不同類型異形柱耐震性與適用性分析

楊 明,伍 凱,葛鴻鵬,張 莉

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710003)

異形柱結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。異形柱的截面一般有“T”、“L”、“十”字等形式。柱肢寬度與填充墻等厚,避免柱楞凸出,把建筑美觀和使用的靈活性有機(jī)地結(jié)合,為用戶提供舒適的工作和居住環(huán)境,增加房間的實(shí)際使用面積,提高空間的利用率[1]。異形柱抗震能力基本相同的情況下,帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、型鋼混凝土(SRC)異形柱與普通鋼筋混凝土(RC)異形柱相比,綜合用鋼量直接關(guān)系到整個(gè)工程的造價(jià),因此對(duì)其耐震性與適用性進(jìn)行分析與研究是非常重要的。目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)異形柱的抗震性能進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和研究,對(duì)異形柱的含鋼率也有了一定的研究,但對(duì)異形柱適用性的研究相對(duì)較少[2]。

在已有試驗(yàn)研究和大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上[3-10],通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)地分析、統(tǒng)計(jì)、線性回歸,分別確定了三類異形柱延性系數(shù)、承載力、耗能能力、極限側(cè)移角與含鋼率的比值,對(duì)三類異形柱的耐震性與適用性進(jìn)行了評(píng)估。分析與評(píng)估的結(jié)果可為異型柱的工程應(yīng)用提供一些數(shù)據(jù)資料和參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 含鋼率

對(duì)于RC異形柱、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、SRC異形柱,含鋼率取縱向配筋率與縱向配鋼率之和,不考慮體積配箍率,其公式為:

式中:As為縱向鋼筋橫截面面積;Ass為縱向鋼材橫截面面積;A為混凝土全截面面積。

1.2 極限側(cè)移角

按現(xiàn)行抗震規(guī)范,在大震(罕遇烈度地震)作用下,結(jié)構(gòu)的非彈性變形要小于容許極限變形,以防止結(jié)構(gòu)倒塌,因此要求結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移角應(yīng)小于某一規(guī)定限值(對(duì)鋼筋混凝土框架為1/50)。表1給出了實(shí)測(cè)各試件的極限側(cè)移角。三類異形柱的極限側(cè)移角大多數(shù)都超過了1/50。特別是SRC異形柱的極限側(cè)移角大部分可達(dá)到甚至超過1/30;帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的極限側(cè)移角均超過1/40?？梢奡RC、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱具有較好的抗倒塌能力。

1.3 耗能能力

耗能能力是指在往復(fù)水平荷載作用下吸收和消耗能量的能力,以試件荷載-變形滯回曲線所包圍的面積來衡量,也是表示抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo)。試件的耗能能力通常用等效粘滯阻尼系數(shù)he表示,其公式為:

式中:S(ABC+CDA)表示滯回環(huán)面積;S(OBE+ODF)表示以滯回環(huán)上下頂點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的三角形面積如圖1虛線所示。

圖1 P-Δ滯回環(huán)曲線

計(jì)算等效粘滯阻尼系數(shù)he,關(guān)鍵在于滯回環(huán)面積的確定,采用Origin8.0軟件,利用其強(qiáng)大的繪圖功能,將試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)繪制成滯回曲線圖,然后用CAD格式保存,利用CAD可以準(zhǔn)確地計(jì)算每一個(gè)滯回環(huán)的面積。由表1可知,三類異形柱的he大部分都超過了0.15。特別是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的he均超過0.20,部分大于0.30;SRC異形柱的he大部分超過0.20,最大可達(dá)到0.41?？梢妿О抵摻罨炷?、SRC異形柱具有較好的吸收和消耗能量的能力。

按現(xiàn)行規(guī)范,異形柱的含鋼率要小于一定限值,對(duì) RC異形柱為 5.00%、SRC異形柱為15.00%[11-15]。由表1可知,34個(gè)試件含鋼率變化范圍是1.66%～12.70%。

1.4 加載裝置

能夠進(jìn)行三類異形框架柱耐震性研究的試驗(yàn)裝置很多,其中常見的有簡(jiǎn)支梁式、連續(xù)梁式、懸臂柱式和“建研式”幾種。在進(jìn)行RC鋼筋混凝土異形柱試驗(yàn)時(shí),采用的試驗(yàn)裝置是懸臂柱式;在進(jìn)行帶暗柱鋼筋混凝土異形柱試驗(yàn)時(shí),采用的試驗(yàn)裝置是簡(jiǎn)支梁式;在進(jìn)行SRC型鋼混凝土異形柱試驗(yàn)時(shí),采用的試驗(yàn)裝置是“建研式”。

1.5 加載制度

在進(jìn)行RC鋼筋混凝土異形柱試驗(yàn)時(shí),水平荷載加載先由力控制,再由位移控制。水平荷載的變化按正弦波形式,每級(jí)控制荷載或控制位移均循環(huán)兩次。為了觀察到更多破壞現(xiàn)象,試驗(yàn)過程中,當(dāng)滯回環(huán)出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定或試件破壞嚴(yán)重時(shí)方停止加載。

在進(jìn)行帶暗柱鋼筋混凝土異形柱試驗(yàn)時(shí),首先將軸力N對(duì)準(zhǔn)異形柱的形心,然后施加軸力,并使其保持不變,然后施加低周反復(fù)水平荷載F。用多點(diǎn)數(shù)采集系統(tǒng)采集鋼筋應(yīng)變,用X-Y函數(shù)記錄水平力F水平位移U滯回曲線。彈性階段用位移與荷載聯(lián)合控制其水平荷載,彈塑性階段主要用位移控制其水平加載。

表1 試件參數(shù)

