劉陽,郭子雄

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州362021)

CSRC柱抗震性態(tài)水平的指標(biāo)試驗

劉陽,郭子雄

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州362021)

通過8個1/2比例的核心型鋼混凝土(CSRC)框架柱的抗震性能試驗,研究軸壓比和核心型鋼配鋼率對CSRC柱滯回特性的影響,以及CSRC柱在不同抗震性態(tài)水平的變形指標(biāo)和抗震性能指標(biāo).結(jié)果表明,CSRC柱具有良好的變形能力和滯回耗能能力,配置核心型鋼可有效提高重載RC柱的抗震性能.對于運行和基本運行性能水平,可采用縱筋、核心型鋼應(yīng)變和試件荷載水平作判定參數(shù);對于可修性態(tài)水平,可采用殘余位移角作判定參數(shù);而對于避免倒塌性態(tài)水平,可采用試件承載能力的衰減和滯回環(huán)的穩(wěn)定狀態(tài)作判定參數(shù).關(guān)鍵詞: 核心型鋼混凝土柱;抗震性能;性態(tài)水平;軸壓比

核心型鋼混凝土柱(Core Steel Reinforced Concrete,簡稱CSRC),是指在普通RC柱截面核心部位設(shè)置含鋼率較低(2%～3%)的實腹式型鋼所形成的新型結(jié)構(gòu)形式[1-4].該結(jié)構(gòu)形式可有效提高高軸壓比RC柱的抗震性能,突破規(guī)范規(guī)定的RC柱軸壓比限值,且施工方便、型鋼利用率高、防火性能好、造價低廉,是一種提高RC結(jié)構(gòu)重載柱抗震性能的合理結(jié)構(gòu)形式.目前,國內(nèi)外尚未見有關(guān)CSRC柱的性能水平和相應(yīng)變形限值的研究報道.基于此,本文主要研究CSRC柱在不同性能水平下的變形限值.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗共制作8個1/2比例的CSRC柱試件,設(shè)計軸壓比取0.79～1.13,以研究核心型鋼對RC框架柱軸壓比限值的提高作用.所有試件縱筋均采用8 12HRB335級鋼筋,屈服強(qiáng)度為345.0 M Pa,箍筋均采用6@100菱形復(fù)合箍,箍筋強(qiáng)度為346.7 M Pa.試件CSRC2-6采用熱軋鋼管,其他試件均采用熱軋鋼板焊接工字鋼,鋼材屈服強(qiáng)度為393.0 M Pa.

圖1 試件截面尺寸及配筋(單位:mm)Fig.1 Size and reinforcement of section(unit:mm)

表1 試件參數(shù)表Tab.1 Parameters of specimens

試件配筋及尺寸如圖1所示,其參數(shù)如表1所示.表1中:fcu為混凝土實測立方體抗壓強(qiáng)度;ρa(bǔ)為核心型鋼配鋼率;hw,bf和t分別為核心型鋼腹板高度、翼緣寬度和厚度;n為設(shè)計軸壓比,取n=1.25Nt/fcA;Nt為試驗軸力;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值;A為試件截面積.需要說明的是,試件CSRC2-6的核心鋼管外徑為89 mm,厚度為6 mm.

1.2 加載及量測方案

通過液壓千斤頂和反力大梁在柱頂施加恒定豎向軸力,水平荷載通過M TS作動頭施加,采用位移控制,如圖2所示.試件屈服前,每個位移幅值循環(huán)1次,屈服后每個位移幅值循環(huán)3次.

荷載通過壓力傳感器直接量測;柱端的水平位移、軸向變形和地梁等可能存在的水平滑移通過電子位移計量測;柱根關(guān)鍵受力區(qū)域鋼筋及型鋼的應(yīng)變通過3 mm×5 mm電阻應(yīng)變片和應(yīng)變花量測.所有力、位移和應(yīng)變信號均通過M TS-GT控制系統(tǒng)和DH 3816型數(shù)據(jù)采集儀自動采集.

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test setup

圖3 為試件的典型荷載-位移滯回曲線;圖4和表2分別為試件的骨架曲線及其特征點.由圖3可見,雖然設(shè)計軸壓比高達(dá)1.01,1.11,但試件滯回曲線飽滿,強(qiáng)度衰減緩慢,有良好的抗震性能.說明,設(shè)置核心型鋼可顯著提高重載RC柱的抗震性能.由圖4和表2可見,所有試件的延性系數(shù)(Δu/Δy)均在4.3以上,且骨架曲線下降段斜率較小,說明試件具有良好的變形能力.

