SRC-RC转换柱中钢与混凝土的共同工作*

伍凯 薛建阳 赵鸿铁

（1.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055）

SRC-RC转换柱中钢与混凝土的共同工作*

伍凯1薛建阳2赵鸿铁2

（1.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055）

型钢混凝土-钢筋混凝土(SRC-RC)竖向混合结构是下部采用型钢混凝土(SRC)结构、上部采用钢筋混凝土(RC)结构的特殊结构形式.SRC-RC转换柱是该结构中用于连接下部SRC柱与上部RC柱的转换构件.SRC-RC转换柱由于具有型钢局部存在于柱中下部的特点，钢与混凝土之间的共同工作问题较为突出，导致转换柱产生了特殊的破坏方式.通过对16个SRC-RC转换柱试件和1个钢筋混凝土柱对比试件的低周反复荷载试验，研究了转换柱中钢与混凝土的共同工作，给出了力学模型.研究结果表明：给出的模型可以较好地的说明型钢与混凝土之间的内力传递，并可用于分析转换柱试件的破坏机理；配钢率增大，型钢承担更多的剪力，整个加载过程中混凝土的损伤更为严重；采用型钢截断位置的局部加密和沿柱全高加密两种方式对部分试件采用箍筋加密措施，均取得了较好的效果，增加箍筋的数量可以有效缓解型钢局部存在的不利影响；减小配钢率有利于改善转换柱的滞回性能和变形能力.

型钢混凝土；钢筋混凝土；混合结构；转换柱；破坏机理；剪力；共同工作

钢与混凝土组合结构是具有广阔应用前景的结构形式［1-6］.SRC-RC竖向混合结构是下部采用型钢混凝土（SRC）结构、上部采用钢筋混凝土（RC）结构的特殊结构形式.由于SRC-RC竖向混合结构仅在受力较大的底部楼层采用SRC构件，上部楼层继续使用RC构件，在改善结构抗震性能的同时并没有明显增加建筑成本，因此得到了较快的发展.早期的SRC-RC竖向混合结构采用图1（a）所示的整层过渡方式，型钢在梁柱节点位置处截断，阪神地震中此类结构产生了较为严重的震害［7］.近些年，国内外开始探索以层间转换的方式进行从下部型钢混凝土结构到上部钢筋混凝土结构的过渡，将型钢的截断位置选择在框架柱的柱身范围内，如图1（b）所示，并由此形成了型钢局部存在于柱身的特殊过渡构件，可称之为SRC-RC转换柱.SRC-RC转换柱作为承上启下的转换构件，其受力性能是决定结构抗震性能的核心因素，日本学者对其抗震性能进行了试验研究，但由于试件数量较少，尚无法全面掌握此类特殊转换构件的受力性能，深入的理论分析亟待进行［8-10］.由于型钢仅局部存在于SRC-RC转换柱的中下部，因此型钢的局部存在对转换柱的抗震性能具有怎样的影响，受力过程中型钢和混凝土如何实现共同工作，以及型钢在转换柱中合理延伸长度的确定等均为工程界普遍关心的问题.

图1 SRC-RC竖向混合结构过渡方式Fig.1 Transition modes of SRC-RC hybrid structures

本文通过16根SRC-RC转换柱试件的低周反复荷载试验，研究了型钢与混凝土之间的共同工作，建立了力学模型，分析了钢与混凝土之间的内力传递，为转换柱力学行为及抗震性能的研究提供理论基础与试验数据.

1 试验概况

1.1 试件设计与试验加载

共完成了16个SRC-RC转换柱试件和1个钢筋混凝土柱对比试件的低周反复荷载试验，试件采用统一剪跨比=L/（2h0）=2.5（其中L为试件高度，h0为截面的有效高度）.轴压比（n）与钢筋混凝土具有相同的计算方式，n=N/（fcA）.图2为试件的配钢与配筋，14号工字钢的配钢率为6.11%，10号工字钢的配钢率为4.08%，纵筋配筋率为2.28%，截面尺寸为220mm×160mm.表1给出了各试件的设计参数.更详实的试件概况可参考文献［11］.

