蘇益聲，梁胤鴻，王琦彬，江蘭

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室， 廣西 南寧 530004)

0 引言

近年來我國高層建筑發(fā)展迅速，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中跨高比在2.0～5.0的轉(zhuǎn)換梁在工程中應(yīng)用較多，屬于短梁。已有震害表明短梁框架是結(jié)構(gòu)抗震中的薄弱環(huán)節(jié)，且是地震損毀最為嚴重的結(jié)構(gòu)之一。作為結(jié)構(gòu)荷載傳遞的關(guān)鍵部位，短梁框架需承擔來自上部的巨大荷載，易發(fā)生剪切脆性破壞，延性差且耗能低，因此在設(shè)計環(huán)節(jié)需保證其具有足夠的剛度及強度。而型鋼混凝土(SRC)結(jié)構(gòu)正是以型鋼自身固有的特點增強構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的強度與延性，型鋼、鋼筋、混凝土的協(xié)同工作使得SRC結(jié)構(gòu)具備了更高的承載力和剛度[1]。在短梁框架中使用SRC梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土梁，不僅能夠提升其抗震性能，還能有效減小梁的截面高度進而降低轉(zhuǎn)換層的高度，提高空間利用率[2]。而對于框架結(jié)構(gòu)中的柱，使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(CFST)可以增大其承載力[3]，利用鋼管的套箍作用改善核心混凝土的彈塑性性能，提升結(jié)構(gòu)的抗震性能[4]。

迄今為止，國內(nèi)外關(guān)于短梁框架的研究主要集中于鋼筋混凝短梁框架的力學(xué)性能研究[5- 8]，而對于型鋼混凝土短梁框架則相對較少[9-11]，而將其與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合形成組合短梁框架進行的相關(guān)試驗研究和理論分析更是相當匱乏[1,12-13]。考慮到既要保證其結(jié)構(gòu)的承載能力與抗震性，又符合可持續(xù)發(fā)展的理念，將普通混凝土材料替代為再生混凝土，形成鋼管再生混凝土柱組合型鋼再生混凝土短梁框架這一新型結(jié)構(gòu)，這種替代還能夠緩解天然骨料緊缺問題又循環(huán)利用了建筑垃圾。目前尚未見關(guān)于鋼管再生混凝土柱-型鋼再生混凝土短梁框架的抗震性能研究的報道，所以有必要對該結(jié)構(gòu)的抗震性能開展深入研究。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

圖1 試件設(shè)計圖

表1 型鋼再生混凝土短梁框架設(shè)計參數(shù)

1.2 材料性能

① 粗骨料物理性能

本試驗中所采用的再生粗骨料粒徑為5～20 mm，實測得的粗骨料基本性能見表2。各取代率混凝土的配合比見表3。

表2 粗骨料的基本性能

② 鋼材和混凝土的力學(xué)性能

依照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2016)中的相關(guān)規(guī)定，軸心抗壓強度試件采用150 mm×150 mm×300 mm的標準棱柱體，與框架試件同條件澆筑養(yǎng)護后，通過抗壓強度試驗測得其軸心抗壓強度fc，不同取代率的混凝土實測力學(xué)性能見表3。

表3 混凝土實測力學(xué)性能

依照《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及式樣制備》(GB/T 2975—2018)對鋼材取樣，按照《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/T 228—2002)中的相關(guān)規(guī)定，通過性能試驗獲得鋼材材料實測力學(xué)性能見表4。

表4 鋼材材料實測力學(xué)性能

1.3 試驗方法和加載制度

低周反復(fù)加載試驗采用了如圖2所示的加載試驗裝置圖。依據(jù)設(shè)計軸壓比確定豎向荷載，在框架柱頂部和短梁跨中布置3個相同的1 000 kN的液壓千斤頂進行同步荷載施加，分四級等量加荷。水平加載采用全位控的加載方式，先按1、2、3、4 mm的位移每級1 mm單循環(huán)加載；從5 mm開始，以5 mm位移的整數(shù)倍為級差，每級循環(huán)3次，當結(jié)構(gòu)承載力下降顯著或鋼管柱發(fā)生明顯鼓曲變形或試件失穩(wěn)時即停止加載。位移控制加載制度如圖3所示。

