不同類型異形柱耐震性與適用性分析

楊 明,伍 凱,葛鴻鵬,張 莉

(1.河海大學土木與交通學院,江蘇 南京 210098;2.中國建筑西北設計研究院,陜西 西安 710003)

異形柱結構是近年來發展起來的一種新型結構。異形柱的截面一般有“T”、“L”、“十”字等形式。柱肢寬度與填充墻等厚,避免柱楞凸出,把建筑美觀和使用的靈活性有機地結合,為用戶提供舒適的工作和居住環境,增加房間的實際使用面積,提高空間的利用率[1]。異形柱抗震能力基本相同的情況下,帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、型鋼混凝土(SRC)異形柱與普通鋼筋混凝土(RC)異形柱相比,綜合用鋼量直接關系到整個工程的造價,因此對其耐震性與適用性進行分析與研究是非常重要的。目前,國內外學者對異形柱的抗震性能進行了較為詳細的分析和研究,對異形柱的含鋼率也有了一定的研究,但對異形柱適用性的研究相對較少[2]。

在已有試驗研究和大量工程實踐的基礎上[3-10],通過對試驗數據進行系統地分析、統計、線性回歸,分別確定了三類異形柱延性系數、承載力、耗能能力、極限側移角與含鋼率的比值,對三類異形柱的耐震性與適用性進行了評估。分析與評估的結果可為異型柱的工程應用提供一些數據資料和參考依據。

1 試驗概況

1.1 含鋼率

對于RC異形柱、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、SRC異形柱,含鋼率取縱向配筋率與縱向配鋼率之和,不考慮體積配箍率,其公式為:

式中:As為縱向鋼筋橫截面面積;Ass為縱向鋼材橫截面面積;A為混凝土全截面面積。

1.2 極限側移角

按現行抗震規范,在大震(罕遇烈度地震)作用下,結構的非彈性變形要小于容許極限變形,以防止結構倒塌,因此要求結構的層間側移角應小于某一規定限值(對鋼筋混凝土框架為1/50)。表1給出了實測各試件的極限側移角。三類異形柱的極限側移角大多數都超過了1/50。特別是SRC異形柱的極限側移角大部分可達到甚至超過1/30;帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的極限側移角均超過1/40。可見SRC、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱具有較好的抗倒塌能力。

1.3 耗能能力

耗能能力是指在往復水平荷載作用下吸收和消耗能量的能力,以試件荷載-變形滯回曲線所包圍的面積來衡量,也是表示抗震性能的一個重要指標。試件的耗能能力通常用等效粘滯阻尼系數he表示,其公式為:

式中:S(ABC+CDA)表示滯回環面積;S(OBE+ODF)表示以滯回環上下頂點相對應的三角形面積如圖1虛線所示。

圖1 P-Δ滯回環曲線

計算等效粘滯阻尼系數he,關鍵在于滯回環面積的確定,采用Origin8.0軟件,利用其強大的繪圖功能,將試驗采集的數據繪制成滯回曲線圖,然后用CAD格式保存,利用CAD可以準確地計算每一個滯回環的面積。由表1可知,三類異形柱的he大部分都超過了0.15。特別是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的he均超過0.20,部分大于0.30;SRC異形柱的he大部分超過0.20,最大可達到0.41。可見帶暗柱鋼筋混凝土、SRC異形柱具有較好的吸收和消耗能量的能力。

按現行規范,異形柱的含鋼率要小于一定限值,對 RC異形柱為 5.00%、SRC異形柱為15.00%[11-15]。由表1可知,34個試件含鋼率變化范圍是1.66%～12.70%。

1.4 加載裝置

能夠進行三類異形框架柱耐震性研究的試驗裝置很多,其中常見的有簡支梁式、連續梁式、懸臂柱式和“建研式”幾種。在進行RC鋼筋混凝土異形柱試驗時,采用的試驗裝置是懸臂柱式;在進行帶暗柱鋼筋混凝土異形柱試驗時,采用的試驗裝置是簡支梁式;在進行SRC型鋼混凝土異形柱試驗時,采用的試驗裝置是“建研式”。

1.5 加載制度

在進行RC鋼筋混凝土異形柱試驗時,水平荷載加載先由力控制,再由位移控制。水平荷載的變化按正弦波形式,每級控制荷載或控制位移均循環兩次。為了觀察到更多破壞現象,試驗過程中,當滯回環出現明顯的不穩定或試件破壞嚴重時方停止加載。

在進行帶暗柱鋼筋混凝土異形柱試驗時,首先將軸力N對準異形柱的形心,然后施加軸力,并使其保持不變,然后施加低周反復水平荷載F。用多點數采集系統采集鋼筋應變,用X-Y函數記錄水平力F水平位移U滯回曲線。彈性階段用位移與荷載聯合控制其水平荷載,彈塑性階段主要用位移控制其水平加載。