2 主要試驗結(jié)果

圖3 試件的荷載-位移滯回曲線Fig.3 Hysteretic curves of Load versus disp lacement

圖4 試件的骨架曲線Fig.4 Skeleton curves of specimens

表2 荷載-位移骨架曲線特征點試驗結(jié)果Tab.2 Test results of characteristic points of skeleton curves

3 CSRC柱的破壞模式和破壞過程

CSRC框架柱的主要應(yīng)用范圍是多層或小高層框架結(jié)構(gòu)的底部若干層,其破壞極限狀態(tài)一般為小偏心受壓破壞或界限破壞.結(jié)合文中8個壓剪柱的試驗現(xiàn)象,將CSRC柱在地震荷載作用的破壞過程分為以下4個主要階段.

(1)初裂階段.受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)水平彎曲裂縫,縱筋應(yīng)變水平不超過屈服應(yīng)變的50%,核心型鋼部分受拉部分受壓,應(yīng)變水平不超過屈服應(yīng)變的30%.

(2)屈服階段.受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)若干縱向裂縫并不斷發(fā)展,縱筋受壓屈服,受拉區(qū)縱筋應(yīng)變一般小于屈服應(yīng)變,核心型鋼應(yīng)變水平不超過屈服應(yīng)變的50%.此時,構(gòu)件的抗側(cè)剛度有明顯減小.

(3)彈塑性變形階段.受壓區(qū)混凝土開始壓潰并逐漸剝落,縱筋受拉達(dá)到屈服,核心型鋼全截面受壓,最大壓應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到屈服應(yīng)變;試件側(cè)向變形明顯增大,強(qiáng)度開始衰減,但強(qiáng)度衰減率不超過10%;

(4)破壞階段.保護(hù)層混凝土大片剝落,受壓區(qū)縱筋壓曲,核心型鋼全截面壓應(yīng)變達(dá)到屈服,根部個別箍筋可能失效;試件強(qiáng)度大幅衰減,強(qiáng)度衰減率一般大于30%,結(jié)構(gòu)處于臨近倒塌狀態(tài).

4 CSRC柱不同性能水平的判定參數(shù)

4.1 宏觀描述

參考文[5]的結(jié)果,把CSRC結(jié)構(gòu)的抗震性能水平劃分運行、基本運行、可修和避免倒塌4個狀態(tài).

(1)運行.CSRC柱保持原有的強(qiáng)度和剛度,處于彈性工作階段.出現(xiàn)寬度小于0.2 mm的微小彎曲裂縫.受壓縱筋應(yīng)力水平約為屈服應(yīng)力的40%～60%,核心型鋼最大壓應(yīng)力水平約為屈服應(yīng)力的20%～40%,荷載約為最大荷載的40%～60%,彈性位移角約為1/800～1/250 rad,基本無殘留變形.

(2)基本運行.CSRC柱幾乎保持原有的強(qiáng)度和剛度,可認(rèn)為近似處于彈性工作階段.出現(xiàn)細(xì)微剪切裂縫(<0.05 mm),彎曲裂縫寬度小于1 mm,受壓鋼筋接近屈服狀態(tài).核心型鋼壓應(yīng)力水平達(dá)到屈服應(yīng)力的40%～60%;荷載約為最大荷載的60%～90%,彈性位移角約為1/500～1/150 rad,殘留變形可以忽略.

(3)可修.CSRC柱喪失了部分剛度和強(qiáng)度,構(gòu)件進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài).剪切裂縫寬度小于0.5 mm,最大彎曲裂縫寬度可達(dá)2 mm,彈塑性位移角為1/150～1/50 rad.縱筋和核心型鋼已受壓屈服,塑性鉸形成,殘留變形不大于1%.受壓區(qū)保護(hù)層混凝土的豎向裂縫增多并變寬,超高軸壓比試件出現(xiàn)保護(hù)層混凝土剝落現(xiàn)象.不出現(xiàn)縱向鋼筋的壓屈以及約束鋼筋的拉斷,沒有接頭及錨固失效.荷載接近正截面承載能力.

(4)避免倒塌.CSRC柱喪失大部分剛度和強(qiáng)度,但重力承載體系尚能起作用,構(gòu)件處于塑性工作階段.柱端縱筋局部壓曲,核心型鋼不發(fā)生壓曲,部分箍筋錨固破壞,具有較大的殘留變形.彈塑性位移角為1/50～1/20 rad,承載能力下降到最大承載力的60%～80%.

4.2 量化參數(shù)的試驗量測值

根據(jù)上述CSRC柱4個性能水平失效判別參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn),列出8個CSRC柱4個性能水平下各判別參數(shù)的試驗測量值,如表3所示.表3中:α,β,γ分別表示運行(1/250 rad)和基本運行(1/150 rad)極限狀態(tài)下,受拉鋼筋應(yīng)變、核心型鋼最大壓應(yīng)變、荷載分別與鋼筋屈服應(yīng)變、核心型鋼屈服應(yīng)變、最大荷載的比值;θr表示試件的殘余位移角;λ,η分別表示不同位移角幅值下的荷載與最大荷載、第1循環(huán)荷載與第3循環(huán)荷載的比值.

