鄭書(shū)仁

(中鐵城建集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙 410208)

1 工程概況

銀川綠地中心項(xiàng)目是寧夏回族自治區(qū)和銀川市“十二五”規(guī)劃的重大項(xiàng)目，也是踐行“一帶一路”的代表項(xiàng)目[1]。該項(xiàng)目位于寧夏回族自治區(qū)銀川市閱海灣中央商務(wù)區(qū)中心地塊，作為寧夏第一高樓的銀川綠地中心項(xiàng)目，建筑總面積350 379m2。該項(xiàng)目包括兩棟高301.15m的塔樓、兩個(gè)相應(yīng)23.9m高的裙房以及連接整體的3層地下室。北塔樓地上建筑面積122 643m2，共計(jì)66層，主要功能為辦公和酒店，北裙房建筑地上建筑面積為10 995m2，主要功能為3層商業(yè)用房和1層設(shè)備屋頂層；南塔樓建筑地上建筑面積122 797m2，地上共66層，主要功能為辦公，南裙房地上建筑面積為10 352m2，共3層功能房間和1層設(shè)備屋頂層[2-3]。銀川綠地中心建筑效果圖如圖1所示。由于型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)處鋼筋較多且有部分鋼筋穿透型鋼。為了減小施工的難度，本文結(jié)合施工特點(diǎn)提出兩種替代的構(gòu)造措施，采用試驗(yàn)研究方法與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行對(duì)比，為工程應(yīng)用提供參考。

圖1 銀川綠地中心建筑效果圖

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室MTS作動(dòng)器的量程及豎向千斤頂?shù)募虞d能力，確定試驗(yàn)試件的縮尺比例為1∶8，三個(gè)試件的構(gòu)造尺寸如圖2所示，試件型鋼加工圖見(jiàn)圖3。

圖2 試件構(gòu)造尺寸

圖3 試件型鋼加工圖

由于試件采用縮尺，型鋼混凝土柱內(nèi)鋼筋直徑較小，無(wú)法加工，因此，受力鋼筋采用等截面配筋率的原則確定合理的受力鋼筋直徑和間距；箍筋采用等體積配箍率的原則確定箍筋及拉筋的直徑和間距。三種疊合柱構(gòu)造有所不同，其中試件GZ-1鋼筋采用穿過(guò)型鋼的方法；試件GZ-2鋼筋不穿型鋼采用增加豎向鋼筋的方法；試件GZ-3采用鋼筋焊接到型鋼的方法。最終三個(gè)試件的截面配筋結(jié)果如圖4所示。

圖4 試件截面配筋圖

2.2 材料性能

本次試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，在試件試驗(yàn)當(dāng)天對(duì)混凝土立方體試塊進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，測(cè)得混凝土強(qiáng)度為42.6MPa。柱內(nèi)型鋼采用Q235b焊接型鋼，腹板厚度為8mm，翼緣厚度為9mm；柱內(nèi)縱筋為HRB400，直徑為8mm；箍筋和拉筋為HRB400，直徑為6mm。測(cè)得鋼材的主要性能指標(biāo)如表1所示。

材性試驗(yàn)結(jié)果 表1

2.3 試驗(yàn)裝置及加載制度

本次試驗(yàn)在北京交通大學(xué)的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試件加載裝置如圖5所示，豎向荷載由液壓千斤通過(guò)分配梁均勻地施加在柱頂；水平位移由作動(dòng)器作用在試件的加載梁上。試件通過(guò)地錨螺栓與地面固定，地梁兩端各設(shè)置千斤頂防止出現(xiàn)滑移。