在進(jìn)行SRC型鋼混凝土異形柱試驗(yàn)時(shí),水平荷載采用荷載和位移混合控制方法。在試件達(dá)到屈服荷載前,采用荷載增量控制方法,20 kN為一級(jí)增量,每級(jí)荷載循環(huán)一次。試件屈服后,按等幅位移增量控制,以屈服時(shí)水平位移的倍數(shù)逐級(jí)增加,每一級(jí)位移下循環(huán)三次,直到SRC異形柱受壓屈服、水平荷載下降到最大值的70%時(shí)停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)分析

從含鋼率與延性系數(shù)的關(guān)系判斷三類異形柱的適用性。由表1可知,三類異形柱的延性系數(shù)大部分都超過3.0,可見其具有較好的抗震性能。特別是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的延性系數(shù)均超過3.5,大部分都超過4.0,表現(xiàn)出更好的變形能力。由表2和圖2可知,當(dāng)含鋼率在1.66%～2.55%時(shí),適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當(dāng)含鋼率在2.55%～4.00%時(shí),適用性最好的是RC異形柱;當(dāng)含鋼率在4.00%～8.00%時(shí),適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當(dāng)含鋼率超過8.00%時(shí),只能采用SRC異形柱。

從含鋼率與承載力的關(guān)系判斷三類異形柱的適用性。由表1可知,承載力從高到底依次是SRC異形柱、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、RC混凝土異形柱。由表2和圖3可知,當(dāng)含鋼率1.66%～2.95%時(shí),適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當(dāng)含鋼率在2.95%～4.00%時(shí),適用性最好的是RC異形柱;當(dāng)含鋼率在4.00%～12.70%時(shí),適用性最好的是SRC異形柱。

從含鋼率與耗能能力的關(guān)系判斷三類異形柱的適用性。由表1可知,等效粘滯阻尼系數(shù)從高到低依次是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、SRC異形柱、RC異形柱,特別是大部分帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的等效粘滯阻尼系數(shù)都超過0.25,可見,其具有很好的抗倒塌能力。由表2和圖4可知,當(dāng)含鋼率在1.66%～3.38%時(shí),適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當(dāng)含鋼率在3.38%～4.00%時(shí),適用性最好的是RC異形柱;當(dāng)含鋼率在4.00%～8.00%時(shí),適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當(dāng)含鋼率超過8.00%時(shí),只能采用SRC異形柱。

表2 試件的線性擬合函數(shù)

圖2 試件的延性系數(shù)與含鋼率關(guān)系曲線

圖3 試件的承載力與含鋼率關(guān)系曲線

圖4 試件的耗能能力與含鋼率關(guān)系曲線

從含鋼率與極限側(cè)移角的關(guān)系判斷三類異形柱的適用性,由表1可知,其極限側(cè)移角絕大部分都超過了1/50。特別是SRC異形柱的極限側(cè)移角更大,極限側(cè)移角大部分都大于1/30;帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的極限側(cè)移角均超過1/40。可見SRC異形柱和帶暗柱鋼筋混凝土異形柱具有較好的抗倒塌能力。由表2和圖5可知,當(dāng)含鋼率在1.66%～3.67%時(shí),適用性最好的是RC異形柱;當(dāng)含鋼率在3.67%～8.00%時(shí),適用性最好的是帶暗柱鋼筋混凝土異形柱;當(dāng)含鋼率超過8.00%時(shí),只能采用SRC異形柱。

依據(jù)含鋼率的不同,采用Origin8.0進(jìn)行線性擬合,可知RC異形柱、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱、SRC異形柱的延性系數(shù)、承載力、耗能能力、極限側(cè)移角與含鋼率的線性擬合函數(shù),如表2所示。

綜合以上分析,采用加權(quán)平均的計(jì)算方法將延性系數(shù)、承載力、耗能能力、極限側(cè)移角與含鋼率4個(gè)獨(dú)立的比值聯(lián)系起來,根據(jù)表2,用一個(gè)綜合指標(biāo)ζ來反映異形柱的適用性,ζp=0.25μp+0.25Fp+0.25hep+0.25θp(ζp代表 RC 異形柱);ζa=0.25μa+0.25Fa+0.25hea+0.25θa(ζa代表帶暗柱鋼筋混凝土異形柱);ζx=0.25μx+0.25Fx+0.25hex+0.25 θx(ζx代表SRC異形柱)。通過三者的對(duì)比與分析,可知,當(dāng)含鋼率在3.00%～4.00%時(shí),RC異形柱的適用性較好;當(dāng)含鋼率在 1.66%～3.00%或者4.00%～8.00%時(shí);帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的適用性較好。當(dāng)含鋼率大于8.00%時(shí),只能采用SRC異形柱。

圖5 試件的極限側(cè)移角與含鋼率關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

通過對(duì)34根異形柱的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)當(dāng)含鋼率在3.00%～4.00%時(shí),RC異形柱的適用性較好;當(dāng)含鋼率在1.66%～3.00%或者4.00%～8.00%時(shí);帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的適用性較好;當(dāng)含鋼率大于8.00%時(shí),只能采用SRC異形柱。

(2)SRC異形柱的極限側(cè)移角大部分可達(dá)到甚至超過1/30,可見其具有較好的抗倒塌能力。

(3)帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的 he均超過0.20,部分大于0.30,可見其具有較好的吸收和消耗能量的能力。

(4)帶暗柱鋼筋混凝土異形柱的延性系數(shù)均超過3.5,大部分都超過4.0,可見其具有很好的變形能力。

(5)SRC、帶暗柱鋼筋混凝土異形柱構(gòu)與RC異形柱相比,其抗倒塌能力、吸收和消耗能量的能力、變形能力均具有較大程度的提高。

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