密柱-钢板深梁结构抗震性能试验研究

董宏英 张力嘉 曹万林 乔崎云 刘恒超

(北京工业大学建筑工程学院, 北京 100124)



密柱-钢板深梁结构抗震性能试验研究

董宏英 张力嘉 曹万林 乔崎云 刘恒超

(北京工业大学建筑工程学院, 北京 100124)

提出了一种内藏密柱-钢板深梁混凝土组合剪力墙,密柱-钢板深梁为其核心钢构．为研发高性能密柱-钢板深梁结构,对4个具有不同设计参数的试件进行了低周反复荷载试验．试件的密柱分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土、工字钢3种截面,钢板深梁分为Q235，Q345两种钢材,试件剪跨比为1.5．基于试验,分析了各试件的承载力、刚度及退化过程、延性、滞回特性、耗能、损伤与破坏过程,提出了密柱-钢板深梁结构承载力计算模型,计算结果与实测结果符合较好．研究结果表明:“强密柱、弱钢板深梁”型结构可实现延性屈服机制;密柱截面用钢量相同时,采用圆钢管混凝土密柱的结构性能最好;与采用Q345钢板深梁的结构相比,采用Q235钢板深梁的结构虽承载力略小但延性更好;密柱-钢板深梁结构具有良好的抗震性能和延性屈服机制．

密柱-钢板深梁;低周反复荷载试验;抗震性能;承载力计算

地震区复杂高层建筑抗震设计对高性能的钢-混凝土组合剪力墙提出了较高的要求．为提高剪力墙的抗震性能,国内外学者进行了较多的研究．聂建国等[1-2]对低剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙、方钢管混凝土暗柱内嵌钢板-高强混凝土组合剪力墙的抗震性能进行了一系列试验研究．吕西林等[3]对16个内置钢板钢筋混凝土剪力墙进行了抗震性能的研究,并且拟合出内置钢板钢筋混凝土剪力墙的受剪承载力计算公式．崔龙飞等[4-5]研究了内置钢板与内置钢桁架混凝土组合剪力墙抗震性能对比以及不同钢-混凝土组合剪力墙抗震性能．蒋欢军等[6]对新型的抗震耗能剪力墙地震耗能计算进行了推导并进一步优化分析,得出了耗能效果与刚度强度的关系．Kharmale等[7]提出了一种刚性梁柱节点剪力墙的塑性设计方法,通过设定一种特殊延性和优选的屈服机制,对重力二阶效应进行了必要的补充改进．在本课题组研究钢管混凝土边框内藏钢板剪力墙抗震性能与损伤加固的基础上[8],本文提出了一种内藏密柱-钢板深梁混凝土组合剪力墙,该组合剪力墙的核心钢构为密柱-钢板深梁结构．研究该组合剪力墙抗震性能的首要问题是揭示密柱-钢板深梁结构的抗震机理．针对4个具有不同密柱截面形式和不同钢板深梁材料强度试件进行低周反复荷载试验,研究其抗震性能．密柱选用方钢管混凝土、圆钢管混凝土、工字钢3种不同截面,钢板深梁选用了Q235和Q345两种不同材料．分析了不同参数对试件承载力、刚度及退化过程、延性、滞回特性、耗能、损伤与破坏过程的影响．基于试验,提出了力学计算模型．

1 试验

1.1 试件设计

设计了4个1/5缩尺密柱-钢板深梁结构试件,柱距在1～3 m之间的柱称为密柱,跨高比小于2的简支梁或跨高比小于2.5的多跨连续梁称为深梁;试件剪跨比均为1.5．试件F-1和试件F-3均为方钢管混凝土密柱-钢板深梁结构,前者钢板深梁为Q235钢材,后者钢板深梁为Q345钢材;试件F-2边柱为圆钢管混凝土密柱-钢板深梁结构,中柱为方钢管混凝土柱,钢板深梁为Q235钢材;试件F-4为工字型钢密柱-钢板深梁结构,钢板深梁为Q235钢材．试件均设置3道钢板深梁．试件模型几何尺寸见图1．

方钢管混凝土柱采用□140 mm×140 mm×4 mm方钢管,圆钢管混凝土柱采用○160 mm×5 mm圆钢管,均采用Q345无缝钢管制作;工字钢柱由Q345钢板焊接而成．试件密柱用钢量相同,钢板深梁高160 mm、厚4 mm,插入钢管柱腔体内并与之焊接,或直接与工字钢柱焊接．

