高強鋼骨混凝土柱延性分析及施工質量控制

傅琳琳+謝劍學

【摘要】對8根鋼骨高強混凝土柱在低周反復荷載下抗震性能進行了試驗，并綜合現有鋼骨高強混凝土柱的試驗研究成果，分析了軸壓力系數、體積配箍率、剪跨比和配鋼率等參數對鋼骨高強混凝土柱延性的影響及規律。同時結合試驗及具體的工程實踐提出了提高其抗震延性的施工工藝。

【關鍵詞】鋼骨高強混凝土;延性;抗震 ;施工

Ductility of high strength steel reinforced concrete column analysis and construction quality control

Fu Lin-lin1，Xie Jian-xue2

（1.Foster Wheeler （Hebei） Engineering Co.， Ltd. BranchShanghai200000;

2.Suzhou University of Science and Technology Department of Civil EngineeringSuzhouJiangsu215000）

【Abstract】For eight steel reinforced high-strength concrete columns under low cyclic loading tests conducted seismic performance， and integration of existing steel high strength concrete columns experimental research analyzes the axial compression ratio， volume stirrup ratio， shear span ratio and with steel rate and other parameters on the ductility of steel reinforced high-strength concrete columns influence and rule. Meanwhile binding assays and specific engineering practices proposed to improve the construction process the seismic ductility.

【Key words】Steel Reinforced High Strength Concrete;Ductility;Earthquake;Construction

1. 鋼骨高強混凝土結構的特點

鋼骨高強混凝土結構是在鋼筋混凝土內部埋置型鋼或焊接鋼構件，并使鋼骨與混凝土組合成為一個整體共同工作，而形成的一種組合結構。其特點如下：

1.1與鋼筋混凝土結構相比，由于配置了鋼骨，使構件的承載力大大提高，從而有效的減小了梁柱截面尺寸，尤其是抗剪承載力提高、延性加大，顯著改善了抗震性能。

1.2與鋼結構相比，鋼骨高強混凝土構件的外包混凝土可以防止鋼構件的局部屈曲，提高構件的整體剛度，顯著改善鋼構件出平面扭轉屈曲性能，使鋼材的強度得以充分發揮。同時，外包混凝土增加了結構的耐久性和耐火性。

1.3鋼骨高強混凝土結構比鋼結構具有更大的剛度和阻尼，有利于控制結構的變形和振動。

（1）鋼骨高強混凝土充分發揮了鋼與混凝土兩種材料的優點，在高層及超高層建筑中得到了廣泛的應用，但到目前為止，國內外對其研究的成果多集中于構件的強度、剛度等方面，在施工方面經驗不多，可供參考的資料很少。而施工現場的施工質量又嚴重影響著這種組合結構性能的充分發揮。

（2）同時高強混凝土具有高脆性，柱的抗震性能是關系到建筑物在地震作用下是否倒塌的關鍵，因此筆者對鋼骨高強混凝土框架柱的抗震延性進行試驗分析，并結合試驗過程及具體的工程實踐提出確保鋼骨高強混凝土柱抗震延性的施工質量控制措施。

2. 試驗概況及分析

2.1主要試件參數

本次試驗所用試件的剪跨比λ=1.5 、2.0 兩種，截面200mm×200mm ，含鋼率為3.7% 。縱筋為416 ，配筋率ρs=1.62% 。箍筋采用直徑為8@400 ?。高強混凝土抗壓強度實測值范圍為86.8～ 96.2 MPa， 試件中鋼骨為熱軋l12 ， 實測截面面積為1476mm2 。

2.2試驗裝置及加載制度。

試件采用簡支梁式加載， 加載裝置如圖1。采用變幅變位移混合加載制度，如圖2 所示，第一循環以開裂荷載控制， 正反向各加載1 次; 隨后按屈服位移控制， 每一控制位移下水平荷載循環3 次， 直至水平荷載顯著降低或試件不能穩定地承受預加的軸向荷載時， 停止試驗，試件數據用動靜態應變（應力） 測試分析系統采集. 試件的滯回曲線實時顯示在計算機上。

