鋼筋綴件格構(gòu)柱抗震性能研究

趙東拂， 孫 菲， 孟 穎， 張旭陽

(1. 北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2. 北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3. 工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 100044；4. 北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044)

近幾年，我國積極推廣綠色建筑和建材，全力支持發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)。在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展已趨于成熟。目前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)有極大的發(fā)展空間，抗側(cè)力鋼構(gòu)件在建筑物結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用尤為重要。本文研究一種適合我國國情并具有抗震性能優(yōu)良、生態(tài)環(huán)保、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)的抗側(cè)力鋼筋綴件格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)形式。這種抗側(cè)力鋼筋綴件格構(gòu)柱在工廠生產(chǎn)預(yù)制完成，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工廠化、運(yùn)輸集裝箱化。該格構(gòu)柱以彎折鋼筋為綴件，結(jié)合肢件，共同抵抗水平側(cè)向力。在地震作用下，主要通過彎折鋼筋的塑性變形實(shí)現(xiàn)抗震耗能。

多年來，國內(nèi)外對傳統(tǒng)鋼格構(gòu)柱及類似構(gòu)件已有廣泛的研究，但傳統(tǒng)鋼格構(gòu)柱及類似構(gòu)件主要作為壓彎構(gòu)件使用，一般不側(cè)重用于承受水平側(cè)向力，由水平作用如水平地震作用、風(fēng)載作用等引起的水平側(cè)向力主要由柱間支撐承擔(dān)[1]。國內(nèi)相關(guān)的研究主要有：郭彥林等[2]對梭形鋼格構(gòu)柱在軸壓下的穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了研究，主要研究的影響因素包括柱子的長度、構(gòu)件的長細(xì)比、橫向綴件的數(shù)量；朱云萍[3]也研究了鋼格構(gòu)柱在軸壓作用下的整體穩(wěn)定性的影響，但主要研究的影響因素包括幾何非線性、材料的非線性、槽鋼型號、槽鋼間距和綴板數(shù)量等因素；鄭偉國等[4]研究了鋼格構(gòu)柱在軸向力、端彎矩和橫向荷載共同作用下的雙肢不對稱綴板格構(gòu)柱的受力性能；李國躍等[5]研究了截面剪力對綴板格構(gòu)柱整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的影響；童樂為等[6]等對梭形三肢鋼管綴板柱的極限承載力進(jìn)行了研究，主要是在試驗(yàn)中通過對柱子進(jìn)行加載，得出了柱子的破壞模式和柱子的極限承載力；郝際平等[7]主要是對三管梭形格構(gòu)柱在考慮其受柱底轉(zhuǎn)動約束作用時(shí)的穩(wěn)定性能進(jìn)行了分析；田偉等[8]主要是在考慮軸力和彎矩共同作用后，對梭形格構(gòu)柱穩(wěn)定性能方面進(jìn)行了一定的分析；王永發(fā)等[9]從經(jīng)濟(jì)性入手對單向偏心作用下的雙肢綴條與綴板格構(gòu)柱進(jìn)行了研究。Djafour等[10-11]等主要從三肢鋼管格構(gòu)柱的關(guān)于綴件剪力的計(jì)算方法和剛性連接下鋼格構(gòu)柱的屈曲性能方面對格構(gòu)柱展開了研究。

綜上所述，既往對傳統(tǒng)鋼格構(gòu)柱及類似構(gòu)件的研究，針對其抗側(cè)力性能方面的研究較少，而且主要作為抵抗水平側(cè)向力構(gòu)件應(yīng)用于民用建筑結(jié)構(gòu)中在國內(nèi)尚不多見，國外有類似構(gòu)件，如圖1所示。但其工作機(jī)理未見報(bào)道[12]。本文提出了抗側(cè)力鋼筋綴件格構(gòu)柱的結(jié)構(gòu)形式，該格構(gòu)柱是作為抵抗水平側(cè)向力構(gòu)件應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中用以抗震耗能，并進(jìn)行了初步數(shù)值模擬分析[13]，結(jié)果表明該格構(gòu)柱具有良好的延性和抵抗水平側(cè)向力的能力。本文在此基礎(chǔ)上經(jīng)數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析對鋼筋綴件格構(gòu)柱進(jìn)行深入研究。采用擬靜力往復(fù)加載試驗(yàn)和數(shù)值模擬對鋼筋綴件格構(gòu)柱的滯回特征、骨架曲線、剛度退化曲線、耗能能力進(jìn)行分析研究。通過分析數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較可知，本文提出的鋼筋綴件格構(gòu)柱具有抗震耗能作用，可作為抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)用于實(shí)際工程中，數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，數(shù)值模擬模型可以為該類構(gòu)件的數(shù)值計(jì)算提供可行途徑。

