許曉梁吳琛

（1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092；2.福建工程學(xué)院，福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350118）

0 引言

型鋼混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）結(jié)構(gòu)通過鋼與混凝土的協(xié)同作用充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢力學(xué)性能，具有強(qiáng)度高、剛度大、延性好、抗震性能優(yōu)等特點(diǎn)。SRC柱作為組合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件，被廣泛應(yīng)用于地震區(qū)的高層建筑。當(dāng)前，國內(nèi)外針對(duì)型鋼對(duì)稱配置的SRC矩型截面柱已開展了大量力學(xué)性能研究［1-4］，形成了較成熟的理論體系。

當(dāng)SRC柱作為高層建筑的邊柱時(shí)，通常參照04SG523《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造》仍采用對(duì)稱十字形配鋼方式［5］。節(jié)點(diǎn)處的梁縱筋為滿足錨固長度要求，一般采用兩種構(gòu)造方案：一種是在型鋼翼緣處開設(shè)如圖1（a）所示的小孔，使縱筋穿過，該方法易導(dǎo)致開孔處應(yīng)力集中形成薄弱區(qū)域，從而降低構(gòu)件抗震性能；另一種是在型鋼外翼緣加焊如圖1（b）所示鋼牛腿，而后將梁縱筋焊接于牛腿上，該方法焊接工作量較大且焊接質(zhì)量難以保障。本文提出一種施工方便、受力可靠的非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱，如圖1（c）所示［6］，與梁連接一側(cè)的型鋼翼緣向柱中心內(nèi)縮，使梁縱筋在邊節(jié)點(diǎn)處具有足夠的錨固長度，避免了型鋼翼緣穿孔或密集焊接，并且符合邊柱的受力特征。本文針對(duì)SRC柱新型構(gòu)造建立有限元模型，研究其地震損傷特征，為抗震設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

圖1 SRC柱傳統(tǒng)構(gòu)造及非對(duì)稱配鋼方式改進(jìn)Fig.1 Traditional SRC column and improved asymmetric steel distribution

1 非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱力學(xué)模型

為研究非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱抗震性能和損傷特征，現(xiàn)開展構(gòu)件擬靜力試驗(yàn)和有限元分析。有限元模擬的正確性通過擬靜力試驗(yàn)加以校核，從中獲得的構(gòu)件損傷云圖為損傷模式的分析提供了有效方法。

1.1 模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)9根截面尺寸為320 mm×320 mm的SRC柱。型鋼采用Q235鋼，與梁連接一側(cè)的型鋼雖內(nèi)縮程度各不相同，但柱截面配鋼率均為4.67%?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，柱角部布置4根直徑為18 mm的HRB400鋼筋，箍筋采用直徑8 mm的HRB335鋼筋。各構(gòu)件配鋼形式、剪跨比、軸壓比、體積配箍率如表1所示。

表1 構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of the specimen

1.2 材料本構(gòu)模型

鋼筋和型鋼均采用二折線本構(gòu)模型，經(jīng)材性試驗(yàn)獲得性能指標(biāo)如表2所示，泊松比取0.3。

表2 鋼材材料性能Table 2 Steel material properties

考慮型鋼和箍筋對(duì)核心區(qū)混凝土的約束作用，如圖2所示將型鋼包圍的混凝土區(qū)域定義為高約束區(qū)，箍筋與型鋼之間包圍的混凝土定義為半約束區(qū)，箍筋以外的區(qū)域定義為無約束區(qū)。無約束區(qū)混凝土采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）提供的單軸受壓、受拉應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)，峰值應(yīng)力和彈性模量依材性試驗(yàn)結(jié)果分別取27.5 MPa和27 424 MPa。對(duì)于中約束區(qū)和高約束區(qū)的混凝土，引入約束效應(yīng)提高因子［7-9］，高約束區(qū)峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變?nèi)槠胀ɑ炷恋?.8倍，中約束區(qū)取為1.4倍。

圖2 混凝土約束區(qū)域Fig.2 Concrete restrained area

1.3 單元?jiǎng)澐?、邊界條件與荷載施加

混凝土和型鋼均采用三維實(shí)體單元C3D8R，縱筋和箍筋采用空間桁架單元T3D2，綜合考慮模型的計(jì)算精度和計(jì)算效率，選取30～50 mm作為單元的網(wǎng)格尺寸。鋼筋和混凝土之間采用Embedded連接，鋼板及型鋼和混凝土之間均采用Tie連接，忽略型鋼與混凝土界面間變形。承臺(tái)底面設(shè)為初始狀態(tài)固結(jié)，為防止柱頂出現(xiàn)面外扭轉(zhuǎn)，約束了垂直加載方向的線位移。

