屈曲約束支撐的異形柱混凝土框架地震損傷研究

任澤民，張文彬，喬金麗，馬亞南，凌霄霄，金建星，李昇岳，鞠雪彤

（1.河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401；2.河北大地建設科技有限公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

異形柱框架結(jié)構(gòu)（SSCF）因其形式靈活多樣，建筑美觀，在住宅工程中廣泛使用，但因其特殊的截面形式導致和矩形柱框架有著不同的力學特性，其承載力較低且強度取決于節(jié)點，耗能能力、剛度強度退化較嚴重，不能滿足高烈度區(qū)的抗震要求[1-2]，為此，國內(nèi)外學者做了許多研究來提高異形柱框架結(jié)構(gòu)（SSCF）的承載能力與抗震性能：異形柱框架（SSCF）剪力墻結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，使其滿足7度抗震設防要求[3-4]；許多學者對鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)進行研究，發(fā)現(xiàn)其承載力、剛度、耗能等均有所提升[5-8]；對于空腹及實腹式型鋼混凝土異形柱結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)其各項抗震性能均優(yōu)于普通異形柱框架（SSCF）[9-11]。但剪力墻會影響結(jié)構(gòu)的靈活性，失去了異形柱原本的優(yōu)勢，鋼管與型鋼混凝土異形柱結(jié)構(gòu)會增加結(jié)構(gòu)的用鋼量、造價及施工難度，一定程度上限制了異形柱結(jié)構(gòu)的推廣。

屈曲約束支撐（BRB）作為一種新興的技術手段，近年來廣泛應用于框架結(jié)構(gòu)中，目的就是為了增強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗震性能[12-13]。劉祖強等[14]對10個按1∶2縮尺的型鋼混凝土T型柱進行地震損傷試驗，研究表明：構(gòu)件的滯回曲線對稱且飽滿，表現(xiàn)出較強的耗能能力；當試件屈服后，累積損傷明顯增加，且發(fā)展速度不斷加快；軸壓比越大，配筋率越小，試件累積損傷發(fā)展越快。靳思騫等[15]對4個L型、4個T型型鋼混凝土異形柱-鋼梁框架節(jié)點的抗震性能試驗，基于提出的地震損傷模型對構(gòu)件進行地震損傷指標驗算，得到該模型能夠較好的描述型鋼混凝土異形柱-鋼梁框架節(jié)點的地震作用下?lián)p傷全過程，研究結(jié)果為該類構(gòu)件地震損傷評估及抗震設計提供理論依據(jù)。屈曲約束支撐（BRB）改善混凝土異形柱框架性能的文獻較少，研究尚且不足。本文提出屈曲約束支撐異形柱框架結(jié)構(gòu)（BRB-SSCF），將屈曲約束支撐（BRB）尺寸控制在墻厚范圍內(nèi)，不會額外占用結(jié)構(gòu)使用面積，亦能有效提高異形柱框架（SSCF）的承載力與抗震性能，與異形柱鋼框架及型鋼框架相比，減少了用鋼量、節(jié)省了造價、降低了施工難度，具有較高的推廣價值。為研究屈曲約束支撐異形柱框架（BRB-SSCF）的抗震性能，制作兩跨三層的異形柱框架（SSCF）試驗模型進行擬靜力試驗，探討該種結(jié)構(gòu)體系的滯回曲線、承載能力、變形能力、剛度退化、耗能能力等抗震和損傷性能，為以后工程應用提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗模型設計

試驗原型為云南某6層SSCF住宅工程（8度抗震設防Ⅲ類場地），按1∶3縮尺成一榀兩跨三層的試驗模型，左跨跨度1.6 m，右跨跨度1.7 m，層高1 m，選用C45細石混凝土，在長跨安裝BRB，以下簡稱BRB-SSCF；另一構(gòu)件不安裝BRB（其他條件均相同），以下簡稱SSCF，具體框架尺寸及配筋如圖1所示。構(gòu)件所用材料實測數(shù)據(jù)：HRB400鋼筋屈服強度474 MPa，極限強度639 MPa；C45混凝土立方體試驗平均抗壓強度為38.71 MPa。

