兰州奥体中心劲性柱抗震性能的试验研究

陶清林，司拴牢，胡 义，顾 奎，韦少波，孔 炯

（1.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243032；2.兰州市建设工程安全质量监督站，甘肃 兰州 730030；3.中国十七冶集团有限公司，安徽 马鞍山 243000；4. 甘肃省建设监理有限责任公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

作为甘肃省和兰州市的重大建设项目，兰州奥体中心设计以黄河文化和敦煌文化为元素，再现“飞天花舞”和“黄河奔腾”的动感意向，建筑设计高低起伏、错落有致，结构设计极为复杂。劲性混凝土组合结构以其承载力高、空间跨度布局灵活自由、抗震性能好等优点而广泛应用于高层建筑及大跨结构中。兰州奥体中心体育场及三馆工程项目主体结构大量使用了高强混凝土劲性柱，由于项目地处甘肃省兰州市七里河区，该地区抗震设防烈度为 8 级，属于高烈度地震区，因此有必要对项目中的高强混凝土劲性柱抗震性能进行深入了解。目前国内外学者已对劲性混凝土结构开展过诸多研究［1-3］，诸如箍筋配置、剪跨比设置、轴压比调节及混凝土的强度都会对劲性柱的力学行为产生明显影响。为了研究高强混凝土劲性柱的抗震性能，本文开展了低周往复加载试验，得到了恢复力特性曲线及其相关数据，探讨了诸主要因素对高强混凝土劲性柱抗震性能的影响规律，以期为兰州奥体中心建设提供数据支撑。

1 试验概况

兰州奥体中心体育场及三馆采用的高强混凝土劲性柱高达 14 m，截面高度高达 1 m，受到试验室条件限制，本试验采用高强混凝土劲性柱缩尺模型开展抗震性能试验。根据试件参数，预先制作柱底部基础模板，提前预留固定用孔洞，采用立式浇筑，机械振捣，边浇筑边振捣密实。

1.1 试件参数

物理试件的截面尺寸均为 160 mm×240 mm，混凝土极限抗压强度高达 69.75～117.42 MPa，剪跨比分别为 1.33、1.65、2.19、2.74 和 3.28，体积配箍率分别为 1.27 %、1.39 % 和 1.73 %，含钢率设计 4.71 % 和 5.61 %，轴压比为 0.22～0.37，型钢采用 Q235 热轧工字钢 I14 和 I12.6 钢，纵筋采用 4 10 的 HRB335 钢，箍筋采用 HPB300 钢。设计参数如图 1 所示，设计参数及破坏形态如表 1 所示。

1.2 加载方案

试验加载方案采用的是 P-Δ混控加载方案，加载装置如图 2 所示，加载制度如图 3 所示。

图1 试件截面尺寸

表1 试件设计参数及破坏形态

图2 试验加载装置

图3 试验加载制度

2 试件破坏过程与形态

在压、弯、剪复合应力状态下下，高强混凝土劲性柱的破坏模式大体可根据剪跨比的不同分为三种破坏形态［4-5］：弯剪破坏、剪切斜压破坏和剪切粘结破坏。

2.1 剪切斜压破坏

本次试验中剪跨比 λ=1.33 和 λ=1.65 的试件主要表现为剪切斜压破坏，如图 4（a）所示。加载初期，属于完全弹性阶段，钢骨与混凝土完全协同工作。荷载缓慢增加，最先于柱底端出现对称水平弯曲裂纹，并随荷载的循环次数的增加裂缝数量逐渐增多，并沿截面呈 45° 斜向发展。荷载增加至 70 % 左右极限荷载时，劲性柱主要依靠箍筋与混凝土间的咬合力与型钢腹板的作用继续承担外部荷载。荷载增加至 85 % 极限荷裁时，型钢腹板陆续发生屈服。荷载继续增加，斜向棱柱体混凝土开始被压碎，并伴随着混凝土剥落，箍筋与型钢部分屈服。

2.2 剪切粘结破坏

本次试验中试件 C-3、C-14～16 发生剪切粘结破坏，剪跨比 λ=2.19，破坏形态见图 4（b）。加载初期，柱底端出现对称水平弯曲裂纹，并随荷载的循环次数的增加裂缝数量逐渐增多，并沿截面呈 45° 斜向发展，当荷载加载至 64 % 极限荷载时，型钢与混凝土间的剪应力传递不顺畅，界面迅速出现竖向粘结裂缝而导致粘结滑移效应发生，剪力转为内嵌型钢和核心区混凝土共同承担。荷载加至 85 % 极限荷裁，腹板、翼缘相继发生屈服，粘结属性的裂缝发展速度激增，劲性柱外围混凝土压酥、剥落，发生失效。

