火災后T形型鋼混凝土柱抗震性能試驗研究

高 展 高立堂 李曉東 許業清 楊 超

（青島理工大學土木工程學院，青島266033）

0 引 言

型鋼混凝土異形柱結合了型鋼與混凝土兩者的優良特性，即同時兼顧了承載力大和抗震性能好兩大優點［1］。眾多學者經過不斷努力從各方面對其進行了研究。陸洲導和徐朝暉［2］運用對比分析的方法對12 根型鋼混凝土柱進行關于耐火的試驗，得出柱截面溫度場計算方法和柱的極限承載力計算公式。王玉鐲［3-4］等經過對3根L形和16根十字形型鋼混凝土柱的火災試驗，分析了異形柱在火災下實際的變形規律、溫度場分布以及耐火極限等。陳宗平等［5-6］以軸壓比和偏心荷載為變化因素，對4 根T 形和3 根桁架式不等肢L 形鋼骨混凝土異形柱進行了抗震性能相關的試驗，研究分析了試件的破壞形態以及極限承載力，試驗結果使平截面假定得到了驗證，并分析了異形柱結構的工作原理。張波［7］以軸壓比及配箍率為實驗影響因素，對4 根十字形型鋼混凝土柱進行低周反復試驗，得出剪跨比是異形柱破壞形態的一個重要影響因素。國內外對型鋼混凝土的抗火方面做了大量研究，同時在抗震方面，主要集中在常溫條件下的鋼筋和型鋼混凝土的抗震理論分析和試驗，但是對于火災后異形柱的抗震性能試驗研究，尚且處于空白階段。為此，本文對T形型鋼混凝土柱火災后低周反復荷載作用下的抗震性能進行相關的試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試件設計

《混凝土異形柱結構技術規程》［8］中規定了異形柱肢高肢厚比，其比值不得大于4。本試驗中試件設計肢高500 mm、肢厚200 mm，實際肢高厚比為2.5。根據T 形柱實際受力情況和破壞形態，同時為滿足不同剪跨比的要求，分別設計1 600 mm、1 900 mm、2 200 mm三種尺寸的柱子，火災過程模擬ISO834 標準升溫曲線進行試驗。試件尺寸及配槽鋼見圖1。選用Q235 級14a 型號的槽鋼，規格為140 mm×58 mm×6 mm；槽鋼間連接腹桿采用直徑為12 mm HRB400 級鋼筋，采用電弧焊焊接作為腹桿和槽鋼之間的連接方式，試件全部采用C30 混凝土、30 mm 的保護層厚度。試件設計信息見表1，材性試驗得fy槽鋼=305 MPa，fy鋼筋=410 MPa，混凝土立方體抗壓強度試驗值fcu=34.6 MPa。

表1 試件基本信息表Table 1 Basic design information of specimens

圖1 試件截面尺寸及配槽鋼形式（單位：mm）Fig.1 Section size of specimen and configuration channel iron form（Unit：mm）

1.2 火災試驗

試件完成養護以后，火災試驗在青島理工大學垂直火災爐中進行。試驗采用軸心荷載下恒載升溫方式，如圖2 所示。在T 形柱的火災試驗中，其內折角面進行受火，對于未受火面使用陶瓷纖維板進行有效保護，如圖3 所示?；馂脑囼炆郎厍€如圖4所示。

圖2 垂直火災爐Fig.2 Vertical fire furnace

1.3 建研式加載試驗

1.3.1 試驗加載裝置及測試內容

抗震試驗采用建研式加載裝置。豎向荷載通過200 t 液壓千斤頂提供，水平荷載通過100 t 電液伺服作動器來進行提供。試驗加載圖如圖5所示。

圖3 受火面示意Fig.3 Fire surface

圖4 升溫曲線圖Fig.4 Heating curve graph

圖5 加載裝置圖Fig.5 Loading device graph

1.3.2 試驗加載制度

試驗采用位移控制的方式進行分級加載。試件屈服前，加載級差為3 mm，每級往復循環一次。試件屈服以后，加載位移為屈服位移的倍數，每級往復循環三次，在試驗中，當試件水平承載力降低至極限荷載的85%時終止試驗，認為試件破壞。利用折線法確定試件的屈服點，原理如圖6 所示，E點為所對應的屈服位移和屈服荷載。

圖6 折線法原理圖Fig.6 Principle diagram of broken line method

1.3.3 試驗過程與破壞現象

試驗過程包括彈性、帶裂縫工作和破壞三個階段。增大軸壓比，翼緣背面上下端明顯出現彎曲壓碎破壞；一定范圍內增大剪跨比，觀察翼緣背部上下端實際的彎曲壓碎破壞情況有所減輕，分析原因為短柱有較大的剛度，水平剪切力在其發生相同位移情況下比較大，使破壞發生的比較早；配箍率對于火災后試件的破壞形態影響沒有明顯的差別。TZ1 和TZ3 出現粘結劈裂以及剪切破壞，腹板出現嚴重的混凝土脫落情況，在腹板內部混凝土上出現豎向剪切劈裂裂縫，腹桿鋼筋出現外凸現象，翼緣肢端上下端的混凝土出現嚴重的劈裂破壞現狀，槽鋼出現嚴重的變形。TZ2、TZ4、TZ5、TZ6 出現粘結劈裂破壞和彎剪破壞，腹板混凝土脫落嚴重，翼緣肢端上下端混凝土發生劈裂破壞，槽鋼明顯變形外凸。部分破壞現象如圖7所示。

