矩形钢管高强混凝土框架抗震性能分析

管民生 ，黄献奇 ，杜宏彪 ，张金刚

（深圳大学土木工程学院，广东 深圳 518060）

矩形钢管混凝土结构具有承载能力高、延性好、耗能能力强的优点[1]，同时，相比圆钢管混凝土，其节点构造简单，与梁连接方便，在高层以及超高层建筑中得到了较为广泛的应用[2-5].目前有关矩形钢管混凝土结构的研究主要集中于构件[6-8]和节点[9-11]的基本力学性能和抗震性能，对结构体系抗震性能的研究还很少.在结构体系层次的试验研究主要以单层单跨框架结构为主[12-13]，多层框架结构试验严重偏少.另一方面，试验用的混凝土材料主要集中于中低强度等级[12-15]，高强混凝土框架的试验较少.

将高强混凝土应用于钢管混凝土结构，通过钢管的约束作用，使高强混凝土处于三向受压状态，脆性得到改善，同时充分利用其高承载力，可节省建筑材料用量，有重要的经济价值.本文采用内隔板式节点，设计制作了一榀单跨两层矩形钢管高强混凝土框架结构试件，钢管内填C100 高强混凝土，对试件进行低周反复荷载试验，分析了矩形钢管混凝土框架的破坏形态与破坏机制，研究了模型试件的抗震性能.在试验研究的基础上，利用Perform-3D 有限元软件对试验框架进行参数分析，综合评估其抗震性能，为矩形高强混凝土框架抗震设计提供参考.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

设计了一榀单跨两层矩形钢管高强混凝土框架试验构件，考虑了实验室场地条件及设备加载能力，根据相关规范规程的条文要求[16-17]，将实验模型按照原尺寸进行1∶3 的比例缩放.如图1所示，试验构件为跨度1.5 m、层高均为0.9 m 的单跨双层试件.矩形钢管柱由厚度为8 mm 的Q345B 的钢板焊接而成，截面尺寸为150 mm×200 mm，钢管内填C100 高强混凝土，钢梁使用Q235B 的普通工字型钢I20a[4]，钢材和混凝土的力学性能分别如表1、2所示.为了便于施加轴向荷载以及减小千斤顶加在柱顶的轴向力对顶层节点转动的影响，试件顶部设计高出第二层钢梁顶面100 mm.

试件底部与基础梁连接且整体浇筑.基础梁长3 500 mm，截面尺寸为400 mm × 600 mm，采用C45商品混凝土，浇筑前通过放置PVC 管预留5 个孔洞，待养护完成后，采用5M56* 1560（Q235）等级的7 字地脚螺栓固定于结构试验大厅的地板上，并根据计算超配一定数量的钢筋，以保证提供足够的刚度和强度.

试件梁柱节点采用内隔板式节点，工字型钢梁上下翼缘与矩形钢管柱侧边焊接，腹板通过8.8 级4M24* 70 高强螺栓与矩形钢管柱外两竖向焊接钢板连接，工字型钢梁端部弯矩和剪力分别通过矩形钢管柱内上下隔板与柱外竖向焊接钢板传递到柱中，如图1所示.

1.2 加载制度和测量内容

本试验在深圳大学土木工程学院结构试验大厅进行，采用SERVOTEST 拟动力水平加载设备和竖向加载装置进行加载.试验时，矩形钢管混凝土框架试件基础梁通过5 个地脚螺栓固定于结构试验大厅地下室顶板，保证其不发生侧向移动.

试验轴向力分别由2 个液压千斤顶施加在矩形钢管混凝土框架两侧柱顶，竖向千斤顶与反力架横梁间设置了滚轴装置，以保证在施加水平侧向力时，竖向千斤顶作用点始终保持在柱顶中心.设计轴压比n= 0.3，竖向轴力根据柱轴压比确定，n=N0/Nu，即为试验时施加于钢管柱顶的轴压力N0与矩形钢管高强混凝土柱极限轴压承载力Nu的比值，由此，计算可得轴向压力为1 000 kN，由千斤顶施加于柱顶，并维持恒定不变.

试验水平力由SERVOTEST 作动器施加在框架顶层，加载方向沿顶层梁的中心线，SERVOTEST 作动器固定在反力墙上，由两块加载板和4 根螺杆与试件顶层连接以提供拉压作用力.

