通过与底座固定的位移计测量，水平荷载通过千斤顶传感器测量，所有数据均通过TSD 数据采集仪自动采集。
2 试验结果与分析
2.1 破坏形态。所有试件在压、弯、剪作用下均发生了弯曲破坏，其最终破坏形态水平荷载作用下，在1/400位移角幅值循环之前，试件均未出现肉眼可见裂缝，1/300位移角时柱脚部正、反面出现水平细小裂缝，随着荷载的增大，裂缝向塑性铰区域的较上部位发展，但由于受到型钢和螺旋箍筋的约束，水平裂缝均较小较短；荷载继续增大，水平裂缝朝斜下方向发展，并且柱底出现了竖向裂缝，当位移角达到1/150幅值循环时，柱正、反面出现贯通的水平弯曲裂缝，随后侧面出现竖向和斜向裂缝。位移角为1/120时，试件SRC1屈服，其他试件的水平荷载均处于平缓上升阶段；位移角达到1/90时，其它4个试件才相继屈服。总体来说，由于剪力不起控制作用，新型SRC柱在反复荷载作用下主要呈现弯曲变形，并最终发生了延性较好的弯曲型破坏。整个试验过程中轴力基本保持稳定，没有发生突然降低情况，这说明新型SRC柱完全可以满足“大震不倒”的抗震要求，在较大层间位移角下能保证竖向承载力损失很小。
2.2滞回特性。试验测得各试件的荷载-位移其中水平加载推、拉分别对应正、负两个方向，通过分析可看出：一是初始荷载小于开裂荷载时，所有试件均处于弹性工作阶段，卸载后变形可恢复到初始位置。随着荷载的增大，特别是当纵向钢筋屈服后，滞回曲线偏离直线，变形加快，但水平荷载的减小滞后于位移的变化。二是进入弹塑性阶段后，除试件SRC1 出现捏拢现象之外，其它试件的滞回环均非常饱满，表现出良好的塑性变形和耗能能力，试件SRC2～SRC4的滞回环形状接近菱形，可见其在加载过程中无剪切裂缝出现，属于基本无滑移、无剪切破坏的压弯构件。三是试件SRC3、SRC4 的轴压比分别为0.30 和0.42，两者的滞回曲线均非常丰满，承载力衰减也相差不大，这说明45°布置十字型钢SRC 柱在不大于0.42的试验轴压比下仍具有良好的耗能能力，但当0.60时（试件SRC5），滞回曲线出现捏缩现象，承载力衰减严重。可见，新型柱的轴压比限值可比现有规程规定有所提高，且高轴压比对构件的抗震性能产生明显的不利影响。四是试件SRC1 和试件SRC3 在相同条件下采用不同的配钢形式，后者的滞回曲线远远饱满于前者，且极限变形、承载力衰减和耗能性能均优于前者；试件SRC2 和试件SRC4 在高轴压比下的滞回曲线均较丰满。可见，两种配钢形式柱的抗震性能基本相当。
2.3 变形和延性。采用位移延性系数来分析新型截面型钢混凝土柱的延性性能，在计算过程中，极限位移取骨架曲线上80%峰值荷载对应的位移值，屈服位移按照通用屈服弯矩法确定。试验测得型钢混凝土柱的屈服位移角、极限位移角以及位移延性系数。本试验5个试件均发生延性较好的弯曲破坏，普通型钢混凝土柱（试件SRC1）的极限位移角为1/45，位移延性系数为2.76；相比之下，新型截面型钢混凝土柱（试件SRC2～SRC4）的极限位移角在1/30左右，位移延性系数大于4.0，即使在nt = 0.60的情况下，新型SRC柱（试件SRC5）的位移延性系数仍大于2.5。可见相同条件下，两种新型SRC柱的位移延性明显大于普通型钢混凝土柱，且其在较高轴压比下的抗震性能也较普通SRC柱更为优越。