1.試件;2.反力墻;3.反力架;4.作動器;5.液壓千斤頂;6.滑動支座;7.構(gòu)件連接板;8.千斤頂墊塊;9.壓梁

圖3 位移控制加載制度

1.4 試驗現(xiàn)象

在豎向荷載加載階段，梁跨中底部出現(xiàn)彎曲裂縫，各試件未出現(xiàn)明顯的變形，此時框架仍處于彈性階段；在水平位移加載階段初期，在梁端從支座到1/3跨長度區(qū)域、梁底至3/5跨高區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生斜向裂縫；水平位移加載至5 mm時，原有裂縫向跨中加載點處延伸擴展；水平位移加載至10 mm時，支座斜裂縫數(shù)量增多且有所延長，跨中裂縫數(shù)量幾乎未增加；當水平位移加載至15 mm時，主要裂縫基本出齊；之后位移繼續(xù)增大至20 mm，梁裂縫寬度與數(shù)量有所增加，梁端角部有小部分混凝土壓碎現(xiàn)象，方鋼管柱底部輕微鼓曲；當水平位移加載至25 mm時，梁端底部混凝土呈壓酥狀態(tài)，裂縫開展較大，柱上部和底部鋼管鼓曲明顯，上部鼓曲量值約為9 mm；水平加載的最終階段，梁端塑性鉸區(qū)抗剪承載力顯著退化，試件發(fā)生剪切破壞，承載能力急劇降低停止試驗。隨著取代率的增加，梁端混凝土壓碎的嚴重程度加深，試件破壞形態(tài)如圖4所示。

(a) RCF-1

分析3個試件的破壞過程以及最終破壞現(xiàn)象，可以總結(jié)出如下特點：

① 不同再生骨料摻量的混凝土框架的破壞形態(tài)沒有本質(zhì)的區(qū)別，RCF-3試件與RCF-1試件相比，梁端混凝土相對來說壓碎得略為嚴重，這是由于再生骨料的空隙率較大且存在許多微小裂縫，相較于天然骨料在斜截面裂縫更容易開展。

② 豎向荷載階段在梁跨中區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生微小彎曲裂縫，進入水平位移加載階段梁端首先出現(xiàn)斜裂縫，并逐步向跨中加載點延伸和發(fā)展，斜裂縫較多且寬度較大，梁端部上下部型鋼翼緣以及鋼筋先達到屈服應(yīng)變值。

③ 各試件加載至屈服狀態(tài)時柱子均未發(fā)生變形，峰值狀態(tài)時上下柱端鋼管出現(xiàn)了輕微的鼓曲，破壞階段時柱子鋼管的鼓曲比較嚴重。各試件節(jié)點處破壞階段的柱子鼓曲環(huán)未發(fā)生傾斜，梁角部混凝土壓碎，說明梁向柱端傳的力較為均勻分散至柱子截面，采用型鋼腹板穿柱的節(jié)點連接方式能夠較好的保證傳力的均勻性。

④ 3個試件均是梁先發(fā)生明顯剪切破壞后，鋼管柱腳部才出現(xiàn)明顯鼓曲，形成較為明顯的壓彎塑性鉸。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滯回曲線

對結(jié)構(gòu)進行低周反復(fù)加載，得到的作用力(P)與位移(Δ)之間的關(guān)系曲線即為滯回曲線(P-Δ曲線)。滯回曲線可以用來反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用下的變形特征、強度衰減、剛度退化、能量耗散等基本地震反應(yīng)行為，它能夠反映出構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的綜合抗震性能[1]。

型鋼再生混凝土短梁框架滯回曲線如圖5所示，通過分析圖5中各型鋼再生混凝土短梁框架的滯回曲線可以看出，試件的P-Δ曲線較為飽滿平滑，幾乎沒有發(fā)生捏攏現(xiàn)象，接近梭子的形狀，這表明3榀框架的耗能性能較為良好；曲線在正負向大致對稱，試件加至峰值荷載后，承載力下降且剛度和強度退化明顯。與天然骨料試件RCF-1相比，RCF-2的曲線形狀差異不大，但RCF-3較前兩者曲線飽滿性略差，說明全再生混凝土短梁框架試件的耗能性能略差于只含天然骨料的短梁框架。

