第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 格构式型钢混凝土柱的抗震性能试验研究 赵仕兴‘，王巍’，杨霄，刘俊江！
（1.四川省建筑设计研究院，成都610017） 摘要：通过缩尺比为1/5的5个大跨高比格构式型钢混凝土柱和1个实腹式型钢混凝土柱在水平低周反复荷载作 用下的试验，获得了各试件发生正截面破坏的荷载-位移滞回曲线：分析了各试件的延性、极限位移角及耗能性能.
结果表明，带缓板的强格构式型钢对核心区混凝土有更强的的束作用，试件破坏都表现为型钢屈服、混凝土 压溃，表现出良好的延性.
得出了轴压比、强格构式型钢布置形式对试件抗震性能的影响.
关键词：强格构式型钢混凝土：低周反复荷载：抗震性能：轴压比 1引言 型钢混凝土结构因其具有良好的抗震性能而在抗震性能要求较高的结构中广泛应用.
早期日本的型钢 混凝土结构通常采用配钢率偏低的格构式形式，但随后的震害和试验研究表明，普通格构式型钢混凝土构 件的抗震性能仅与普通混凝土构件的抗震性能相当或略好，因此，日本修改后的规范要求停止使用抗震性 能提高不明显的格构式型钢混凝土构件，并建议使用桁架形式和实腹式的型钢混凝土结构2.
我国在20 年颁布了基于实腹式的型钢混凝土结构设计规程.
在节点设计上，实腹式型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁的 钢筋连接通常有三种方法：钢筋绕过型钢、在柱型钢腹板上开孔穿筋以及采用钢筋连接器.
很多情况下， 第一种方法受建筑美观等原因不能实施，后两种方法对施工精度要求较高，特别是梁钢筋较多时，设计施 工都非常困难，很难保证工程质量.
但是采用格构式型钢混凝土柱可以有效地避免以上问题.
四川成都珠江国际城A4栋建筑的大尺寸截面柱（2200mmx1300mm）在设计中即采用了格构式型钢 混凝土柱，为了提高柱子的抗震性能，采用了含钢率较高（一般大于5%）的强格构式型钢混凝土柱.
为确 保该工程的结构安全，弄清楚较高含钢率的强格构式型钢混凝土柱的抗震性能，同时与同等条件下的实腹 式型钢混凝土柱的抗震性能进行对比，决定对本工程采用的强格构式型钢混凝土柱进行试验研究.
鉴于试 验条件所限，采用1/5的缩尺模型，进行低周反复加载试验.
通过6个型钢混凝土柱试件的低周反复加载 试验，对这类强格构式型钢混凝土柱的抗震性能进行了分析研究.
2试验概况 2.1试验设计 试验在重庆大学结构实验室进行，根据实验室所能提供的轴压比条件，按实际柱子尺寸设计了6个1/5 缩尺的试验试件.
试件的截面尺寸为440mmx260mm，采用悬臂柱自由端加载方案.
为研究柱子塑性铰区 的抗震性能，降低剪力的影响，柱子的剪跨比取4.1（柱高为1800mm）.
试件的几何尺寸及截面配筋见图 1和图2，各试件的设计参数及钢材的性能见表1和表2.为了避免试件在被坏前型钢与混凝土接触面发生 明显滑移，在型钢外表面按实际试件的比例焊接了栓钉.
试件KZ-1~KZ-4是在配钢率和配钢形式相同，纵筋率、轴压比和配箍率不同的情况下，考察试件受力 性能的区别而设计：KZ-5为将型钢设置在充分靠近截面边缘的强格构式试件，KZ-6为与KZ-5配钢率相 同的实腹式对比试件.
作者简介：赵仕兴，（1970-），男，工程硕士，教授级高级工程师，一级注册结构工程师，英国注册结构工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 440 500440| 500 [eo| 1440 正文商图 则立衡图 图1试件几何尺寸 BDx440 gx440 440 x440 01X 28 21019 6960 2010 2410 80100 260 260 260 260. (a) KZ-1 KZ-2 (b) KZ-3 KZ-4 (c) KZ-5 (d) KZ-6 图2各试件截面及配筋 为了防止一次性全部浇筑完试件后导致后期发现试件设计间题而无法调整设计参数，本次试验采取 了“制作一个试件试验一个"的方式进行，取得了良好的试验效果.
表1（试件设计参数） 试件编号 KZ-1 KZ-2 KZ-3 KZ-4 KZ-5 KZ-6 混凝土强度fe 35.7 37.0 36.6 35.6 43.6 36.4 试验轴压比 0.316 0.35 0.316 0.35 0.316 0.316 型钢形式 14a槽钢（Q235） 钢板焊（Q345） 型钢配钢率/% 6.47 4.62 4.66 所配纵筋 16210 16至8 1610 纵筋配筋率/% 1.1 0.70 1.1 复合箍 100 6@60 @100 配箍率/% 1.52 1.43 1.52 注：fais是试验当天3个150mmx150mmx150mm立方体试块抗压强度实测值的平均值 表2（试件钢筋及型钢性能） 材料 屈服应变 届服强度 极限强度 弹性模量 类别 x10² /MPa /MPa / (x10′MPa) 中6HPB235 0.13 291.67 455.00 2.34
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 Φ8HPB235 0.16 325.00 631.42 200 Φ8HRB500 0.27 505.00 706.67 1.89 Φ10HPB335 0.18 383.33 525.00 2.11 14a 槽钢 0.14 289.58 433.96 2.11 6mm钢板 (Q345) 0.18 373.21 520.48 2.11 8mm钢板 (Q345) 0.16 341.11 2.10 注：KZ-5是用8m厚的蜗板，KZ-6的腹板和翼缘分别采用6mm和8mm厚的钢板.
