高层钢混结构建筑的抗震设计与性能研究_刘珍.pdf

第 34 卷第 2 期陇 东 学 院 学 报Vol34No22023 年 3 月Journal of Longdong UniversityMar 2023文章编号:1674-1730(2023)02-0088-06收稿日期:2022-01-05作者简介:刘珍(1985)，女，回族，安徽亳州人，助教，主要从事建筑工程研究。高层钢混结构建筑的抗震设计与性能研究刘珍(亳州职业技术学院，安徽 亳州 236800)摘要:为了提升高层钢混结构建筑的抗震性能，研究了加载方向、轴压比和约束方式对钢筋混凝土结构破坏形貌、滞回曲线、骨架曲线和累积耗能的影响。结果表明，随着轴压比增加，混凝土试件的峰值承载力增大，但是其强度退化加快;增加了铁板网和碳纤维布约束试件的滞回曲线更加饱满，峰值荷载后的强度降低较缓，耗能能力明显增强;斜向加载作用下，碳纤维布约束试件的抗震性能最好，其次为铁板网约束试件，且都高于局部约束试件，这主要是因为铁板网和碳纤维布可以对钢筋混凝土柱起到很好的约束作用，在斜向加载过程中可以增强抵抗地震的能力，而局部约束试件并未对钢筋混凝土试件的抗震性能起到明显提升作用，可考虑采用刚度大的材料来对钢筋混凝土进行约束。关键词:钢筋混凝土;加载方向;轴压比;约束方式;抗震性能中图分类号:TU375文献标识码:AStudy on Seismic Design and Performance of High-iseSteel-Concrete Structure BuildingsLIU Zhen(Bozhou Institute of Vocational Technology，Bozhou 236800，Anhui)Abstract:In order to improve the seismic performance of High-ise Steel-Concrete structure buildings，the effectsof loading direction，axial compression ratio and restraint mode on the failure morphology，hysteretic curve，skele-ton curve and cumulative energy consumption of reinforced concrete structures are studied The results show thatwith the increase of axial compression ratio，the peak bearing capacity of concrete specimens increases，but thestrength degradation accelerates;the hysteretic curves of the specimens restrained by iron plate mesh and carbon fi-ber cloth are fuller，the strength decreases slowly after peak load，and the energy dissipation capacity is obviouslyenhanced Under oblique loading，the seismic performance of carbon fiber cloth restrained specimens is the best，followed by iron plate mesh restrained specimens，which are higher than local restrained specimens This is becauseiron plate mesh and carbon fiber cloth can play a good restraining role on reinforced concrete columns and enhancethe ability to resist earthquake during oblique loading However，the locally restrained specimens do not significant-ly improve the seismic performance of reinforced concrete specimens，materials with high stiffness can be consideredto restrain reinforced concreteKey words:reinforced concrete;loading direction;axial compression ratio;restraint mode;seismic performance近年来国民经济的快速发展、建筑工业技术的快速进展以及新材料等的开发应用，使得国内高层建筑如雨后春笋般地不断呈现，这也给钢混结构的抗震性能带来了新的挑战。所谓钢混结构是指型钢和钢筋混凝土组合而形成的结构，这种结构具有承载力高、坚固耐用、防火性能优越等特点1，已成为现代化建筑结构的主流结构形式。然而，对于高层钢混结构而言，其除了需要具有足够的承重能力外，第 2 期刘珍:高层钢混结构建筑的抗震设计与性能研究还需要具有良好的延性以及耗能能力以满足建筑抗震需求2 3。随着近年来冶金与材料技术的快速发展，高强钢筋、高强型钢等在建筑上的应用逐渐增多，且已有研究结果表明，高强钢筋在钢筋混凝土结构中可以起到提高钢混建筑结构抗震性能的作用，因此，建筑结构设计师等已逐步将高强钢筋应用于钢筋混凝土结构中4 7。目前我国的抗震规范遵循“强柱弱梁”原则，而国内近年来的地震灾害中发现的柱梁端出现塑性铰而造成结构破坏的现象并没有遵循这一原则8 10。