火災(zāi)后SRC柱-RC梁節(jié)點滯回性能試驗研究*（建筑）
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火災(zāi)后SRC柱-RC梁節(jié)點滯回性能試驗研究*（建筑）
李國華1,2， 謝 龍1,2， 徐艷龍1,2
（1北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京100044；2北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京高等學(xué)校工程研究中心，北京100044）
[摘要] 為考察SRC柱-RC梁節(jié)點火災(zāi)后的滯回性能，對三個試件進(jìn)行了試驗研究。未過火試件A直接進(jìn)行梁端低周往復(fù)荷載作用下的擬靜力試驗；試件B和試件C在進(jìn)行擬靜力試驗前，首先分別進(jìn)行升溫時間為60 min和90min的過火試驗。研究表明，火災(zāi)后SRC柱-RC梁節(jié)點的延性、耗能能力等各項滯回性能指標(biāo)均有下降，且下降幅度隨過火時間的延長而增大。對比分析了過火時間對各項滯回性能指標(biāo)的影響，并對今后進(jìn)一步的研究提出建議。
[關(guān)鍵詞] SRC柱-RC梁節(jié)點；過火試驗；滯回性能
中圖分類號：TU317，TU398 文章編號：1002-848X(2016)09-0075-04
0 引言
建筑火災(zāi)不僅嚴(yán)重威脅人們的生命與財產(chǎn)安全，還會對建筑物自身造成損傷，因此，即使火災(zāi)后沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)性垮塌的建筑，也必須研究其結(jié)構(gòu)性能，才能決定能否繼續(xù)使用。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)( SRC結(jié)構(gòu))具有承載力高、抗震性好、剛度大等優(yōu)點，是已廣泛應(yīng)用于高層建筑的新型結(jié)構(gòu)，但對其火災(zāi)后抗震性能的研究并不成熟，因此，研究其火災(zāi)后的力學(xué)性能具有重要意義。本文以SRC柱-RC梁節(jié)點為研究對象，對其高溫前后的滯回性能進(jìn)行試驗研究，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。
1 試驗概況
1.1試件設(shè)計
本文研究對象參照某實際工程中位于中間層的中間節(jié)點，以梁、柱反彎點處為隔離點，取隔離點間的十字形部分為節(jié)點試驗?zāi)Ｐ�。共制作三個試件，分別記為試件A、試件B、試件C。試驗中所有試件尺寸與配筋均相同。根據(jù)火災(zāi)試驗水平爐膛尺寸及擬靜力試驗設(shè)備的加載能力，試件尺寸確定為梁跨度2. 87m，柱長度為1.96m。試件詳細(xì)構(gòu)造見表1，配筋設(shè)計如圖1～3所示。
1.2火災(zāi)試驗
三個試件中，試件A為對照試驗，進(jìn)行未過火的擬靜力試驗。試件B和試件C在進(jìn)行擬靜力試驗前，先進(jìn)行升溫時間分別為60min和90min的火災(zāi)試驗，受火狀態(tài)為四面受火，火災(zāi)試驗升溫曲線采用IS0834曲線，升溫結(jié)束后進(jìn)行自然冷卻。過火試驗中熱電偶分別布置在和梁、柱節(jié)點位置，共4個截面，分別在梁、柱內(nèi)截面設(shè)有4個和3個測點，數(shù)據(jù)采集由電腦采集系統(tǒng)每分鐘進(jìn)行一次。
從火災(zāi)試驗測得T-t（爐溫一時間）關(guān)系曲線與IS0834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的對比來看（圖4），兩者的吻合程度很好。
1.3擬靜力試驗
過火后的試件運至北京建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室進(jìn)行擬靜力試驗。試驗裝置見圖5，試驗設(shè)備為框架式可調(diào)整自平衡加載系統(tǒng)。試驗過程中，保持柱頂軸向力P恒定不變，柱軸壓比為0. 35，然后在梁自由端施加豎向反復(fù)荷載以模擬地震力作用。試驗采用位移加載制度（圖6）。
本試驗主要量測內(nèi)容包括：1）位移計用于測量梁端豎向位移，梁節(jié)點位移；2）預(yù)埋應(yīng)變片用于測量節(jié)點核心區(qū)型鋼腹板剪切變形；3）混凝土應(yīng)變片用于量測梁柱節(jié)點核心區(qū)變形；4）梁端位移和荷載由電液伺服器( MTS)獲取。試件的位移計、應(yīng)變片布置見圖7及圖8。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1試驗現(xiàn)象
