【科研分享】新型卷边钢板组合截面 PEC 柱(强轴) 滞回性能试验研究

组合构件和结构通过合理的设计会获得1+1>2的组合效应，因此相比与单一材料有着更强的的工程应用价值和前景。今天带来的一篇是苏州科技大学方有珍课题组关于新型带卷边的部分外包的组合柱的滞回性能。该篇论文入选2017年“领跑5000—中国精品科技期刊顶尖学术论文”、《工程力学》2012-2017和2013-2018高引用论文。

部分外包组合柱(Partially Encased Composite column，PEC)[1]是采用 H 型钢或热轧薄壁钢板组合截面，并在翼缘和腹板间设置一定间距的横向拉结筋，浇注混凝土而成的组合柱。采用这种截面可以增大混凝土对构件承载力的贡献，增强构件的水平抗侧刚度，改善构件的抗震延性，降低结构造价。上述诸多优点使新型 PEC 组合柱更具有优势和良好的应用前景。已有国内外上相关学者在 PEC 柱方面研究成果[2―10]表明：1) 通过薄壁组合截面 PEC 柱的单调轴压和偏压足尺模型试验，可以很好地了解构件的受力性能；2) 已有的试验研究和有限元模拟集中在PEC 柱和 PEC 柱与梁的连接，且多为单调加载，循环往复荷载试验极少；3) 所有的研究成果均表明，薄壁组合截面 PEC 柱不仅具有劲性混凝土和钢管混凝土结构具备的受力性能方面的优点(增大构件的抗压承载力和抗侧刚度、较大幅度改善构件的抗震延性)，还一定程度上消除了 PEC 柱的组合连接的难点、使用范围的限制与施工难度。基于作者已在非卷边薄壁钢板组合截面 PEC 柱在恒定竖向荷载下水平循环荷载滞回性能研究方面取得的成果[11―13]，发现非卷边薄壁组合截面 PEC 柱破坏主要表现为薄壁钢板翼缘的局部屈曲和伴随混凝土压溃。为了改善钢板翼缘的屈曲过于集中的不足，充分发挥钢板屈曲后性能和延缓混凝土的疏松脱落，从而提高构件的抗震延性，课题组提出了采用卷边钢板组合截面和拉结板条 PEC柱，并对其在恒定竖向荷载下进行低周反复荷载的滞回性能试验研究，进一步丰富 PEC 柱的研究成果，为 PEC 柱构件应用于结构体系中奠定理论 基础。

试件设计试件设计根据假定层高为 4m 的框架中的中间层柱为原型，柱反弯点在柱中点，取 1/2 高度足尺制作试件，其中采取 Q235 卷边钢板焊接组合截面和拉结板条；混凝土强度设计值取 C20。试件具体设计详见图 1.

二、试验结果分析

2.1 试验主要现象

所有试件试验过程中，首先施加恒定竖向力，接着施加水平位移进行循环加载，至 1.25%~1.50%加载级，柱下部边缘才开始出现少量裂缝，随着加载的进行，旧裂缝延伸、扩展和新裂缝形成的速度均较慢，其中试件 S1B 和试件 S1D 最慢；当试件S2A 加载到达位移 2.25%加载级，试件 S1B 加载到达位移2.50%加载级，试件S1C加载到达位移2.00%加载级和试件 S1D 加载到达位移 2.25%加载级时，柱脚部附近卷边钢板组合截面翼缘开始出现轻微局部屈曲(见图 4)；随着加载的继续，柱脚部位附近卷边钢板组合截面翼缘局部屈曲进一步发展且屈曲部位增多，伴随混凝土出现压溃和面积的增大；最后柱脚部位薄壁钢板组合截面翼缘局部屈曲加剧，混凝土压溃疏松脱落明显，构件承载力出现不同程度的降低，其中试件 S2A 和试件 S1C 以柱顶水平荷载下降至极限承载力85%和试件S1B和试件S1D 以侧移超过 H/30(H 位构件反弯点到底部高度)作为试验结束的控制标准。