(a) 試件RCF-1

2.2 骨架曲線

骨架曲線是指在低周反復(fù)荷載作用下每級循環(huán)加載時達到的水平力最大峰值的軌跡，是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要表征[13]。骨架曲線一般是由試驗獲取的P-Δ滯回曲線中每級荷載的第一次循環(huán)加載的峰值點依次連接形成。本試驗的滯回曲線經(jīng)過相關(guān)處理后得到的型鋼再生混凝土短梁框架骨架曲線如圖6所示。

圖6 型鋼再生混凝土短梁框架骨架曲線

由圖6可以看出，在加載初期，各試件的荷載與位移呈現(xiàn)出線性關(guān)系，這個階段框架處于彈性工作狀態(tài)，試件的骨架曲線在這一階段一直上升；隨著位移的增大，試件剛度有所退化，荷載的增速減慢，曲線上升變緩；峰值荷載以后，試件進入破壞階段，位移增大荷載減小。

對比三種不同取代率試件的骨架曲線可以看出，在彈塑性階段，曲線出現(xiàn)略微分離；100%取代率試件的極限承載力最高，0和50%取代率試件的極限承載力居其次；但在峰值點過后的下降段，天然骨料試件RCF-1的曲線下降趨勢稍緩于其余兩者，試件RCF-3有明顯的承載力驟降折點，可推測含天然骨料的試件抗震性能略優(yōu)于含再生骨料試件。

2.3 承載力與位移延性系數(shù)

本文中采用等能量法來確定試件的屈服點，Δy為屈服位移，Py為屈服荷載；破壞點定義為曲線下降段上承載力為0.85Pm的點，即破壞時的結(jié)構(gòu)承載力Pu下降到峰值承載力的85%，與該點對應(yīng)的位移定義為破壞位移Δu[1]。位移延性系數(shù)的表達式為μ=Δu/Δy，它是用來評判結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性的一項指標。層間位移角的表達式為θ=Δ/H，其中Δ表示框架層間位移，H表示框架層高。

三個框架的實測特征點值及位移延性系數(shù)見表5，各特征點處的層間位移角見表6?？梢钥闯?個試件的荷載值波動幅度較小，因此再生骨料取代率對試件的承載力影響不大。由表5、表6可知：

表5 各試件的特征點及位移延性系數(shù)

表6 層間位移角

① 3個試件的位移延性系數(shù)在2.1～2.3，與試件RCF-1相比，試件RCF-2和試件RCF-3的延性系數(shù)分別下降了7.76%和9.05%，說明只含有天然骨料的試件相對延性更好，取代率的增大會降低試件的延性。

② 在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[14]中對結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角做出了限定：在多遇(中震)地震下，多、高層鋼結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值為1/250，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的限值為1 /550。本文各試件屈服時的層間位移轉(zhuǎn)角在1/95～1/76，這表明試件在彈性階段的層間位移角在達到規(guī)范的限值時未進入屈服狀態(tài)，彈性變形能力較為良好，達到規(guī)范的要求。

③ 在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[14]中對結(jié)構(gòu)的彈塑性位移角做出了限定：在罕遇(大震)地震作用下，多、高層鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的彈塑性位移角限值為1/50。本文各試件破壞時的層間位移角在1/41～1/36，這表明試件在彈塑性階段的層間位移轉(zhuǎn)角在達到規(guī)范的限值時，未發(fā)生嚴重的破壞現(xiàn)象，達到了規(guī)范對于結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好抗倒塌性能的要求。

2.4 耗能能力

試驗所得的滯回曲線中，滯回環(huán)圍成的面積即為構(gòu)件所消耗的能量。在研究工程結(jié)構(gòu)的抗震性能時，等效黏滯阻尼系數(shù)的大小常被用來作為評判結(jié)構(gòu)耗能能力的一個重要指標[15]。等效黏滯阻尼系數(shù)計算模型如圖7所示。等效黏滯阻尼系數(shù)的計算公式如下：

圖7 等效黏滯阻尼系數(shù)計算模型

(1)