4个试件采用同批C45细石混凝土浇筑,实测弹性模量为32.8 GPa,立方体抗压强度为45.3 MPa．实测钢材力学性能见表1．

表1 钢材力学性能

1.2 试验方案与测点布置

本试验在北京工业大学工程结构试验中心完成．试件加载装置见图2(a),加载现场照片见图2(b)．本试验采用低周反复荷载的加载方式,首先在加载梁顶部施加一竖向荷载1 000 kN保持不变,水平荷载由水平拉压千斤顶施加,加载点位于加载梁中点,距试件基础顶面的距离为1 110 mm．4个试件全部采用荷载和位移联合控制的方式进行加载,即在试件屈服之前采用荷载控制加载,屈服之后采用位移控制加载．距离基础顶面1 110 mm处布置电子位移计,基础侧面布置电子百分表,钢管混凝土边柱距基础顶面210 mm处布置电子百分表,分别接IMP应变数据采集系统采集试验数据．竖向和水平荷载传感器接IMP数采系统监测竖向荷载和记录水平荷载值．

应变片布置在钢管柱上下两端的4个角部、钢板深梁四角及中部．应变片通过IMP数采系统采集．试验损伤和破坏现象通过人工观测．

2 试验结果及分析

2.1 破坏特征

试件破坏形态见图3,实测各试件破坏及损伤过程如下．

1) 试件F-1．当荷载加至负向240 kN(即极限荷载的83.5%)时,受压侧的钢管混凝土柱下端出现鼓包,高度约2 mm;加载至298.79 kN(即位移角为1/50)时,钢板深梁全部屈曲,达到极限荷载,荷载随后开始下降;随着位移的逐渐增大,承载力逐渐下降,钢板深梁与柱的连接处开始撕裂,整体的斜向鼓起变为平行四边形,试件最终破坏形态见图3(a)．

(a) 试件F-1

(b) 试件F-2

(c) 试件F-3

(d) 试件F-4

(a) 加载装置(单位：mm)

(b) 加载现场

(a) 试件F-1

(b) 试件F-2

(c) 试件F-3

(d) 试件F-4

2) 试件F-2．加载至正向280 kN时,受拉柱底部与基础顶面处出现缝隙;加载至312 kN(即极限荷载的86.7%)时,中柱受压角部出现鼓起约2 mm,下部受压侧钢板发生平面外屈曲;加载至极限荷载360 kN时,钢板深梁全部出现平面外屈曲,中柱受压角部出现4 mm鼓包;加载结束时位移为56 mm,位移角达到1/20,下部爆皮现象严重,钢板深梁平面外屈曲达到40 mm,与柱的连接部位撕裂30 mm．最终破坏形态见图3(b)．

3) 试件F-3．当加载至正向261 kN(即极限荷载的85.2%)时,受压柱下侧角部出现鼓包;加载至极限荷载305 kN时,受压边柱外侧角部鼓起5 mm,钢板深梁均出现平面外屈曲,变形高度最大达到4 mm;当荷载下降至178 kN时,受压柱开裂达到20 mm,混凝土压碎外露,钢板深梁屈曲严重,角部撕裂最大达70 mm．试件最终破坏状态见图3(c)．

4) 试件F-4．当加载至正向191 kN时,钢板深梁均出现屈曲,最大可达4 mm;加载至极限荷载234 kN时,边柱柱角弯曲变形屈曲达到4 mm;随着位移与荷载的不断增加,工字钢柱和钢板变形逐渐加大,至破坏时边柱受压部分爆皮严重,翼缘屈曲达到12 mm,钢板深梁屈曲严重．试件最终破坏状态见图3(d)．由图可知,4个试件均出现钢板严重屈曲现象,若内藏在混凝土中,会抑制屈曲效果．

2.2 承载力、位移和刚度退化

实测所得试件正负两向屈服荷载均值Fy和正负两向极限荷载均值Fu见表2．各试件加载点高度处水平位移实测值及延性系数实测值见表3．由表可知,与试件F-1相比,试件F-2的屈服荷载均值提高了18.7%,极限荷载均值提高了18.9%,水平最大位移和延性系数略有提高;与试件F-3相比,试件F-2的屈服荷载和极限荷载实测值均有较大提高．这表明边框柱截面形式的不同对结构承载力影响较大,圆形边框柱对承载力提高较为明显．与试件F-3相比,试件F-1的承载力略有降低,延性系数略有提高,表明钢板深梁材料强度的不同对结构的承载力和延性有一定影响．