图2 尺寸与配钢（单位：mm）Fig.2 Geometry and steel arrangement（Unit：mm）

表1 试件参数Table1 Parameters of the test specimens

试验采用“建研式”加载，采用荷载与位移双控制的加载制度.试验时先在柱顶由油压千斤顶施加轴压力到设定值，并通过WY30B-V型高精度液压稳压器控制竖向荷载在整个试验过程中恒定不变.试件达到屈服荷载前，采用荷载控制，每级荷载循环一次；试件达到屈服荷载后，以等幅位移增量控制，位移增量为屈服位移Δy，每级位移循环3次，直到试件破坏或水平荷载降至最大值的70%时试验停止.

1.2 试件破坏

剪跨比为2.5的试件，无论型钢混凝土柱或钢筋混凝土柱都以弯曲破坏为主，而SRC-RC转换柱较少出现弯曲破坏.顶端和底端抗弯能力的差异和抗剪能力沿柱身纵向的不均匀分布导致了强烈的剪切效应，型钢的局部存在是其根本原因.

图3给出了部分试件的破坏形态.虽然试件具有较大的剪跨比，剪切作用依然十分明显，大多数试件产生了剪切破坏，而箍筋配置对最终的剪切破坏方式有直接影响：箍筋数量较少的试件产生了大范围的剪切斜裂缝，贯通试件上部的钢筋混凝土部分，破坏方式类似于钢筋混凝土短柱的剪切破坏，如图3（a）所示；采取箍筋加密措施的转换柱试件表现出不同的破坏方式，破坏位置转移至柱顶部，虽然柱顶局部范围内的剪切裂缝受到箍筋的有效约束，未形成临界斜裂缝，但微小的裂缝依然将混凝土从内部分割成数块，混凝土的整体性遭到严重破坏，最终柱顶在轴力、弯矩和剪力的作用下破坏，试件丧失轴向承载能力，部分试件破坏后顶部残留混凝土呈现“榫头”状，如图3（b）所示.

图3 试件的破坏形态Fig.3 Failure patterns of specimens

2 剪力分配

水平力作用下，SRC-RC转换柱内部的剪力在型钢和混凝土之间进行分配，并且这种剪力的分配受到型钢和混凝土共同工作情况的影响.整个受力过程中，型钢与混凝土具有相同的侧移曲线υ（x），满足式（1）.如果同时考虑弯曲变形和剪切变形，式（2）即为υ（x）的一阶导数.将式（2）代入式（1），可得式（3）.

式中：θss、θc分别为型钢和混凝土的截面转角；Vss、Vc分别为型钢和混凝土承担的剪力；Ass、Ac分别为型钢和混凝土的截面面积；Gss、Gc分别为型钢和混凝土的剪切弹性模量；κ为切应变的截面形状系数，对工字型的型钢截面κss=Aw/Ass，对矩形的混凝土截面κc=1.2，Aw为型钢腹板面积.

虽然SRC-RC转换柱承受了较钢筋混凝土柱更大的剪切作用，但其剪切变形与弯矩变形相比依然很小，特别是对于剪跨比较大的试件，剪切变形可以忽略不计.当仅考虑弯曲变形时，θss=θc，型钢和混凝土按照式（4）进行剪力的分配：

其中：η为折减系数，用于考虑损伤造成的钢筋混凝土截面抗弯刚度的降低；EIss、EIc分别为型钢与混凝土截面的抗弯刚度.

由于在型钢表面密集设置了大量应变片，因此准确掌握了试验加载过程中型钢应力的发展变化及具体分布，并据此推算获得了型钢在不同荷载（P）等级下承受的最大弯矩和剪力.最大荷载作用下，各构件型钢分配到的剪力大小及其在抗剪承载力中所占的比例由表1给出.图4给出了试件S4-2在4个不同荷载等级下由式（4）确定的型钢剪力曲线，同时给出了型钢在不同荷载等级下实际分配到的剪力：外荷载为30 kN时，Vss为4 kN，折减系数η为0.70；荷载达到最大值时，Vss增长到33 kN，而η降低至0.25.

图4 试件S4-2的型钢剪力Fig.4 Shape steel shear force of specimen S4-2

3 共同工作机理

型钢与混凝土之间的剪力分配是两者之间共同工作的必然结果.在整个加载过程中，混凝土通过与型钢的共同工作（更准确地说是通过两者之间的相互挤压）将部分内力传递给型钢，迫使型钢承担部分外荷载作用，借以实现型钢与混凝土的协调变形.