图1 矩形钢管高强混凝土框架结构模型及内隔板式节点Fig.1 Model of the RHCFT frame specimen and joint with inner diaphragm

表1 钢材材料性能实测值Tab.1 Measured values of mechanical properties of steel

表2 混凝土材料性能实测值Tab.2 Measured values of mechanical properties of concrete

试验加载采用循环往复加载方式，按照位移控制模式分级进行.根据《建筑抗震试验方法规程》[18]：屈服前，每级荷载循环1 次；屈服后，每级荷载循环3 次.试验时，先施加轴向力至预定数值后保持不变，然后施加往复水平荷载.

试验过程中，主要量测内容包括：（1）各级水平荷载的大小；（2）各层位移；（3）监控试件平面外扭转；（4）工字型钢梁截面应变；（5）柱控制截面应变；（6）节点核心区三向应变.其中竖向轴力和水平侧向力均通过力传感器感应输出，位移和应变分别通过布设位移计和粘帖应变片测量，相关数据信息均由计算机通过东华3816N 静态采集箱采集.

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程与破坏形态

加载初期，水平位移加载值较小，试件没有明显变化.试件加载过程中，定义对构件施加水平推力为正向加载，对构件施加水平拉力为负向加载.当水平位移反向加载至7.24 mm 时，靠近加载端一侧底层梁端屈服；当水平位移正向加载至8.15 mm 时，远离加载端一侧底层梁端屈服，表明此时试件进入了屈服阶段，屈服位移 Δy= 8.15 mm，构件屈服后，以框架屈服时顶端层梁端位移的0.5 倍为级差进行加载；当水平位移反向加载至 4Δy时，试件达到反向峰值荷载 -341.64 kN，正向加载至 4.5Δy时，试件达到正向峰值荷载375.57 kN，在此过程中，底层、顶层梁端出现鼓曲现象，从近加载端到远离加载端的柱脚先后屈服；水平位移加载至 5Δy时，梁端上下翼缘鼓曲程度加重，混凝土被压碎；水平位移加载到 6 .5Δy，柱脚焊缝开裂，四侧钢板严重外鼓，柱内压碎混凝土外露，远离加载端一侧柱脚情况更为明显.此时，正、反向荷载下降至约峰值荷载的85%，试验结束.

由此可见，试件破坏形态为强柱弱梁机制，通过梁端屈服形成塑性铰耗散能量，避免或推迟柱端出现塑性铰，从而有效防止结构破坏倒塌.试件典型破坏形态如图2所示.

2.2 滞回曲线

矩形钢管高强混凝土框架底层和顶层荷载-位移滞回曲线见图3.从图中可知：滞回曲线形状饱满，呈梭形，表明结构具有很强的耗能能力.在试件屈服前，荷载与位移近似为线性关系，加卸载曲线接近重合，无残余变形；试件屈服后，荷载-位移曲线呈非线性，滞回环面积扩大，耗能能力加强.同时，残余变形明显增加；至峰值荷载后，试件滞回环面积进一步扩充，说明其耗能能力明显增强.这时，残余变形增长幅度更趋显著；随着水平位移加载持续进行，同级循环中，试件刚度退化较为明显，直至试件承载力降低至85%峰值荷载，试验结束.

图3 试件滞回曲线Fig.3 Hysteretic curves of the testing specimen

试验过程中，因鲍辛格效应，在同级循环中，试件正向荷载要大于反向荷载，导致正、反向滞回曲线不对称.依据滞回曲线加、卸载曲线斜率变化可知，试件出现了刚度退化，而且，随着加载的持续进行，刚度退化趋势更为明显.

通过滞回曲线分析表明，矩形钢管内填高强混凝土，高强混凝土的脆性因钢管的约束作用得到有效改善；同时，内填高强混凝土对钢管壁的支撑作用提高了钢管的几何稳定性，可以延缓或避免钢管过早发生屈曲，使得各自材料性能得到了充分利用.由此所组成的结构具有承载力高、延性好和耗能能力强的优点.