圖1加載裝置簡圖

圖2試驗加載制度

2.3破壞特征分析

本次試驗所用8 根鋼骨高強混凝土試件的剪跨比1.5λ2.0 ，試驗軸壓比分別為0.55、0.50、0.45、0.40、0.35、0.30、0.25、0.10。研究較高軸壓力作用下鋼骨超高強混凝土短柱的抗震延性問題，試驗表明，短柱處于壓、彎、剪復合應力狀態作用下， 受力極其不利， 破壞一般比較突然， 具體破壞形態表現為：

（1）剪切斜壓破壞：本次試驗剪跨比λ=1.5 的試件和大多數剪跨比λ=2.0 的試件發生了這類形式的破壞. 在橫向荷載作用下， 在柱的受剪平面上首先出現沿加載點至試件支點的微細斜裂縫， 繼而在反向荷載作用下， 反向亦出現斜裂裂縫， 形成交叉裂縫.隨著荷載的增加和反復， 斜裂縫進一步發展并將試件分隔成許多斜壓小柱體; 達到極限承載力之后，混凝土保護層剝落， 破壞面上的石子被擊穿，導致試件破壞。

（2）剪切粘結破壞本次試驗少部分剪跨比λ=2.0的試件發生了這類形式的破壞， 且有時與剪切斜壓破壞同時發生. 這種破壞形態主要是由于鋼骨兩側混凝土產生縱向劈裂所致.在反復荷載作用下， 首先出現沿加載點至試件支座的微細斜裂縫， 沿著柱兩側型鋼翼緣位置的混凝土表面出現縱向劈裂粘結裂縫， 隨著荷載的增加和往復， 這些裂縫逐漸擴展、貫通， 最后由于豎向劈裂粘結裂縫處混凝土被壓潰， 試件抗剪承載力下降， 導致試件破壞。

2.4水平力——轉角位移滯回曲線性態分析

對8 根鋼骨高強混凝土短柱在低周反復荷載作用下進行了試驗， 圖3 、圖4為軸壓比為0.10和0. 50時試件的實測水平力——轉角位移滯回曲線，曲線圖形飽滿，無明顯的“捏縮”現象，吸能性能好，反映出鋼骨高強混凝土柱具有很好的抗震性能。從圖中可以看出如下特點：

圖3水平力——轉角位移滯回曲線1

圖4水平力——轉角位移滯回曲線2

（1） 構件的初始剛度隨軸壓比的增大而增大， 剛度隨著循環次數的增加而降低。 水平荷載未達到峰值荷載前， 每一位移幅值控制下的3 次循環加、卸載曲線基本重合， 表明此時剛度變化不大; 水平荷載超過峰值后， 出現明顯的剛度退化現象。

（2） 在相同條件下， 低軸壓比試件的滯回曲線形狀較為飽滿呈梭形， 承受反復荷載的循環次數較多， 有較大的塑性變形和耗能能力， 而高軸壓比的試件滯回曲線形狀則相對狹窄， 循環次數也相對較少， 塑性變形和耗能能力也相應降低。

（3） 在相同條件下， 隨著剪跨比的增大， 試件的滯回曲線更加平緩， 滯回環的形狀趨于飽滿， 極限變形能力也明顯隨之增加， 表明耗能能力更強;反之亦然。

3. 影響位移延性的因素分析

根據試驗結果分析了軸壓力系數、體積配箍率、剪跨比和配鋼率等參數對鋼骨高強混凝土柱位移延性的影響及規律如下：

3.1軸壓比對延性的影響。

（1）圖5是試驗分析得到的軸壓比與鋼骨高強混凝土柱位移延性系數的關系曲線。它表明軸壓比是影響混凝土柱抗震延性的主要因素之一。不僅能夠影響高強混凝土短柱的破壞形態， 而且能夠影響其變形能力、耗能能力及承載能力。

（2）隨著軸壓比的提高， 橫向荷載達到峰值以后， 鋼骨高強混凝土框架短柱的延性逐漸降低， 強度衰減的速率加快， 極限變形能力也相應降低， 且骨架曲線的下降段逐漸變得愈發陡峭.表明鋼骨高強混凝土柱的位移延性系數隨軸壓力系數的增大而降低，但軸壓力系數增加到0. 40 后延性的變化較小。

