( 扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225009)

［摘要］ 通过 3 根钢骨混凝土 L 形柱和 1 根普通钢筋混凝土 L 形柱的低周反复加载试验，得到钢骨混凝土 L 形柱在

压、弯、剪共同作用下的破坏形态。通过试验分析钢骨混凝土 L 形柱的延性、滞回特性、耗能能力、承载力退化、刚度

退化，结果表明:钢骨混凝土 L 形柱的承载力随配钢量的增加而提高;延性随配钢量的增加而提高，随轴压比的增大

而降低;钢骨混凝土 L 形柱与钢筋混凝土 L 形柱相比，承载力高、延性好、耗能能力强、变形能力大，抗震性能优。

［关键词］ 钢骨混凝土; L 形柱; 低周反复荷载; 延性

 引言

《混 凝 土 异 形 柱 结 构 技 术 规 程》( JGJ149— 2006) ［1］对异形柱结构最大适用高度及抗震设防烈 度做出了规定，将异形柱的肢长与肢宽之比限制在 一定范围内，并限制柱截面配筋率及混凝土强度等 级。现在异形柱中加入适量型钢，构成钢骨混凝土 异形柱，进一步改善异形柱的结构性能，扩大异形柱 结构的适用范围。 文［2］对 3 根 T 形钢骨混凝土短柱和 1 根 T 形 钢筋混凝土短柱在承受不同轴压比下的水平周期性 荷载进行了试验研究;文［3］对 17 个钢骨混凝土异 形柱进行了低 周 反 复 荷 载 试 验;文［4］对 4 根 不 对 称 T 形钢骨混凝土柱的正截面承载力进行了试验 研究;文［5］从剪应力分布入手，分析了钢骨混凝土 异形柱中翼缘对抗剪承载力的影响，得出翼缘对抗 剪强度的提高系数。本试验在原有研究基础上，设 计制作了 3 根钢骨混凝土 L 形柱和 1 根钢筋混凝土 L 形柱，进行低周反复水平荷载作用下的试验研究。

1 试验概况

1. 1 试件的设计及试验参数

试件尺寸及配筋见图 1。4 个试件的截面形式 和尺寸相同，采用 1 /2 缩尺模型，柱身截面为 300 × 110 × 1 400，剪跨比为 2. 33，底座截面为1 100 × 450 × 400。试验采 用 C35 混 凝 土，试 件 编 号 及 设 计 参 数见表 1。实测混凝土材料性能见表 2，实测钢筋、 角钢力学指标见表 3。

图 1 试件的截面及配筋( 钢) 图

试件编号及其设计参数 表 1

试件 编号 配筋率 ρs /% 配钢率 ρa /% 轴压 比 n 体积配 箍率 /% 截面肢 长肢厚比

ZL-1 1. 12 0 0. 15 1. 16 2. 73

ZL-2 1. 12 0. 67 0. 15 1. 16 2. 73

ZL-3 1. 12 0. 67 0. 25 1. 16 2. 73

ZL-4 1. 12 1. 00 0. 15 1. 16 2. 73

1. 2 加载装置

图 2 试件加载装置图 采用 固 定 在 柱 顶 的 油压千 斤 顶 分 级 施 加 柱 顶竖向 荷 载 至 压 力 设 计 值。水平荷载由 MTS 多 通道协 调 加 载 试 验 系 统 实现，水 平 荷 载 的 加 载 位置 见 图 1。作 动 器 额 定加载能力为 250kN，最 大行 程 为 ± 100mm。水 平荷载通过作动器由反力墙承担。具体的加载装置 见图 2。 混凝土立方体标准试块实测力学性能 表 2

试块 编号 立方体抗压强度 fcu 均值 /N /mm2 轴心抗压 强度 fc /N /mm2 弹性模量 Ec /N /mm2

1，2，3 49. 72 33. 25 3. 45 × 104

钢筋、角钢实测力学性能 表 3

钢材种类 屈服强度 /N /mm2 极限强度 /N /mm2 弹性模量 /N /mm2

热轧钢筋 8 278. 5 357. 8 2. 23 × 105

热轧钢筋 6 282. 7 398. 2 2. 23 × 105

热轧等边角钢 20 × 3 243. 2 289. 5 1. 96 × 105

热轧等边角钢 30 × 3 276. 6 304. 6 1. 96 × 105

1. 3 加载制度

荷载控制阶段:在试件达到屈服荷载之前，采用 荷载增量控制，10kN 为一级增量，每级循环一次;变 形控制阶段:试件屈服后，以等幅位移增量控制，以 屈服时的水平位移 Δy 为一级增量，每一级位移循环 3 次，直到试件的水平荷载下降到最大值的 80% 时 结束加载。