2.3 弯剪破坏

本次试验中剪跨比 λ=2.74 和 λ=3.13 的试件发生了弯剪破坏，破坏形态如图 4（c）所示。加载初期，过程与剪切斜压破坏相同。随着荷载增加，柱侧面水平裂峰逐渐向正面发展，试件底端出现数条竖向微裂缝。荷载加至 85 % 极限荷裁时，型钢下翼缘开始屈服。随着试件变形增大，混凝土发生大面积压酥，试件水平承载力迅速衰减，下降至峰值荷载 85 % 后，柱随之失效。

图4 劲性柱破坏形态

3 抗震性能评价及影响因素分析

目前，结构中主要抗侧力构件可以通过延性、滞回曲线和耗能能力等指标来评价其抗震能力的大小，因此本次试验主要从以下三个方面对劲性 RC 柱开展抗地震能力评价，并进行关键因素影响分析。

图5 往复荷载作用下典型试件的滞回曲线（P-Δ曲线）

3.1 Hysteresis Curve 影响因素分析

屈服前，荷载-位移曲线近似遵循线性发展，其变形在卸载后基本可恢复，无明显的残余变形；屈服后，柱刚度出现小幅衰减现象，表现为荷载循环加载过程中，后次滞回环斜率较前次有所减小。此外，由于竖向荷载效应影响，加载后期试件水平承载力未迅速衰减，呈现明显的变形恢复滞后现象。劲性柱典型滞回曲线（Hysteresis Curve）及特征参数如图 5、表 2 所示。

对比以上试件滞回特性，可以看出：①对比试件C-5、C-14 及 C-11，剪跨比越大，劲性柱水平承载能力就越小；②对比试件 C-11、C-14 及 C-12，柱试件水平承载力随着混凝土强度增加而增加，试件达峰值荷载后，承载力退化速度加快；③比较试件 C-14、C-5 及C-15，适度增加内置箍筋可有效提高试件抗剪承载力力，耗能与变形能力均得提升；④对比试件 C-6、C-15 及 C-12，试件水平承载力随着轴压比增加略有提高，但变形能力衰减速度较快。

3.2 变形能力影响因素分析

作为评价构件抗震性能的重要指标之一，延性可反应处构件的变形能力，常用延性系数 μ 予以量化［6］，如式（1）所示：

式中：Δy、Δu代表试件的屈服位移和极限位移。

表2 试件各状态特征点一览表

无量纲设计参数与试件延性系数的关系曲线（见图 6）表明：混凝土强度越高，劲性柱变形能力下降；剪跨比越大，劲性柱强度衰减逐渐放缓；轴压比越大，劲性柱滞回曲线的饱满度下降，强度衰减呈现显著的不稳定性。

图6 无量纲设计参数与 SRHSC 柱延性系数间的关系曲线

图7 滞回耗能能力与滞回环面积的示意

图8 各影响因素对等效粘滞阻尼系数的影响曲线

3.3 耗能能力影响因素分析

结合现有研究成果［7-8］，以等效粘滞阻尼系数定量表征高强混凝土劲性柱的滞回耗能能力（见图 7），表达如式（2）所示：

式中：Aabc为构件正向加载时滞回环面积与X轴围成的面积；Fmax、Δmax分别为柱顶最大水平荷载与对应柱顶水平位移。

各影响因素对等效粘滞阻尼系数的影响曲线（见图 8）表明：延性随着混凝土强度的增加而下降，且适度提高配钢率、配箍率可提高劲性柱的变形能力。

4 结语

由于核心区混凝土的作用，使得试件在加载后期仍具有维持变形和承担承载力的能力，但相对普通劲性混凝土柱，其变形能力有所下降。因此，虽然高强混凝土柱承载力得到提高，但在兰州这样的高地震烈度区，不应盲目通过提高混凝土强度的方式来保证结构的承载力，同时应严格控制底部框架柱轴压比，本文研究结论为兰州奥体中心顺利建设提供了理论支撑与实践指导，同时可为抗震高烈度地区该类工程的结构设计和施工提供借鉴和参考。