异形柱结构体系是一种新型结构体系，在建筑实体中可根据具体位置的不同而被制作成不同形状，如十字形、T形、L形或其他组合形状，可避免柱子棱角的突出，精简截面尺寸，增加房屋使用面积，同时又继承了普通钢筋混凝土柱布置灵活的优点，中外学者对其的研究已取得一些成果[1-3]。但在实际应用中，由于减小截面面积，普通钢筋混凝土异形柱常伴有刚度小、承载能力低、抗震性能差等弊端，故近年来中国提出研究钢混凝土组合异形柱(SRC异形柱)，有效的将型钢和混凝土结合在了一起，具有刚度大，延性好，承载能力强，抗震性能好的特点，应用前景良好。目前，对SRC异形柱的研究在抗震性能方向已取得了一系列的成果[4-6]，同时，在正截面承载力[7]、抗剪性能[8]、刚度[9-10]、粘结滑移性能[11]等方面也有研究。而其他国家对钢与混凝土组合结构柱的研究多集中于对钢混凝土组合矩形柱或圆形柱的加强改进方面，如使用宽翼缘型钢[12]、对型钢实施混凝土部分包裹[13-14]等，另外，对偏压[15]和抗火[16-17]也有研究。但目前，学者们对多变量下的SRC与RC十字形截面异形柱抗震性能做对比研究的并不多。鉴于此，有必要开展十字形截面钢混凝土组合异形柱抗震性能的研究，为工程应用提供理论分析和试验支持。
设计5个1/2缩尺的柱肢高为900 mm的十字形截面钢混凝土组合异形柱试件，编号为SRC1—SRC5。混凝土的设计强度等级为C40，采用商品混凝土进行一次性立式浇筑后振捣均匀，预留立方体试块的平均实测抗压强度为41.1 MPa。纵筋和箍筋均使用HRB400级钢筋，配箍特征值均为0.203，纵筋配筋率均为3.36%。试验参量为配钢形式和轴压比，试件截面和配筋如图 1所示，各试件基本信息如表 1所示，钢筋和钢板材料性能如表 2所示。
试件由两根锚固螺杆穿过底梁固定在地面上，轴向压力由柱顶的小型液压千斤顶施加，该千斤顶和反力梁之间设有钢板和滚轴，使柱顶能够在被推拉时自由水平运动。水平荷载通过水平固定于反力墙上的液压千斤顶对试件施加。夹具由4根螺杆挤压固定于加载端上，活塞与夹具之间由球铰连接。并规定推为正向，拉为负向。试验加载装置如图 2所示。
根据《建筑抗震试验方法规程》(GBJ 101—96) 规定，试验采用低周反复加载模式，加载制度采用荷载位移联合控制，加载端的荷载、位移和所有应变片的应变均由DH3816静态电阻应变采集系统进行定时采样而得到。加载制度如图 3所示。在试验的前期采取力控制加载，荷载步长为60 kN，循环进行正负向反复加载卸载。直至试件达到屈服点，确定屈服位移Δy后，采用位移控制加载，每级增幅为Δy，且每级循环3次，按此顺序进行分级循环正负向反复加卸载，直至荷载下降到峰值荷载的85%，即可认为试件破坏。
各试件的破坏状态如图 4所示。
5个试件均为弯曲破坏。其中, SRC1试件在60 kN处出现第一条微裂缝，屈服后裂缝沿柱高向上出现及延伸较快，并逐渐横向贯通至翼缘，后期柱表面混凝土脱落区高度很大，柱根部钢筋外露及变形严重。试件的最终破坏由纵筋控制，整个破坏过程用时较短。在SRC2~SRC5试件中，加载初期试件处于弹性阶段，裂缝出现前，混凝土、钢筋和型钢作为一个整体共同受力，均在60 kN左右于柱根处出现第1条微裂缝，之后沿柱高向上不断出现横向新裂缝，并形成贯通裂缝并由腹板延伸至翼缘，同时, 在柱根部形成塑性铰。荷载继续增加，混凝土逐渐被压溃而退出工作，应力转由纵筋和型钢承担，随后纵筋先于型钢屈服，柱根部混凝土大面积脱落，箍筋及纵筋外露，并有脆响，应力全部由型钢承担，随着型钢的屈服，不久后试件破坏。型钢对试件破坏起控制作用。各试件破坏时翼缘根部有裂缝，但未见混凝土掉落，柱肢基本完整。