2 试验结果及分析

2. 1 破坏形态分析

首先在柱子底部出现水平裂缝。随着荷载的增 加，形成一些水平贯通裂缝。试件屈服后，裂缝斜向 上发展。破坏前，无论腹板还是翼缘混凝土仅有转 角处局部 压 碎 现 象。破 坏 是 由 于 腹 板 混 凝 土 被 压 碎、钢筋和角钢被压曲引起的。试验表明，角钢、钢 筋、混凝土能协同工作，试件的破坏均属于弯曲型破 坏。试件的破坏形态见图 3。

2. 2 滞回曲线

试件的滞回曲线见图 4。分析可知，由于试件的 不对称性，滞回曲线也不对称。在相同荷载增量条件 下，钢骨混凝土 L 形柱的水平位移比普通钢筋混凝土 L 形柱要小，且承载力有所提高，滞回环也较饱满，耗 能能力强。配钢量愈大，承载力愈大，耗能能力愈强。

图 3 试件的破坏形态

图 4 各试件荷载-位移滞回曲线

轴压比对滞回曲线有明显影响，在相同水平荷载下， 轴压比越大，试件的水平位移越小，滞回环包围的面 积越小，耗能能力越差，变形能力越小。

2. 3 承载力分析

试验试件的屈服荷载 Fy、极限荷载 Fu、破坏荷 载 Fd 实测值如表 4 所示。由表可知，试件正反向承 载力不同，这主要是因为试件的形状、配筋等不同造 成的。在 L 形柱中加入钢骨后，构件的承载力得到 了提高。当配钢率为 0. 67% 时，正反向的平均屈服 荷载、极限荷载较无钢骨时的分别提高了 16. 9% ， 31. 22% ;当配钢率为 1. 00% 时，正反向的平均屈服 荷载、极限荷载较无钢骨时的分别提高了 32. 33% ， 40. 22%。这主要是因为当加入角钢后，使构件的总 配钢量增加，一方面增强了构件受拉区钢材的抗拉 能力，另一方面，角钢对核心区混凝土的约束作用也 增强，加 强 了 受 压 区 混 凝 土 的 受 压 能 力。由 试 件 ZL-2，ZL-3 的比较可见，轴压比为 0. 25 的构件比轴 压比为 0. 15 的构件的正反向的平均屈服荷载、极限 荷 载 提 高 了 6. 94% ，4. 59%。说 明 在 轴 压 比 较 小 时，构件的水平承载能力随着轴压比的增大而增加。

2. 4 延性性能分析

试件屈服( 极限) 位移、延 性 系 数、弹 ( 弹 塑) 性 位移角实测 值 见 表 5。由 表 可 知:构 件 的 延 性 和 变

屈服荷载、极限荷载及破坏荷载实测值 / kN 表 4

试件 编号 屈服荷载 极限荷载 破坏荷载 正向 反向 正向 反向 正向 反向

ZL-1 42. 94 － 50. 36 59. 92 － 74. 01 58. 26 － 62. 67

ZL-2 56. 48 － 52. 59 79. 75 － 95. 99 79. 75 － 81. 48

ZL-3 54. 92 － 61. 72 87. 93 － 95. 87 74. 71 － 81. 44

ZL-4 52. 65 － 70. 81 75. 41 － 112. 38 64. 23 － 95. 29

注:正向是指加载时腹板自由端受压，反向是指加载时翼缘 受 压。试件 ZL-1 反向加载到破坏后正向加载荷载还没下降到极限荷 载的 85% ，试件 ZL-2 反向加载到破坏后正向加载还没出现下降段， 破坏荷载取试验最大位移时对应的荷载。 形能力随着轴压比的增大而降低，随着配钢率的增 加而增加。轴压比为 0. 25 的构件与轴压比为 0. 15 的构件 相 比，正 反 向 的 平 均 延 性 下 降 了 12. 55%。 配钢率为 1. 00% 的构件与配钢率为 0. 67% 的 构 件 相比，正反向的平均延性提高 了 19. 12%。说 明 钢 骨混凝土 L 形 柱 比 普 通 钢 筋 混 凝 土 L 形 柱 的 延 性 系数大，柱中型钢在改善构件延性方面起到了有利 作用。 屈服( 极限) 位移、延性系数、弹( 弹塑) 性位移角实测值 表 5