運行極限狀態(tài)下,采用縱筋、型鋼應(yīng)變狀態(tài)及試件荷載作為判定參數(shù).由表3可知,在1/250 rad位移角下,α,β,γ的最大值分別為60.9%,40.5%和59.3%,符合運行極限狀態(tài)下的宏觀描述.因此,建議運行極限狀態(tài)下的位移角限值為1/250 rad.

基本運行極限狀態(tài)下,采用縱筋、型鋼應(yīng)變狀態(tài)及試件荷載作為判定參數(shù).由表3可知,在1/150 rad位移角下,α,β,γ的最大值分別為86.6%,59.7%和85.0%,滿足基本運行極限狀態(tài)的宏觀描述.因此,建議運行極限狀態(tài)下的位移角限值為1/150 rad.

可修極限狀態(tài)下,采用殘余位移角θr作為判別參數(shù).由表3可知,在1/50 rad位移角下,試件的θr實測值為1/192～1/119 rad,殘余變形不超過1%,符合可修極限狀態(tài)的宏觀描述.因此,建議可修極限狀態(tài)下的位移角限值為1/50 rad.

避免倒塌極限狀態(tài)下,采用試件承載能力的衰減程度和滯回環(huán)的穩(wěn)定狀態(tài)作為判別參數(shù).由表3可知,在1/30 rad位移角下,λ最小值為85.0%,符合避免倒塌極限狀態(tài)的宏觀描述;在1/20 rad位移角下,僅試件CSRC3-2承載力與最大荷載的比值為61.9%,其他試件值均大于70%,符合避免倒塌極限狀態(tài)的宏觀描述.考慮到實際工程中CSRC柱主要用于結(jié)構(gòu)的底部數(shù)層,其軸壓比較大,為了保證一定得安全儲備,建議避免倒塌極限狀態(tài)下的位移角限值為1/30 rad.

表3 CSRC柱不同性態(tài)水平的量化參數(shù)Tab.3 Index fo r different performance level of CSRC columns

基于不同性能水平下的變形和相關(guān)參數(shù)試驗結(jié)果,分析了CSRC柱試件的各項抗震性能指標(biāo),提出CSRC柱不同性能水平對應(yīng)的判定參數(shù),并建議相應(yīng)的性能水平限值.研究成果可為CSRC結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計和工程實踐提供參考.

5 結(jié)束語

[1] JUN ICH IS,CH IA KIM,KOU ICH IM.Earthquake resistant p ropertiesof co re steel composite structures[C]∥Proc 12th Wo rld Conf on Earthquake Engrg.Auckland:[s.n.],2000.

[2] 劉陽,郭子雄,謝嚇弟.核心型鋼混凝土軸壓試驗研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,39(S2):137-141.

[3] 劉陽,郭子雄,張志偉.核心型鋼混凝土柱的軸壓比限值試驗研究[J].地震工程與工程振動,2008,28(3):82-86.

[4] 歐陽文俊,郭子雄,劉陽.利用AD INA的CSRC柱軸壓性能數(shù)值模擬[J].華僑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,30(6): 681-685.

[5] 郭子雄,張志偉,劉陽.SRC柱抗震性能和抗震性態(tài)水平指標(biāo)試驗研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2009,41(5):593-598.

Experimen tal Study on the Index for Different Performance Level of CSRC Columns

L IU Yang,GUO Zi-xiong
(College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

Eight half scaled core steel reinforced concrete(CSRC)columns are tested to study the influence of axial comp ression ratio and core steel ratio to the hysteretic behavior and the seismic performance parameters under different perfo rmance levels of CSRC columns.It is indicated that CSRC columnsow n good defo rmation capacity and hysteretic energy dissipated capacity.The seismic behavior of RC columns w ith high axial load can be effectively imp roved by using co re steel.Fo r the fully operational o r operational perfo rmance levels,the strain level of longitudinal bars and co re steel,the load level of specimens can be taken as the perfo rmance parameters.For the repairable perfo rmance levels,the residential storey drift can be taken as the performance parameter.Fo r the collapse p revention performance level,the degradation of strength and the stability of hysteretic hoops can be taken as the perfo rmance parameter.

co re steel reinfo rced concrete columns;seismic behavior;perfo rmance level;axial comp ression ratio

TU 375.303;TU 312

A

(責(zé)任編輯:錢筠 英文審校:方德平)

1000-5013(2010)06-0684-04

2010-05-23

劉陽(1982-),男,講師,主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震減災(zāi)的研究.E-mail:lyliuyang@hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(50478120,50978107);福建省自然科學(xué)基金資助項目(2010J05117);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃基金資助項目(NCET-06-0571);華僑大學(xué)科研基金資助項目(09BS620)