2.3 骨架曲线

图4为矩形钢管高强混凝土框架顶层荷载-位移骨架曲线.从图中可知：试件从开始加载到屈服前大致处于线弹性阶段，刚度维持不变；屈服后，位移增幅快于荷载增幅，曲线逐步偏向位移轴，刚度出现了一定程度退化，结构塑性变形增大的同时承载力稳步提高，峰值荷载均值为屈服荷载的1.68 倍；到达峰值荷载后，试件承载力缓慢下降，并在发生较大水平位移时仍能保持一定的承载能力，显示出了良好的抗倒塌性能.

图4 试件骨架曲线Fig.4 Backbone curve of the specimen

表3为试件层间变形与延性情况.从表3可知，矩形钢管高强混凝土框架具有很强的变形能力.试验中，顶层和底层极限层间位移角最大分别达到1/30 和1/27，相比较《建筑抗震设计规范》[19]规定的限值分别提高了66.7%和85.2%，充分说明了高强混凝土的脆性受矩形钢管的约束作用而得到极大改善.对于正、反向加载，试件的层间位移延性差异很小，延性系数在6.17～6.40 之间，满足《建筑抗震设计规范》[19]规定框架延性系数不小于4 的要求，试件顶层和底层最大延性系数分别超出了规定限值的58.5%和60.0%，表明了矩形钢管高强混凝土框架延性很好，具有优越的抗震性能.

表3 试件层间变形与延性Tab.3 Values of interstorey deformation and ductility for the specimen

2.4 刚度退化

图5为矩形高强钢管混凝土框架刚度退化曲线.从图中可知，前期试件刚度衰减速度较快，后期刚度退化曲线变化幅度较为平缓.原因在于：前部分加载，混凝土开裂及其裂缝开展、钢管屈服等因素导致前期刚度衰减幅度较大；加载后期，混凝土的横向应变大于钢管的横向变形，钢管对混凝土形成了有效约束，从而导致后期刚度退化曲线变化趋于平缓.

图5 试件刚度退化曲线Fig.5 Stiffness degradation curve of the specimen

2.5 耗能能力

结构滞回耗能是评估结构抗震性能的重要指标，本文采用循环往复加载试验中单级循环滞回耗能与总累积滞回耗能的比值定量分析各级循环加载试件的耗能大小，如表4所示，并可得到试件屈服点、峰值荷载点和极限荷载点处的能量耗散系数分别为0.47、1.01、1.48.可以看出，随着水平位移加载增大，耗能比值增大，说明试件耗散能力逐步增强；试件特征点处的能量耗散系数也呈现出了与耗能比值较为一致的变化趋势，处于峰值荷载点和极限荷载点的能量耗散系数较屈服时能量耗散系数显著增大.由此表明了矩形钢管高强混凝土框架具有优秀的耗能性能.

表4 试件各级滞回耗能与耗能比Tab.4 Ratios of hysteretic energy of each loading cycle to total cumulative hysteretic energy for the specimen

3 有限元分析

在试验的基础上，利用Perform-3D 软件对矩形钢管高强混凝土框架试件进行有限元分析，进一步完善矩形钢管高强混凝土框架的研究.

在Perform-3D 中，梁截面采用简化的分层纤维模型，可用于单向弯矩作用下的截面非线性分析，柱截面包含钢材和混凝土纤维，通过沿截面高、宽方向坐标定位，用于在轴力和双向弯矩作用下的非线性分析，考虑柱双向弯曲和受压变形的耦合作用，梁、柱构件中间段均设为弹性段，两端设为塑性区段[20].

钢管混凝土中材料包含混凝土、钢材，本文选用经过验证具有良好准确性的本构.钢管采用双线性随动强化本构模型，超高强混凝土C100 则采用韩林海[1]提出的核心混凝土的应力-应变本构模型，在Perform-3D 中，非线性材料本构一般采用简化的五折线型骨架曲线，如图6所示.

图6 材料本构模型Fig.6 Constitutive models of materials

3.1 模拟结果与试验结果对比

按以上所述建模，将用Perform-3D 得到框架轴压比n= 0.3 的骨架曲线与试验进行对比，如图7所示.可以看出：从整体上看，两种曲线的吻合程度较好.在弹性阶段，钢管与混凝土变形都比较小，重力二阶效应不明显，两者非常接近；试件屈服后，相同加载位移值下数值模拟曲线对应荷载值始终大于试验曲线对应值，其中数值模拟屈服位移为8 mm 左右，试验屈服位移为8.15 mm，对应屈服荷载分别为260.00 kN 及236.21 kN；达到曲线峰值后，数值模拟曲线峰值荷载为385.24 kN，试验曲线对应峰值荷载为375.57 kN.

