陳青青

(黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,福建 泉州 362000)

0 引言

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是指在鋼筋混凝土內(nèi)部配置型鋼的組合結(jié)構(gòu)[1]。與純鋼結(jié)構(gòu)相比,具有整體剛度高、平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能得到改善、承載力及阻尼性能有所增加、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。正由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)相較于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),這種新型建筑結(jié)構(gòu)在大跨度建筑(如變電站等)中有著良好的應(yīng)用前景。然而,當(dāng)前型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用主要側(cè)重于實(shí)腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu),而空腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(如內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架形式)的研究較少[4-5]。在節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略基礎(chǔ)上,通過(guò)變電站空腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā),有助于減少用鋼量并發(fā)揮鋼混結(jié)構(gòu)的抗震性能[6],為內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架型鋼混凝土在現(xiàn)代化變電站等建筑中的應(yīng)用提供必要參考。

1 材料與方法

1.1 試件設(shè)計(jì)

按照1∶2比例設(shè)計(jì)5種鋼構(gòu)架型鋼混凝土試件模型,主要參數(shù)包括:1)不同試件的外形尺寸相同(底座截面1 060 mm×360 mm×600 mm、柱高1 200mm、柱截面為260 mm×260 mm),所用混凝土為商業(yè)混凝土C25,混凝土配合比為:P.O 42.5水泥、粒徑范圍為5～20 mm的石子、水泥用量268 kg/m3、砂子用量81 kg/m3、石子用量1 020 kg/m3、水用量266 kg/m3、外加劑種類(lèi)為L(zhǎng)P-2,剪跨比設(shè)定為5;2)角鋼選擇∠50×6和∠40×4兩種,試件配置6C12縱筋并采用A6箍筋;3)方鋼管選取長(zhǎng)150 mm、厚4 mm的鋼管;4)參照YB9082-2006《型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)軸壓比為0.2和0.3?？臻g鋼構(gòu)架型鋼混凝土柱構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,其中,鋼筋籠中縱筋都為6C12、箍筋都為A6@100,除SRCZ-1試件的軸壓比為0.2外,其余試件的軸壓比都為0.3?？梢?jiàn),SRCZ-1和SRCZ-2主要考察軸壓比變化,SRCZ-2和SRCZ-3主要考察含鋼率變化,SRCZ-3,SRCZ-4和SRCZ-5主要考察內(nèi)埋型鋼形式的變化,分別對(duì)應(yīng)于內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架、內(nèi)埋角鋼集中布置和內(nèi)埋方鋼管型鋼混凝土柱。

表1 空間鋼構(gòu)架型鋼混凝土柱構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of steel reinforced concrete column components of the space steel structure

1.2 試件材料

在與試件相同養(yǎng)護(hù)條件下制備了150 mm×150 mm×150 mm立方體混凝土試塊,采用NXHH型壓力試驗(yàn)機(jī)和應(yīng)變采集箱測(cè)得混凝土極限載荷為695 kN、抗壓強(qiáng)度30.89 MPa、軸心抗壓強(qiáng)度23.48 MPa、軸心抗拉強(qiáng)度2.60 MPa。不同試件所用的鋼材的物理性能測(cè)試結(jié)果如表2,其中,角鋼和方鋼管都為Q34鋼材。

表2 試驗(yàn)用角鋼、方鋼和綴條的力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of angle steel, square steel and batten bar for test

1.3 加載方式

采用四連桿機(jī)構(gòu)和電液伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行加載,按照J(rèn)GJ/T 101-2015 《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行加載[7],預(yù)先在豎向加載軸向力5% 的軸力進(jìn)行預(yù)加載并保持4 min后卸載直至清零,然后進(jìn)行兩級(jí)豎向軸向力的加載(至設(shè)計(jì)值)和水平向的低周反復(fù)荷載(圖1),開(kāi)裂前后載荷循環(huán)次數(shù)分別為1次和3次,試件屈服后位移加載也保持為3次。為了測(cè)量縱向鋼筋、角鋼和綴條的應(yīng)變,分別在對(duì)應(yīng)位置加貼規(guī)格45°應(yīng)變花的3 mm×2 mm應(yīng)變片[8];試驗(yàn)加載過(guò)程中,分別采集荷載-位移和應(yīng)變曲線,并隨時(shí)觀察試件裂紋形成情況,用鉛筆勾勒出后拍照以記錄破壞過(guò)程[9]。

圖1 水平向的低周反復(fù)加載制度Fig.1 Horizontal low-cycle repetitive loading regime

2 結(jié)果及討論

圖2為5個(gè)試件的滯回曲線測(cè)試結(jié)果。通過(guò)對(duì)比分析可知,除SRCZ-4試件的滯回曲線出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象外,其余4個(gè)試件(SRCZ-1,SRCZ-2,SRCZ-3和SRCZ-5)的滯回曲線都較為飽滿,表明試件具有較好的抗震性能[10-11],這主要是因?yàn)镾RCZ-4試件的結(jié)構(gòu)中布置的角鋼對(duì)混凝土約束作用較弱,在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生滯回曲線捏縮現(xiàn)象,而其它試件角鋼呈分開(kāi)布置,且軸壓比小的試件的滯回曲線更加飽滿,在受外界載荷作用時(shí)體現(xiàn)出來(lái)的變形能力和耗能能力更強(qiáng)[12];從配鋼率上對(duì)比構(gòu)件的滯回曲線,配鋼率相對(duì)較小的SRCZ-2，其滯回環(huán)面積更小,體現(xiàn)出來(lái)的承載力和變形能力相較于配鋼率更大的SRCZ-3試件更小;從型鋼形式對(duì)滯回曲線的影響來(lái)看,分開(kāi)布置角鋼的SRCZ-3試件，其滯回曲線相較于集中布置角鋼的SRCZ-4試件的滯回曲線更加飽滿,前者的變形能力和耗能能力更強(qiáng),SRCZ-5試件在位移達(dá)到3δy時(shí)循環(huán)3圈后承載力明顯降低。