圖1 框架結(jié)構(gòu)尺寸及配筋圖（mm）Fig.1 Geometry and details of specimen（mm）

BRB采用手工電弧焊的方式雙面焊接在預埋件上與框架鋼筋骨架相連接，預埋件設計時應保證支撐力傳遞到節(jié)點的中心處，由梁柱共同承擔荷載且不會對框架產(chǎn)生附加彎矩，在澆筑混凝土前將預埋件通過綁扎與焊接的方式固定在鋼筋混凝土框架上，錨筋貫穿梁柱截面，反面焊接鋼板以防止錨筋滑移或拔出，如圖2。BRB設計屈服荷載80 kN，芯材為Q225熱軋低碳鋼，截面尺寸為22 mm×8 mm。在每層梁端和柱腳處布置應變片測量鋼筋應變，便于計算結(jié)果的分析。

1.2 試驗方法及加載方案

整個框架通過基礎梁上的預留孔洞用高強螺栓固定在反力架下的靜力臺座上，在柱頂使用油壓千斤頂施加豎向荷載，在一般框架結(jié)構(gòu)中，中柱需要承受梁四周荷載，邊柱一般承受一邊荷載，所以中柱承受的荷載大于邊柱，即取邊柱110 kN，中柱150 kN；在框架右側(cè)通過固定在反力墻上的雙向油壓千斤頂沿框架頂層梁中心線施加水平反復荷載，試驗現(xiàn)場加載裝置如圖3所示。

構(gòu)件在低周反復荷載作用下，彈性階段的累積損傷基本為零，滯回曲線近似為直線；彈塑性階段以后，隨著位移的增加及循環(huán)次數(shù)的增加，塑性變形逐漸增大，以致于累積損傷不斷增加且發(fā)展速率不斷加快；構(gòu)件在屈服前，由力控制施加水平荷載，以每10～20 kN為一級，先推后拉，每級加載重復一次，試件屈服后，以結(jié)構(gòu)屈服位移的整倍數(shù)控制加載，先推后拉，每級加載重復兩次。直至試件破壞無法繼續(xù)，停止試驗。該試驗柱頂?shù)?個豎向荷載及頂層梁端的水平荷載均通過荷載傳感器監(jiān)測。每個構(gòu)件布置4個位移監(jiān)測點，一二層梁中心布置一個位移傳感器，頂層梁中心靠下的位置布置位移傳感器（因需要在頂層梁中心處施加水平荷載），基礎梁的一端放置一個位移百分表，來監(jiān)測基礎梁的位移，防止由于整個構(gòu)件與靜力臺座的滑移對試驗結(jié)果造成影響。荷載傳感器、位移傳感器及位移百分表布置如圖4所示。

圖2 預埋件Fig.2 Embedded parts

圖3 試驗現(xiàn)場加載裝置圖Fig.3 The loading device of the test

圖4 應變片測點及位移計布置Fig.4 Layout of strain gauge and displacement meter

圖5 SSCF梁柱最終破壞圖Fig.5 Local failure modes of the SSCF

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 SSCF與BRB-SSCF的加載過程與破壞現(xiàn)象

SSCF在加載到±20 kN時，底層梁身、二層中柱的梁端最先產(chǎn)生裂縫，繼續(xù)加載，裂縫逐漸增加，主要集中在梁柱節(jié)點位置，柱產(chǎn)生的裂縫比較少；當加載到±50 kN時，裂縫明顯增多，梁端出現(xiàn)貫通裂縫，形成塑性鉸，柱腳處也開始出現(xiàn)橫向裂縫及斜向剪切裂縫；繼續(xù)加載到±60 kN，中柱和邊柱柱腳上縱向鋼筋屈服，屈服位移32.6 mm。開始位移控制加載，當加到2Δ時，梁端裂縫繼續(xù)開展及增多，柱上橫向裂縫及斜裂縫大量發(fā)展，加載到2Δ時，二層梁端裂縫寬度逐漸增大，局部混凝土脫落破壞，繼續(xù)加載時，各層中節(jié)點和邊節(jié)點均出現(xiàn)較大裂縫并伴有混凝土脫落，如圖5，結(jié)構(gòu)破壞嚴重，停止試驗。SSCF的屈服位移較大，且首根屈服鋼筋出現(xiàn)在柱腳而沒有出現(xiàn)在常理的一二層梁端，可能梁端的鋼筋應變片起鼓或方向傾斜，不能正確測得鋼筋應變導致框架屈服位移變大。