直径为8毫米HPB235用于 KZ-1、KZ-2、KZ-5、KZ-6 被筋 直径为 8 毫米 HRB500 用于 KZ-3 和 3Z-4 的纵笛.
2.2加载装置和加载制度 试验加载装置如图3所示.
首先由竖向作动器分三次对柱施加到设定的轴力，再由水平拉压作动器施 加低周反复荷载.
试验初期采用位移控制，进行小循环试加载，检查仪器正常工作情况：然后参照美国 ACIT1.1-1试验加载制度，采用位移控制加载，每一控制位移下循环两次，直至试件失效.
150065r 反力境 图3试验装置示意 3试验结果分析 3.1滞回曲线及破坏形态 试验结束时，试件KZ-2-KZ-6柱下端均发生了正截面弯曲破坏，但试件KZ-1在加载后期由于发生了 平面外倾斜，在水平位移为51.4mm的循环时终止试验，试验结果在达到力峰值前有效，在随后的下降段 误差较大，图4为各试件的破坏形态.
图5为各试件的滞回曲线.
由图5可以看出：柱子开裂前近似处于 弹性状态，滞回曲线近似直线，加卸载几乎为直线：柱子由开裂到屈服阶段，滞回环斜率较小，包围面积 较小，耗能较低：柱纵筋屈服以后，滞回环面积加大，试件耗能增加，尤其在位移延性较大的状态下其滞 回曲线的形状饱满，呈现比较完美的梭形，反映出试件的塑性变形能力均较强，且具有较好的耗能能 力.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 (a)试件 KZ-1 (b)试件KZ-2 (c)试件KZ-3 (d)试件KZ-4 (e)试件KZ-5 (f)试件KZ-6 图4试件KZ-1-KZ-6破坏形态 300 P (IX) 300 7 () 200 008 -300 300 300 (a)试件 KZ-1 (b)试件KZ-2 （c）试件KZ-3 008 (0300) a 350 300 P(X) 250 200 300 -350 300 (d) 试件 KZ-4 (e)试件KZ-5 （f）试件KZ-6 图5KZ-1-KZ-6试件滞回曲线
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 3.2变形能力的对比 为消除试件由于混凝土强度的不同造成的差异，将试件KZ-3，KZ-4，KZ-5，KZ-6不同位移状态下的 正、负向水平承载力除以各自正、负向极限承载力，得到如图6所示的规则化骨架曲线.
表3为各试件变 形及位移延性系数.
其中屈服位移角为试件屈服位移与柱高的比值：极限位移角为试件的极限位移与柱高 的比值.
1.5 0. 5 位移（±m） 100 -50 50 100 KZ3 - - KZ4 KZ-5 KZ6 1. 5 图6试件KZ-3、KZ-4、KZ-5、KZ-6骨架线对比 表3（各试件的变形及位移延性系数） 试件 屈服位移 屈服 极限位移 极限 延性 编号 /mm 位移角 /mm 位移角 系数 KZ-1 8.27 1/218 KZ-2 7.28 1/247 74.27 1/24 10.21 KZ-3 9.08 1/198 93.33 1/19 10.28 KZ-4 8.16 1/221 69.14 1/26 8.47 KZ-5 7.73 1/233 87.49 1/20 11.32 KZ-6 8.02 1/225 66.44 1/27 8.29 注：1）极限位移是水平承载力降低到极限承载力的85%时对应的位移值.
2）由于试件KZ-1的防止柱身发生平面外侧移装置的刚度不够.
桂在加载后期发生平面外能斜.
加截至力 峰值以后出现误差，下降段部分的误差加大，没能测得该试件的版限位移和延性系数等.
由图6中可明显看出，轴压比较大的试件KZ-4，其变形及延性较小，柱端混凝土破坏也较为严重（图 4）.
从表3中可以看出，试件KZ-3的屈服位移角、极限位移角较大，破坏时其位移延性系数达到了10.28， 而试件KZ-4的位移延性系数较KZ-3小，这也说明了KZ-3的变形能力及延性较轴压比较大的构件KZ-4 好.
在相同轴压比下，KZ-3和KZ-5的变形及延性较KZ-6好，极限承载力也比KZ-6高.
表3中各试件 的极限位移角也表明，KZ-3的最大，其次是KZ-5，KZ-6的最小，说明在配钢率等其他条件基本相同，并 满足相应构造要求的情况下，将型钢分散在靠近截面受力边缘部位，并用缀板进行连接（强格构式）的试 件，其位移延性均比型钢相对集中在截面中部（实腹式）的试件要好.
尽管KZ-5的配钢率小于KZ-2~KZ-4， 但由于其型钢布置更靠近截面受力充分的边缘部位，故其承载力是试件中最大的，延性也与KZ-3接 近，大于KZ-4和KZ-6试件.