圖2 試件的滯回曲線Fig.2 Hysteretic curves of the specimens

圖3為5個(gè)試件的骨架曲線,分別對(duì)比了軸壓比、配鋼率和骨架形式對(duì)骨架曲線的影響。通過(guò)對(duì)比分析可知,不同軸壓比、配鋼率和骨架形式的試件在達(dá)到峰值載荷后,骨架曲線都呈現(xiàn)緩慢降低的特征,這說(shuō)明內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架型鋼混凝土試件在外加載荷作用下具有較好的抗震性能[13]。對(duì)比不同軸壓比的SRCZ-1和SRCZ-2試件可知,二者的骨架曲線較為相似,只是SRCZ-2試件在試驗(yàn)后期位移達(dá)到一定程度時(shí)出現(xiàn)承載力較快降低的現(xiàn)象,延性相對(duì)較差[14];對(duì)比不同配鋼率的SRCZ-2和SRCZ-3試件可知,相較于配鋼率更大的SRCZ-3試件,配鋼率相對(duì)更低的SRCZ-2試件的承載力更低、延性相對(duì)較小;對(duì)比不同骨架形式的SRCZ-3,SRCZ-4和SRCZ-5試件可知,角鋼分開(kāi)的布置方式相較于角鋼集中形式更有利于提高試件的承載力和延性,且內(nèi)埋方鋼的SRCZ-5試件，其承載力和延性也低于SRCZ-3試件。

圖3 試件的骨架曲線Fig.3 The skeleton curve of the specimens

圖4為5個(gè)試件的等效粘滯阻尼系數(shù)(β)比較結(jié)果,分別對(duì)比了軸壓比、配鋼率和骨架形式對(duì)等效粘滯阻尼系數(shù)的影響[15]。從軸壓比對(duì)等效粘滯阻尼系數(shù)的影響上來(lái)看,軸壓比不同的SRCZ-1和SRCZ-2試件在加載初期的差別不大,而在位移達(dá)到45 mm及以上時(shí),具有更大軸壓比的SRCZ-2試件，其等效阻尼系數(shù)的增長(zhǎng)速度低于小軸壓比的SRCZ-1試件;從配鋼率對(duì)等效粘滯阻尼系數(shù)的影響上來(lái)看,除在加載初期配鋼率不同的SRCZ-2和SRCZ-3試件的等效阻尼系數(shù)不同外,加載后期的β接近于一致,整體而言,配鋼率對(duì)等效粘滯阻尼系數(shù)的影響較小;從型鋼形式對(duì)等效粘滯阻尼系數(shù)的影響來(lái)看,角鋼分開(kāi)布置的SRCZ-3試件，其等效粘滯阻尼系數(shù)的增長(zhǎng)速度較快,而角鋼集中布置和內(nèi)埋方鋼的SRCZ-4和SRCZ-5試件 ，其β 值增長(zhǎng)相對(duì)較慢,而等效粘滯阻尼系數(shù)是衡量能量耗散能量的重要指標(biāo),等效粘滯阻尼系數(shù)越大則表明結(jié)構(gòu)耗能能力越好[16]。

圖4 試件的等效粘滯阻尼系數(shù)Fig.4 Equivalent viscous damping coefficient of the specimens

3 結(jié)論

綜上所述,除SRCZ-4試件的滯回曲線出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象外,其余4個(gè)試件(SRCZ-1,SRCZ-2,SRCZ-3和SRCZ-5)的滯回曲線都較為飽滿,表明試件具有較好的抗震性能;軸壓比小的試件,其滯回曲線更加飽滿,在受外界載荷作用時(shí)體現(xiàn)出來(lái)的變形能力和耗能能力更強(qiáng);配鋼率較小的SRCZ-2試件,其滯回環(huán)面積更小,承載力和變形能力相較于配鋼率更大的SRCZ-3試件也更小;分開(kāi)布置角鋼的SRCZ-3試件,其滯回曲線相較于集中布置角鋼的SRCZ-4試件的滯回曲線更加飽滿,前者的變形能力和耗能能力更強(qiáng)。不同軸壓比試件的骨架曲線較為相似,SRCZ-2試件在位移達(dá)到一定程度時(shí)出現(xiàn)承載力較快降低的現(xiàn)象,延性相對(duì)較差;相較于配鋼率更大的SRCZ-3試件,配鋼率相對(duì)更低的SRCZ-2試件的承載力更低、延性相對(duì)較小;角鋼分開(kāi)的布置方式相較于角鋼集中形式更有利于提高試件的承載力和延性,且內(nèi)埋方鋼的SRCZ-5試件的承載力和延性也低于SRCZ-3試件。具有更大軸壓比的SRCZ-2試件,其等效阻尼系數(shù)的增長(zhǎng)速度低于小軸壓比的SRCZ-1試件;配鋼率對(duì)等效粘滯阻尼系數(shù)的影響較小;角鋼分開(kāi)布置的SRCZ-3試件，其等效粘滯阻尼系數(shù)的增長(zhǎng)速度較快,而角鋼集中布置和內(nèi)埋方鋼的SRCZ-4和SRCZ-5試件的β值增長(zhǎng)相對(duì)較慢。

試驗(yàn)結(jié)果表明,合理的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)不僅可以節(jié)約型鋼用量,提高構(gòu)件承載力,同時(shí)也改善了結(jié)構(gòu)抗震性能。