钢骨高强混凝土框架柱恢复力模型的试验研究.pdf
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1、2 0 1 3年 第 1 0期 (总 第 2 8 8 期 ) N u mb e r 1 0 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 1 0 0 0 6 钢骨高强混凝土框架柱恢复力模型的试验研究 张岩 ( 辽宁交通高等专科学校,辽宁 沈阳 1 1 0 1 2 2 ) 摘要: 通过低周期反复荷载作用下的钢骨高强混凝土( H S R C) 框架柱的试验 , 探讨了
2、H S R C框架柱破坏模式 , 分析了轴压 比、 剪跨 比、 含钢率等对 H S R C框架柱延性的影响, 得到 H S R C框架柱的滞回曲线和骨架 曲线 , 分析了 H S R C框架柱骨架 曲线及滞回 环规则特性 , 给出了 H S R C框架柱的延性系数和等效黏滞阻尼系数。 研究了HS R C框架柱强度衰减和刚度退化的原 因, 给出其强 度衰减指标和刚度退化计算公式。 关键词: 钢骨高强混凝土 ;框架柱;延性及耗能 ;恢复力模型 中图分类号: T U5 2 8 5 7 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 2 2
3、0 5 E x p e r i m e n t a l r e s e a r c h on t h e h y s t e r e t i c mo de l o f s t e e l r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h c on c r e t e f r a m e c o l u m n s ZHANG Ya h ( L i a o n i n g P r o v i n c i a l C o l l e g e o f C o m m u n i c a t i o n s , S h e n y a n g 1 1 0 1 2
4、 2 , C h i n a ) A b s t r a c t : Ac c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s o f s t e e 1 r e i n f o r e e d h i g h s e n g t h c o n c r e t e ( H S R C) fr a me c o l u m n s u n d e r th e r e v e r s e d c y c l i c l o a d - i ng, thef a i l u r e c ha r a c t e r s of s t e e l r e i
5、 n f o r c e dhi g h s t r e n g t h c o nc r e t e c ol u mns we r e s t ud i e d, thema i nf a c t o r s s u c ha s a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o, s h e a r s p a n r a t i o, s t i r r u p r a t i o, c o n c r e t e s t r e n g t h a n d s t e e l r a t i o, wh i c h a f f e c t t he d
6、u c t i l i t y o fHSRC f r a me c o l u mns we r e s tud i e d Th e t e s t r e s u i t s ha d s h o wn tha t the d i s pl a c e me n t d u c t i l e c o e ffi c i e n t an d e q u i v a l e n t hy s t e r e t i c d am p i ng c o e ffic i e n t of HS RC fla me c o l u mn wa s h i g he r t h an tha
7、t o f r e i n f o r c e d hi g h s t r e n g t h c o n c r e t e c o l u mn a nd c l os e t o t h a t o f s t e e l r e i nf o r c e d c o n c r e t e c o l u mnBa s e d o n the t e s t s , t he l o a d - ing - d i s pl a c e me n t h ys t e r e t i c c u r v e s o fHS RC fra me c o l u mnh a db e e