圖5 試件加載裝置示意圖

以實(shí)際工程為依據(jù)，確定施加的豎向荷載為1 000kN；水平加載采用位移控制，以試件上部加載點(diǎn)的實(shí)際位移為控制標(biāo)準(zhǔn)，從零開(kāi)始進(jìn)行水平加載，加載位移分別為0.6mm(1/1 400)，1.0mm(1/800)，1.7mm(1/500)，2.4mm(1/350)，3mm(1/280)，4.5mm(1/200)，6mm(1/140)，8.5mm(1/100)，12mm(1/70)，15mm(1/55)，17mm(1/49)，21mm(1/40)，24mm(1/35)，30mm(1/28)，每級(jí)循環(huán)二次，直至推覆。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

首先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，檢查各試驗(yàn)儀器是否正常工作，然后豎向荷載回零，完成預(yù)加載過(guò)程。隨后開(kāi)始正式加載，豎向荷載共分5級(jí)加載，每級(jí)荷載大小為200kN，最終加載至1 000kN，并且保持恒定，然后開(kāi)始加載水平位移。

三個(gè)試件盡管在構(gòu)造措施上有差異，但其破壞形式和規(guī)律有很大的相似性。水平位移加載至1mm結(jié)束時(shí)，無(wú)明顯現(xiàn)象出現(xiàn)。水平位移加載至1.7mm時(shí)，加載位置處柱體產(chǎn)生微小豎向裂縫，柱身兩側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)橫向裂縫。水平位移加載至2.4mm時(shí)，加載梁開(kāi)始產(chǎn)生裂縫，二層柱體出現(xiàn)少量的斜裂縫，原有裂縫加寬延伸。水平位移加載至4.5mm時(shí)，試件裂縫持續(xù)增加和延伸，一層柱體出現(xiàn)多道豎向裂縫和斜裂縫，二層柱體右側(cè)面原有裂縫形成通長(zhǎng)水平裂縫，下部原有裂縫斜向延伸。水平位移在加載至6mm的過(guò)程中伴有“咔咔”聲響，加載梁部分混凝土掉落，節(jié)點(diǎn)處左側(cè)裂縫連通，一層柱上部及其中部新增多道斜裂縫；二層柱中部出現(xiàn)一道水平裂縫并延伸至側(cè)面形成通長(zhǎng)水平裂縫。水平位移加載至8.5mm時(shí)，加載過(guò)程中試件持續(xù)發(fā)出聲響，梁柱交界處左上角混凝土鼓起；一層柱中部出現(xiàn)兩道斜裂縫，原有裂縫延伸，柱底出現(xiàn)多道短小斜裂縫；二層柱左側(cè)底部出現(xiàn)一道通長(zhǎng)水平裂縫。水平位移加載至12mm的過(guò)程中有“當(dāng)當(dāng)”的巨大聲響，右側(cè)加載梁上部裂縫通長(zhǎng)，裂縫寬至4mm，交界處豎向裂縫寬度達(dá)1.5mm，右側(cè)裂縫貫通；一層柱左側(cè)出現(xiàn)兩道很長(zhǎng)的豎向裂縫，柱底左側(cè)混凝土鼓起；二層柱中部和左側(cè)面出現(xiàn)多道斜裂縫，柱角右側(cè)出現(xiàn)豎向裂縫。水平位移加載至15mm的過(guò)程中，試件發(fā)出連續(xù)不斷的“咔咔”聲響，交界處左上角混凝土有掉落，原有裂縫延伸加寬。水平位移加載至17mm時(shí)，右側(cè)加載梁底部混凝土出現(xiàn)大面積掉落，二層柱中部左側(cè)混凝土出現(xiàn)小面積脫落。

試件加載至24mm，有連續(xù)聲響，一層柱角混凝土脫落，交界處混凝土沿裂縫鼓起。加載30mm時(shí)，多處混凝土掉落，交界處裂縫加寬至1cm，型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試件破壞嚴(yán)重，試驗(yàn)結(jié)束。三個(gè)試件均表現(xiàn)為柱內(nèi)型鋼和縱筋受力屈服，柱角混凝土被壓碎，試件破壞。試件裂縫見(jiàn)圖6。