滞回曲线是试件抗震性能的综合体现，也是评价抗震性能的重要参考。各钢混凝土组合异形柱试件的滞回曲线如图 5所示。
从图 5可分析出以下结论：
1) 除SRC1试件外，SRC2~SRC5四个配置型钢的试件的滞回曲线基本都呈饱满的梭形并较为对称。试件屈服前为弹性阶段和弹塑性阶段，加卸载曲线所围面积很小，残余变形也很小。随着荷载的增大，试件达到屈服，承载力持续增大，加卸载曲线所围形状逐渐变饱满，残余变形相应增大。达到峰值后，承载力逐渐下降，直至破坏，留下明显的残余变形。随着位移水平和循环次数的增加，加卸载曲线斜率随之减小，表现出刚度退化的特征。对比同一位移水平下的3个循环的滞回环，首次循环时试件的强度最大，之后随循环次数的增加而减小，但降低幅度不大，残余变形也未见明显变化。反观SRC1普通钢筋混凝土异形柱试件，循环次数、滞回环饱满程度、峰值荷载、残余变形等都明显不及SRC2~SRC5试件。
2) 对比SRC2、SRC3和SRC4试件可知，随着轴压比的增大，试件极限变形能力下降，残余位移减小，循环次数减少，但峰值荷载逐渐增大，滞回曲线逐渐饱满。
3) 与普通钢筋混凝土异形柱SRC1相比，SRC3和SRC5试件内部添加了型钢，故具有更高的承载能力、屈服位移和破坏位移，循环次数、滞回曲线饱满程度和残余变形明显增加，达到破坏所用时间也相应延长。SRC5的峰值荷载不及SRC3，但二者的滞回环饱满程度和残余变形相差不多。
骨架曲线是滞回曲线中每次循环的峰值点的包络线。骨架曲线的对比如图 6所示。
通过等面积法确定各试件的屈服位移Δy, 该点所对应的荷载为屈服荷载Py。按照峰值点的85%确定破坏点，得到相应的破坏位移Δu和破坏荷载Pu。各试件的极限承载力和位移延性系数如表 3所示，结合图 6，经对比可知：
1) 各试件的骨架曲线总体较为对称，个别试件的正负向峰值有一定差距。SRC2~SRC4试件的平均峰值荷载分别为195.75、205.32和207.17 kN，呈上升趋势。轴压比增大时，竖向约束增强，初始刚度增大，试件更不易发生变形，欲达到目标位移，需施加更大荷载，故试件承载能力增大。
2) SRC1、SRC3和SRC5试件的平均峰值荷载分别为173.98、205.23和186.80 kN。可见SRC3试件的承载能力比SRC1试件试件提高了约18%，比SRC5试件提高了约10%。说明T形钢加方钢管的配钢形式的承载能力最强，实腹型配钢次之，未配型钢的试件最差。SRC5试件在纵筋屈服、混凝土被压溃后不久便破坏，由于配钢率较大且分布集中，破坏时型钢并未屈服，型钢性能没有得到充分有效利用，从而造成材料的浪费。SRC3试件中，在纵筋及混凝土退出工作时型钢已经屈服，仍可继续承担荷载的增加，将型钢的性能充分发挥，有效延缓了试件的整体破坏。
3) 除SRC1试件外，其余试件的位移延性系数均达到3以上。在SRC2~SRC4试件中，除SRC4试件外，轴压比增大时，试件的屈服位移呈递减趋势。观察骨架曲线，将SRC4试件下的初始刚度最大且下降段最为平缓，从而屈服位移明显减小，破坏位移增大。导致其位移延性系数也急剧增大。在配钢形式不同的试件中，SRC5试件中含钢率较大，达到屈服和破坏时所需位移也较大，但位移延性系数却不及SRC3试件。同时，SRC1试件的负向延性好于SRC5试件，但屈服位移和破坏位移远不及后者，故试件的位移和延性之间并不存在正相关的关系。