BRB-SSCF在荷載加到-20 kN時，底層無支撐一跨內(nèi)的梁端出現(xiàn)第一條裂縫；±90 kN荷載以前，整個框架出現(xiàn)的裂縫較少，只是隨著荷載增加，原有裂縫不斷發(fā)展，說明此時BRB開始工作，亦觀察到BRB核心單元有較大位移；隨著荷載的持續(xù)增加，當加載到±110 kN時，總體裂縫明顯增多，對比中柱兩側(cè)的裂縫發(fā)展情況，無支撐一側(cè)主要集中在梁柱節(jié)點位置，裂縫較多，有支撐一側(cè)裂縫相對較少，且比較均勻地分布在全梁；加載到±130 kN時，無支撐一側(cè)梁中受拉鋼筋屈服，屈服位移15.5 mm；開始位移控制加載，加載6Δ時，無支撐二層梁端混凝土最先脫落，如圖6a），繼續(xù)加載，有支撐二層梁端預埋件處混凝土脫落，加載端三層柱發(fā)生突然性扭轉(zhuǎn)破壞，經(jīng)檢查，水平荷載加載的鐵板位置偏離柱的中心，造成扭轉(zhuǎn)力使框架發(fā)生脆性破壞，試驗結(jié)束，此時BRB仍具有良好的工作性能，預埋件受力穩(wěn)定仍可繼續(xù)工作，如圖6b）。

整個試驗過程中觀察柱的裂縫發(fā)展情況，有支撐一側(cè)邊柱在加載到30 kN時腹板處就開始產(chǎn)生裂縫，隨著力的增加慢慢向上發(fā)展新的裂縫，且原有裂縫不斷加深，到位移加載時裂縫迅速發(fā)展，翼緣處開始產(chǎn)生裂縫且迅速增加，如圖7a）；中柱在110 kN時靠近支撐一邊最先產(chǎn)生裂縫，位移加載時裂縫增多，2Δ時靠近無支撐一邊產(chǎn)生裂縫，5Δ時中間產(chǎn)生裂縫，整體縱向順序也是由下向上，如圖7b）；無支撐邊柱位移加載時開始產(chǎn)生裂縫并且由下向上迅速增加，裂縫多為水平彎曲裂縫，如圖7c）。

圖6 BRB-SSCF最終破壞局部圖Fig.6 Local failure modes of the BRB-SSCF

圖7 BRB-SSCF柱5Δ裂縫圖Fig.7 Failure modes of the BRB-SSCF columns

2.2 滯回曲線與骨架曲線

滯回曲線能較全面地反應結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷情況[16]。圖8a）為SSCF、圖8b）為BRB-SSCF頂層的滯回曲線。

BRB-SSCF滯回曲線一直呈飽滿的梭形，每次循環(huán)加載所形成的滯回環(huán)的形狀、位置穩(wěn)定，且在同一位移量級下，滯回環(huán)面積基本相同，說明框架的耗能能力保持良好，沒有退化，表明BRB的受力穩(wěn)定，工作狀態(tài)完好。本試驗經(jīng)過重復幾次加載以后，滯回曲線上沒有出現(xiàn)明顯的拐點，無捏縮效應，對比SSCF，說明BRB屈服耗能使結(jié)構(gòu)整體滯回曲線飽滿，抗震性能良好。當加載到6.5倍屈服位移時，觀察框架的整體情況，節(jié)點工作性能良好，但在安裝BRB預埋件處，因受力集中混凝土破壞較嚴重。