圖6 試件裂縫

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 滯回特性

試驗(yàn)中得到三個(gè)試件滯回曲線如圖7所示。由圖7可知，隨著水平位移的施加，滯回曲線的形狀也在發(fā)生著變化。加載初始，水平位移較小，滯回曲線呈直線，剛度變化不大，殘余位移較小，試件處于彈性狀態(tài)。隨著水平位移的逐漸增加，試件進(jìn)入彈塑性階段，三個(gè)試件的剛度逐漸開(kāi)始減小，開(kāi)始有殘余變形的產(chǎn)生，試件滯回曲線逐步發(fā)展為“梭形”。繼續(xù)加大水平位移，試件剛度退化和殘余變形迅速增加，滯回曲線向“弓形”過(guò)渡，“捏攏現(xiàn)象”明顯。繼續(xù)加大水平位移，試件內(nèi)部型鋼和鋼筋逐漸屈服，角部混凝土壓碎脫落，試件破壞，試驗(yàn)結(jié)束。試件GZ-2由于發(fā)生較大的平面外變形，只加載至21mm。

圖7 試件滯回曲線

4.2 骨架曲線

由《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[4](簡(jiǎn)稱(chēng)抗震試驗(yàn)規(guī)程)可知，試件骨架曲線能夠反映出承載力與位移之間的關(guān)系，根據(jù)骨架曲線可以得到試件各特征階段的荷載及對(duì)應(yīng)的位移。圖8為各試件的骨架曲線。由圖8可知，三個(gè)試件的骨架曲線幾乎重合，變化規(guī)律基本一致，均經(jīng)歷彈性、彈塑性及破壞三個(gè)階段。加載初期，三個(gè)試件的骨架曲線呈直線，且完全重合；增大水平位移，骨架曲線開(kāi)始出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，試件開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段，三條曲線開(kāi)始有偏離，但相差較?。浑S著水平位移的持續(xù)增加，試件剛度逐漸減小，曲線偏離程度增大，試件達(dá)到峰值荷載，進(jìn)入破壞階段。從骨架曲線可以直觀地看出，三個(gè)試件的屈服荷載和極限荷載相差不大，變形性能相當(dāng)。

圖8 試件骨架曲線

4.3 承載能力及變形能力

根據(jù)各試件的骨架曲線，參考抗震試驗(yàn)規(guī)程擬靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，結(jié)合等能量法[5]，給出了各試件屈服荷載、極限荷載以及對(duì)應(yīng)階段的位移。試件的變形能力可以用極限位移角θ來(lái)衡量，其值等于試件的極限位移Δ與層高H的比值，即θ=Δ/H。

表2給出了各試件的荷載值及極限位移角。由表2可知，三個(gè)試件的各階段荷載值相差不大，與試件GZ-1相比，試件GZ-2的屈服荷載和極限荷載降低了6.2%，4.8%；試件GZ-3的屈服荷載和極限荷載降低了8.7%，2.9%。結(jié)果表明，本文提出的兩種替換構(gòu)造措施與原構(gòu)造措施相比，承載力略微降低，極限承載力相差在5%以?xún)?nèi)。由于試件GZ-2在水平位移加載至21mm時(shí)，發(fā)生較大的平面外位移，無(wú)法繼續(xù)加載，因此，極限位移角相對(duì)較小，但試件GZ-2和試件GZ-3的極限位移角大小相同，說(shuō)明兩種構(gòu)造措施的柱節(jié)點(diǎn)有相同變形能力。綜上，本文提出的兩種構(gòu)造措施可以用于結(jié)構(gòu)。

各試件承載力及對(duì)應(yīng)的位移 表2

4.4 剛度退化

剛度反映試件在外力作用下抵抗變形的能力。由抗震試驗(yàn)規(guī)程可知，試件的剛度可以用割線剛度來(lái)表示，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)，各試件剛度退化曲線如圖9所示。

(1)

式中：K為試件剛度，kN/mm；P+，P-分別為試件在同一滯回環(huán)頂點(diǎn)的正向和負(fù)向水平荷載；Δ+，Δ-分別為同一滯回環(huán)頂點(diǎn)的正向和負(fù)向位移值。