表2 屈服荷载和极限荷载均值

表3 水平位移及延性系数实测值

注:Uy为试件达到明显屈服时正负两向水平位移均值;Ud为荷载下降至极限荷载85%时对应的位移(对于试件F-4,则为试验结束时的位移);θp为弹塑性位移角;μ=Ud/Uy为延性系数．

试件的刚度实测值及其衰减系数见表4．实测所得各试件的刚度K-位移角θ关系曲线见图4．

由表4和图4可知:① 各试件的刚度退化逐渐变慢,并随变形的加大逐渐趋于直线．② 与试件F-1相比,试件F-2的初始弹性刚度和屈服刚度分别增大了12.7%和6.1%,而试件F-4则分别下降了15.7%和8.2%,说明不同的边框密柱形式对试件刚度有较大影响,圆钢管混凝土柱-钢板深梁结构的刚度较大;试件F-3与试件F-1相比,初始弹性刚度和屈服刚度提高较小,表明不同的钢板深梁材料对结构刚度影响较小．③ 试件F-2的刚度退化系数比试件F-1减小了6%,表明圆形边框密柱的刚度退化速度更快．

表4 刚度实测值及其衰减系数

注:Ko为试件初始弹性刚度均值;Ky为试件屈服时割线刚度;βyo=Ky/Ko为从初始弹性到明显屈服时的刚度衰减系数．

图4 K-θ关系曲线

2.3 耗能和滞回特性

实测所得各试件水平荷载F-水平位移U关系曲线见图5,其骨架曲线见图6．试件F-4由于试验设备原因,加载至水平位移30 mm处停止．由图可知:① 与试件F-4相比,试件F-1、试件F-2和试件F-3的滞回环更饱满,承载力更高,钢管混凝土密柱-钢板深梁结构耗能能力更强．② 试件F-1与试件F-3的滞回曲线基本相同,说明钢板深梁钢材强度的不同对耗能能力有一定影响．

(a) 试件F-1

(b) 试件F-2

(c) 试件F-3

(d) 试件F-4

图6 骨架曲线

各试件的耗能实测值见表5．根据滞回曲线,利用积分求得试件破坏时的累积面积之和,以此作为实际耗能．

表5 耗能实测值

注:he为等效黏滞阻尼系数;E0.02为1/50位移角(位移为22 mm)时的耗能值.

由表可知,试件F-2与试件F-1相比,1/50位移角时耗能值E0.02提高了10.2%,破坏时弹塑性耗能值EP提高了36.2%,表明圆钢管试件耗能性能优于方钢管试件;试件F-4与试件F-1相比,1/50位移角时耗能值下降了25.3%,表明工字钢试件的耗能能力低于钢管混凝土试件．由此可知,圆钢管混凝土密柱-钢板深梁结构的抗震性能优于方钢管边框柱结构和工字钢边框柱结构．

根据《结构抗震试验》[9]规定,可以用he来评定结构耗能能力,计算简图见图7,计算式为

(1)

式中,SCBA+CDA为滞回环面积,表示试件在一个循环过程消耗的能量;SEOB+FOD为滞回环卸载点到横坐标轴之间三角形的面积．

图7 he计算示意图

由表5可知, 4个试件的等效黏滞阻尼系数均达到0.3以上,耗能能力较好．

3 承载力计算

3.1 承载力模型

根据试验,建立了钢管混凝土密柱-钢板深梁结构承载力计算简化模型(见图8)．图中,Fh为加载时水平推力;N为加载时轴力;NLc,NMc,NRc分别为左柱、中柱、右柱分配的轴力;FLc,FMc,FRc分别为左柱、中柱、右柱承担的水平推力;MLc,MMc,MRc分别为左柱、中柱、右柱承担的极限弯矩;Vi为第i道钢板深梁的剪力;H为密柱-钢板深梁结构柱的高度;b为密柱-钢板深梁结构柱的宽度;L为钢板深梁的宽度;h为钢板深梁的高度．

模型的基本假定如下:① 密柱-钢板深梁结构柱底部为固定端,上部为无转角的水平滑动支座;② 密柱-钢板深梁结构各柱的竖向荷载分配按柱顶的面积比分配;③ 密柱-钢板深梁结构柱截面变形符合混凝土结构中的平截面假定,忽略钢管柱内受拉区混凝土的抗拉作用;④ 钢板深梁的反弯点位于跨中界面,受弯剪达到屈服;⑤ 密柱-钢板深梁结构柱的上下柱端钢板均受压弯屈服.

