陶清林，司拴牢，胡 義，顧 奎，韋少波，孔 炯

（1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243032；2.蘭州市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，甘肅 蘭州 730030；3.中國十七冶集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 243000；4. 甘肅省建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

作為甘肅省和蘭州市的重大建設(shè)項(xiàng)目，蘭州奧體中心設(shè)計(jì)以黃河文化和敦煌文化為元素，再現(xiàn)“飛天花舞”和“黃河奔騰”的動(dòng)感意向，建筑設(shè)計(jì)高低起伏、錯(cuò)落有致，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為復(fù)雜。勁性混凝土組合結(jié)構(gòu)以其承載力高、空間跨度布局靈活自由、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高層建筑及大跨結(jié)構(gòu)中。蘭州奧體中心體育場及三館工程項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)大量使用了高強(qiáng)混凝土勁性柱，由于項(xiàng)目地處甘肅省蘭州市七里河區(qū)，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為 8 級(jí)，屬于高烈度地震區(qū)，因此有必要對項(xiàng)目中的高強(qiáng)混凝土勁性柱抗震性能進(jìn)行深入了解。目前國內(nèi)外學(xué)者已對勁性混凝土結(jié)構(gòu)開展過諸多研究［1-3］，諸如箍筋配置、剪跨比設(shè)置、軸壓比調(diào)節(jié)及混凝土的強(qiáng)度都會(huì)對勁性柱的力學(xué)行為產(chǎn)生明顯影響。為了研究高強(qiáng)混凝土勁性柱的抗震性能，本文開展了低周往復(fù)加載試驗(yàn)，得到了恢復(fù)力特性曲線及其相關(guān)數(shù)據(jù)，探討了諸主要因素對高強(qiáng)混凝土勁性柱抗震性能的影響規(guī)律，以期為蘭州奧體中心建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

蘭州奧體中心體育場及三館采用的高強(qiáng)混凝土勁性柱高達(dá) 14 m，截面高度高達(dá) 1 m，受到試驗(yàn)室條件限制，本試驗(yàn)采用高強(qiáng)混凝土勁性柱縮尺模型開展抗震性能試驗(yàn)。根據(jù)試件參數(shù)，預(yù)先制作柱底部基礎(chǔ)模板，提前預(yù)留固定用孔洞，采用立式澆筑，機(jī)械振搗，邊澆筑邊振搗密實(shí)。

1.1 試件參數(shù)

物理試件的截面尺寸均為 160 mm×240 mm，混凝土極限抗壓強(qiáng)度高達(dá) 69.75～117.42 MPa，剪跨比分別為 1.33、1.65、2.19、2.74 和 3.28，體積配箍率分別為 1.27 %、1.39 % 和 1.73 %，含鋼率設(shè)計(jì) 4.71 % 和 5.61 %，軸壓比為 0.22～0.37，型鋼采用 Q235 熱軋工字鋼 I14 和 I12.6 鋼，縱筋采用 4 10 的 HRB335 鋼，箍筋采用 HPB300 鋼。設(shè)計(jì)參數(shù)如圖 1 所示，設(shè)計(jì)參數(shù)及破壞形態(tài)如表 1 所示。

1.2 加載方案

試驗(yàn)加載方案采用的是 P-Δ混控加載方案，加載裝置如圖 2 所示，加載制度如圖 3 所示。

圖1 試件截面尺寸

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)及破壞形態(tài)

圖2 試驗(yàn)加載裝置

圖3 試驗(yàn)加載制度

2 試件破壞過程與形態(tài)

在壓、彎、剪復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下下，高強(qiáng)混凝土勁性柱的破壞模式大體可根據(jù)剪跨比的不同分為三種破壞形態(tài)［4-5］：彎剪破壞、剪切斜壓破壞和剪切粘結(jié)破壞。

2.1 剪切斜壓破壞

本次試驗(yàn)中剪跨比 λ=1.33 和 λ=1.65 的試件主要表現(xiàn)為剪切斜壓破壞，如圖 4（a）所示。加載初期，屬于完全彈性階段，鋼骨與混凝土完全協(xié)同工作。荷載緩慢增加，最先于柱底端出現(xiàn)對稱水平彎曲裂紋，并隨荷載的循環(huán)次數(shù)的增加裂縫數(shù)量逐漸增多，并沿截面呈 45° 斜向發(fā)展。荷載增加至 70 % 左右極限荷載時(shí)，勁性柱主要依靠箍筋與混凝土間的咬合力與型鋼腹板的作用繼續(xù)承擔(dān)外部荷載。荷載增加至 85 % 極限荷裁時(shí)，型鋼腹板陸續(xù)發(fā)生屈服。荷載繼續(xù)增加，斜向棱柱體混凝土開始被壓碎，并伴隨著混凝土剝落，箍筋與型鋼部分屈服。

2.2 剪切粘結(jié)破壞

本次試驗(yàn)中試件 C-3、C-14～16 發(fā)生剪切粘結(jié)破壞，剪跨比 λ=2.19，破壞形態(tài)見圖 4（b）。加載初期，柱底端出現(xiàn)對稱水平彎曲裂紋，并隨荷載的循環(huán)次數(shù)的增加裂縫數(shù)量逐漸增多，并沿截面呈 45° 斜向發(fā)展，當(dāng)荷載加載至 64 % 極限荷載時(shí)，型鋼與混凝土間的剪應(yīng)力傳遞不順暢，界面迅速出現(xiàn)豎向粘結(jié)裂縫而導(dǎo)致粘結(jié)滑移效應(yīng)發(fā)生，剪力轉(zhuǎn)為內(nèi)嵌型鋼和核心區(qū)混凝土共同承擔(dān)。荷載加至 85 % 極限荷裁，腹板、翼緣相繼發(fā)生屈服，粘結(jié)屬性的裂縫發(fā)展速度激增，勁性柱外圍混凝土壓酥、剝落，發(fā)生失效。