3.1 应变分析

图5给出了具有不同型钢延伸长度试件型钢翼缘的应变分布图.

图5 型钢翼缘应变分布Fig.5 Strain distribution on flange of shape steel

SRC-RC转换柱由于型钢的局部存在导致反弯点的上移，大致位于0.55～0.65倍的柱高位置.对于型钢延伸长度系数ξ=0.4，0.6的试件，型钢弹性工作阶段翼缘应变呈线型分布，说明型钢截断位置处作用有与加载方向相同的剪力；对于ξ=0.8的试件，由于型钢延伸长度明显超过了反弯点，翼缘应变呈线二折线型分布，型钢截断位置处存在与加载方向相反的剪力，型钢柱身作用有与加载方向相同的剪力.

图6给出了不同长度型钢的受剪模型.图中，V1是水平荷载作用下型钢与混凝土为了实现剪力分配而产生的与加载方向相同的相互挤压力的水平分力；V2是型钢延伸长度超过反弯点时，由于型钢截面与混凝土截面曲率不协调而受到混凝土反向挤压力的水平分力.

图6 型钢受剪模型Fig.6 Shearmodel of shape steel

由图5的翼缘应变分布可知，柱底型钢翼缘可达到屈服状态，型钢承担的剪力的大小可由型钢的屈服弯矩与挤压合力作用高度的比值确定.对于延伸长度为0.8的转换柱试件，虽然型钢的实际长度较长，但V1与V2的合力作用位置相对降低，而两者的差值即为型钢承担的剪力值，因此型钢分配到的剪力较ξ=0.6的试件更大.受剪模型以试件SRC4-2-N为例建立了如图7所示的受剪模型，用于深入研究型钢与混凝土的共同工作问题.

混凝土通过与型钢的相互挤压将内力Pss传递给型钢，以实现型钢与混凝土共同工作，Vss和Nss为对应反力的水平分量和竖向分量，作用于钢筋混凝土.Vss对于钢筋混凝土而言相当于间接水平荷载作用于柱子截面的中部，使柱内部产生了水平方向的拉应力，降低了斜截面的抗剪承载能力，从而导致钢筋混凝土部分出现大倾角的剪切斜裂缝.图7（d）为型钢与混凝土剪力传递的桁架模型，混凝土通过一定数量的压杆将剪力传递给型钢，压杆的内力由箍筋和纵筋的拉力平衡，剪力的传递在横截面两个正交方向产生拉应力，图中Ts为纵筋的拉力，Tyv为箍筋的拉力，Pi为第i根压杆的内力，θi为第i根压杆与柱轴线的夹角.

压杆在箍筋与纵筋节点处沿柱轴线方向的分力需要纵筋的拉力平衡，因此纵筋在此节点两侧存在由压杆引起的内力突变d Ts，纵筋与混凝土交界面需要提供更多地粘结力，因此更容易导致钢筋和混凝土之间的粘结失效并产生相对滑移，粘结裂缝主要出现在钢筋混凝土部分.随着型钢延伸长度的增加，型钢与混凝土之间的粘结问题更为突出，粘结裂缝开始更多的出现在型钢混凝土部分.当型钢延伸长度增加到0.8倍的柱高时，部分试件出现了与型钢混凝土柱类似的粘结破坏，如图3（c）所示.

图7 SRC-RC转换柱内力传递模型Fig.7 Internal force transfermodel of SRC-RC transfer column

3.2 破坏分析

采用图8所示的莫尔-库仑破坏准则［12-13］.混凝土在剪应力和正应力的共同作用下，有主拉断裂破坏和剪切滑移破坏两种可能：当莫尔应力圆与竖段直线相切时则为主拉断裂破坏，图中以O1为圆心的实线圆表示；当莫尔应力圆与斜段直线相切时则为剪切滑移破坏，以O2为圆心的虚线圆表示.当转换柱配箍数量偏少时，将产生试件SRC4-2-N和S4-2-N的破坏形态，混凝土产生主拉断裂破坏，主拉应力成为控制应力，应力圆上的A点成为破坏面.增加转换柱的箍筋数量，转换柱的破坏位置转移至柱顶部，在较大的轴压力和水平方向箍筋的围压作用下混凝土产生剪切滑移破坏，剪切应力成为控制应力，出现试件S4-4和试件SRC4-2-JM的破坏形态.图3（d）给出了试件S4-4的破坏形态，应力圆上的B点成为破坏面，混凝土沿剪切破坏面产生相对滑移.