圖1 應(yīng)用于國外民用住宅中的類似格構(gòu)柱

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件尺寸及優(yōu)選

本文設(shè)計(jì)的鋼筋綴件格構(gòu)柱試驗(yàn)試件是足尺構(gòu)件，如圖2所示。肢件部分采用方矩管，尺寸為120 mm×120 mm×6 mm，H型鋼梁的截面尺寸為250 mm×125 mm×6 mm×9 mm，鋼片的尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，鋼材等級為Q235B，綴件采用Φ22的鋼筋。構(gòu)件由工廠預(yù)制完成，運(yùn)輸過程可采用箱形貨車運(yùn)輸，梁柱的連接采用螺栓連接，構(gòu)件在實(shí)驗(yàn)室拼裝簡便快捷。

圖2 鋼筋綴件格構(gòu)柱試件

鋼筋綴件格構(gòu)柱試件中綴件，如圖3所示。圖3(b)為圖3(a)中字母A索引的詳圖。由于綴件的細(xì)部尺寸和角度的變化會影響構(gòu)件整體的抵抗水平側(cè)向力的能力，通過調(diào)整圖3(b)中a、b的尺寸獲得大量的分組，對各分組進(jìn)行試算，通過試算后獲得性能較好的綴件細(xì)部尺寸和角度不同的格構(gòu)柱分組，如表1所示。

表1 鋼筋綴件格構(gòu)柱試件分組

(a) 綴件結(jié)構(gòu)形式(b) 節(jié)點(diǎn)詳圖

圖3 鋼筋綴件格構(gòu)柱試件

Fig.3 Lattice column with lace bar

通過對格構(gòu)柱分組進(jìn)行的模擬分析，得到的滯回曲線趨勢及規(guī)律相近，但通過比較各格構(gòu)柱分組的滯回曲線發(fā)現(xiàn)各組抵抗水平側(cè)向力的能力不同，所以通過比較產(chǎn)生單位位移需要的水平側(cè)向力的大小對各組尺寸進(jìn)行優(yōu)選。假設(shè)施加在試件上的力為150 kN豎向力和50 kN水平力，得出的數(shù)據(jù)，如圖4所示。a值固定不變時(shí)，構(gòu)件頂部水平位移隨著b值的增加基本呈凹形變化趨勢，則b=40時(shí)頂部水平位移最小；b值固定不變時(shí)，構(gòu)件頂部水平位移隨a值的增加呈凹形變化趨勢，則a=140時(shí)頂部水平位移最小。由此可知：a=140 mm，b=40 mm，即B=47.4°時(shí)，產(chǎn)生單位位移時(shí)格構(gòu)柱抵抗的水平側(cè)向力最大，則a=140 mm，b=40 mm，B=47.4°時(shí)是最佳的試件綴件尺寸。試件的綴件尺寸，如圖5所示。

(a) a不變時(shí)構(gòu)件頂部水平位移變化趨勢

(b) b不變時(shí)構(gòu)件頂部水平位移變化趨勢

圖5 鋼筋綴件格構(gòu)柱試件綴件結(jié)構(gòu)形式

1.2 材性性能

按照“金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)”：GB/T 228.1—2010[14]的規(guī)定，通過對構(gòu)件的肢件和綴件的材料進(jìn)行材性試驗(yàn)，實(shí)測的肢件和綴件的材性試驗(yàn)結(jié)果為：方矩管的屈服強(qiáng)度平均值為284.2 MPa，極限強(qiáng)度平均值為460.0 MPa，彈性模量平均值為2.02×105MPa；鋼筋的屈服強(qiáng)度為377.6 MPa，極限強(qiáng)度為500.6 MPa，彈性模量為2.00×105MPa。

1.3 加載裝置與加載制度

試驗(yàn)在北京建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)的加載裝置示意圖，如圖6所示。試件底部采用地腳螺栓與實(shí)驗(yàn)室地槽鉸接，防止試件在試驗(yàn)過程中發(fā)生滑移，試件頂部增加側(cè)向支撐約束，防止試件發(fā)生平面外失穩(wěn)，頂部通過千斤頂施加150 kN豎向力，通過伺服作動器施加水平荷載或水平位移[15]。

圖6 加載裝置

試驗(yàn)為恒定軸壓荷載作用下施加往復(fù)水平荷載擬靜力試驗(yàn)，對鋼筋綴件格構(gòu)柱按荷載-位移控制方法加載，即在恒載150 kN的豎向力作用下，先對鋼筋綴件格構(gòu)柱進(jìn)行水平方向的荷載加載，每級增加10 kN，試件屈服后，再通過位移進(jìn)行加載，以規(guī)范規(guī)定的1/250位移角為基準(zhǔn)，分別采用1/250、1/200、1/150、1/100、1/75、1/50的位移角對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載[16-17]，直到構(gòu)件破壞。鋼筋綴件格構(gòu)柱加載制度，如圖7所示。同一個荷載加載或者位移加載往復(fù)三次。