式中，S(ABC+CAD)表示滯回環(huán)ABCD所圍的面積；S(ΔOBE+△ODF)表示滯回環(huán)正負向峰值點與坐標軸橫軸所圍成的三角形面積之和。

在第i級位移加載時，第i次循環(huán)的等效黏滯阻尼系數(shù)用hei(i=1,2,…,7)表示，代表水平位移加載各試件在各級位移循環(huán)下的等效黏滯阻尼系數(shù)見表7。

表7 等效黏滯阻尼系數(shù)

由表7可以看出，各個試件的he均隨著位移的增加而增大，試件耗散掉的能量隨位移增加而增大。本課題組曾針對鋼筋再生混凝土短梁框架的抗震性能開展研究，其研究結(jié)果顯示該短梁框架結(jié)構(gòu)的等效黏滯阻尼系數(shù)he在0.224～0.25[13]，而本文中試件破壞時的等效黏滯阻尼系數(shù)在0.30～0.39，均在0.30以上，相較之下本試驗中的試件表現(xiàn)出了更為良好的抗震耗能能力。

試件耗能能力如圖8所示，由圖8可看出，各試件的等效黏滯阻尼系數(shù)的變化趨勢基本一致，再生骨料含量的增多會降低結(jié)構(gòu)的耗能性能，但是這種不利影響較小，含有再生骨料的型鋼再生混凝土短梁框架也有較好的耗能能力。

圖8 試件耗能能力

2.5 剛度退化

圖9 剛度退化規(guī)律

本文采用割線剛度K[16]來描述試件隨加載位移值的改變而呈現(xiàn)出的退化規(guī)律，其計算公式如下：

(2)

式中，±Pi表示第i級加載時，第一次循環(huán)正、反向的峰值點處荷載值；±δi表示該循環(huán)中峰值點處的水平位移值。各試件在各級位移循環(huán)下的剛度退化規(guī)律如圖9所示。

由圖9可知，各試件的剛度隨著位移的增大而減小，前期剛度退化曲線斜率較大，試件的剛度退化速率較快，后期有所減緩。

對比不同再生粗骨料試件可知，RCF-1的初始剛度最大，RCF-2和RCF-3與其相差不大，說明與只含有天然骨料試件相比，含有再生骨料會略微降低試件的初始剛度；三個試件剛度退化曲線差異較小，說明再生骨料取代率對試件剛度退化影響不顯著。

3 結(jié)論

① 低周反復(fù)荷載作用下的三個方鋼管再生混凝土柱-型鋼再生混凝土短梁框架的破壞形態(tài)較類似，均呈現(xiàn)為梁剪切破壞，柱上下端鋼管鼓屈。

② 三個框架的滯回曲線較為飽滿，均未發(fā)生明顯捏攏，形狀接近平滑的梭形；試件在發(fā)生破壞時的等效黏滯阻尼系數(shù)he均在0.30以上，隨著再生骨料含量的增多，結(jié)構(gòu)的耗能性能會降低，但與本課題組前期對方鋼管再生混凝土柱-鋼筋再生混凝土短梁混合框架的抗震性能研究結(jié)果[13]相對比，具有更良好的耗能性能。

③ 三個試件再生骨料的含量不同，但屈服和破壞時的層間位移轉(zhuǎn)角差別不大，各試件在彈性階段的變形能力均良好，發(fā)生屈服時層間位移轉(zhuǎn)角在1/95～1/76，遠大于規(guī)范規(guī)定的限值，能夠滿足規(guī)范要求；各試件的抗倒塌能力均良好，發(fā)生破壞時彈塑性層間位移轉(zhuǎn)角在1/41～1/36，遠大于規(guī)范規(guī)定的限值，能夠滿足規(guī)范要求。

④ 與只含天然骨料的型鋼短梁框架相比，含再生骨料的框架隨著取代率的增加，其延性系數(shù)及初始剛度均隨之降低。

⑤ 方鋼管再生混凝土柱-型鋼再生混凝土短梁框架具有良好的承載能力、變形能力和抗震性能，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土短梁框架相比，能有效減小梁的截面高度，并能緩解當前天然骨料資源匱乏的現(xiàn)狀，應(yīng)用于實際工程中是可行的。