高 展 高立堂 李晓东 许业清 杨 超

（青岛理工大学土木工程学院，青岛266033）

0 引 言

型钢混凝土异形柱结合了型钢与混凝土两者的优良特性，即同时兼顾了承载力大和抗震性能好两大优点［1］。众多学者经过不断努力从各方面对其进行了研究。陆洲导和徐朝晖［2］运用对比分析的方法对12 根型钢混凝土柱进行关于耐火的试验，得出柱截面温度场计算方法和柱的极限承载力计算公式。王玉镯［3-4］等经过对3根L形和16根十字形型钢混凝土柱的火灾试验，分析了异形柱在火灾下实际的变形规律、温度场分布以及耐火极限等。陈宗平等［5-6］以轴压比和偏心荷载为变化因素，对4 根T 形和3 根桁架式不等肢L 形钢骨混凝土异形柱进行了抗震性能相关的试验，研究分析了试件的破坏形态以及极限承载力，试验结果使平截面假定得到了验证，并分析了异形柱结构的工作原理。张波［7］以轴压比及配箍率为实验影响因素，对4 根十字形型钢混凝土柱进行低周反复试验，得出剪跨比是异形柱破坏形态的一个重要影响因素。国内外对型钢混凝土的抗火方面做了大量研究，同时在抗震方面，主要集中在常温条件下的钢筋和型钢混凝土的抗震理论分析和试验，但是对于火灾后异形柱的抗震性能试验研究，尚且处于空白阶段。为此，本文对T形型钢混凝土柱火灾后低周反复荷载作用下的抗震性能进行相关的试验研究。

1 试验概况

1.1 试件设计

《混凝土异形柱结构技术规程》［8］中规定了异形柱肢高肢厚比，其比值不得大于4。本试验中试件设计肢高500 mm、肢厚200 mm，实际肢高厚比为2.5。根据T 形柱实际受力情况和破坏形态，同时为满足不同剪跨比的要求，分别设计1 600 mm、1 900 mm、2 200 mm三种尺寸的柱子，火灾过程模拟ISO834 标准升温曲线进行试验。试件尺寸及配槽钢见图1。选用Q235 级14a 型号的槽钢，规格为140 mm×58 mm×6 mm；槽钢间连接腹杆采用直径为12 mm HRB400 级钢筋，采用电弧焊焊接作为腹杆和槽钢之间的连接方式，试件全部采用C30 混凝土、30 mm 的保护层厚度。试件设计信息见表1，材性试验得fy槽钢=305 MPa，fy钢筋=410 MPa，混凝土立方体抗压强度试验值fcu=34.6 MPa。

表1 试件基本信息表Table 1 Basic design information of specimens

图1 试件截面尺寸及配槽钢形式（单位：mm）Fig.1 Section size of specimen and configuration channel iron form（Unit：mm）

1.2 火灾试验

试件完成养护以后，火灾试验在青岛理工大学垂直火灾炉中进行。试验采用轴心荷载下恒载升温方式，如图2 所示。在T 形柱的火灾试验中，其内折角面进行受火，对于未受火面使用陶瓷纤维板进行有效保护，如图3 所示。火灾试验升温曲线如图4所示。

图2 垂直火灾炉Fig.2 Vertical fire furnace

1.3 建研式加载试验

1.3.1 试验加载装置及测试内容

抗震试验采用建研式加载装置。竖向荷载通过200 t 液压千斤顶提供，水平荷载通过100 t 电液伺服作动器来进行提供。试验加载图如图5所示。

图3 受火面示意Fig.3 Fire surface

图4 升温曲线图Fig.4 Heating curve graph

图5 加载装置图Fig.5 Loading device graph

1.3.2 试验加载制度

试验采用位移控制的方式进行分级加载。试件屈服前，加载级差为3 mm，每级往复循环一次。试件屈服以后，加载位移为屈服位移的倍数，每级往复循环三次，在试验中，当试件水平承载力降低至极限荷载的85%时终止试验，认为试件破坏。利用折线法确定试件的屈服点，原理如图6 所示，E点为所对应的屈服位移和屈服荷载。

图6 折线法原理图Fig.6 Principle diagram of broken line method

1.3.3 试验过程与破坏现象

试验过程包括弹性、带裂缝工作和破坏三个阶段。增大轴压比，翼缘背面上下端明显出现弯曲压碎破坏；一定范围内增大剪跨比，观察翼缘背部上下端实际的弯曲压碎破坏情况有所减轻，分析原因为短柱有较大的刚度，水平剪切力在其发生相同位移情况下比较大，使破坏发生的比较早；配箍率对于火灾后试件的破坏形态影响没有明显的差别。TZ1 和TZ3 出现粘结劈裂以及剪切破坏，腹板出现严重的混凝土脱落情况，在腹板内部混凝土上出现竖向剪切劈裂裂缝，腹杆钢筋出现外凸现象，翼缘肢端上下端的混凝土出现严重的劈裂破坏现状，槽钢出现严重的变形。TZ2、TZ4、TZ5、TZ6 出现粘结劈裂破坏和弯剪破坏，腹板混凝土脱落严重，翼缘肢端上下端混凝土发生劈裂破坏，槽钢明显变形外凸。部分破坏现象如图7所示。