圖7 鋼筋綴件格構(gòu)柱加載制度

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

在加載初期，采用荷載控制的加載方式進(jìn)行水平向加載。在構(gòu)件的頂部梁端施加水平荷載，每級荷載增加10 kN，往復(fù)加載三次。荷載加至±10 kN、±20 kN、±30 kN時(shí)，此時(shí)梁端的位移分別為2 mm、4 mm和6 mm，梁柱節(jié)點(diǎn)處、肢件與綴件節(jié)點(diǎn)處、梁、肢件、綴件均未出現(xiàn)明顯變形；荷載加載至±40 kN時(shí)，此時(shí)梁端的位移為8 mm，梁柱節(jié)點(diǎn)處、肢件與綴件節(jié)點(diǎn)處、梁、肢件均未出現(xiàn)明顯變形，綴件表現(xiàn)出平面內(nèi)的輕微彎曲；荷載加至±50 kN時(shí)，此時(shí)梁端的位移為10 mm，梁柱節(jié)點(diǎn)處、肢件與綴件節(jié)點(diǎn)處、梁、肢件均未出現(xiàn)明顯變形，綴件表現(xiàn)出明顯的平面內(nèi)彎曲，試件開始進(jìn)入屈服階段。

荷載控制加載過程完成后，采用位移控制的加載方式進(jìn)行水平向加載。在試件的梁端施加水平位移，位移加載至±12 mm時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)處、肢件與綴件節(jié)點(diǎn)處、梁、肢件均未出現(xiàn)明顯變形，綴件中部表現(xiàn)出明顯的平面內(nèi)彎曲，且鋼筋應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變；位移加載至±20 mm時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)處、肢件與綴件節(jié)點(diǎn)處、梁、肢件未出現(xiàn)明顯變形，綴件中部表現(xiàn)出明顯的平面內(nèi)彎曲，且彎曲較為嚴(yán)重；位移加載至±40 mm時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)處、肢件與綴件節(jié)點(diǎn)處、梁、肢件均未出現(xiàn)明顯變形，但綴件部分已表現(xiàn)出嚴(yán)重的平面內(nèi)變形，構(gòu)件承載力急劇下降，鋼筋綴件格構(gòu)柱已破壞，終止加載。

本文通過使用有限元軟件ABAQUS對試件進(jìn)行了模擬分析。在模擬過程中，各部件的材料性能與實(shí)際相同，試件的鋼梁與肢件、肢件與綴件、綴件與鋼片之間的連接采用的是理想的TIE連接，模擬過程中的加載制度以及加載位置與試驗(yàn)完全相同。將試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)值模擬分析得到的最終的加載結(jié)果進(jìn)行對比結(jié)果，如圖8所示。兩者的結(jié)果相近。同時(shí)，由圖8可知，應(yīng)力較多集中在綴件部分，鋼筋的變形過大、受力較多，即水平低周往復(fù)加載過程中綴件部分的變形耗能較多。

圖8 鋼筋綴件格構(gòu)柱試件試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

圖9給出了試件的荷載-梁端加載點(diǎn)位移滯回曲線。其中虛線表示使用ABAQUS數(shù)值模擬得到的數(shù)值模擬結(jié)果，實(shí)線表示試驗(yàn)結(jié)果。由圖9可知：① 在加載初期，試件的柱頂水平荷載與頂點(diǎn)位移近似呈線性關(guān)系，試件未出現(xiàn)明顯變形，滯回環(huán)包絡(luò)的面積較小，試件具有較高的初始剛度；隨著位移加載增大，荷載-梁端加載點(diǎn)位移出現(xiàn)非線性段，試件進(jìn)入屈服階段，此時(shí)，綴件表現(xiàn)出平面內(nèi)彎曲，滯回環(huán)逐漸張開，所包圍的面積不斷增大，抗震耗能逐漸增多；在位移增量控制加載階段，試件表現(xiàn)出平面內(nèi)彎曲；在加載后期，尤其是峰值荷載點(diǎn)出現(xiàn)后，試件承載力逐漸下降。② 鋼筋綴件格構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近。試件的滯回曲線飽滿程度、最大位移處的水平荷載結(jié)果程度非常接近，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析不能完全吻合的原因是：在有限元軟件模擬分析時(shí)，綴件與肢件、綴件與鋼片之間采用的是綁定關(guān)系，而試驗(yàn)構(gòu)件制作過程中，綴件與肢件、綴件與鋼片之間是焊接關(guān)系，焊縫的質(zhì)量對構(gòu)件有一定的影響，在試驗(yàn)加載過程中，由于焊縫的存在，會有一定的剛度退化，導(dǎo)致兩者會有少許的差異。③ 通過與張旭陽[18]文中的鋼筋綴件格構(gòu)柱C組進(jìn)行比較，可知，本文中的鋼筋綴件格構(gòu)柱的滯回曲線更飽滿，具有較強(qiáng)的耗能能力。