为此，本文探索了从结构设计角度出发，考察了加载方向、轴压比和约束方式对钢筋混凝土结构破坏形貌、滞回曲线、骨架曲线和累积耗能的影响，以期更好地了解影响钢混结构抗震性能的关键因素并指导实际工业设计与应用，保障钢混结构在地震作用下具有足够的安全保障能力。1试验材料与方法共设计了 7 个矩形截面的钢筋混凝土试件，其中，LC 1、LC 2、LC 3 和 LC 4 试件为未约束试件，轴压比分别为 0 6、0 6、0 8 和 1 0，加载角度分别为 0、45、45和 45;LC 5、LC 6、LC 7 分别为铁板网约束、碳纤维布约束和局部区格约束试件，轴压比均为 1 0，加载角度均为 45。柱身截面积为300mm 300mm、混凝土保护层厚度 20mm、混凝土强度等级为 C40、纵筋为直径 16mm 的 HTB630 纵筋(屈服强度 670MPa、抗拉强度 850MPa、断后伸长率 23 2%、弹性模量 2 46 105N/mm2)、箍筋为直径 8mm 的 HTB630 钢筋(屈服强度 605MPa、抗拉强度 860MPa、断后伸长率 23 8%、弹性模量 2 30 105N/mm2)，试件尺寸示意图如图 1 所示。混凝土轴心抗 压 强 度 为 45 3N/mm2、弹 性 模 量 为 3 6 104MPa。碳纤维布的厚度为 0 17mm、抗拉强度3475MPa、断后伸长率 1 68%、弹性模量为 2 32 105N/mm2，铁板网的厚度为 3mm、屈服强度 210MPa、抗拉强度315MPa、弹性模量169 105N/mm2。加载实验在工程实验室中进行，MTS 水平作动器作施加水平载荷、竖向千斤顶提供竖向轴压力，包括反力架、螺杆、华东支座、千斤顶、底座、地锚螺栓、位移计和门式钢架等。采用位移控制方式进行加载，每级载荷加载 2 次，当载荷降低至峰值荷载85%以下时停止加载。钢筋混凝土试件的破坏形貌采用华为 P40 手机进行拍摄，并记录钢筋混凝土试件不同方向的形貌变化，包括裂纹扩展情况、脱落情况等。图 1钢筋混凝土试件的尺寸示意图2试验结果与分析图 2 为钢筋混凝土试件的破坏形貌(从左至右分别为东北、西北、西南和东南)。LC 1 试件在位移加载至 2mm 和 6mm 时，柱身分别出现横向水平裂纹和竖向裂缝，在位移加载至 20mm 和 40mm 时，柱身底部区域的保护层会出现轻微混凝土剥落和压碎现象，在 50mm 和 80mm 时分别出现钢筋暴露和纵筋断裂，整体呈现弯曲破坏特征。LC 2 试件在位移加载至 2mm 和 6mm 时，柱身分别出现横向水平裂纹和竖向裂缝，在位移为 45mm 时底部区域出现大面积剥落及钢筋暴露现象，位移 80mm 时纵筋断裂;LC 3 试件在位移为 2mm 和 6mm 时，分别在距底部 300mm 范围内出现横向裂纹和纵向裂纹，位移为 20mm 时柱底出现混凝土剥落，位移70mm时出现纵筋断裂;LC 4 试件在位移为 2mm 和 6mm 时，分别在距底部 400mm 范围内出现横向裂纹和柱底部 100mm 范围内纵向裂纹，位移为40mm时出现箍筋暴露、混凝土大面积剥落，位移为 80mm 时纵筋断裂;LC 5 试件在位移为 6mm 时在距钢板网 50mm范围内出现横向小裂纹，位移为45mm时出现铁板网鼓起，位移为 80mm 时出现混凝土压碎、箍筋暴露和纵筋断裂，在位移为 100mm 时承载力降低并呈弯曲破坏特征;LC 6 试件在位移为 6mm 时碳纤维布边98陇 东 学 院 学 报第 34 卷图 2钢筋混凝土试件的破坏形貌(从左至右分别为东北、西北、西南和东南)缘出现横向裂纹，在位移为 20mm 时碳纤维布底端凸起，位移 80mm 时出现碳纤维布开裂、混凝土表皮破碎，位移为 100mm 时纵筋拉断;LC 7 试件在位移为 6mm 时在距底部 400mm 范围内出现漆皮鼓起的现象以及局部微裂纹，位移为 40mm 时出现箍筋暴露、混凝土大面积剥落，在位移为 70mm 时出现钢丝网凸起、纵筋断裂。由此可见，随着轴压比增加，竖向裂纹逐渐增多，而底部混凝土的破坏也愈发严重;在混凝土外包覆铁板网和碳纤维布可以增强对混凝土的约束，抑制混凝土的剥落和钢筋的断裂，但是相对而言，铁板网对抗震性能由于钢丝网直径较小、约束能力有限等原因，遂致其改善效果不明显。图3 为钢筋混凝土试件的滞回曲线，其中，F、和 分别为往复荷载、水平位移和位移角，滞回曲线一般指恢复力特性曲线，是恢复力随着变形变化的曲线，在结构抗震分析中，恢复力模型是进行抗震分析的基础，一般多采用拟静力实验(又称反复静荷载试验)方法来确定恢复力特性曲线，它可以反映钢筋混凝土试件在水平往复载荷作用下荷载与位移的关系。通过对比分析可知，LC 1、LC 2、LC 3、LC4、LC 5、LC 6、LC 7 试件的滞回曲线都较为饱满，整体呈现出“梭形”特征，这也就说明这 7 组试件在低周往复荷载作用下的耗能能力都较好，7组试件的循环加载都经历了弹性阶段(此时滞回曲线斜率较小)，并随着加载的持续进行，滞回曲线中的斜率发生了降低的现象，此时滞回曲线会变得相对更为饱满，当水平荷载到达峰值荷载后，钢筋混凝土试件的承载力会出现不同程度的降低，且降低的速度并不相同，直至钢筋混凝土试件发生断裂后，承载力才会出现急剧降低的现象。对比分析可知，7组试件的滞回曲线都较为饱满，整体呈现梭形特征，表明 7 组试样在往复荷载作用下都具有较好的耗能能力。与 LC 1 试件的滞回曲线相比，LC 2 试件的饱满程度相对较低，耗能能力相对较小，这与加载过程中柱体的混凝土脱落范围较大有关6;随着轴压比增加(LC 2、LC 3 和 LC 4)，混凝土试件的峰值承载力增大，但是后续的荷载降低速度较快，表明轴压比的增加会造成试件的强度退化加快7;相对于 LC 4 试件，LC 5 和 LC 6 试件由于增加了铁板网和碳纤维布约束，整体滞回曲线更加饱满，峰值荷载后的强度降低较缓，说明后二者的耗能能力明显增强