SSCF與BRB-SSCF的骨架曲線如圖9所示，由骨架曲線可知：1）BRB大幅度提高了異形柱框架的承載能力，對比BRB-SSCF，其開裂荷載均為20 kN，屈服荷載分別為60.68 kN、131.02 kN，極限荷載分別為70.35 kN、173.33 kN，說明BRB的安裝沒有改變框架的抗裂性能，但顯著提高了框架的承載力，結(jié)構(gòu)的屈服荷載高了2.16倍，極限荷載提高了2.46倍，SSCF與BRB-SSCF的屈強比分別為0.86、0.76，BRB降低了結(jié)構(gòu)的屈強比，提高了結(jié)構(gòu)的安全性；2）BRB有效增強了結(jié)構(gòu)的剛度，剛度退化緩慢，BRB-SSCF骨架曲線有一明顯的水平階段，框架的承載力未迅速下降，BRB承擔水平作用且耗能，工作性能良好。但因BRB-SSCF突然破壞，未能得到完整的骨架曲線下降段。

在工程抗震試驗中用能量耗散系數(shù)E來表征結(jié)構(gòu)的能量耗散能力[17]。能量耗散系數(shù)E按如下公式計算：

圖8 異形柱框架頂層滯回曲線圖Fig.8 Load-displacement hysteresis loops of specimen

圖9 SSCF與BRB-SSCF頂層骨架曲線圖Fig.9 The top-level Skeleton curves of SSCF and BRB-SSCF

如圖10所示，面積ABCD為滯回曲線一周所耗散的能量；面積（OBE+ODF）表示滯回環(huán)上下頂點相對應的三角形面積OBE為假想彈性直線OB達到相同位移（OE）所包圍的面積（即吸收的能量）。曲線面積ABC與三角形面積OBE的比值表示耗散的能量與產(chǎn)生相同位移時輸入的能量之比，滯回環(huán)的面積越大，表示越飽滿，能量耗散系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)耗能能力越好。因結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，普通框架與支撐框架基本處于彈性狀態(tài)，耗能能力比較小，所以僅對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下耗散的能量進行分析，圖11更能直觀的表達支撐框架與普通框架的耗能能力，表1為2種框架能量對比。

圖10 能量耗散系數(shù)計算圖Fig.10 Energy dissipation factor

圖11 滯回環(huán)面積對比圖Fig.11 Areas of the hysteresis loops

表1 耗散能量對比Tab.1 Dissipative energy contrast kN·mm

2.3 層間剛度與剛度退化

SSCF及BRB-SSCF各層層間剛度及整體剛度如圖12，可以看出，BRB-SSCF的整體初始剛度較SSCF提高了2.28倍，底層初始剛度提高了2.8倍，二層提高了1.3倍，頂層只是略有提升。由此可見，BRB對框架的初始剛度貢獻主要體現(xiàn)在底層和二層。SSCF各層層間剛度相差較大，中間層有明顯薄弱層，不利于結(jié)構(gòu)的抗震。BRB-SSCF各層層間剛度差異不明顯，更利于結(jié)構(gòu)抗震性能的發(fā)揮。框架一、三這兩層的層間剛度拉壓不對稱，框架受推力時，一層位移大，框架受拉力時，三層位移大，BRB-SSCF表現(xiàn)更為明顯，其原因是框架本身設計兩跨不對稱，且BRB只安裝在框架長跨，因此表現(xiàn)更為明顯。

圖12 SSCF及BRB-SSCF各層層間剛度及整體剛度Fig.12 The stiffness between layers and the overall stiffness of SSCF and BRB-SSCF

圖13 是兩榀框架剛度退化率對比圖，BRB-SSCF的剛度衰減速度整體較普通框架緩慢，結(jié)構(gòu)的位移小于20 mm時，支撐框架結(jié)構(gòu)的剛度大于普通框架，剛度退化緩慢，隨著結(jié)構(gòu)的位移增大，支撐框架結(jié)構(gòu)的剛度退化率逐漸與普通框架持平，說明屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)位移較小時能有效增加結(jié)構(gòu)的剛度，幫助結(jié)構(gòu)更好地抵御側(cè)向變形，在結(jié)構(gòu)位移較大時，結(jié)構(gòu)的等效剛度減小、變形增大，結(jié)構(gòu)的耗能增加，起到消能減震作用，利于結(jié)構(gòu)抗震。

