刘阳,郭子雄

(华侨大学土木工程学院,福建泉州362021)

CSRC柱抗震性态水平的指标试验

刘阳,郭子雄

(华侨大学土木工程学院,福建泉州362021)

通过8个1/2比例的核心型钢混凝土(CSRC)框架柱的抗震性能试验,研究轴压比和核心型钢配钢率对CSRC柱滞回特性的影响,以及CSRC柱在不同抗震性态水平的变形指标和抗震性能指标.结果表明,CSRC柱具有良好的变形能力和滞回耗能能力,配置核心型钢可有效提高重载RC柱的抗震性能.对于运行和基本运行性能水平,可采用纵筋、核心型钢应变和试件荷载水平作判定参数;对于可修性态水平,可采用残余位移角作判定参数;而对于避免倒塌性态水平,可采用试件承载能力的衰减和滞回环的稳定状态作判定参数.关键词: 核心型钢混凝土柱;抗震性能;性态水平;轴压比

核心型钢混凝土柱(Core Steel Reinforced Concrete,简称CSRC),是指在普通RC柱截面核心部位设置含钢率较低(2%～3%)的实腹式型钢所形成的新型结构形式[1-4].该结构形式可有效提高高轴压比RC柱的抗震性能,突破规范规定的RC柱轴压比限值,且施工方便、型钢利用率高、防火性能好、造价低廉,是一种提高RC结构重载柱抗震性能的合理结构形式.目前,国内外尚未见有关CSRC柱的性能水平和相应变形限值的研究报道.基于此,本文主要研究CSRC柱在不同性能水平下的变形限值.

1 试验概况

1.1 试件设计

试验共制作8个1/2比例的CSRC柱试件,设计轴压比取0.79～1.13,以研究核心型钢对RC框架柱轴压比限值的提高作用.所有试件纵筋均采用8 12HRB335级钢筋,屈服强度为345.0 M Pa,箍筋均采用6@100菱形复合箍,箍筋强度为346.7 M Pa.试件CSRC2-6采用热轧钢管,其他试件均采用热轧钢板焊接工字钢,钢材屈服强度为393.0 M Pa.

图1 试件截面尺寸及配筋(单位:mm)Fig.1 Size and reinforcement of section(unit:mm)

表1 试件参数表Tab.1 Parameters of specimens

试件配筋及尺寸如图1所示,其参数如表1所示.表1中:fcu为混凝土实测立方体抗压强度;ρa为核心型钢配钢率;hw,bf和t分别为核心型钢腹板高度、翼缘宽度和厚度;n为设计轴压比,取n=1.25Nt/fcA;Nt为试验轴力;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;A为试件截面积.需要说明的是,试件CSRC2-6的核心钢管外径为89 mm,厚度为6 mm.

1.2 加载及量测方案

通过液压千斤顶和反力大梁在柱顶施加恒定竖向轴力,水平荷载通过M TS作动头施加,采用位移控制,如图2所示.试件屈服前,每个位移幅值循环1次,屈服后每个位移幅值循环3次.

荷载通过压力传感器直接量测;柱端的水平位移、轴向变形和地梁等可能存在的水平滑移通过电子位移计量测;柱根关键受力区域钢筋及型钢的应变通过3 mm×5 mm电阻应变片和应变花量测.所有力、位移和应变信号均通过M TS-GT控制系统和DH 3816型数据采集仪自动采集.

图2 试验加载装置Fig.2 Test setup

图3 为试件的典型荷载-位移滞回曲线;图4和表2分别为试件的骨架曲线及其特征点.由图3可见,虽然设计轴压比高达1.01,1.11,但试件滞回曲线饱满,强度衰减缓慢,有良好的抗震性能.说明,设置核心型钢可显著提高重载RC柱的抗震性能.由图4和表2可见,所有试件的延性系数(Δu/Δy)均在4.3以上,且骨架曲线下降段斜率较小,说明试件具有良好的变形能力.

2 主要试验结果

图3 试件的荷载-位移滞回曲线Fig.3 Hysteretic curves of Load versus disp lacement

图4 试件的骨架曲线Fig.4 Skeleton curves of specimens

表2 荷载-位移骨架曲线特征点试验结果Tab.2 Test results of characteristic points of skeleton curves

3 CSRC柱的破坏模式和破坏过程

CSRC框架柱的主要应用范围是多层或小高层框架结构的底部若干层,其破坏极限状态一般为小偏心受压破坏或界限破坏.结合文中8个压剪柱的试验现象,将CSRC柱在地震荷载作用的破坏过程分为以下4个主要阶段.

(1)初裂阶段.受拉区混凝土出现水平弯曲裂缝,纵筋应变水平不超过屈服应变的50%,核心型钢部分受拉部分受压,应变水平不超过屈服应变的30%.

(2)屈服阶段.受压区混凝土出现若干纵向裂缝并不断发展,纵筋受压屈服,受拉区纵筋应变一般小于屈服应变,核心型钢应变水平不超过屈服应变的50%.此时,构件的抗侧刚度有明显减小.

(3)弹塑性变形阶段.受压区混凝土开始压溃并逐渐剥落,纵筋受拉达到屈服,核心型钢全截面受压,最大压应变已经达到屈服应变;试件侧向变形明显增大,强度开始衰减,但强度衰减率不超过10%;

(4)破坏阶段.保护层混凝土大片剥落,受压区纵筋压曲,核心型钢全截面压应变达到屈服,根部个别箍筋可能失效;试件强度大幅衰减,强度衰减率一般大于30%,结构处于临近倒塌状态.

