钢筋混凝土深梁填充钢框架抗震性能试验

郑 宏，胡立黎，刘 源，肖 峰

(1. 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安，710061；2. 中煤国际工程集团南京设计研究院，江苏 南京，210096)

地震导致建筑结构的倒塌是因为结构的塑性变形能力小于需要的能力，而基于承载力的设计并不能保证结构达到这种要求[1]。钢框架和剪力墙填充钢框架是2种常用的结构体系。在地震作用下，钢筋混凝土剪力墙裂缝出现早，后期以剪切破坏为主，且震后不易修复。钢框架结构的结构延性和抗震性能良好，但钢框架结构的侧向刚度小导致侧向位移大，易引起非结构构件的破坏，在高地震烈度区的使用受到限制[2-3]。为满足结构在2个端点刚度之间变化的要求，实现一定范围内刚度渐变调幅[4-8]，可将深梁作为一种新型抗侧力结构形式[9-10]。Kahn等[11]最早提出将钢筋混凝土板内填在钢筋混凝土框架结构的结构形式。Kesner等[12-13]将纤维混凝土板用于钢框架抗震加固。钢-混凝土组合结构的单位面积的质量约为 650 kg/m2，分别是砖混结构和混凝土结构的 43%和54%[14]。减小结构质量不仅可大大减少工程造价，更有利于提高结构的抗震性能，因此，组合结构得到了快速的发展。《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)规定：深梁是指跨高比 l0/h0≤2.0的简支梁或跨高比l0/h0≤2.5的连续梁。钢筋混凝土深梁填充钢框架结构是将跨高比 l0/h0≤2.0的钢筋混凝土板内置于框架结构中，混凝土板上下两端与上下层框架梁通过高强螺栓连接。在此，本文作者为了研究钢筋混凝土深梁填充钢框架的抗震性能，设计了缩尺的混凝土深梁填充钢框架结构在水平低周反复荷载作用下的试验，并通过改变深梁高度考察其对结构抗震性能的影响。

1 试验方案

为了对比分析，试验试件分为2类：钢框架和2个深梁填充钢框架结构(编号依次为 PF，RDBF-A，RDBF-B)。试验所用钢材均为Q235B，框架柱、梁均采用HW200×200×8×12型钢，柱轴线距离为1 800 mm。梁柱节点处设加劲肋，刚性连接。柱脚刚性连接，设置4个150 mm×250 mm×12 mm(长×宽×厚)加劲肋，6个M24高强度摩擦型螺栓与基座梁固定。

钢筋混凝土深梁的尺寸如图1所示。混凝土板上留有连接用的螺栓孔，强度等级为C30。深梁与框架的连接方法为：在混凝土板上下端、钢框架梁下翼缘和底梁上钢板留有螺栓孔，用角钢的一肢将混凝土板夹紧并用螺栓固定；角钢的另一肢分别与框架梁下翼缘和基座梁上钢板通过螺栓固定(见图2)。连接螺栓采用摩擦型高强螺栓M20，RDBF-A共18个，RDBF-B共48个，连接角钢为∠80 mm×8 mm(肢长×厚)。

试验加载装置如图3所示，水平加载设备采用美国的 MTS电液伺服程控结构试验机系统。采用带有低摩擦球铰的2个同步油压千斤顶施加轴压力3×105N。首先施加轴压力，在试验过程中保持不变；然后，施加水平低周往复荷载，采用位移加载方式。屈服前，每级位移循环加载1次；屈服后，每级位移循环加载3次。荷载加载到水平荷载下降至峰值荷载的85%或结构破坏时。在框架梁、框架柱和深梁上都配置一定数量的百分表和应变片。使用360通道7D-602数据采集仪器自动采集试验数据。

图1 钢筋混凝土深梁Fig.1 Reinforced concrete deep beam

2 试验结果

2.1 加载过程

2.1.1 PF的加载过程

当位移较小时，仅在螺栓连接处产生响声，结构无明显变化。当水平位移加载至25 mm时，框架柱脚开始出现屈服，柱表面油漆开始剥落。随着荷载的增大，柱脚屈服越明显，柱翼缘局部屈曲。当水平位移为37 mm时，框架右侧节点区内油漆开始剥落，且上盖板焊缝开始出现裂缝；当水平位移为41 mm时，右侧梁柱节点上盖板焊缝完全断开，且节点区腹板裂缝开展贯通，框架破坏，试验结束。框架梁在整个加载过程中无明显变化，框架柱脚最终破坏形态如图4所示。

图2 深梁的连接Fig.2 Connectors of RC deep beam

图3 加载装置示意图Fig.3 Diagram of experimental apparatus

图4 框架的破坏模式Fig.4 Damage models of steel frame

图5 RDBF-A的混凝土深梁破坏模式Fig.5 Damage models of RDBF-A’s deep beam

2.1.2 RDBF系列的加载过程

RDBF-A和RDBF-B的框架破坏过程与PF破坏过程相同。2个填充的混凝土深梁均是随着外荷载的逐渐增加，首先在深梁的4个角部出现混凝土压碎，在底部连接处产生水平裂缝；同时，在深梁中部产生斜向裂缝。随着荷载方向不断变化，斜向裂缝产生“闭”与“合”现象。最终深梁由于底部连接螺栓孔处水平裂缝贯通破坏模式如图5和6所示。

