蘭州奧體中心勁性柱抗震性能的試驗研究

陶清林，司拴牢，胡 義，顧 奎，韋少波，孔 炯

（1.安徽工業大學，安徽 馬鞍山 243032；2.蘭州市建設工程安全質量監督站，甘肅 蘭州 730030；3.中國十七冶集團有限公司，安徽 馬鞍山 243000；4. 甘肅省建設監理有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

作為甘肅省和蘭州市的重大建設項目，蘭州奧體中心設計以黃河文化和敦煌文化為元素，再現“飛天花舞”和“黃河奔騰”的動感意向，建筑設計高低起伏、錯落有致，結構設計極為復雜。勁性混凝土組合結構以其承載力高、空間跨度布局靈活自由、抗震性能好等優點而廣泛應用于高層建筑及大跨結構中。蘭州奧體中心體育場及三館工程項目主體結構大量使用了高強混凝土勁性柱，由于項目地處甘肅省蘭州市七里河區，該地區抗震設防烈度為 8 級，屬于高烈度地震區，因此有必要對項目中的高強混凝土勁性柱抗震性能進行深入了解。目前國內外學者已對勁性混凝土結構開展過諸多研究［1-3］，諸如箍筋配置、剪跨比設置、軸壓比調節及混凝土的強度都會對勁性柱的力學行為產生明顯影響。為了研究高強混凝土勁性柱的抗震性能，本文開展了低周往復加載試驗，得到了恢復力特性曲線及其相關數據，探討了諸主要因素對高強混凝土勁性柱抗震性能的影響規律，以期為蘭州奧體中心建設提供數據支撐。

1 試驗概況

蘭州奧體中心體育場及三館采用的高強混凝土勁性柱高達 14 m，截面高度高達 1 m，受到試驗室條件限制，本試驗采用高強混凝土勁性柱縮尺模型開展抗震性能試驗。根據試件參數，預先制作柱底部基礎模板，提前預留固定用孔洞，采用立式澆筑，機械振搗，邊澆筑邊振搗密實。

1.1 試件參數

物理試件的截面尺寸均為 160 mm×240 mm，混凝土極限抗壓強度高達 69.75～117.42 MPa，剪跨比分別為 1.33、1.65、2.19、2.74 和 3.28，體積配箍率分別為 1.27 %、1.39 % 和 1.73 %，含鋼率設計 4.71 % 和 5.61 %，軸壓比為 0.22～0.37，型鋼采用 Q235 熱軋工字鋼 I14 和 I12.6 鋼，縱筋采用 4 10 的 HRB335 鋼，箍筋采用 HPB300 鋼。設計參數如圖 1 所示，設計參數及破壞形態如表 1 所示。

1.2 加載方案

試驗加載方案采用的是 P-Δ混控加載方案，加載裝置如圖 2 所示，加載制度如圖 3 所示。

圖1 試件截面尺寸

表1 試件設計參數及破壞形態

圖2 試驗加載裝置

圖3 試驗加載制度

2 試件破壞過程與形態

在壓、彎、剪復合應力狀態下下，高強混凝土勁性柱的破壞模式大體可根據剪跨比的不同分為三種破壞形態［4-5］：彎剪破壞、剪切斜壓破壞和剪切粘結破壞。

2.1 剪切斜壓破壞

本次試驗中剪跨比 λ=1.33 和 λ=1.65 的試件主要表現為剪切斜壓破壞，如圖 4（a）所示。加載初期，屬于完全彈性階段，鋼骨與混凝土完全協同工作。荷載緩慢增加，最先于柱底端出現對稱水平彎曲裂紋，并隨荷載的循環次數的增加裂縫數量逐漸增多，并沿截面呈 45° 斜向發展。荷載增加至 70 % 左右極限荷載時，勁性柱主要依靠箍筋與混凝土間的咬合力與型鋼腹板的作用繼續承擔外部荷載。荷載增加至 85 % 極限荷裁時，型鋼腹板陸續發生屈服。荷載繼續增加，斜向棱柱體混凝土開始被壓碎，并伴隨著混凝土剝落，箍筋與型鋼部分屈服。

2.2 剪切粘結破壞

本次試驗中試件 C-3、C-14～16 發生剪切粘結破壞，剪跨比 λ=2.19，破壞形態見圖 4（b）。加載初期，柱底端出現對稱水平彎曲裂紋，并隨荷載的循環次數的增加裂縫數量逐漸增多，并沿截面呈 45° 斜向發展，當荷載加載至 64 % 極限荷載時，型鋼與混凝土間的剪應力傳遞不順暢，界面迅速出現豎向粘結裂縫而導致粘結滑移效應發生，剪力轉為內嵌型鋼和核心區混凝土共同承擔。荷載加至 85 % 極限荷裁，腹板、翼緣相繼發生屈服，粘結屬性的裂縫發展速度激增，勁性柱外圍混凝土壓酥、剝落，發生失效。