4 CSRC柱不同性能水平的判定参数

4.1 宏观描述

参考文[5]的结果,把CSRC结构的抗震性能水平划分运行、基本运行、可修和避免倒塌4个状态.

(1)运行.CSRC柱保持原有的强度和刚度,处于弹性工作阶段.出现宽度小于0.2 mm的微小弯曲裂缝.受压纵筋应力水平约为屈服应力的40%～60%,核心型钢最大压应力水平约为屈服应力的20%～40%,荷载约为最大荷载的40%～60%,弹性位移角约为1/800～1/250 rad,基本无残留变形.

(2)基本运行.CSRC柱几乎保持原有的强度和刚度,可认为近似处于弹性工作阶段.出现细微剪切裂缝(<0.05 mm),弯曲裂缝宽度小于1 mm,受压钢筋接近屈服状态.核心型钢压应力水平达到屈服应力的40%～60%;荷载约为最大荷载的60%～90%,弹性位移角约为1/500～1/150 rad,残留变形可以忽略.

(3)可修.CSRC柱丧失了部分刚度和强度,构件进入弹塑性工作状态.剪切裂缝宽度小于0.5 mm,最大弯曲裂缝宽度可达2 mm,弹塑性位移角为1/150～1/50 rad.纵筋和核心型钢已受压屈服,塑性铰形成,残留变形不大于1%.受压区保护层混凝土的竖向裂缝增多并变宽,超高轴压比试件出现保护层混凝土剥落现象.不出现纵向钢筋的压屈以及约束钢筋的拉断,没有接头及锚固失效.荷载接近正截面承载能力.

(4)避免倒塌.CSRC柱丧失大部分刚度和强度,但重力承载体系尚能起作用,构件处于塑性工作阶段.柱端纵筋局部压曲,核心型钢不发生压曲,部分箍筋锚固破坏,具有较大的残留变形.弹塑性位移角为1/50～1/20 rad,承载能力下降到最大承载力的60%～80%.

4.2 量化参数的试验量测值

根据上述CSRC柱4个性能水平失效判别参数和标准,列出8个CSRC柱4个性能水平下各判别参数的试验测量值,如表3所示.表3中:α,β,γ分别表示运行(1/250 rad)和基本运行(1/150 rad)极限状态下,受拉钢筋应变、核心型钢最大压应变、荷载分别与钢筋屈服应变、核心型钢屈服应变、最大荷载的比值;θr表示试件的残余位移角;λ,η分别表示不同位移角幅值下的荷载与最大荷载、第1循环荷载与第3循环荷载的比值.

运行极限状态下,采用纵筋、型钢应变状态及试件荷载作为判定参数.由表3可知,在1/250 rad位移角下,α,β,γ的最大值分别为60.9%,40.5%和59.3%,符合运行极限状态下的宏观描述.因此,建议运行极限状态下的位移角限值为1/250 rad.

基本运行极限状态下,采用纵筋、型钢应变状态及试件荷载作为判定参数.由表3可知,在1/150 rad位移角下,α,β,γ的最大值分别为86.6%,59.7%和85.0%,满足基本运行极限状态的宏观描述.因此,建议运行极限状态下的位移角限值为1/150 rad.

可修极限状态下,采用残余位移角θr作为判别参数.由表3可知,在1/50 rad位移角下,试件的θr实测值为1/192～1/119 rad,残余变形不超过1%,符合可修极限状态的宏观描述.因此,建议可修极限状态下的位移角限值为1/50 rad.

避免倒塌极限状态下,采用试件承载能力的衰减程度和滞回环的稳定状态作为判别参数.由表3可知,在1/30 rad位移角下,λ最小值为85.0%,符合避免倒塌极限状态的宏观描述;在1/20 rad位移角下,仅试件CSRC3-2承载力与最大荷载的比值为61.9%,其他试件值均大于70%,符合避免倒塌极限状态的宏观描述.考虑到实际工程中CSRC柱主要用于结构的底部数层,其轴压比较大,为了保证一定得安全储备,建议避免倒塌极限状态下的位移角限值为1/30 rad.

表3 CSRC柱不同性态水平的量化参数Tab.3 Index fo r different performance level of CSRC columns

基于不同性能水平下的变形和相关参数试验结果,分析了CSRC柱试件的各项抗震性能指标,提出CSRC柱不同性能水平对应的判定参数,并建议相应的性能水平限值.研究成果可为CSRC结构基于性能的抗震设计和工程实践提供参考.

5 结束语

[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] 刘阳,郭子雄,谢吓弟.核心型钢混凝土轴压试验研究[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(S2):137-141.

[3] 刘阳,郭子雄,张志伟.核心型钢混凝土柱的轴压比限值试验研究[J].地震工程与工程振动,2008,28(3):82-86.

[4] 欧阳文俊,郭子雄,刘阳.利用AD INA的CSRC柱轴压性能数值模拟[J].华侨大学学报:自然科学版,2009,30(6): 681-685.

[5] 郭子雄,张志伟,刘阳.SRC柱抗震性能和抗震性态水平指标试验研究[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版, 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

(责任编辑:钱筠 英文审校:方德平)

1000-5013(2010)06-0684-04

2010-05-23

刘阳(1982-),男,讲师,主要从事工程结构抗震减灾的研究.E-mail:lyliuyang@hqu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(50478120,50978107);福建省自然科学基金资助项目(2010J05117);教育部新世纪优秀人才支持计划基金资助项目(NCET-06-0571);华侨大学科研基金资助项目(09BS620)