圖5軸壓比與延性系數的關系曲線

圖6配箍率與延性系數的關系曲線

圖7剪跨比與延性系數的關系曲線

3.2配箍率對延性的影響。

圖6是試驗分析得到的體積配箍率ρv 與延性系數的關系曲線，它表明了配箍率也是影響混凝土柱抗震延性的主要因素之一. 相同條件下， 提高配箍率可以明顯改善鋼骨高強混凝土短柱的滯回特性和抗震延性.隨著配箍率的提高， 試件的變形能力和延性有了明顯改善; 同時試件的受剪承載力也有不同程度的提高.試件的延性隨體積配箍率的提高而增大， 隨體積配箍率的減小而降低。

3.3剪跨比的影響。

剪跨比（ λ=M/Vh0）反映了截面上彎曲正應力和剪應力的相對關系， 剪跨比對柱子延性的影響不可忽視.是決定框架柱延性破壞還是脆性破壞的主導因素. 由理論推導和結合國內、國外試驗結果可知，破壞形態與剪跨比的關系大致可按如下劃分：當λ1.5 ?時，發生斜壓破壞; 1.5λ2.5 ?時， 發生剪切粘結破壞; λ2.5時，發生彎曲破壞.圖7 是試驗分析得到的剪跨比與位移延性系數的關系曲線.分析結果表明， 隨著剪跨比的改變，鋼骨高強混凝土柱的破壞形態將發生改變，從而使柱子的延性發生較大變化，位移也發生較大改變.當 時，鋼骨高強混凝土柱的延性系數隨剪跨比的增加而提高，但當 當時，隨著剪跨比的增加鋼骨高強混凝土柱位移延性系數反而降低。

圖8焊接順序

3.4含鋼率的影響。

含鋼率ρss 是指鋼骨高強混凝土構件內鋼骨截面面積Ass ?與構件全截面面積 A的比值. 試驗數據表明當其它參數不變，含鋼率從3.01%增加到6.37% ，位移延性系數由2.9 增加到4.32，可見增加含鋼率在一定范圍內可顯著地提高延性系數.說明了鋼骨高強混凝土構件的延性隨含鋼率的增加而增加，抗震性能隨含鋼率增加而改善，其承載能力也隨含鋼率的增加而增加。

3.5強度對延性的影響。

混凝土強度的變化能夠顯著影響柱的抗震延性. 相同條件下， 混凝土強度的提高可以明顯降低鋼骨高強混凝土短柱的滯回特性和抗震延性。

4. 提高鋼骨高強混凝土柱延性的施工工藝

施工現場的施工質量嚴重影響著這種組合結構性能的充分發揮，筆者結合工程的調查分析對組合結構中鋼骨柱施工質量的缺陷及原因進行分析， 結果顯示鋼骨高強混凝土柱施工質量缺陷主要表現在焊接質量差、H 型鋼柱不垂直、縱向產生彎曲、鋼牛腿標高出現偏差四個方面。其中焊接質量差、H 型鋼柱不垂直，是影響鋼骨高強混凝土柱延性的主要原因。為此我們提出如下改進工藝：

圖9拼裝模架

4.1提高焊接質量的施工工藝措施。

（1）焊接前應先進行工藝試驗，以取得最佳工藝系數，達到工藝合格、質量可靠和降低成本的目的。

（2）在焊接時改手工焊為采用ZXGI000R自動埋弧焊機，焊接時在其焊縫的兩端配置引入板、引出板，做到引入板、引出板與被焊件的坡口形式相同，其長度大于60 mm ，寬度大于50 mm ，焊縫引入、引出的長度大于25 mm ，焊縫焊接完畢后用氣割割除，并修磨平整。