(a) 整体模型图

(b) 左柱

(c) 中柱

(d) 右柱

3.2 承载力计算

由2.2节和2.3节可知,钢管混凝土密柱-钢板深梁结构达到极限承载力时,柱的上下端截面均达到极限弯矩,形成塑性铰．根据结构力学和承载力模型的平衡条件,可分别得到密柱-钢板深梁结构柱各自分配的水平荷载．

对左柱底形心取矩可得

(2)

对中柱底形心取矩可得

(3)

对右柱底形心取矩可得

(4)

钢板深梁剪力为

V=γfvht

(5)

式中,γ为钢板深梁抗剪强度修正系数,一般取0.7～0.8,本文建议取0.75;fv为钢板深梁的抗剪强度设计值;t为钢管的管壁厚度．

钢管混凝土密柱-钢板深梁结构整体水平承载力为

Fh=FLc+FMc+FRc

(6)

钢管混凝土密柱-钢板深梁结构的密柱截面类型包括方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱形和工字型钢柱．极限弯矩计算中,钢材应力-应变关系采用理想弹塑性模型,混凝土应力-应变关系采用规范[10]建议的模型．

3.3 计算值与实测值的比较

根据3.1节和3.2节中的承载力计算模型和公式,得到各钢管混凝土密柱-钢板深梁试件的承载力,与实测值的比较见表6．由表可知,计算值与实测值基本符合,表明承载力简化模型适用于此类构件的计算分析．

表6 钢管混凝土试件承载力计算值与实测值比较

4 结论

1) 提出的密柱-钢板深梁结构具有良好的抗震性能．钢板深梁与密柱设计参数应合理匹配,以实现“强密柱、弱钢板深梁”的延性屈服机制．

2) 密柱截面类型对密柱-钢板深梁结构抗震性能有明显影响．截面用钢量相同时,圆钢管混凝土密柱性能优于方钢管混凝土密柱和工字钢密柱．

3) 钢板深梁材料对密柱-钢板深梁结构抗震性能有一定影响．与Q345钢板深梁试件相比,Q235钢板深梁试件的承载力略小、延性更好．

4) 密柱-钢板深梁结构作为型钢混凝土剪力墙的核心钢构,具有良好的抗震性能．

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[9]朱伯龙. 结构抗震试验 [M]. 北京:地震出版社,1989:140-141.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

Experimental study on seismic behavior of structure with dense columns-deep steel plate beams

Dong Hongying Zhang Lijia Cao Wanlin Qiao Qiyun Liu Hengchao

(College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

The composite concrete shear wall embedded with dense columns-deep steel plate beams as the core structure was proposed. In order to investigate a high-performance structure with dense columns-deep steel plate beams, low cyclic loading experiments were carried out on four specimens with different design parameters. Three section styles, including concrete filled square steel tube column, concrete filled circular steel tube column, and I-section steel column, were adopted for dense columns. The steel strengths of deep beams included two grades, Q235 and Q345. The shear span ratios of all the specimens were 1.5. Based on the experiments, the load-bearing capacities, stiffness and deterioration processes, ductilities, hysteretic behaviors, energy dissipations, damage and failure processes of specimens were analyzed. The load-bearing capacity calculation model was established, and the calculation results were in good agreement with the test results. The investigation results show that the structure with “strong columns and weak deep steel plate beams” can achieve the ductile yield mechanism. Among three types of dense columns with the same steel consumption, the structure with circular steel tube columns has the best seismic performance. Compared with the structure of Q345, the structure with steel deep beams of Q235 has better ductility in spite of lower load-bearing capacity. The structure with dense columns-deep steel plate beams has good seismic performance and shows good ductile yield mechanism.

dense columns-deep steel plate beams;low-cycle loading experiment;seismic behavior;load-bearing capacity calculation

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.024

2014-12-24. 作者简介: 董宏英(1966—)，女，博士，副教授， donghy@bjut.edu.cn.

北京市自然科学基金资助项目(8122004)、“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAJ13B02).

董宏英,张力嘉,曹万林,等.密柱-钢板深梁结构抗震性能试验研究[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(3):550-556.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.024

TU398

A

1001-0505(2015)03-0550-07