2.2 试件滞回曲线

试件的水平循环荷载-顶点侧移(柱顶位移表测试数据)关系见图 5。从图 5 可以得到：试件 S2A 加载至位移 60mm阶段的第 1 个循环时，构件正向最大承载力346.27kN，构件反向最大承载力 326.6kN；试件 S1B加载至位移 45mm 阶段的第 1 个循环时，构件负向最大承载力 317.76kN，至位移 55mm 阶段的第 1 个循环时，构件正向最大承载力 333.01kN；试件 S1C加载至位移 50mm 阶段的第 1 个循环时，构件正向最大承载力 308.77kN，构件反向最大承载力328.77kN；试件 S1D 加载至位移 55mm 阶段的第 1个循环时，构件负向最大承载力 354.13kN，至位移65mm 阶段的第 1 个循环时，构件反向最大承载力325.70kN；所有试件达到极限承载力附近，柱脚部位卷边钢板与端板焊缝开始出现低周疲劳断裂，其中试件 S2A 更为明显，使得试验未继续。试件 S1C达到承载力时，由于柱脚部位拉结板条加密区较短、拉结板条间距较大与混凝土强度过低，使得卷边钢板组合截面翼缘局部屈曲和混凝土压溃集中在拉结板条加密区之上，随着加载的继续，先期出现的翼缘局部屈曲和混凝土压溃进一步发展，构件承载力出现明显下降，当加载至位移 65mm 荷载级控制，柱脚部位薄壁组合截面翼缘局部屈曲现象严重、混凝土疏松脱落明显，试验就此宣告结束；而试件 S1B 和试件 S1D 达到承载力时，柱脚部位开始出现局部屈曲和伴随混凝土压溃，随着加载的继续，由于拉结板条加密区较长，导致柱脚部位卷边钢板组合截面翼缘局部屈曲部位增加和混凝土压溃面积的增大，构件承载力下降幅度较小，当加载分别至位移 85mm 和 80mm 荷载级控制，柱脚部位卷边组合截面翼缘局部屈曲和混凝土疏松脱落仍不显著，但由于构件侧移超过 H/30(H 为构件反弯点到底部高度)，试验就此结束。从图 5 中还可以显示，整个加载过程中构件滞回曲线“捏缩”现象极不明显，且随着加载的进行，滞回曲线越饱满，充分显示了钢结构“包辛格”效应，这表明卷边钢板组合截面的局部屈曲后性能对 PEC 柱构件性能起控制作用。

2.3 试件水平刚度退化

试件水平抗侧刚度变化过程反映了试件构件性能的退化规律。为了具体反映试件在循环荷载下刚度的退化规律，引入两种水平刚度[11―13]：第 1 种定义为等效刚度 Keq，即加载至峰值点与加载起始点连线的斜率；第 2 种定义为峰值刚度 KP，即一个荷载循环内正反向加载峰值点连线的斜率，见图 7。试件的等效刚度平均值 Keq-A、Keq-B分别为相应加载阶段 Keq-A和 Keq-B(Keq-A为正向，Keq-B为负向)的平均值，试件的峰值刚度平均值 KP 取对应加载阶段 KP 的平均值。各试件每个加载阶段的等效刚度平均值 Keq-A 、Keq-B 和峰值刚度平均值 KP 计算结果分别见表 2 和表 3。

可以发现，加载前期由于混凝土与钢结构部分整体性好，导致整体工作过程中混凝土受加载历史影响的性能得到体现，即 Keq-A 和Keq-B 存在一定差异；随着加载的继续，钢结构部分对构件性能贡献的加大，Keq-A 和 Keq-B 差异越来越不明显，特别是达到极限承载力之后等效刚度平均值基本一致，但整个加载阶段峰值刚度平均值均大于等效刚度平均值，且相对差异程度逐渐增大，主要是由于卷边钢板组合截面 PEC 柱中钢板组合截面对构件后期性能起控制作用，使得构件残余变形过大，以致峰值刚度与等效刚度存在明显差异。

2.4 试件耗能和延性

结构耗能与延性也是评价结构抗震性能优劣的主要指标，本文分别从等消耗能系数和等效粘滞阻尼系数方面加以分析构件的耗能与延性性能。试件的平均等效耗能系数取对应加载阶段所有循环周期等效耗能系数的平均值，各构件平均等效耗能系数变化规律见图 11。