在以O1为圆心的实线圆中，C点为转换柱的横截面，坐标为（σ0，），σ0为横截面上的轴向压应力，为水平荷载产生的剪应力.如果定义柱轴线与主压应力迹线的夹角为θ（θ≤45°），则C点与A点的夹角为180°-2θ，θ越小，根据弹性力学可知对应面上的越小，相应的剪切破坏荷载就越低，因此主拉断裂破坏控制的破坏面与柱轴线的夹角应该是众多压杆中最小的.文献［14］给出θ的下限为cotθ=2，θ的最小值应为26.6°，这与试件SRC4-2-N和S4-2-N临界剪切裂缝的θ值基本一致.

图8 应力圆与莫尔-库仑破坏准则Fig.8 Stress circles and failure criterion of Mohr-Coulomb

型钢截断位置是压杆汇聚的区域，也是受力最为不利的位置，构件的剪切破坏将以此区域为起点并逐渐向上部发展.图9给出了试件SRC4-2-N的箍筋应变，荷载达到最大值以前箍筋应变值较小，达到最大荷载后临界剪切裂缝出现，与剪切裂缝相交的箍筋的应变值突然增大，并很快达到屈服.在整个加载过程中，型钢截断位置处的箍筋首先达到屈服并失效，随着加载的继续，型钢截断位置以上的箍筋由下至上相继受拉屈服，剪切裂缝的发展无法得到有效控制，斜裂缝贯通了整个钢筋混凝土部分，构件随即破坏.

图9 试件SRC4-2-N的箍筋应变Fig.9 Stirrups strain of specimen SRC4-2-N

4 箍筋加密与配钢分析

4.1 箍筋加密

为了避免出现试件SRC4-2-N和试件S4-2-N的“短柱型”破坏，对部分试件采用了必要的箍筋加密措施，包括型钢截断位置的局部加密和沿柱全高加密两种方式，均取得了较好的效果，试件的破坏方式发生了转变.

型钢与混凝土剪力分配依赖压杆的内力传递，因此压杆的数量和每个压杆进行内力传递的效果是影响剪力分配的主要因素.定义压杆传递的剪力与其内力的比值为剪力传递效率ψ，可由式（5）表示，表示压杆的单位内力所完成的剪力传递，式中Vi为第i根压杆传递的剪力值.型钢的剪力Vss可表示为式（6），m为压杆的数量.

在型钢截断位置处增加箍筋的数量从两方面改善了SRC-RC转换柱的受剪性能：配置更多的箍筋可以增加压杆的数量，每根压杆完成的剪力传递和相应产生的内力均减小；由于型钢截断位置处箍筋数量的成倍增加，局部范围内的压杆就可以满足剪力传递的要求，这样就增大了压杆θi的最小值，提高了剪力的传递效率，减小了压杆的内力，相应降低了型钢局部存在造成混凝土内应力畸变的不利影响.试验结果证明这样的配箍方式避免了“短柱型”破坏，破坏位置转移至柱顶部.

对于采用箍筋沿柱全高加密的SRC-RC转换柱，箍筋数量的成倍增加虽然无法避免柱顶部的剪切破坏，但试件的抗震性能却得到了很好的改善，承载能力和变形能力均超过了钢筋混凝土柱，图10给出了SRC-RC转换柱的骨架曲线.

图10 SRC-RC转换柱的骨架曲线Fig.10 Skeleton curves of SRC-RC transfer columns

4.2 配钢分析

图11给出了部分试件的滞回曲线.当箍筋数量较少时，配钢率对转换柱滞回性能的影响较大，具有较大配钢率的转换柱试件SRC4-2-N，其滞回曲线的“捏拢”现象较试件S4-2-N更为明显，整个加载工作中试件强度衰减现象严重，变形能力很差.增加箍筋的数量可以减小配钢率的影响，采用箍筋沿柱全高加密转换柱的抗震性能受配钢率的影响较小.