图7 模拟骨架曲线与试验骨架曲线对比Fig.7 Comparison of FEM and experimental backbone curves

由于试验过程中轴向力并非理想状态下完全恒定不变以及软件对节点区的模拟功能欠缺，导致误差的出现，而随后在试验中出现焊缝开裂现象，这也是软件所未能考虑的，因此导致模拟曲线与试验曲线的偏差.

3.2 参数拓展分析

3.2.1 轴压比

用Perform-3D 模拟不同轴压比下的矩形钢管高强混凝土框架结构，结果如图8、9 所示.轴压比对框架的骨架曲线形状影响较大.当轴压比较小（n＜ 0.6）时，框架的下降段较平缓，当轴压比增大至0.6以上，曲线出现了较明显的下降段，并且随着轴压比的增大，框架下降段越来越陡.

图8 不同轴压比下试验框架骨架曲线（Q345）Fig.8 Backbone curves of frame structure under various axial load ratio (Q345)

图9 不同轴压比下试验框架骨架曲线（Q235）Fig.9 Backbone curves of frame structure under various axial load ratio (Q235)

3.2.2 钢材屈服强度

用Perform-3D 模拟不同钢材屈服强度下的矩形钢管高强混凝土框架结构，结果如图10所示.试验框架骨架曲线形状受钢材屈服强度影响较小，不同钢材屈服强度下骨架曲线弹性阶段基本重合，而试验框架屈服弯矩、峰值荷载及位移随钢材屈服强度的提高而增加.

3.2.3 水平侧向力加载模式

用Perform-3D 模拟不同水平加载模式下的矩形钢管高强混凝土框架结构，结果如图11所示.水平侧向力加载模式对框架骨架曲线的形状影响不大.其中峰值荷载由大到小依次为：均匀加载模式、倒三角加载模式、顶点加载模式，原因在于不同的水平侧向力分布在结构底部产生的弯矩也不相同.在水平荷载数值相等的情况下，顶点荷载下结构底部的弯矩最大，其次是倒三角形加载模式，最小的是均匀加载模式.

图10 不同钢材屈服强度下试验框架骨架曲线Fig.10 Backbone curves of frame structure with various yield strength steel

图11 不同水平加载模式的框架骨架曲线Fig.11 Backbone curves of frame structure under various loading mode

4 结 论

（1）矩形钢管高强混凝土框架结构先后经历了弹性阶段、弹塑性阶段和最终破坏阶段，呈现出强柱弱梁的破坏特征.在轴向压力和水平侧向力共同作用下，试件底层和顶层梁端相继屈服；随着水平位移增大，梁端翼缘出现了一定程度鼓曲，此时，柱脚开始屈服；最后，试件因柱脚焊缝开裂而破坏.

（2）矩形钢管高强混凝土框架结构耗能能力强.试验得到的滞回曲线形状饱满，未出现明显的捏拢特征，而且，单级循环滞回耗能随水平位移加载增大而增大.

（3）矩形钢管高强混凝土框架结构具有良好的抗倒塌性能.试件到达峰值荷载后，承载力缓慢下降，并在产生较大水平位移时，仍能保持一定的承载能力.除了加载末期，试件没有明显的强度退化.

（4）矩形钢管高强混凝土框架结构表现出很强的变形能力.试件最大极限层间位移角分别为1/30 和1/27，超出了《建筑抗震设计规范》规定限值的66.7%和85.2%；延性系数在6.17～6.40 之间，满足规范规定框架延性系数不小于4 的要求.

（5）矩形钢管高强混凝土框架结构抗震性能受轴压比的影响较为显著.结构承载能力、变形能力及延性在轴压比大于0.6 的情况下明显降低.

（6）框架骨架曲线形状受钢材屈服强度与水平侧向力分布形态的影响很小，但试件承载力受到一定程度的影响.试件在均匀加载模式下的承载力最大，最小的为顶点加载模式，倒三角形加载模式则居于二者之间.

致谢：深圳市科技研发资金资助项目（JCYJ2017 0818142117164，JCYJ20160331114415945）；深圳大学青年教师启动项目资助（2017062）.