圖9 鋼筋綴件格構(gòu)柱試件滯回曲線對比圖

3.2 骨架曲線

圖10給出了鋼筋綴件格構(gòu)柱骨架曲線對比圖。其中虛線為使用ABAQUS數(shù)值模擬得到的數(shù)值模擬結(jié)果，實(shí)線為試驗(yàn)結(jié)果。由圖10可知：① 在試件屈服前，柱頂?shù)乃轿灰婆c水平荷載呈線彈性關(guān)系；試件在層間位移角1/250時(shí)承載力未出現(xiàn)明顯下降；當(dāng)超過結(jié)構(gòu)所能承受的最大水平承載力時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平承載力會急劇下降，結(jié)構(gòu)迅速破壞；② 鋼筋綴件格構(gòu)柱的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果表現(xiàn)出相近的承載力變化范圍和變化趨勢，荷載大約為50 kN時(shí)，鋼筋綴件格構(gòu)柱進(jìn)入屈服階段，荷載在大約80 kN時(shí)達(dá)到極限水平承載力。

3.3 剛度退化曲線

圖10 鋼筋綴件格構(gòu)柱試件骨架曲線對比圖

剛度退化的程度通常采用環(huán)線剛度Kj值的大小體現(xiàn)出來，如式(1)所示

(1)

圖11給出了鋼筋綴件格構(gòu)柱剛度退化曲線對比圖。其中虛線表示運(yùn)用ABAQUS數(shù)值模擬得到的數(shù)值模擬結(jié)果，實(shí)線表示試驗(yàn)結(jié)果。由圖11可知：① 試件的剛度隨著正負(fù)向荷載或者位移的增加而逐漸降低，其主要原因是由于綴件屈服后塑性發(fā)展導(dǎo)致的累積損傷，但曲線斜率變化緩慢，說明鋼筋綴件格構(gòu)柱具有穩(wěn)定的抗震耗能性能；② 鋼筋綴件構(gòu)柱的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果表現(xiàn)出較為相近的剛度退化范圍和剛度退化趨勢，從剛開始加載到構(gòu)件破壞，試件表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的剛度變化趨勢，說明鋼筋綴件格構(gòu)柱穩(wěn)定性較好。

圖11 鋼筋綴件格構(gòu)柱試件剛度退化曲線對比圖

3.4 耗能能力

通過數(shù)據(jù)采集得出在水平低周往復(fù)加載過程中構(gòu)件的各個時(shí)刻的受力情況，繪制滯回曲線，每個滯回環(huán)面積的大小代表每次加載過程中試件的耗能的多少。圖12為鋼筋綴件格構(gòu)柱耗能能力曲線對比圖。其中虛線為運(yùn)用ABAQUS數(shù)值模擬得到的數(shù)值模擬結(jié)果，實(shí)線為試驗(yàn)結(jié)果。由圖12可知：① 剛開始水平荷載較小，柱頂位移較小，試件耗能較小，隨著荷載或位移的加大，試件的抗震耗能逐漸增多，試件的耗能能力較為穩(wěn)定；② 鋼筋綴件格構(gòu)柱的試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果均表現(xiàn)出相近的耗能變化趨勢和耗能能力。

圖12 鋼筋綴件格構(gòu)柱試件耗能曲線對比圖

4 結(jié) 論

本文研究的是一種抗側(cè)力鋼筋綴件格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)形式，通過對這種格構(gòu)柱進(jìn)行擬靜力往復(fù)加載試驗(yàn)和有限元軟件的數(shù)值模擬分析的研究，主要結(jié)論如下：

(1)鋼筋綴件格構(gòu)柱在加載過程中試件的變形主要表現(xiàn)在綴件部位的平面內(nèi)變形，而試件節(jié)點(diǎn)連接處及梁柱等在試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)明顯變形。

(2)鋼筋綴件格構(gòu)柱在加載過程中經(jīng)歷了彈性階段和彈塑性階段，在彈性階段，沒有明顯剛度與強(qiáng)度退化現(xiàn)象，試件在層間位移角1/250時(shí)承載力未出現(xiàn)明顯下降，在彈塑性階段，滯回環(huán)面積明顯增大，剛度變化趨勢較穩(wěn)定，具有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)，該格構(gòu)柱表現(xiàn)出較好的抗震耗能能力,該格構(gòu)柱可以作為抗側(cè)力構(gòu)件適用在實(shí)際工程中。

(3)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，本文數(shù)值分析模型可以用于鋼筋綴件格構(gòu)柱的數(shù)值模擬分析，為該類結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算提供可行途徑。