图11 SRC-RC转换柱的滞回曲线Fig.11 Hysteretic loops of SRC-RC transfer columns

配钢率较大的转换柱试件，需要更多的箍筋来增加压杆的数量，用于有效实现型钢与混凝土之间的剪力传递，减缓型钢的局部存在对转换柱造成的不利影响，因此箍筋加密对延性的改善效果非常明显；配钢率较小的转换柱试件，由于型钢分配的剪力偏小，少量的压杆就能够完成剪力的传递，箍筋数量的增加对滞回性能的改善效果相对较弱，但更多的箍筋可以有效约束剪切裂缝的发展，改善滞回曲线的“捏拢”现象和强度衰减问题，使骨架曲线的下降段更加平缓.

5 结语

通过对16个SRC-RC转换柱试件和1个钢筋混凝土对比试件的低周反复荷载试验，得出以下主要结论：

（1）混凝土通过与型钢的相互挤压将内力传递给型钢，以实现型钢与混凝土的共同工作，与之相对应的作用于钢筋混凝土的反力使柱内部产生了水平方向的拉应力，降低了斜截面的抗剪承载能力，从而导致钢筋混凝土部分出现大倾角的剪切斜裂缝.

（2）在型钢与混凝土的相互作用过程中，混凝土截面抗弯刚度随着荷载的增大丧失迅速，型钢分配到的剪力成倍增加；型钢剪力的大小对SRC-RC转换柱的位移延性系数有直接影响；配钢率较大的转换柱试件，型钢分担了更多的剪力.

（3）型钢截断位置是压杆汇聚的区域，也是受力最为不利的位置，构件的剪切破坏将以此区域为起点并逐渐向上部发展；在整个加载过程中，型钢截断位置处的箍筋首先达到屈服并失效，随着加载的继续，型钢截断位置以上的箍筋由下至上逐一受拉屈服，直到试件破坏.

（4）对部分试件采用了必要的箍筋加密措施，包括型钢截断位置的局部加密和沿柱全高加密两种不同的方式，均取得了不错的效果，试件的破坏方式发生了转变，避免了大范围剪切斜裂缝的出现；试验结果证明，箍筋数量的增加可以有效改善SRC-RC转换柱的抗震性能.

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Cooperation of Shape Steel and Concrete in SRC-RC Transfer Column

Wu Kai1Xue Jian-yang2Zhao Hong-tie2
（1.College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；2.School of Civil Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，Shaanxi，China）

Steel reinforced concrete-reinforced concrete（SRC-RC）vertical hybrid structure is a special form with steel-reinforced concrete（SRC）columns in bottom floors and reinforced concrete（RC）columns in upper floors. SRC-RC transfer columns in the special hybrid structure are used to link the SRC columns below and the RC columns above.As shape steel partially exists in SRC-RC transfer columns，the cooperation problem between the shape steel and the concrete is serious，which causes SRC-RC transfer columns to fail in special patterns.In the investigation，by the low-cycle reversed loading experiments of sixteen SRC-RC transfer columns and one reinforced concrete column，the cooperation between the shape steel and the concrete is discussed and amechanicsmodel is constructed.The results show that（1）the proposed mechanicsmodel can preferably illuminate the transmission of internal force between the shape steel and the concrete and can be used to analyze the failuremechanism of SRCRC transfer columns；（2）with the increase of the ratio of shape steel area to section area，the shape steel bears more shear force and the damage of the concrete ismore serious during the whole loading process；and（3）for some specimens，doubling the amount of stirrup at the area where shape steel is discontinuous or doubling the amount of stirrup all over the column both can obtain a better effect，and the incrementof stirrup can relieve the partially-existed adverse effect of shape steel effectively；and（4）diminishing the ratio of shape steel area to section area helps improve the hysteretic performance and deformation ability of specimens.

steel-reinforced concrete；reinforced concrete；hybrid structure；transfer column；failuremechanism；shear force；co-play

TU398

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.07.011

1000-565X（2015）07-0075-09

2014-12-22

国家自然科学基金资助项目（51208175，50978217）；中国博士后科学基金资助项目（2012M511186）

Foundation items：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51208175，50978217）and China Postdoctoral Science Foundation（2012M511186）

伍凯（1980-），男，博士，副教授，主要从事钢结构、钢与混凝土组合结构的研究.E-mail：wukai19811240@163.com