2.3 彎剪破壞

本次試驗(yàn)中剪跨比 λ=2.74 和 λ=3.13 的試件發(fā)生了彎剪破壞，破壞形態(tài)如圖 4（c）所示。加載初期，過程與剪切斜壓破壞相同。隨著荷載增加，柱側(cè)面水平裂峰逐漸向正面發(fā)展，試件底端出現(xiàn)數(shù)條豎向微裂縫。荷載加至 85 % 極限荷裁時(shí)，型鋼下翼緣開始屈服。隨著試件變形增大，混凝土發(fā)生大面積壓酥，試件水平承載力迅速衰減，下降至峰值荷載 85 % 后，柱隨之失效。

圖4 勁性柱破壞形態(tài)

3 抗震性能評價(jià)及影響因素分析

目前，結(jié)構(gòu)中主要抗側(cè)力構(gòu)件可以通過延性、滯回曲線和耗能能力等指標(biāo)來評價(jià)其抗震能力的大小，因此本次試驗(yàn)主要從以下三個(gè)方面對勁性 RC 柱開展抗地震能力評價(jià)，并進(jìn)行關(guān)鍵因素影響分析。

圖5 往復(fù)荷載作用下典型試件的滯回曲線（P-Δ曲線）

3.1 Hysteresis Curve 影響因素分析

屈服前，荷載-位移曲線近似遵循線性發(fā)展，其變形在卸載后基本可恢復(fù)，無明顯的殘余變形；屈服后，柱剛度出現(xiàn)小幅衰減現(xiàn)象，表現(xiàn)為荷載循環(huán)加載過程中，后次滯回環(huán)斜率較前次有所減小。此外，由于豎向荷載效應(yīng)影響，加載后期試件水平承載力未迅速衰減，呈現(xiàn)明顯的變形恢復(fù)滯后現(xiàn)象。勁性柱典型滯回曲線（Hysteresis Curve）及特征參數(shù)如圖 5、表 2 所示。

對比以上試件滯回特性，可以看出：①對比試件C-5、C-14 及 C-11，剪跨比越大，勁性柱水平承載能力就越小；②對比試件 C-11、C-14 及 C-12，柱試件水平承載力隨著混凝土強(qiáng)度增加而增加，試件達(dá)峰值荷載后，承載力退化速度加快；③比較試件 C-14、C-5 及C-15，適度增加內(nèi)置箍筋可有效提高試件抗剪承載力力，耗能與變形能力均得提升；④對比試件 C-6、C-15 及 C-12，試件水平承載力隨著軸壓比增加略有提高，但變形能力衰減速度較快。

3.2 變形能力影響因素分析

作為評價(jià)構(gòu)件抗震性能的重要指標(biāo)之一，延性可反應(yīng)處構(gòu)件的變形能力，常用延性系數(shù) μ 予以量化［6］，如式（1）所示：

式中：Δy、Δu代表試件的屈服位移和極限位移。

表2 試件各狀態(tài)特征點(diǎn)一覽表

無量綱設(shè)計(jì)參數(shù)與試件延性系數(shù)的關(guān)系曲線（見圖 6）表明：混凝土強(qiáng)度越高，勁性柱變形能力下降；剪跨比越大，勁性柱強(qiáng)度衰減逐漸放緩；軸壓比越大，勁性柱滯回曲線的飽滿度下降，強(qiáng)度衰減呈現(xiàn)顯著的不穩(wěn)定性。

圖6 無量綱設(shè)計(jì)參數(shù)與 SRHSC 柱延性系數(shù)間的關(guān)系曲線

圖7 滯回耗能能力與滯回環(huán)面積的示意

圖8 各影響因素對等效粘滯阻尼系數(shù)的影響曲線

3.3 耗能能力影響因素分析

結(jié)合現(xiàn)有研究成果［7-8］，以等效粘滯阻尼系數(shù)定量表征高強(qiáng)混凝土勁性柱的滯回耗能能力（見圖 7），表達(dá)如式（2）所示：

式中：Aabc為構(gòu)件正向加載時(shí)滯回環(huán)面積與X軸圍成的面積；Fmax、Δmax分別為柱頂最大水平荷載與對應(yīng)柱頂水平位移。

各影響因素對等效粘滯阻尼系數(shù)的影響曲線（見圖 8）表明：延性隨著混凝土強(qiáng)度的增加而下降，且適度提高配鋼率、配箍率可提高勁性柱的變形能力。

4 結(jié)語

由于核心區(qū)混凝土的作用，使得試件在加載后期仍具有維持變形和承擔(dān)承載力的能力，但相對普通勁性混凝土柱，其變形能力有所下降。因此，雖然高強(qiáng)混凝土柱承載力得到提高，但在蘭州這樣的高地震烈度區(qū)，不應(yīng)盲目通過提高混凝土強(qiáng)度的方式來保證結(jié)構(gòu)的承載力，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制底部框架柱軸壓比，本文研究結(jié)論為蘭州奧體中心順利建設(shè)提供了理論支撐與實(shí)踐指導(dǎo)，同時(shí)可為抗震高烈度地區(qū)該類工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和參考。