2.3 彎剪破壞

本次試驗中剪跨比 λ=2.74 和 λ=3.13 的試件發生了彎剪破壞，破壞形態如圖 4（c）所示。加載初期，過程與剪切斜壓破壞相同。隨著荷載增加，柱側面水平裂峰逐漸向正面發展，試件底端出現數條豎向微裂縫。荷載加至 85 % 極限荷裁時，型鋼下翼緣開始屈服。隨著試件變形增大，混凝土發生大面積壓酥，試件水平承載力迅速衰減，下降至峰值荷載 85 % 后，柱隨之失效。

圖4 勁性柱破壞形態

3 抗震性能評價及影響因素分析

目前，結構中主要抗側力構件可以通過延性、滯回曲線和耗能能力等指標來評價其抗震能力的大小，因此本次試驗主要從以下三個方面對勁性 RC 柱開展抗地震能力評價，并進行關鍵因素影響分析。

圖5 往復荷載作用下典型試件的滯回曲線（P-Δ曲線）

3.1 Hysteresis Curve 影響因素分析

屈服前，荷載-位移曲線近似遵循線性發展，其變形在卸載后基本可恢復，無明顯的殘余變形；屈服后，柱剛度出現小幅衰減現象，表現為荷載循環加載過程中，后次滯回環斜率較前次有所減小。此外，由于豎向荷載效應影響，加載后期試件水平承載力未迅速衰減，呈現明顯的變形恢復滯后現象。勁性柱典型滯回曲線（Hysteresis Curve）及特征參數如圖 5、表 2 所示。

對比以上試件滯回特性，可以看出：①對比試件C-5、C-14 及 C-11，剪跨比越大，勁性柱水平承載能力就越小；②對比試件 C-11、C-14 及 C-12，柱試件水平承載力隨著混凝土強度增加而增加，試件達峰值荷載后，承載力退化速度加快；③比較試件 C-14、C-5 及C-15，適度增加內置箍筋可有效提高試件抗剪承載力力，耗能與變形能力均得提升；④對比試件 C-6、C-15 及 C-12，試件水平承載力隨著軸壓比增加略有提高，但變形能力衰減速度較快。

3.2 變形能力影響因素分析

作為評價構件抗震性能的重要指標之一，延性可反應處構件的變形能力，常用延性系數 μ 予以量化［6］，如式（1）所示：

式中：Δy、Δu代表試件的屈服位移和極限位移。

表2 試件各狀態特征點一覽表

無量綱設計參數與試件延性系數的關系曲線（見圖 6）表明：混凝土強度越高，勁性柱變形能力下降；剪跨比越大，勁性柱強度衰減逐漸放緩；軸壓比越大，勁性柱滯回曲線的飽滿度下降，強度衰減呈現顯著的不穩定性。

圖6 無量綱設計參數與 SRHSC 柱延性系數間的關系曲線

圖7 滯回耗能能力與滯回環面積的示意

圖8 各影響因素對等效粘滯阻尼系數的影響曲線

3.3 耗能能力影響因素分析

結合現有研究成果［7-8］，以等效粘滯阻尼系數定量表征高強混凝土勁性柱的滯回耗能能力（見圖 7），表達如式（2）所示：

式中：Aabc為構件正向加載時滯回環面積與X軸圍成的面積；Fmax、Δmax分別為柱頂最大水平荷載與對應柱頂水平位移。

各影響因素對等效粘滯阻尼系數的影響曲線（見圖 8）表明：延性隨著混凝土強度的增加而下降，且適度提高配鋼率、配箍率可提高勁性柱的變形能力。

4 結語

由于核心區混凝土的作用，使得試件在加載后期仍具有維持變形和承擔承載力的能力，但相對普通勁性混凝土柱，其變形能力有所下降。因此，雖然高強混凝土柱承載力得到提高，但在蘭州這樣的高地震烈度區，不應盲目通過提高混凝土強度的方式來保證結構的承載力，同時應嚴格控制底部框架柱軸壓比，本文研究結論為蘭州奧體中心順利建設提供了理論支撐與實踐指導，同時可為抗震高烈度地區該類工程的結構設計和施工提供借鑒和參考。