8、 nga i ne d andthe s k e l e t o n c u r v e san dh y s t e r e t i c r ul e swe r e a ffir me d Th e r e a s o n t h a t c a u s e s s t r e n g t h r e d u c t i o n a n d s t i f fi a e s s - d e g r a d i n g o f HS R C f r am e c o l u mn wa s an a l y z e d At the s a me t i me , the c a l c u
9、 l a t i n g f o r - mul a s o fs tre ng t h r e d u c t i o n i n d e x a nd s t i f fi a e s s d e gra di n g o fHS RC fram e c o l u mn WS S g i v e n Ke ywor ds : s t e e l r e i nf or c e dh i g h s t r e ng t h c o n c r e t e ; fla me c ol u mn; d u c t i l i t yan d e n e r g y c o n s u mp
10、t i o n; h y s t e r e t i cmo d e l 0 引言 1 试验概况 高强混凝土 结构在 国内外很 多工程 中得到应用 , 然 而, 高强混凝土的缺点是延性差、 脆性大, 作为结构特性, 这是不容忽视 的缺点 , 为此 , 克服高强混凝 土的脆性是在 工程应用 高强混凝土 的关键【 1 , 在钢筋高强混凝土( H R C ) 内部埋设 型钢 , 形成钢骨高强混凝土( HS R c ) 结构是改善 高强混凝土膪 I生 特性 , 提高其抗震廷l 生 的有效方法之一 , 但 由于 高强混凝 土 的脆 性 , H S R C结构与钢 骨普通 混凝 土 ( S R C) 结
11、构在抗震延性上存 在差异 。 近几 年 , H S R C结构 在部分 高层 及超高层建筑 中得到 了应用 , 对 其工作性 能 的研究也 引起人们 的关 注 , 但对 H S R C结 构研究工 作开 展 的还不充 分 , 特别是对 H S R C结构抗震 延性 的研究 尚 缺乏系统的试验资料 。 为此 , 本研究通过低周期反复荷载 作用下 的 H S R C框 架柱试验 , 研究 其破坏模式 、 延性 、 耗 能能力及恢复力特性等, 建立一个能较好地反映 H S R C框 架柱恢复力特性 主要方面 , 即反映其强度衰减和刚度退化 的恢复力模型。 收稿日期:2 0 1 3 - 0 4 1 1
12、 2 2 1 1 试验 简述 本次试验制作 的 H S R C框架柱截面尺寸均为 2 0 0 mm x 2 0 0 mm, 纵筋配筋率为 1 5 4 , 钢骨分别采用 I 1 0 、 1 1 2 、 I 1 4 工 字钢 , 试 件配筋情况见图 1 。 试验加 载方 式采用 了首先 在框 架柱柱端施加轴 向力 , 然后在框架柱 中部施 加反复 水 平荷载 。 在试验 柱端部和 中部布置百分 表( 电位移 计 ) 和倾角仪用 于测量 水平位移和转角 。 钢骨腹板应 变采用 应变花量测 , 钢骨翼缘 、 纵筋及混凝土应变采用 电阻应变 片量测。 以轴压比、 剪跨比、 配钢率及配箍率等为主要参 数
13、, 见表 1 。 1 2混凝土与钢材试验性 能 在高强混凝土中配置型钢, 两者相互约束 , 使各 自的 强度得到提高。 但高强混凝土的弱点是脆性大 、 延性差 , 常 使强度高, 变形小 , 抗渗抗腐蚀性能难以充分发挥, 故对钢 骨高强混凝土 中高强混凝土在选料 、 配合 比 、 施工等方面 应给予特殊关注。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 框架柱参数概况 1 1 截面 2 - 2 截止面 图 1 试件配筋图( 单位: mm) 对本试验采用 C 6 0 混凝土, 要求各种配料 : 水泥 : 为了减少泌水 , 提高和易性, 降低水化热 , 减少 早期收缩变
14、形 , 干缩和徐变 , 选用 P 0 5 2 5 级水泥 。 粗骨料 : 选用质地坚硬的花岗岩级配良好的碎石 , 粒径 5 2 0 mn l , 含泥量不大于 1 , 质量符合规范要求。 细骨料 : 选用级配 曲线合理 、 坚硬 , 级配 良好 的清洁 中 砂 ; 细度模数在 2 8 4 2范围内, 含泥量不大于 1 , 否则应 清洗 ; 含砂率 3 4 。 掺料 : 为减小干燥收缩 , 提高抗裂性能和拌制和易性 , 掺人符合规范要求的磨细粉煤灰 。 减水剂: 选用萘系复合高效减水剂。 拌制水 : 清洁饮用水 。 制作应严守操作规程 , 振捣适宜 , 标准养护。 按上述要求设计混凝土配合 比用