2 試驗結果分析

2.1 滯回曲線

對試驗數據結果進行分析，各試件的荷載（P）-位移（Δ）曲線如圖8所示。

（1）通過TZ1、TZ2 可以看出，未受火構件的包絡面積大于受火試件，耗能性大，火災后，其內部微裂縫快速發展，明顯削弱了構件的耗能能力和承載能力。

圖7 試件破壞圖Fig.7 Specimen failure graphs

圖8 滯回曲線圖Fig.8 Hysteretic curve

（2）通過TZ2、TZ5、TZ6 的試驗分析得出，一定范圍內增大剪跨比，試件滯回曲線包絡面積變小，耗能能力降低，所以剪跨比是對火災后構件滯回特性產生影響的重要因素。

（3）通過TZ2、TZ3、TZ4 的試驗分析可得，軸壓比一定范圍內增加，滯回環包絡面積也發生明顯的增加，同時試件的耗能能力提高。

2.2 骨架曲線

對骨架曲線根據不同的參數分別進行整理，得到在各參數條件下的骨架曲線如圖9所示。

圖9 骨架曲線圖Fig.9 Skeleton curve

（1）受火柱骨架曲線下降段較未受火柱平緩，分析原因為高溫引起混凝土極限應變增大導致。

（2）軸壓比在一定范圍內提高，試件極限承載力降低，極限位移也嚴重降低，骨架曲線的斜率均較大，說明極限荷載以后，試件軸壓比在一定范圍內越大，后期承載力衰減速度越快。

（3）剪跨比對試件的極限承載力和位移延性有明顯影響，剪跨比增加過程中，破壞位移不斷提高，其承載力也逐漸降低。

2.3 位移延性系數（μ）

試件的位移延性系數能夠清楚的對構件后期變形性能進行反映，計算公式為μ=Δm/Δy。各參數下位移延性如圖10所示。

（1）火災降低了構件的位移延性性能，高溫導致試件材料性能的劣化，受火試件較非受火試件位移延性系數降低了9.1%。

（2）軸壓比從0.1提到0.2、0.3時，位移延性系數降低了3.66%和12.2%。對軸壓比進行提高，會導致試件截面的受壓區高度增加，同時約束了截面轉動，使試件的延性性能降低。

（3）剪跨比從1.702 和 2.021 提高到 2.340 時，位移延性系數分別提高17%、69%和33.2%。而剪跨比從1.702 提高到2.021 時，其延性系數降低了11.7%，表明剪跨比處在2.0 左右以下時，延性隨著剪跨比的增加而變差，相反在2.0 左右以上時，隨著剪跨比的增加位移延性而有所提高。

2.4 剛度退化規律

剛度反映結構或構件抵抗變形的能力，一般用割線剛度進行表示，其表達式如下：

式中：Ki為第i次循環的割線剛度；±pi為第i次循環正、負向最大荷載；±δi為第i次循環正、負最大荷載對應的位移。

（1）在試驗初期，構件剛度退化明顯，隨著外部混凝土脫落，由槽鋼主要承受荷載，由于槽鋼延性性能良好，使構件剛度退化緩慢。

（2）試件隨著軸壓比的增加，初始剛度提高同時其退化速度也加快。原因是軸壓比較大會使截面受壓區高度增加，約束試件的截面轉動，使其抵抗變形的能力增強。

（3）提高試件的剪跨比，其初始剛度降低。原因為剪跨比較大，增大了柱兩端的彎矩，使其發生的變形加大。

圖10 位移延性變化規律曲線圖Fig.10 Displacement ductility curve graphs

圖11 剛度退化曲線圖Fig.11 Stiffness degradation curve graphs

2.5 耗能分析

耗能是構件變形能力在能量上的表達。累積耗能可用下列公式計算。

式中：E表示累積耗能；F表示水平剪力；x表示水平位移。

各參數對耗能能力發生的影響如圖12所示。

圖12 耗能曲線圖Fig.12 Energy consumption curve graphs

（1）對比受火試件和未受火試件可以看出，受火試件提前進入屈服階段，受火試件耗能能力小于未受火試件，且受火試件耗能能力明顯降低。

（2）火災后試件的耗能能力隨著軸壓比的提高而增大。軸壓比在試件屈服前，耗能能力沒有明顯的影響；但在試件屈服后，會對耗能能力有比較顯著的影響。分析原因是試件抵抗變形的能力隨著軸壓比的提高而增強，其滯回耗能性能隨之提高。

（3）增大試件剪跨比，滯回耗能降低，但在試件屈服之前，剪跨比對耗能的影響不大，對累積滯回耗能增幅也較小。試件屈服后至試件破壞階段，試件耗能隨著剪跨比變化較明顯。

3 結 論

（1）火災對T 形型鋼混凝土柱的材料造成損傷，使其內部微裂縫快速發展，削弱了各項力學性能指標，同時降低了T 形型鋼混凝土柱的屈服強度以及極限承載力，加快了其強度和剛度的退化。

（2）軸壓比是影響結構抗震性能的重要因素，一定范圍內提高軸壓比，增加了截面受壓區高度，限制了截面的轉動，降低了混凝土柱的位移延性，提高了耗能能力，但增加了初始剛度，更容易產生脆性破壞和鋼骨的變形失穩，加速了后期強度衰減和剛度退化。

（3）剪跨比也是影響結構抗震性能的重要因素，一定范圍內提高剪跨比，降低了T形型鋼混凝土柱的初始剛度、極限承載力以及耗能性能，使強度衰減變緩。剪跨比在2.0 左右以下時位移延性隨著值的增加而減小，在2.0左右以上時隨著值的增加而提高，分析是由于短柱比長柱剛度大，更不容易產生失穩所致。