表1 試件參數

在進行SRC型鋼混凝土異形柱試驗時,水平荷載采用荷載和位移混合控制方法。在試件達到屈服荷載前,采用荷載增量控制方法,20 kN為一級增量,每級荷載循環一次。試件屈服后,按等幅位移增量控制,以屈服時水平位移的倍數逐級增加,每一級位移下循環三次,直到SRC異形柱受壓屈服、水平荷載下降到最大值的70%時停止試驗。

2 試驗分析

從含鋼率與延性系數的關系判斷三類異形柱的適用性。由表1可知,三類異形柱的延性系數大部分都超過3.0,可見其具有較好的抗震性能。特別是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的延性系數均超過3.5,大部分都超過4.0,表現出更好的變形能力。由表2和圖2可知,當含鋼率在1.66%～2.55%時,適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當含鋼率在2.55%～4.00%時,適用性最好的是RC異形柱;當含鋼率在4.00%～8.00%時,適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當含鋼率超過8.00%時,只能采用SRC異形柱。

從含鋼率與承載力的關系判斷三類異形柱的適用性。由表1可知,承載力從高到底依次是SRC異形柱、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、RC混凝土異形柱。由表2和圖3可知,當含鋼率1.66%～2.95%時,適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當含鋼率在2.95%～4.00%時,適用性最好的是RC異形柱;當含鋼率在4.00%～12.70%時,適用性最好的是SRC異形柱。

從含鋼率與耗能能力的關系判斷三類異形柱的適用性。由表1可知,等效粘滯阻尼系數從高到低依次是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、SRC異形柱、RC異形柱,特別是大部分帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的等效粘滯阻尼系數都超過0.25,可見,其具有很好的抗倒塌能力。由表2和圖4可知,當含鋼率在1.66%～3.38%時,適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當含鋼率在3.38%～4.00%時,適用性最好的是RC異形柱;當含鋼率在4.00%～8.00%時,適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當含鋼率超過8.00%時,只能采用SRC異形柱。

表2 試件的線性擬合函數

圖2 試件的延性系數與含鋼率關系曲線

圖3 試件的承載力與含鋼率關系曲線

圖4 試件的耗能能力與含鋼率關系曲線

從含鋼率與極限側移角的關系判斷三類異形柱的適用性,由表1可知,其極限側移角絕大部分都超過了1/50。特別是SRC異形柱的極限側移角更大,極限側移角大部分都大于1/30;帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的極限側移角均超過1/40。可見SRC異形柱和帶暗柱鋼筋混凝土異形柱具有較好的抗倒塌能力。由表2和圖5可知,當含鋼率在1.66%～3.67%時,適用性最好的是RC異形柱;當含鋼率在3.67%～8.00%時,適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當含鋼率超過8.00%時,只能采用SRC異形柱。

依據含鋼率的不同,采用Origin8.0進行線性擬合,可知RC異形柱、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、SRC異形柱的延性系數、承載力、耗能能力、極限側移角與含鋼率的線性擬合函數,如表2所示。

綜合以上分析,采用加權平均的計算方法將延性系數、承載力、耗能能力、極限側移角與含鋼率4個獨立的比值聯系起來,根據表2,用一個綜合指標ζ來反映異形柱的適用性,ζp=0.25μp+0.25Fp+0.25hep+0.25θp(ζp代表 RC 異形柱);ζa=0.25μa+0.25Fa+0.25hea+0.25θa(ζa代表帶暗柱鋼筋混凝土異形柱);ζx=0.25μx+0.25Fx+0.25hex+0.25 θx(ζx代表SRC異形柱)。通過三者的對比與分析,可知,當含鋼率在3.00%～4.00%時,RC異形柱的適用性較好;當含鋼率在 1.66%～3.00%或者4.00%～8.00%時;帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的適用性較好。當含鋼率大于8.00%時,只能采用SRC異形柱。

圖5 試件的極限側移角與含鋼率關系曲線

3 結 論

通過對34根異形柱的試驗結果進行綜合分析,可以得出以下結論:

(1)當含鋼率在3.00%～4.00%時,RC異形柱的適用性較好;當含鋼率在1.66%～3.00%或者4.00%～8.00%時;帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的適用性較好;當含鋼率大于8.00%時,只能采用SRC異形柱。

(2)SRC異形柱的極限側移角大部分可達到甚至超過1/30,可見其具有較好的抗倒塌能力。

(3)帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的 he均超過0.20,部分大于0.30,可見其具有較好的吸收和消耗能量的能力。

(4)帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的延性系數均超過3.5,大部分都超過4.0,可見其具有很好的變形能力。

(5)SRC、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱構與RC異形柱相比,其抗倒塌能力、吸收和消耗能量的能力、變形能力均具有較大程度的提高。

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