2 试验结果分析

2.1 滞回曲线

对试验数据结果进行分析，各试件的荷载（P）-位移（Δ）曲线如图8所示。

（1）通过TZ1、TZ2 可以看出，未受火构件的包络面积大于受火试件，耗能性大，火灾后，其内部微裂缝快速发展，明显削弱了构件的耗能能力和承载能力。

图7 试件破坏图Fig.7 Specimen failure graphs

图8 滞回曲线图Fig.8 Hysteretic curve

（2）通过TZ2、TZ5、TZ6 的试验分析得出，一定范围内增大剪跨比，试件滞回曲线包络面积变小，耗能能力降低，所以剪跨比是对火灾后构件滞回特性产生影响的重要因素。

（3）通过TZ2、TZ3、TZ4 的试验分析可得，轴压比一定范围内增加，滞回环包络面积也发生明显的增加，同时试件的耗能能力提高。

2.2 骨架曲线

对骨架曲线根据不同的参数分别进行整理，得到在各参数条件下的骨架曲线如图9所示。

图9 骨架曲线图Fig.9 Skeleton curve

（1）受火柱骨架曲线下降段较未受火柱平缓，分析原因为高温引起混凝土极限应变增大导致。

（2）轴压比在一定范围内提高，试件极限承载力降低，极限位移也严重降低，骨架曲线的斜率均较大，说明极限荷载以后，试件轴压比在一定范围内越大，后期承载力衰减速度越快。

（3）剪跨比对试件的极限承载力和位移延性有明显影响，剪跨比增加过程中，破坏位移不断提高，其承载力也逐渐降低。

2.3 位移延性系数（μ）

试件的位移延性系数能够清楚的对构件后期变形性能进行反映，计算公式为μ=Δm/Δy。各参数下位移延性如图10所示。

（1）火灾降低了构件的位移延性性能，高温导致试件材料性能的劣化，受火试件较非受火试件位移延性系数降低了9.1%。

（2）轴压比从0.1提到0.2、0.3时，位移延性系数降低了3.66%和12.2%。对轴压比进行提高，会导致试件截面的受压区高度增加，同时约束了截面转动，使试件的延性性能降低。

（3）剪跨比从1.702 和 2.021 提高到 2.340 时，位移延性系数分别提高17%、69%和33.2%。而剪跨比从1.702 提高到2.021 时，其延性系数降低了11.7%，表明剪跨比处在2.0 左右以下时，延性随着剪跨比的增加而变差，相反在2.0 左右以上时，随着剪跨比的增加位移延性而有所提高。

2.4 刚度退化规律

刚度反映结构或构件抵抗变形的能力，一般用割线刚度进行表示，其表达式如下：

式中：Ki为第i次循环的割线刚度；±pi为第i次循环正、负向最大荷载；±δi为第i次循环正、负最大荷载对应的位移。

（1）在试验初期，构件刚度退化明显，随着外部混凝土脱落，由槽钢主要承受荷载，由于槽钢延性性能良好，使构件刚度退化缓慢。

（2）试件随着轴压比的增加，初始刚度提高同时其退化速度也加快。原因是轴压比较大会使截面受压区高度增加，约束试件的截面转动，使其抵抗变形的能力增强。

（3）提高试件的剪跨比，其初始刚度降低。原因为剪跨比较大，增大了柱两端的弯矩，使其发生的变形加大。

图10 位移延性变化规律曲线图Fig.10 Displacement ductility curve graphs

图11 刚度退化曲线图Fig.11 Stiffness degradation curve graphs

2.5 耗能分析

耗能是构件变形能力在能量上的表达。累积耗能可用下列公式计算。

式中：E表示累积耗能；F表示水平剪力；x表示水平位移。

各参数对耗能能力发生的影响如图12所示。

图12 耗能曲线图Fig.12 Energy consumption curve graphs

（1）对比受火试件和未受火试件可以看出，受火试件提前进入屈服阶段，受火试件耗能能力小于未受火试件，且受火试件耗能能力明显降低。

（2）火灾后试件的耗能能力随着轴压比的提高而增大。轴压比在试件屈服前，耗能能力没有明显的影响；但在试件屈服后，会对耗能能力有比较显著的影响。分析原因是试件抵抗变形的能力随着轴压比的提高而增强，其滞回耗能性能随之提高。

（3）增大试件剪跨比，滞回耗能降低，但在试件屈服之前，剪跨比对耗能的影响不大，对累积滞回耗能增幅也较小。试件屈服后至试件破坏阶段，试件耗能随着剪跨比变化较明显。

3 结 论

（1）火灾对T 形型钢混凝土柱的材料造成损伤，使其内部微裂缝快速发展，削弱了各项力学性能指标，同时降低了T 形型钢混凝土柱的屈服强度以及极限承载力，加快了其强度和刚度的退化。

（2）轴压比是影响结构抗震性能的重要因素，一定范围内提高轴压比，增加了截面受压区高度，限制了截面的转动，降低了混凝土柱的位移延性，提高了耗能能力，但增加了初始刚度，更容易产生脆性破坏和钢骨的变形失稳，加速了后期强度衰减和刚度退化。

（3）剪跨比也是影响结构抗震性能的重要因素，一定范围内提高剪跨比，降低了T形型钢混凝土柱的初始刚度、极限承载力以及耗能性能，使强度衰减变缓。剪跨比在2.0 左右以下时位移延性随着值的增加而减小，在2.0左右以上时随着值的增加而提高，分析是由于短柱比长柱刚度大，更不容易产生失稳所致。