施加荷載時(shí)，首先在柱頂鋼板上施加恒定豎向荷載，其中軸壓比為0.1的柱施加277 kN軸力，軸壓比0.2的柱施加555 kN軸力，軸壓比為0.3的柱軸力是832 kN。此后，在柱頂采用如圖3所示荷載-位移雙控加載制度施加水平荷載。構(gòu)件屈服前按荷載控制，荷載增量為預(yù)計(jì)屈服荷載的20%約30 kN，每級(jí)荷載反復(fù)一次；屈服后按位移控制，以屈服位移7 mm為位移增量，每級(jí)位移反復(fù)三次，直至試件水平承載力下降到峰值承載力的85%或構(gòu)件不能繼續(xù)承擔(dān)預(yù)定軸力時(shí)停止加載。

圖3 荷載-位移雙控加載制度Fig.3 Load-displacement controlled loading regime

1.4 有限元模擬可靠性校驗(yàn)

為校核有限元模擬的可靠性，將有限元分析獲得的骨架曲線與本項(xiàng)目同步開展的擬靜力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較［10］。對(duì)稱十字形配鋼SRC1柱和非對(duì)稱十字形配鋼SRC2柱在低周往復(fù)荷載下的骨架曲線如圖4所示，該圖表明：①有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，有限元分析結(jié)果具有可靠性；②在相同配鋼率下，非對(duì)稱配鋼方式與對(duì)稱配鋼方式具有相當(dāng)?shù)某休d能力。

圖4 SRC柱骨架曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of skeleton curves of SRC columns

2 非對(duì)稱十字配鋼SRC柱的破壞形態(tài)

經(jīng)有限元分析，采用混凝土受壓損傷云圖反映混凝土的損傷發(fā)展規(guī)律，采用型鋼累積損傷應(yīng)變云圖反映型鋼損傷分布特征［11］。所得對(duì)稱十字形配鋼SRC1柱和非對(duì)稱十字形配鋼SRC2柱破壞形態(tài)與擬靜力試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

對(duì)比圖5和圖6可知：非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱在低周往復(fù)荷載下表現(xiàn)出有別于對(duì)稱十字形配鋼方式的損傷特征，柱兩側(cè)混凝土和型鋼呈現(xiàn)不對(duì)稱損傷。在型鋼內(nèi)縮的一側(cè)，混凝土的損傷范圍較大，而型鋼的損傷較輕微。在型鋼未內(nèi)縮的一側(cè)，則是型鋼損傷嚴(yán)重，混凝土損傷范圍較小。試驗(yàn)和有限元分析表明：加載過程中，未內(nèi)縮一側(cè)的型鋼翼緣在低周往復(fù)荷載下率先受力，并隨著加載位移的增加從翼緣向腹板逐步屈服；而型鋼內(nèi)縮一側(cè)的翼緣則較晚受力屈服，以混凝土破壞為主。

圖5 對(duì)稱十字形配鋼SRC1柱破壞形態(tài)和損傷云圖Fig.5 Failure pattern and damage nephogram of SRC1 column with symmetric cross-shaped steel

圖6 非對(duì)稱十字形配鋼SRC2柱破壞形態(tài)和損傷云圖Fig.6 Failure pattern and damage nephogram of SRC2 column with asymmetric cross-shaped steel

3 非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱的三種損傷模式

分析各柱混凝土受壓損傷云圖和型鋼累積應(yīng)變云圖的演化過程，可將非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱的損傷模式劃分為彎曲型、剪切型和剪剪型三類。

3.1 彎曲型損傷模式

對(duì)于剪跨比較大的SRC3柱和軸壓比較小的SRC4柱，主要由構(gòu)件受彎產(chǎn)生水平向損傷影響柱的性能變化而發(fā)生彎曲型損傷模式?；炷潦軌汉托弯搼?yīng)變累積的過程分別如圖7和圖8所示，SRC柱損傷演化特征為：

圖7 SRC3柱的混凝土受壓損傷演化過程Fig.7 Compression damage process of concrete in SRC3 column

圖8 SRC3柱型鋼累積損傷演化過程Fig.8 Accumulative damage process of steel in SRC3 column

（1）混凝土先于型鋼產(chǎn)生損傷，受壓損傷始于柱根，由兩側(cè)逐步向內(nèi)部水平發(fā)展，直至試件破壞。同時(shí)，由于型鋼縮進(jìn)側(cè)的混凝土受型鋼約束較小，因此該側(cè)損傷區(qū)域較大。