由圖9可知：1)三個(gè)試件的剛度退化曲線規(guī)律基本一致，無(wú)明顯的突變。初始剛度主要由柱體混凝土承擔(dān)，因此，三個(gè)試件的初始剛度相差不大，均在100kN/mm左右。隨著水平位移的逐漸施加，混凝土逐步開(kāi)裂，剛度退化迅速增加，當(dāng)水平位移增加在21mm左右時(shí)，柱內(nèi)型鋼和鋼筋開(kāi)始屈服，混凝土裂縫發(fā)展充分，剛度退化進(jìn)入平穩(wěn)段。2)由于試件GZ-2水平位移只加載至21mm，因此，取加載位移21mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剛度進(jìn)行對(duì)比分析。此時(shí)，各試件的剛度為42.1，43.5，40.9kN/mm，與試件GZ-1相比，試件GZ-2的剛度提高了3.3%，試件GZ-3剛度降低了2.9%。說(shuō)明三個(gè)試件在受力屈服階段的剛度相差不大，抵抗外力荷載作用的能力幾乎一致。

圖9 試件剛度退化曲線

4.5 耗能能力

由抗震試驗(yàn)規(guī)程可知，試件耗能量的大小以滯回環(huán)包圍的面積大小來(lái)衡量，滯回環(huán)越飽滿(mǎn)，包圍的面積越大，耗能量就越多，耗能能力也就越強(qiáng)。根據(jù)滯回曲線，計(jì)算各試件各級(jí)循環(huán)耗能量，將計(jì)算結(jié)果繪制成累積耗能曲線，如圖10所示。由圖10可知：1)三個(gè)試件的累積耗能曲線加載前期一直處于重合狀態(tài)，且增長(zhǎng)緩慢；試件屈服以后，各試件的累積耗能曲線開(kāi)始呈現(xiàn)“拋物線”增長(zhǎng)，當(dāng)試件達(dá)到峰值荷載時(shí)，試件滯回環(huán)曲線更加飽滿(mǎn)，耗能量較多，累積耗能也就越多，體現(xiàn)了三個(gè)試件相對(duì)普通混凝土節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力。2)由于試件GZ-2水平位移只加載至21mm，因此，取加載位移21mm時(shí)對(duì)應(yīng)的累積耗能量進(jìn)行對(duì)比分析。此時(shí)，GZ-1,GZ-2,GZ-3三個(gè)試件累積耗能量分別為20.47，22.91，19.91kN·m。與試件GZ-1相比，試件GZ-2的耗能量增加了11.9%，試件GZ-3的耗能量減小了2.7%。說(shuō)明三種不同的構(gòu)造措施的柱節(jié)點(diǎn)耗能能力相差不大，且本文提出的其中一種構(gòu)造措施的耗能能力略?xún)?yōu)于原構(gòu)造措施。

圖10 試件累積耗能曲線

5 結(jié)論

(1)試件在低周往復(fù)荷載作用下均經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段和破壞階段三個(gè)過(guò)程。最終由于柱內(nèi)型鋼和鋼筋屈服，角部混凝土壓碎，試件發(fā)生破壞。

(2)試件的滯回曲線、骨架曲線以及剛度退化曲線的變化規(guī)律基本相同，累積耗能能力也一致，說(shuō)明了本文提出的兩種構(gòu)造措施的設(shè)計(jì)思路是合理正確的。

(3)三種構(gòu)造方式的極限承載力誤差在5%以?xún)?nèi)，并且拉筋穿過(guò)型鋼腹板的承載力最高，拉筋焊接在型鋼腹板表面的構(gòu)造方式次之，加強(qiáng)縱筋局部圍箍方式最小。因此，型鋼混凝土柱的構(gòu)造措施可根據(jù)承載力大小及施工難易程度選擇本次試驗(yàn)的三種不同構(gòu)造方式。