部分包裹混凝土柱抗震性能分析

2022-09-12

PEC柱 (partiallyy encasedy concretey compositey column) 也称部分包裹混凝土组合柱, 是一种新型的钢与混凝土组合结构柱的截面形式。见图1.1。2010年, Dastfan M.着手于足尺钢板剪力墙部分包裹混凝土的试验, 结果表明此类形式的柱拥有较大的弯曲刚度, 可以满足抗震的需求[2]。内蒙古科技大学的赵根田教授在2006年对PEC柱进行研究, 主要在框架抗震, 滞回性能, 偏心受压及局部屈曲现象等。

由于我国对于PEC柱的研究相对于国外较晚, 对于PEC柱强轴抗震性能的研究也尚不完备, 尤其是工作承担系数对抗震性能的影响方面的研究更是没有。因此, 应结合现阶段的研究现状, 进一步深入开展对于PEC柱强轴的抗震性能研究。

1 试验概况

1.1 试件设计

型钢柱均用Q235B级焊接H型钢;将直径为12mm的HPB235级横向拉接筋焊接在型钢翼缘之间;混凝土强度等级分别为C30、C40和C60。试件具体设计详见图1.1, 试件详细尺寸见表1.1。

1.2 试验装置及加载制度

(a) 在试件屈服前, 采用荷载控制进行加载试验, 1次是每级荷载循环的次数, 每次增幅为20k N;

(b) 待到实时荷载-位移曲线中观察到进入塑性阶段后转为由位移控制, 每级位移循环5次。

(c) 当观察到荷载-位移曲线出现出现下降时, 继续采用位移角控制, 每级循环10次。在加载过程中观察记录仪上试件荷载-位移曲线的变化情况, 直到荷载-位移曲线出现骤降, 承载力低于极限承载力85%或试件局部失稳即终止试验。加载装置示意图如图1.2所示。

2 试验过程和现象分析

各试件的加载, 以水平液压伺服作动器传感器处的位移作为试件的位移值。加载初期由荷载控制, 试件保持良好的弹性状态, 卸载后没有残余变形。荷载控制阶段无明显现象, 在此不赘述, 明显现象均是位移控制加载过程中出现, 下面以PEC-1为代表介绍试验现象。

前期荷载控制无明显现象, 在位移角为时, 环板与混凝土连接处出现裂缝, 柱底出现横向狭长裂缝, 翼缘出现竖向裂缝, 混凝土应变片出现横向裂纹, 随着往复加载环板出现两侧依次翘起, 弹起烟雾, 听到“砰砰声”;在位移角增加到时, 两侧翼缘均出现裂缝, 受拉侧翼缘裂缝较多, 且裂纹向下蔓延, 翼缘板氧化皮脱落;在位移角增加到时, 在距离柱底300mm高度出现斜裂缝, 翼缘与混凝土连接处出现混凝土部分脱落, 距离柱底150mm处横向裂缝明显;在位移角增加在时, 翼缘氧化皮继续脱落, 翼缘与混凝土连接处混凝土部分压碎;在位移角增加在时, 翼缘与混凝土连接处混凝土继续脱落, 混凝土表皮掉落;在位移角增加在时, 混凝土大面积脱落, 系杆暴露, 翼缘屈曲, 荷载-位移曲线骤降, 试验结束。

2.1 破坏形态

综合6根PEC柱试验现象, PEC柱的破坏过程可总结为以下几个阶段:

第一阶段:试件处于弹性阶段时, 柱体没有显著现象, 只有混凝土应变片有少许裂纹, PEC柱混凝土表面出现细微裂纹, 型钢和混凝土能够很好的协同工作。

第二阶段:试件处于弹塑性阶段, 试件位移加载前期, PEC柱混凝土表面裂纹不断发展, 柱底翼缘出现拉痕和掉皮现象。

第三阶段:屈服后, 位移加载后期, 试件发生塑性变形, 处于破坏阶段。柱根部屈曲明显, 翼缘与混凝土分离, 混凝土大量脱落, 横向拉结筋暴露并被拉断, 柱体逐渐失去承载能力。

3 荷载-位移曲线及其对应的骨架曲线

对比上面的P-△滞回曲线, 得出下面的结论:

(a) 随着混凝土强度的逐渐提升, 混凝土占得比重越来越大, 相应的翼缘厚度对试验结果的影响逐渐减小, 因为随混凝土强度的提高, 混凝土承载力优于钢材, 所以最大承载力也随着混凝土强度的提升。

(b) 随着混凝土强度的逐渐提升, 在影响整体滞回曲线延性和耗能性能方面, 他们之间的区别也越来越小。尤其是PEC-5和PEC-6这两根柱子在耗能和延性方面已经趋于相同, 并不像前面PEC-3和PEC-4, 更不用说最明显的PEC-1和PEC-2柱。因为随着混凝土强度的逐渐提升, 混凝土在整个柱体中所占的比重逐渐增加, 柱体破坏逐渐偏向脆性破坏, 这也是为什么在用上高强度C60混凝土, 但是其耗能和延性较前面几根用中低强度混凝土的柱子差。