试件 编号 加载 方向 屈服位移 Δy /mm 极限位移 Δu /mm 延性 系数 μ 弹性位 移角 θe 弹塑性 位移角 θp

ZL-1 ZL-2 ZL-3 ZL-4

正向 26. 40 79. 19 3. 00 1 /53. 03 1 /17. 68

反向 － 25. 39 － 74. 67 2. 94 1 /55. 11 1 /18. 75

正向 20. 62 79. 34 3. 88 1 /67. 90 1 /17. 65

反向 － 23. 76 － 70. 66 2. 97 1 /58. 92 1 /19. 81

正向 21. 76 71. 41 3. 28 1 /64. 34 1 /19. 61

反向 － 23. 52 － 63. 64 2. 71 1 /59. 52 1 /22. 00

正向 21. 34 90. 00 4. 22 1 /65. 60 1 /15. 56

反向 － 22. 28 － 87. 79 3. 94 1 /62. 84 1 /15. 95

2. 5 耗能能力分析

根据 Jacobson 提出的等效粘滞 阻 尼 理 论［6］，其 计算示意见图 5，等效粘滞阻尼系数计算公式如下: he = 1 2π SABC + SACD SOBE + SODF

图 5 等效粘滞阻尼 系数计算示意图 4 个试件在各级控制 位移下第 1 循环时的滞回 面积及等效粘滞阻尼系 数见 表 6。由 表 可 知，钢 骨混凝土 L 形柱在各级控 制位移下的滞回环面积都 要 大 于 钢 筋 混 凝 土 L 形 柱，说 明 钢 骨 混 凝 土 L 形 柱比钢筋混凝土 L 形柱的 耗能能力强。随着配钢率的增加，钢骨混凝土 L 形 柱的耗能能力也增加。构件的等效粘滞阻尼系数随 位移的增加而有所增加，这是因为位移达到屈服后， 构件进入弹塑性状态，所耗散的能量也越多。 各级控制位移下第 1 循环时的滞回环面积及 he

值 表 6

试件编号 参数 Δy 2Δy 3Δy 4Δy 4. 5Δy

ZL-1 ZL-2 ZL-3 ZL-4

S滞回 环 /kN·mm 261. 36 1 369. 78 3 063. 84 4 275. 57 —

he 0. 077 0. 100 0. 123 0. 154 —

S滞回 环 /kN·mm 427. 17 2 304. 36 5 054. 08 7 505. 63 —

he 0. 074 0. 118 0. 154 0. 200 —

S滞回 环 /kN·mm 525. 42 1 749. 25 5 210. 05 8 287. 08 —

he 0. 088 0. 119 0. 156 0. 280 —

S滞回 环 /kN·mm 531. 88 3 036. 42 5 051. 15 6 757. 88 8 131. 08

he 0. 080 0. 115 0. 145 0. 187 0. 196

3 结论

(1) 在水平低周反复荷载作用下，钢骨混凝土 L 形柱的破坏形态与普通钢筋混凝土 L 形 柱 基 本 一 致，均表现为弯曲型的大偏心受压破坏。

(2) 钢骨混凝土 L 形柱的延性随轴压比的降低 而增大。在小轴压比时，承载力随轴压比的增加而 增加。随着配箍率和配钢率增加，构件延性提高。

(3) 由于钢骨的增加及钢骨对核心区混凝土的 约束作用，钢骨混凝土 L 形柱比钢筋混凝土 L 形柱 的承载力有较大的提高。

(4) 钢骨混凝土 L 形柱和钢筋混凝土 L 形柱相 比，适当增加型钢配钢率，其滞回环更加饱满、刚度 大、延性好，具有更好的经济性。