2.4 骨架曲线。试验测得各试件正、反向加载的荷载-位移骨架曲线。配钢率相差不大的情况下，45°布置十字型钢SRC柱的抗震性能远优于普通十字型钢SRC柱，前者的峰值荷载和极限变形均比后者有显著提高。试件SRC2 和SRC4 的骨架曲线形状相似，特别是三个主要特征点（屈服点、峰值荷载点、极限位移点）几乎重合，这说明两种新型柱的承载能力和变形能力相同，但45°布置十字型钢SRC柱在保证良好抗震性能的同时，更节省钢材。比较三种配钢形式，不难发现试件SRC1 的骨架曲线收敛于普通工字型钢SRC柱的相应曲线，其抗震性能也远远不及本次试验的新型柱。为进一步探索新型柱在地震作用下的受力性能，采用ABAQUS 有限元分析软件分析了更多参数对新型截面型钢混凝土柱抗震性能的影响。结果发现，新型SRC 柱的变形能力随轴压比、混凝土强度等级和箍筋间距的增大而减小，随配钢率的增大而增大，与普通型钢混凝土柱相比，其在不同设计参数下均具有良好的抗震性能。
3 有限元分析
3.1 材料模型的建立。一是钢材的本构模型。采用屈服准则、相关联流动法则、等向强化模型来描述钢材的塑性变形。钢筋和钢材的单轴应力–应变曲线采用理想弹塑性本构关系。二是混凝土材料模型。混凝土材料模型选取中给出的混凝土塑性损伤模型，该模型采用各向同性弹性损伤结合各向同性拉伸和压缩塑性理论表征混凝土的非弹性行为。混凝土单轴受拉的应力–应变曲线采用考虑受拉刚化的双直线型。
3.2 计算模型的建立。本文运用有限元软件建立试件的整体计算模型，不考虑型钢以及钢筋和混凝土之间的黏结滑移，型钢、纵筋和箍筋采用命令嵌入到混凝土中。在柱顶建立参考点，施加轴向荷载和水平位移。
3.3 有限元分析计算结果。一是骨架曲线对比。骨架曲线与试验骨架曲线相比，弹性刚度均偏大，但总体上两者符合较好。可以通过有限元分析对构件的受力性能做进一步的研究。在加载过程中，地梁与柱脚交界处混凝土开裂，降低了地梁对试件的约束能力，使承载力计算值与试验值相对误差较大。二是与钢筋混凝土异形柱承载力对比。分别进行与4个试件相对应的钢筋混凝土异形柱有限元分析，除无型钢外，其他参数均保持一致。钢筋混凝土异形柱水平承载力，型钢混凝土异形柱与钢筋混凝土异形柱相比，承载力均有大幅度提高。随着轴压比的增大，提高幅度减小。随着配钢率的增大，提高幅度增大。沿45°方向加载，提高幅度最大。
3.4 有限元分析得到试件的破坏形态、骨架曲线及承载力与试验结果总体上吻合较好，说明本文建立的有限元模型是合理的，可以通过有限元分析对型钢混凝土十字形异形柱的受力性能做进一步的研究，为建立型钢混凝土十字形异形柱的抗震设计方法提供依据。
在轴向荷载和水平位移的共同作用下，型钢混凝土异形柱发生的均是弯曲型破坏。本文仅考虑了配钢形式和轴压比对新型柱抗震性能的影响，其他参数（如剪跨比、混凝土强度、配钢率等）对构件受力性能影响的试验研究并没有涉及，后续需进一步开展此方面工作。
参考文献
［1］唐小方．型钢混凝土滞回特性有限元分析［D］．长沙：长沙理工大学，2014．
［2］刘霞，叶燕华，王滋军等．新型钢筋混凝土叠合结构体系研究［J］．混凝土，2015（7）：124-126．
［3］李锦枝，张福瑞．大偏心受压钢骨再生混凝土柱的有限元分析［J］．山西建筑，2013，36（34）：64-65．
［4］黄华，邢国华，刘伯权，等．高强不锈钢绞线网—渗透性聚合砂浆加固梁抗弯承载力试验研究［J］．工业建筑，2015，37（3）：106-110，119．
论文作者:王青海
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/8
标签：型钢论文; 混凝土论文; 位移论文; 荷载论文; 延性论文; 承载力论文; 曲线论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;