2.2 荷载-位移滞回曲线

在反复荷载作用下，PF和RDBF试件的荷载-位移滞回曲线如图7～9所示。从图7～9可知：试件经历了弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和承载能力下降段；随着荷载的增大，试件的刚度不断退化；在弹性阶段滞回曲线成直线，结构没有发挥耗能能力；试件的滞回环总体上较为饱满，呈现纺锤形。但进入塑性阶段后期，PF试件滞回环不出现“捏拢”现象，而RDBF试件滞回曲线出现“捏拢”现象，并逐渐向反“S”形发展，RDBF-B表现尤为明显。

图6 RDBF-B的混凝土深梁破坏模式Fig.6 Damage models of RDBF-B’s deep beam

图7 PF荷载-位移滞回曲线Fig.7 Hysteresis loops of PF

图8 RDBF-A荷载-位移滞回曲线Fig.8 Hysteresis loops of RDBF-A

图9 RDBF-B荷载-位移滞回曲线Fig.9 Hysteresis loops of RDBF-B

图10 RDBF与PF骨架曲线对比图Fig.10 Skeleton curves of RDBF-B，RDBF-A and PF

3 试验分析

3.1 承载能力分析

图10所示为3种试件的骨架曲线对比曲线。从图10可以看出：初始刚度从大到小的顺序为RDBF-B，RDBF-A，PF；在相同的加载位移下，内填高度较大的深梁RDBF-B试件的承载力最高，纯钢框架PF的承载力相对最低。试件的屈服荷载(Fy)和最大荷载(Fu)的实测值如表1所示。从表1可以看出：RDBF-A的屈服荷载和最大荷载与PF的相比分别提高了8%和12%；RDBF-B的屈服荷载和极限荷载与PF的相比分别提高了45%和52%。因此，内填钢筋混凝土深梁在提高钢框架初始刚度、屈服荷载和极限承载力方面均有显著效果，解决了纯钢框架初始刚度不足的缺陷。

3.2 延性分析

试件的屈服位移(Δy)、最大位移(Δmax)和位移延性系数(μ=Δmax/Δy)的实测值如表 1所示。从表 1可以看出：试样 PF，RDBF-A和 RDBF-B屈服位移依次减小，3种试件屈服位移递减说明钢框架填充钢筋混凝土深梁作为抗侧力构件起到了减小框架层间位移的作用，显示出内填深梁可防止钢框架受力变形过大。RDBF-A和RDBF-B的位移延性系数分别比PF的提高了38%和34%，说明结构的抗震性能提高。同时，内填深梁构件均先于钢框架退出工作，钢框架则随后丧失工作能力，体现了深梁可作为结构抗震设防的第一道防线。

表1 试验试件的屈服荷载(Fy)、最大荷载(Fu)、屈服位移(Δy)、最大位移(Δmax)和位移延性系数(μ)Table1 Test results of yield load(Fy), maximal load(Fu),yield displacement(Δy), maximal displacement(Δmax) and displacement ductility(μ)

3.3 耗能能力分析

结构体系在加载过程中P-Δ围成的面积为其吸收能量的总和，即应变能的总和，则滞回环包围的面积为结构耗散的能量。图11所示为试件的能量耗散系数历程变化，从图 11可以看出：PF，RDBF-A以及RDBF-B能量耗散系数随着加载位移的增大均呈线增大趋势，但对于相同的加载位移情况下能量耗散系数从大到小依次为 RDBF-A，RDBF-B，PF；RDBF-B比PF的增幅小，而RDBF-A比其他2种结构体系增幅大。综合耗能和延性情况，内填钢筋混凝土深梁在一定程度上可提高结构对地震能量耗散性能，但应综合考虑钢框架与内填深梁刚度的匹配问题，降低滞回曲线“捏缩”程度，确定整体结构体系能量耗散性最佳的钢筋混凝土深梁尺寸。

3.4 承载能力退化分析

承载力退化系数反映同一级加载各次循环承载力降低的程度。试件承载力退化系数如表2所示。从表2可知：虽然随着加载位移的增大，RDBF-A和RDBF-B的退化系数减小趋势略有增大，但是各级承载力退化系数均接近 1，说明试件在同级循环荷载作用下承载力比较稳定。由此可见，随着深梁的逐渐破坏，并没有导致整体钢结构的承载能力急速退化，只是在破坏后期承载力退化系数随加载位移的增大呈现略微增加的趋势，说明破坏严重的深梁仍能承受一定荷载。因此，填充混凝土深梁的钢框架在水平低周反复加载情况下，结构承载力的稳定性能良好。

图11 PF，RDBF-A和RDBF-B的能量耗散系数曲线Fig.11 Curves of energy dissipation coefficient of RDBF-A,RDBF-B and PF

表2 RDBF-A和RDBF-B承载力退化系数Table2 Coefficient of carrying capacity degeneration for RDBF-A and RDBF-B

4 结论

(1) 在水平低周反复荷载作用下，内填钢筋混凝土深梁钢框架结构的荷载-位移滞回曲线饱满，呈现纺锤形。结构的承载能力、延性和耗能能力均优于钢框架结构，且承载能力稳定。通过改变钢筋混凝土深梁的跨高比可调整结构的抗侧刚度，使结构刚度能在一定范围内调幅。

(2) 内填钢筋混凝土深梁钢框架结构的抗震性能良好。钢筋混凝土深梁可作为结构抗震设防的第1道防线，钢框架作为第2道防线。

(3) 钢筋混凝土深梁作为一种抗震加固构件，采用高强螺栓与框架连接，安装或拆卸方便，也可工厂预制，因此可应用于新建的钢框架结构、建筑结构改造、加固与修复。

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