2.4 層間位移與結(jié)構(gòu)延性

圖13 SSCF及BRB-SSCF剛度退化率對比圖Fig.13 Comparison of stiffness degradation rate of SSCF and BRB-SSCF

圖14 ～16為試驗框架在開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的各層層間位移，表2為各層位移角。圖14～16中可以看出，隨荷載增加，各層層間及整體位移值增大；2種框架的開裂荷載相差不多，但BRB-SSCF的屈服荷載、極限荷載是SSCF的2.16、2.46倍；屈服位移較BRB-SSCF有所降低，究其原因是BRB增大了BRB-SSCF的剛度，提高了結(jié)構(gòu)的屈服荷載，使得結(jié)構(gòu)的屈服狀態(tài)向后推遲。結(jié)構(gòu)在彈性階段，BRB能有效提高結(jié)構(gòu)的變形能力，SSCF屈服荷載時其層間位移角最高達到BRB-SSCF的1/2；極限荷載時BRB-SSCF的位移較大，層間位移角達最大達到了1/23，超過異形柱規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)在彈塑性狀態(tài)時的層間位移角限制1/60，但結(jié)構(gòu)的承載力穩(wěn)定，沒有明顯下降，表明BRB顯著提高了結(jié)構(gòu)的極限變形能力及抗倒塌能力。延性是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標之一，用以表征結(jié)構(gòu)的變形能力[18]。兩榀框架的位移延性系數(shù)見圖17，SSCF的各層的位移延性系數(shù)規(guī)范要求結(jié)構(gòu)延性系數(shù)達到4.00～6.00，SSCF不滿足抗震規(guī)范的要求。BRB-SSCF各層的位移延性系數(shù)為4.8～4.18，整體延性系數(shù)均值為5.55，滿足抗震規(guī)范的要求。BRB有效提高了結(jié)構(gòu)的抗變形能力，位移延性系數(shù)提高了2.21倍。

圖14 SSCF與BRB-SSCF開裂荷載時各層層間位移圖Fig.14 Displacement of each layer when SSCF and BRB-SSCF in Crack load

圖15 SSCF與BRB-SSCF屈服荷載時各層層間位移Fig.15 Displacement of each layer between SSCF and BRB-SSCF in yield load

圖17 SSCF與BRB-SSCF各層延性系數(shù)Fig.17 Ductility coefficient of each layer on the SSCF and BRB-SSCF

圖16 SSCF與BRB-SSCF極限荷載時各層層間位移Fig.16 Displacement between layers of SSCF and BRB-SSCF in ultimate load

表2 SSCF與BRB-SSCF各層位移角Tab.2 The displacement angle of each layer on the SSCF and BRB-SSCF

3 結(jié)論

本文通過對兩榀異形柱框架進行低周反復荷載試驗，研究及分析其各項抗震性能，得出以下結(jié)論。

1）支撐框架的耗散能量為18 598.37 kN·mm，能量耗散系數(shù)為1.96；普通框架的耗散能量為4 183.26 kN·mm，能量耗散系數(shù)為1.15；支撐框架的耗散能量為普通框架的4.45倍，支撐異形柱框架的耗能能力優(yōu)于普通異形柱框架。

2）BRB-SSCF的初始剛度為SSCF的2.28倍，剛度衰減速度整體較普通框架緩慢，改善了SSCF各層層間剛度相差大的弊端，沒有明顯薄弱層。BRB的存在使得結(jié)構(gòu)在屈服階段以后有較大的位移延性，可以為使結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生較大的側(cè)向變形的同時不發(fā)生破壞，分擔了更多的側(cè)向力，且先于整體結(jié)構(gòu)破壞，顯著提高了結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力。

3）BRB-SSCF的位移延性系數(shù)提高2.21倍，可見BRB可以顯著提高SSCF的變形能力。兩榀框架的梁端都先于柱腳出現(xiàn)塑性鉸，滿足“強柱弱梁”抗震要求。