（2）構(gòu)件損傷中期，由于型鋼未內(nèi)縮一側(cè)的翼緣距構(gòu)件邊緣較近，因此率先受力使部分型鋼進(jìn)入屈服狀態(tài)，而內(nèi)縮一側(cè)的型鋼則較晚出現(xiàn)損傷，從而兩側(cè)呈現(xiàn)不對(duì)稱損傷。

3.2 剪切型損傷模式

對(duì)于剪跨比較小的SRC8柱發(fā)生剪切型損傷模式如圖9和圖10所示。主要由構(gòu)件受剪造成的斜向損傷影響柱的性能，其損傷演化特征為：

圖9 SRC8柱混凝土受壓損傷演化過程Fig.9 Compression damage process of concrete in SRC8 column

圖10 SRC8柱型鋼累積損傷演化過程Fig.10 Accumulative damage process of steel in SRC8 column

（1）混凝土先于型鋼產(chǎn)生損傷，自柱根兩側(cè)向斜上方延展，型鋼內(nèi)縮一側(cè)的混凝土損傷始終比另一側(cè)顯著，呈現(xiàn)不對(duì)稱損傷。

（2）在構(gòu)件損傷的中后期，未內(nèi)縮一側(cè)型鋼率先屈服，且損傷較另一側(cè)更為顯著，呈現(xiàn)不對(duì)稱損傷。

3.3 彎剪型損傷模式

除SRC3、SRC4和SRC8外，其余柱均表現(xiàn)出彎剪型損傷特征如圖11和圖12所示。在損傷初期以水平向受彎為主、中后期斜向受剪為主所造成的損傷影響柱的性能變化。彎剪型損傷的演化特征為：

圖11 SRC2柱混凝土受壓損傷演化過程Fig.11 Accumulative damage process of steel in SRC2 column

圖12 SRC2柱型鋼累積損傷演化過程Fig.12 Accumulative damage process of steel in SRC2 column

（1）混凝土先于型鋼產(chǎn)生損傷，在損傷初期由柱根兩側(cè)向中間水平發(fā)展，中后期則斜向發(fā)展為主，直至構(gòu)件破壞，且損傷區(qū)域大于彎曲型損傷。同時(shí)，型鋼內(nèi)縮一側(cè)的混凝土率先出現(xiàn)損傷，其損傷程度較另一側(cè)更為顯著，損傷范圍更大，呈現(xiàn)不對(duì)稱損傷。

（2）在構(gòu)件損傷中期，型鋼在未內(nèi)縮一側(cè)率先屈服，且損傷較為顯著；內(nèi)縮一側(cè)型鋼于后期出現(xiàn)損傷，左右兩側(cè)型鋼呈現(xiàn)不對(duì)稱損傷。

綜合以上三類損傷模式的混凝土受壓損傷云圖和型鋼累積應(yīng)變云圖，分析試件損傷演化過程可知：

（1）三類損傷模式下的非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱均具有損傷不對(duì)稱的特征。型鋼內(nèi)縮一側(cè)的混凝土較早出現(xiàn)損傷，并先于型鋼產(chǎn)生，其損傷程度和范圍均大于型鋼未內(nèi)縮一側(cè)，而型鋼則在未內(nèi)縮一側(cè)損傷較嚴(yán)重。

（2）三類損傷模式的本質(zhì)原因各不相同。彎曲型損傷模式主要由于構(gòu)件受彎產(chǎn)生水平向損傷，剪切型損傷主要由于構(gòu)件受剪造成斜向損傷，彎剪型損傷模式則是在損傷初期以水平向受彎為主、中后期斜向受剪為主。

在區(qū)分三類損傷模式的基礎(chǔ)上，還可進(jìn)一步明確影響損傷模式的主要因素，并分別建立損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié)論

本文提出了一種非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱的構(gòu)造形式，滿足了復(fù)雜高層建筑邊柱的施工和受力要求。通過九組非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱的有限元分析，獲得如下結(jié)論：

（1）在相同配鋼率下，非對(duì)稱十字形配鋼方式不僅與對(duì)稱十字形配鋼方式具有相當(dāng)?shù)某休d力，并具有施工方便、符合邊柱受力特征等優(yōu)勢，因此采用非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱具有實(shí)際工程意義。

（2）非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱具有不對(duì)稱的損傷特征。型鋼內(nèi)縮一側(cè)的混凝土較早出現(xiàn)損傷，程度和范圍均大于型鋼未內(nèi)縮一側(cè)，而型鋼則是未內(nèi)縮一側(cè)的損傷較為嚴(yán)重。

（3）非對(duì)稱十字形配鋼SRC柱的損傷模式可劃分為彎曲型、剪切型和彎剪型三類。三類損傷模式的損傷演化過程以及本質(zhì)原因各不相同，在本文定性描述損傷的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步建立各類損傷的損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)。