从图 11 进行分析显示，在整个试验加载过程中，试件 S2A 耗能发展速度最慢，可能在于试件S2A 端部拉结板条加密区较短和拉结板条间距较小，使得试件整体性最好、受力均匀，同时试验中柱与端板连接焊缝过早开裂使试验未能继续，卷边钢板局部屈曲发展不完全，以致屈曲后效应未得到充分利用，试件也未全面显示其良好的耗能性能；试件 S1C 耗能发展速度最快，主要由于混凝土强度最低、拉结板条间距较大与端部拉结板条加密区较短，造成柱下端部拉结板条加密区附近卷边钢板局部屈曲与混凝土压溃区域过于集中所致；试件 S1B和试件 S1D 耗能发展速度适中，主要在于试件端部拉结板条加密区较长，造成拉结板条加密区附近区域卷边钢板翼缘局部屈曲部位相继增多和伴随混凝土压溃面积的增大。

2.4 试件变形和破坏模式

为了研究试验试件的受力机理，基于试验测试数据对试验过程中各加载阶段的变形模式进行分析，见图 14。通过对图 14 分析可以看出，所有试件加载初期变形接近弯剪型，即构件整体受力性能较好、抗侧刚度分布较均匀；随着加载的继续，试件柱脚部位钢板局部屈曲和混凝土压溃的相继出现和不断发展，同时试件顶部位移的增加，使得试件“二阶效应”引起的弯矩增大，导致试件变形趋向弯曲型，构件破坏模式偏向弯曲型延性破坏，即具有良好的变形能力，其中试件 S1B 和试件 S1D 体现更为明显，这也进一步表明改进后的卷边钢板组合截面 PEC 柱具有更优的延性性能。

从试验过程中外在现象和测试数据分析显示，由于试件中卷边薄壁钢板组合截面的翼缘外伸宽厚比b/t=172/6≈28.7(远大于《钢结构设计规范》[15]压弯构件局部失稳的最宽要求 y 15 235 / 12.4 f  )，试件破坏模态特征均为试件脚部卷边薄壁钢板组合截面翼缘0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17加载阶段平均等效粘滞阻尼系数S2AS1BS1CS1D工 程 力 学 189 在不同拉结板条间距范围内出现局部屈曲和混凝土压溃，但随试件端部拉结板条加密区的增大，卷边钢板翼缘局部屈曲部位增加和混凝土压溃面积不断扩展，充分发挥了薄壁钢板屈曲后性能，导致试件峰值强度之后下降不显著，表现良好的延性性能，见图 15。

通过对4个卷边薄壁钢板组合截面PEC柱(强轴)在恒定竖向荷载下的滞回性能试验进行分析，可以得出以下结论：

(1) 卷边薄壁钢板组合截面 PEC 柱具有较高的承载力和初始刚度。其滞回曲线“捏缩效应”不明显，滞回曲线随着加载的继续，趋向饱满，且所有试件后期承载力和变形能力基本相当，关键在于卷边薄壁钢板组合截面 PEC 柱较为充分发挥了卷边薄壁钢板组合截面钢板屈曲后性能。

(2) 卷边薄壁钢板组合截面 PEC 柱在加载历程中滞回耗能不断增大。试件 S2A 由于试件脚部翼缘钢板与端板焊缝出现明显开裂导致试验未继续，以致未充分显示其良好的耗能能力，其余试件后期平均等效滞回耗能系数均大于 6，说明通过卷边改进的PEC 柱具有更优的耗能能力，适合应用于抗震区结构中。

(3) 卷边薄壁钢板组合截面 PEC 柱在加载历程中等效粘滞阻尼系数不断增大。其中试件 S1C 由于端部拉结板条加密区较短、拉结板条间距过大与混凝土强度过低，造成卷边钢板翼缘局部屈曲和混凝土压溃区域过于集中，导致等效粘滞阻尼系数发展过快；其余试件等效粘滞阻尼系数在加载后期发展均较平缓，且所有试件等效粘滞阻尼系数都达到 0.27 以上，这也进一步表明该类构件具有良好耗能能力。

(4) 卷边薄壁钢板组合截面 PEC 柱的结构破坏模态主要是由卷边薄壁钢板组合截面翼缘的局部屈曲控制，均表现薄壁钢板组合截面翼缘局部屈曲的出现和部位的增加，并伴随混凝土压溃面积的不断增大，使得试件具有良好的耗能能力和优越的延性。(5) 试验研究发现，卷边钢板组合截面 PEC 柱的抗震性能受柱端部拉结板条加密区长度的影响较为明显，为此希望对加密区长度和间距的合理取值进行进一步研究。

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