（3）焊接時在專用的焊接胎膜上作全自動埋弧焊，按焊接工藝要求的焊接順序進行施工，減少焊接變形。焊接順序見圖8 。

（4）施焊時，每條焊縫原則上要連續操作完成，不得不在T 字口和構件邊緣停弧或換焊條時，施焊后的焊縫應立即覆蓋巖棉材料給予保溫，延長焊件降溫時間。

（5）配置超聲波探傷人員跟班檢查焊接質量，不合格者應及時返修。

4.2減少焊接變形的方法。

（1）采用拼裝模架將H 型、十字型鋼板拼裝成型，拼裝模架如圖9所示。

（2）拼裝后的幾何尺寸經檢驗合格后進行定位點焊，定位點焊的焊縫長度為60 mm ，焊縫的間隔為200 mm ，焊縫高度為6 mm。

（3）對埋弧焊電流、電壓、焊接速度參數進行監控，電流：600 A～650 A ，電弧電壓：35 V～38 V ，焊接速度： 0. 42 m/ min。

（4）為防止受熱不均勻造成過大變形，施焊前應進行預熱，預熱區域應在焊縫的兩側各100 mm ，使其產生相應的反變形。

（5）劃線下料應考慮焊接收縮量，以滿足組焊成型后設計尺寸，使吊裝就位后保證柱頂、孔眼標高一致。

5. 結語

（1）影響鋼骨高強混凝土柱位移延性系數的主要因素有構件的軸壓比、體積配箍率、剪跨比、配鋼率和混凝土強度。

（2）鋼骨高強混凝土柱的位移延性系數隨軸壓比的增大而降低，但軸壓比增加到0.40 后位移延性的變化較小;隨體積配箍率的增加而提高，但配箍率增加到1.9%后位移延性的增長減緩。含鋼率在一定范圍內可顯著地提高延性系數。

（3）由于構件試驗本身的離散性較大及樣本數量相對較少，造成了某些試件的回歸值與實驗值偏差較大;此外鋼骨高強混凝土柱的混凝土保護層厚度以及配箍形式等也是影響延性的因素之一。

（4）鋼骨高強混凝土組合結構是鋼與混凝土的優點結合，是建造高層與大跨度結構較好的途徑，在我國具有廣闊的前景， 施工現場的施工質量嚴重影響著這種組合結構性能的充分發揮，探討它的施工方法和施工工藝具有深遠的意義。

參考文獻

[1]中華人民共和國行業標準. 鋼骨混凝土結構設計規程YB 9082-97[S]. 北京： 冶金工業出版社， 1998.

[2]中華人民共和國國家標準. 混凝土結構設計規范GB50010 - 2010[S]. 北京： 中國建筑工業出版社， 2010.

[3]賈金青， 鋼骨高強混凝土短柱軸壓力系數限值的試驗研究[J]. 建筑結構，2003 ，24 （1） .

（3）焊接時在專用的焊接胎膜上作全自動埋弧焊，按焊接工藝要求的焊接順序進行施工，減少焊接變形。焊接順序見圖8 。

（4）施焊時，每條焊縫原則上要連續操作完成，不得不在T 字口和構件邊緣停弧或換焊條時，施焊后的焊縫應立即覆蓋巖棉材料給予保溫，延長焊件降溫時間。

（5）配置超聲波探傷人員跟班檢查焊接質量，不合格者應及時返修。

4.2減少焊接變形的方法。

（1）采用拼裝模架將H 型、十字型鋼板拼裝成型，拼裝模架如圖9所示。

（2）拼裝后的幾何尺寸經檢驗合格后進行定位點焊，定位點焊的焊縫長度為60 mm ，焊縫的間隔為200 mm ，焊縫高度為6 mm。

（3）對埋弧焊電流、電壓、焊接速度參數進行監控，電流：600 A～650 A ，電弧電壓：35 V～38 V ，焊接速度： 0. 42 m/ min。

（4）為防止受熱不均勻造成過大變形，施焊前應進行預熱，預熱區域應在焊縫的兩側各100 mm ，使其產生相應的反變形。

（5）劃線下料應考慮焊接收縮量，以滿足組焊成型后設計尺寸，使吊裝就位后保證柱頂、孔眼標高一致。

5. 結語

（1）影響鋼骨高強混凝土柱位移延性系數的主要因素有構件的軸壓比、體積配箍率、剪跨比、配鋼率和混凝土強度。

（2）鋼骨高強混凝土柱的位移延性系數隨軸壓比的增大而降低，但軸壓比增加到0.40 后位移延性的變化較小;隨體積配箍率的增加而提高，但配箍率增加到1.9%后位移延性的增長減緩。含鋼率在一定范圍內可顯著地提高延性系數。