對于試件A，首先在柱頂按預(yù)定軸壓比施加軸壓力，而后在梁端施加上下往復(fù)荷載。加載初期，混凝土與鋼筋處于彈性狀態(tài)，無裂縫開展；當(dāng)梁端位移向下加至7. 4mm，荷載達(dá)到31. 7kN時，梁柱相交處首先出現(xiàn)豎向裂縫；梁端位移加至14.8 mm，梁端荷載-位移滯回曲線出現(xiàn)明顯拐點，試件進(jìn)入屈服階段；當(dāng)梁端位移向下加至33. 4mm時，梁端荷載達(dá)到峰值荷載100. 1kN;當(dāng)梁端位移向下加至38. 3mm時，梁端荷載降至84. 6kN(約為峰值荷載的
84.5%)，此時梁端裂縫基本貫通，試件破損嚴(yán)重，終止試驗。
由于試件B和試件C在進(jìn)行火災(zāi)試驗后，混凝土表面已出現(xiàn)損傷，因此在對試件加載時，較試件A更早出現(xiàn)裂縫，裂縫開展速度更快，而且試件破壞時伴有嚴(yán)重的混凝土剝落。除上述現(xiàn)象外，試件B和試件C的試驗現(xiàn)象大致與試件A相似，此處不再贅述，各試件的開裂荷載PC、開裂位移△C、屈服荷載P y、屈服位移△y、峰值荷載P max、峰值荷載對應(yīng)最大位移△max 、破壞荷載P u及破壞位移△u見表2。各試件破壞形態(tài)見圖9。
2.2滯回曲線與骨架曲線分析
本試驗各試件梁端荷載-位移滯回曲線見圖10(a)~(c)。由圖可知，三個試件的滯回曲線均呈現(xiàn)反S形，表現(xiàn)出剪切破壞特征，有明顯的“捏縮”效應(yīng)，說明試件在加載過程中受到較大的滑移影響。對比各滯回曲線可以看出，試件A的滯回曲線所包圍的面積大于試件B和試件C的滯回曲線所包圍的面積，表現(xiàn)出更好的耗能能力。此外，試件梁端骨架曲線對比見圖10 (d)，從骨架曲線的變化趨勢來看，三者變化趨勢相似，均經(jīng)歷了彈性一彈塑性。破壞三個階段。而試件B和試件C的峰值荷載均低于試件A，分別為試件A的峰值荷載的84.3 %和71. 1%，表明火災(zāi)會導(dǎo)致試件的承載力降低。
2.3延性和耗能能力
延性是反映節(jié)點非彈性變形能力的一個度量指標(biāo)，本文采用位移延性系數(shù)映節(jié)點的延性。
根據(jù)位移延性系數(shù)公式計算可得梁端位移延性系數(shù)如表3所示。由表可知，經(jīng)過火災(zāi)試驗后的試件B和試件C的延性均受到損失，試件B仍保留了98%的延性，延性損失并不顯著，而試件C的延性已降至79.1%。結(jié)果表明，火災(zāi)時長在60min以內(nèi)時，對該節(jié)點的延性影響不大，隨著火災(zāi)時間繼續(xù)增加，延性損失會逐漸增大。
本文選用等效黏滯阻尼系數(shù)作為耗能指標(biāo)，來表示節(jié)點耗能能力。根據(jù)等效黏滯阻尼系數(shù)計算公式與各節(jié)點荷載-位移滯回曲線，繪制各節(jié)點等效黏滯阻尼系數(shù)-位移曲線如圖11所示。從圖中可以看出，各試件的耗能能力隨著試件進(jìn)入彈塑性階段，耗能能力均逐漸加強(qiáng)，相比而言，過火后試件的耗能能力由強(qiáng)到弱依次為試件A，B，C。試件B與試件C耗能能力分別為試件A的90.1%和71.8%，過火時間90min后，節(jié)點的耗能能力明顯下降，原因可能是高溫導(dǎo)致混凝土與鋼筋間的粘結(jié)作用減弱，加載時出現(xiàn)嚴(yán)重的滑移造成的。
2.4剛度退化分析
與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，SRC結(jié)構(gòu)剛度較大，有抑制裂縫出現(xiàn)與發(fā)展的作用，因此，研究過火后SRC柱-RC梁節(jié)點的抗震性能，亦需對其剛度退化情況進(jìn)行研究。
根據(jù)試驗測得數(shù)據(jù)，計算并繪制剛度退化曲線如圖12所示。由圖可見，過火后試件B和試件C的加載初期剛度均明顯低于未過火試件A，而試驗后期，剛度相差不大。這是由于初期試件的剛度由混凝土提供，而混凝土在經(jīng)歷火災(zāi)試驗時對內(nèi)部型鋼及鋼筋起保護(hù)作用，最先受到損傷，因此節(jié)點剛度隨過火時間增大，剛度明顯降低，后期混凝土開裂退出工作，試件的剛度主要由型鋼提供，而型鋼在火災(zāi)后的剛度變化不大，則節(jié)點的剛度也相差不大。
3 結(jié)論
(1)從總體來講，過火后的SRC柱-RC梁節(jié)點各滯回性能指標(biāo)均出現(xiàn)下降，并且隨過火時間的延長，降低幅度逐漸增大，在60min以內(nèi)，降低幅度并不明顯，而過火時間達(dá)到90min及以上時，會出現(xiàn)明顯降低。因此，在火災(zāi)發(fā)生時，將滅火時間控制在90min以內(nèi)，可以有效降低火災(zāi)對SRC結(jié)構(gòu)的損傷，避免因結(jié)構(gòu)損傷過大造成的安全隱患及經(jīng)濟(jì)損失。
(2)對于SRC結(jié)構(gòu)的選材、設(shè)計等可能對火災(zāi)后滯回性能的影響尚待進(jìn)一步研究。
(3)本文僅研究了豎向地震荷載對火災(zāi)后SRC柱-RC梁節(jié)點滯回性能的影響，橫向地震作用對其滯回性能的影響仍需進(jìn)一步研究。