4)《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149—2006) 中规定，在罕遇地震作用下，钢筋混凝土异形柱结构弹塑性层间位移角限值为1/60。SRC2~SRC5试件的在破坏点位移角均大于1/30，且相对于SRC1试件有较大提高，说明添加型钢可大幅提高异形柱的塑性变形能力。
由滞回曲线可知在持续加载过程中，试件刚度是不断退化的。刚度退化的进程如图 7所示。
经对比可知：
1) 刚度退化趋势为非线性，在试件屈服之前退化很快，屈服之后纵筋及型钢进入强化阶段，抗拉能力提高，刚度退化速率随位移的增大而减慢。最后，各个试件破坏时的刚度约为初始刚度的10%左右。
2) 轴压比增高时，刚度初值增大，在克服竖向约束反复加卸载的过程中，材料需要提供更强的抗力，荷载对材料的损伤及混凝土与钢筋、型钢之间的磨损都会增强。随着位移角的加大，其裂缝发展分布更加充分、密集，使钢材和混凝土更容易滑移脱离，丧失共同作用的基础，累积损伤更加严重，刚度退化速率更快。
3) 对比配钢形式，未配置型钢的SRC1试件刚度初值最小，且只由混凝土和钢筋承担荷载，刚度退化速率明显快于配置型钢的试件。由于实腹型配钢的试件中含钢率较高，整体刚度较大，在轴压比相同时，SRC5试件比SRC3试件的刚度退化速率稍小。可知添加型钢或增大配钢率均可不同幅度得提高刚度。
耗能能力是评价一个试件抗震性能的重要参考指标，通常通过滞回曲线所包围的面积大小来判断，各试件在每级循环中的滞回环面积如表 4所示。试验通过等效黏滞阻尼系数he来衡量钢混凝土组合异形柱的耗能性能，系数值越大，试件耗能能力越强。
各试件的等效黏滞阻尼系数随位移的变化趋势如图 8所示，结合表 4，经对比可知：
1) 各试件的等效黏滞阻尼系数在加载初期较小，均在0.15左右，之后均经历先少许下降后上升的过程，在屈服之后材料性能得到充分发挥，耗能能力逐渐加强，系数增长较快。
2) 根据滞回环总面积和总等效黏滞阻尼系数，试件耗能能力随轴压比的增大有下降的趋势。
3) 配置型钢的SRC2~SRC5试件具有更高的承载能力和破坏位移，循环次数显著增多，整个加载过程中所耗散的能量也随着循环次数的增多而明显增长。通过各滞回环面积之和可判断，SRC3试件的滞回环总面积大于SRC5的总面积，故T形钢加方钢管的配钢形式在耗能方面优于实腹型配钢。
1) 钢混凝土组合异形柱的滞回性能、承载能力、延性性能、变形能力、耗能能力以及刚度退化速率都明显优于普通钢筋混凝土异形柱，抗震性能得到大幅提高。
2) 轴压比对钢混凝土组合异形柱的抗震性能有较大影响。相同条件下，随着轴压比的增大，试件的承载能力提高，但同时残余变形减小、循环次数减少、延性降低、刚度退化速率加快。
3) T形钢加方钢管的配钢形式除刚度退化稍快外，其滞回性能、承载能力、延性性能、耗能能力优于实腹型配钢。
2017, Vol. 39 Issue (6): 54-60
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