（3）由于構件試驗本身的離散性較大及樣本數量相對較少，造成了某些試件的回歸值與實驗值偏差較大;此外鋼骨高強混凝土柱的混凝土保護層厚度以及配箍形式等也是影響延性的因素之一。

（4）鋼骨高強混凝土組合結構是鋼與混凝土的優點結合，是建造高層與大跨度結構較好的途徑，在我國具有廣闊的前景， 施工現場的施工質量嚴重影響著這種組合結構性能的充分發揮，探討它的施工方法和施工工藝具有深遠的意義。

參考文獻

[1]中華人民共和國行業標準. 鋼骨混凝土結構設計規程YB 9082-97[S]. 北京： 冶金工業出版社， 1998.

[2]中華人民共和國國家標準. 混凝土結構設計規范GB50010 - 2010[S]. 北京： 中國建筑工業出版社， 2010.

[3]賈金青， 鋼骨高強混凝土短柱軸壓力系數限值的試驗研究[J]. 建筑結構，2003 ，24 （1） .

（3）焊接時在專用的焊接胎膜上作全自動埋弧焊，按焊接工藝要求的焊接順序進行施工，減少焊接變形。焊接順序見圖8 。

（4）施焊時，每條焊縫原則上要連續操作完成，不得不在T 字口和構件邊緣停弧或換焊條時，施焊后的焊縫應立即覆蓋巖棉材料給予保溫，延長焊件降溫時間。

（5）配置超聲波探傷人員跟班檢查焊接質量，不合格者應及時返修。

4.2減少焊接變形的方法。

（1）采用拼裝模架將H 型、十字型鋼板拼裝成型，拼裝模架如圖9所示。

（2）拼裝后的幾何尺寸經檢驗合格后進行定位點焊，定位點焊的焊縫長度為60 mm ，焊縫的間隔為200 mm ，焊縫高度為6 mm。

（3）對埋弧焊電流、電壓、焊接速度參數進行監控，電流：600 A～650 A ，電弧電壓：35 V～38 V ，焊接速度： 0. 42 m/ min。

（4）為防止受熱不均勻造成過大變形，施焊前應進行預熱，預熱區域應在焊縫的兩側各100 mm ，使其產生相應的反變形。

（5）劃線下料應考慮焊接收縮量，以滿足組焊成型后設計尺寸，使吊裝就位后保證柱頂、孔眼標高一致。

5. 結語

（1）影響鋼骨高強混凝土柱位移延性系數的主要因素有構件的軸壓比、體積配箍率、剪跨比、配鋼率和混凝土強度。

（2）鋼骨高強混凝土柱的位移延性系數隨軸壓比的增大而降低，但軸壓比增加到0.40 后位移延性的變化較小;隨體積配箍率的增加而提高，但配箍率增加到1.9%后位移延性的增長減緩。含鋼率在一定范圍內可顯著地提高延性系數。

（3）由于構件試驗本身的離散性較大及樣本數量相對較少，造成了某些試件的回歸值與實驗值偏差較大;此外鋼骨高強混凝土柱的混凝土保護層厚度以及配箍形式等也是影響延性的因素之一。

（4）鋼骨高強混凝土組合結構是鋼與混凝土的優點結合，是建造高層與大跨度結構較好的途徑，在我國具有廣闊的前景， 施工現場的施工質量嚴重影響著這種組合結構性能的充分發揮，探討它的施工方法和施工工藝具有深遠的意義。

參考文獻

[1]中華人民共和國行業標準. 鋼骨混凝土結構設計規程YB 9082-97[S]. 北京： 冶金工業出版社， 1998.

[2]中華人民共和國國家標準. 混凝土結構設計規范GB50010 - 2010[S]. 北京： 中國建筑工業出版社， 2010.

[3]賈金青， 鋼骨高強混凝土短柱軸壓力系數限值的試驗研究[J]. 建筑結構，2003 ，24 （1） .