15、料 , 见表 2 。 性能指标 如表 3 。 型钢与钢 筋应符 合 国家现行规 范 , 钢材性 能指标 如 表 4 。 表 2 设计 C 7 0混凝土配合比用料 2 试验 结果分析 2 1 破坏模式 试验结果表明 , 本次所进行 的低周期反复荷载作用下 H S R C框架柱 主要发生弯曲剪切 、 剪切斜压和剪切黏结三 种破坏模式圆 。 ( 1 ) 弯 曲剪切破坏 。 剪跨 比较大 ( A = 3 0 ) 的 H S R C框架 柱发生以弯 曲破坏为 主的弯曲剪切破坏。 轴压 比较小的框 架柱表现 为受拉破坏 , 破坏特征 主要表现 : 横 向裂缝 出现 较早 , 随着荷载 的增加 , 水平裂缝
16、不断发展 , 乃至贯通整个 截面 , 在达到极限承载力时 , 受拉钢筋屈服 , 框架柱变形加 快 , 随着 钢骨截面屈服高度的增加 , 承载力缓慢下降 , 在保 护层混凝土完全压酥剥落后 , 承载力仍可维持较长时 间, 框架柱延性较好 ; 轴压 比较大 的框架柱表现为受压破坏 , 破坏特征 主要表现 : 加载初期 , 框架柱变形很小 , 横向裂缝 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 出现较晚, 达到极限承载力时 , 拉区钢筋未屈服。 破坏时, 钢 骨翼缘两侧伴随有剪切黏结裂缝发生 , 保护层混凝土在压碎 后整体向外鼓起 , 承载力下降较快 , 混凝土压碎区域
17、较大。 ( 2 ) 剪切斜压破坏 。 剪跨 比较小 ( A = I 7 5 ) 、 轴压 比较小 而配箍率较高的 H S R C框架柱发生剪切斜压破坏 。 破坏特 征表现 : 在加载初期 , 首先在最大弯矩截面附近形成许多 细小的斜裂缝 , 斜裂缝的方向与框架柱 的对角线方 向大致 相同。 随着荷载的增加与反复 , 斜裂缝进一步发展并将框架 柱沿对 角线方 向分为若干斜压小柱体 , 最后 , 斜 压小柱体 压溃 , 混凝土剥落 , 导致框架柱破坏 。 H S R C框架柱剪切斜 压破坏与钢筋高强混凝土框架柱 的剪切破坏有明显的不 同, 钢筋高强混凝 土( H R C ) 框架柱在出现斜裂缝后
18、, 斜 裂 缝数量较少 , 随着荷载增加 与反复 , 斜裂缝很快形成主裂 缝 , 最后发生突然性破坏凹 , 而 H S R C框架柱破坏较缓慢 。 ( 3 ) 剪切黏结破坏 。 剪跨 比较小 ( A = 1 7 5 ) , 轴压比较大 , 配箍率较低的 H S R C框架柱发生剪切黏结破坏 。 剪切黏结 破坏主要是由于钢骨翼缘两侧混凝土产生纵 向劈裂所致 。 破坏特征表现为 : 随着荷载的增加 , 首先在框架柱 中部产 生横向裂缝 , 随后钢骨翼缘位置处的混凝土表面上出现一 系列纵 向劈裂黏结裂缝 , 随着荷载的增加 与反复 , 黏结裂 缝很快贯通整个框架柱高度 , 导致保护层混凝 土剥落 ,
19、 框架 柱承载力下降直至破坏 。 2 2 滞 回曲线特性 通过试验得到 H S R C框架柱的典型荷载一 位移滞回曲 线 , 见图 2 , 其 中图( d ) 为 H R C柱 。 由图 2 可见 , 在水平荷载 较小时 , 荷载一 位移曲线关系呈线性变化 , 构件处于弹性工 作状态 , 加载 与卸载 刚度都没有大的变化 , 但在位移增加 较荷载大时 , 加 载与卸载 刚度逐渐降低 , 并且随着荷载循 环次数 的增加具有退化现象 , 由卸载到开始反向加载的过 程 中, 各试件的滞 回曲线未 出现滑移段 , 说 明构件的黏结 滑移较小 ; 在其他条件 相同的情况下 , 构件 的卸载刚度随 着轴压
20、 比的增加而增 大 ; 无论是轴压 比大还是小 , 滞 回环 随着变形的增 大而变的越加丰满 ,说明在 HS R C构件 中, 混凝土 的影响逐渐减小 , 钢骨的影响逐渐增大 , 并且 H S R C 构件的滞 回环在任何变形 阶段均无 明显的捏缩现象 , 相 比 H R C构件的滞 回曲线更加丰满3 。 2 3 骨 架 曲线 骨架 曲线是 由各个试件 的滞 回曲线的包络线连接后 形成的。 由试验得到的 H S R C柱 的典型骨架曲线 , 见 图 3 。 由图 3 可看 出 , 轴压 比较小的 H S R C柱 ( n = 0 4 ; n = 0 2 ) , 在 开始加荷载时 , 荷载随着变
21、形增加而增 大 , 当变形超过一 定值( 钢骨的翼缘接近屈服 ) 时荷载增加速度开始放慢 , 曲 线变 的相对平缓 , 荷载达到最大值后 , 荷载随着变形增加 而开始缓缓下降 ; 轴压 比较大的 H S R C柱 ( n - 0 6 ) , 在开始 加荷载时 , 荷载随着变形增加而增大 , 并很快达到最大值 , 随后 , 由于受压混凝土 的逐渐压溃 , 荷载随着变形增加 而 下降。 轴压比小的荷载峰值点对应的变形明显大于轴压比 大 的荷载峰值点对应的变形值 。 2 4 位移 ra m 位移 ram ( d ) n = 0 4 图 2 滞回曲线 3 HS I L C框架柱延性及耗 能能力 3 1
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