非对称十字形配钢SRC柱地震损伤特征分析

许晓梁吴琛

（1.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092；2.福建工程学院，福建省土木工程新技术与信息化重点实验室，福州 350118）

0 引言

型钢混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）结构通过钢与混凝土的协同作用充分发挥两种材料的优势力学性能，具有强度高、刚度大、延性好、抗震性能优等特点。SRC柱作为组合结构关键构件，被广泛应用于地震区的高层建筑。当前，国内外针对型钢对称配置的SRC矩型截面柱已开展了大量力学性能研究［1-4］，形成了较成熟的理论体系。

当SRC柱作为高层建筑的边柱时，通常参照04SG523《型钢混凝土组合结构构造》仍采用对称十字形配钢方式［5］。节点处的梁纵筋为满足锚固长度要求，一般采用两种构造方案：一种是在型钢翼缘处开设如图1（a）所示的小孔，使纵筋穿过，该方法易导致开孔处应力集中形成薄弱区域，从而降低构件抗震性能；另一种是在型钢外翼缘加焊如图1（b）所示钢牛腿，而后将梁纵筋焊接于牛腿上，该方法焊接工作量较大且焊接质量难以保障。本文提出一种施工方便、受力可靠的非对称十字形配钢SRC柱，如图1（c）所示［6］，与梁连接一侧的型钢翼缘向柱中心内缩，使梁纵筋在边节点处具有足够的锚固长度，避免了型钢翼缘穿孔或密集焊接，并且符合边柱的受力特征。本文针对SRC柱新型构造建立有限元模型，研究其地震损伤特征，为抗震设计奠定理论基础。

图1 SRC柱传统构造及非对称配钢方式改进Fig.1 Traditional SRC column and improved asymmetric steel distribution

1 非对称十字形配钢SRC柱力学模型

为研究非对称十字形配钢SRC柱抗震性能和损伤特征，现开展构件拟静力试验和有限元分析。有限元模拟的正确性通过拟静力试验加以校核，从中获得的构件损伤云图为损伤模式的分析提供了有效方法。

1.1 模型设计

设计9根截面尺寸为320 mm×320 mm的SRC柱。型钢采用Q235钢，与梁连接一侧的型钢虽内缩程度各不相同，但柱截面配钢率均为4.67%。混凝土设计强度等级为C30，柱角部布置4根直径为18 mm的HRB400钢筋，箍筋采用直径8 mm的HRB335钢筋。各构件配钢形式、剪跨比、轴压比、体积配箍率如表1所示。

表1 构件设计参数Table 1 Design parameters of the specimen

1.2 材料本构模型

钢筋和型钢均采用二折线本构模型，经材性试验获得性能指标如表2所示，泊松比取0.3。

表2 钢材材料性能Table 2 Steel material properties

考虑型钢和箍筋对核心区混凝土的约束作用，如图2所示将型钢包围的混凝土区域定义为高约束区，箍筋与型钢之间包围的混凝土定义为半约束区，箍筋以外的区域定义为无约束区。无约束区混凝土采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）提供的单轴受压、受拉应力-应变本构，峰值应力和弹性模量依材性试验结果分别取27.5 MPa和27 424 MPa。对于中约束区和高约束区的混凝土，引入约束效应提高因子［7-9］，高约束区峰值应力和峰值应变取为普通混凝土的1.8倍，中约束区取为1.4倍。

图2 混凝土约束区域Fig.2 Concrete restrained area

1.3 单元划分、边界条件与荷载施加

混凝土和型钢均采用三维实体单元C3D8R，纵筋和箍筋采用空间桁架单元T3D2，综合考虑模型的计算精度和计算效率，选取30～50 mm作为单元的网格尺寸。钢筋和混凝土之间采用Embedded连接，钢板及型钢和混凝土之间均采用Tie连接，忽略型钢与混凝土界面间变形。承台底面设为初始状态固结，为防止柱顶出现面外扭转，约束了垂直加载方向的线位移。

施加荷载时，首先在柱顶钢板上施加恒定竖向荷载，其中轴压比为0.1的柱施加277 kN轴力，轴压比0.2的柱施加555 kN轴力，轴压比为0.3的柱轴力是832 kN。此后，在柱顶采用如图3所示荷载-位移双控加载制度施加水平荷载。构件屈服前按荷载控制，荷载增量为预计屈服荷载的20%约30 kN，每级荷载反复一次；屈服后按位移控制，以屈服位移7 mm为位移增量，每级位移反复三次，直至试件水平承载力下降到峰值承载力的85%或构件不能继续承担预定轴力时停止加载。

图3 荷载-位移双控加载制度Fig.3 Load-displacement controlled loading regime

1.4 有限元模拟可靠性校验

为校核有限元模拟的可靠性，将有限元分析获得的骨架曲线与本项目同步开展的拟静力试验结果进行比较［10］。对称十字形配钢SRC1柱和非对称十字形配钢SRC2柱在低周往复荷载下的骨架曲线如图4所示，该图表明：①有限元模拟与试验结果吻合良好，有限元分析结果具有可靠性；②在相同配钢率下，非对称配钢方式与对称配钢方式具有相当的承载能力。

图4 SRC柱骨架曲线对比Fig.4 Comparison of skeleton curves of SRC columns

2 非对称十字配钢SRC柱的破坏形态

经有限元分析，采用混凝土受压损伤云图反映混凝土的损伤发展规律，采用型钢累积损伤应变云图反映型钢损伤分布特征［11］。所得对称十字形配钢SRC1柱和非对称十字形配钢SRC2柱破坏形态与拟静力试验结果如图5、图6所示。

对比图5和图6可知：非对称十字形配钢SRC柱在低周往复荷载下表现出有别于对称十字形配钢方式的损伤特征，柱两侧混凝土和型钢呈现不对称损伤。在型钢内缩的一侧，混凝土的损伤范围较大，而型钢的损伤较轻微。在型钢未内缩的一侧，则是型钢损伤严重，混凝土损伤范围较小。试验和有限元分析表明：加载过程中，未内缩一侧的型钢翼缘在低周往复荷载下率先受力，并随着加载位移的增加从翼缘向腹板逐步屈服；而型钢内缩一侧的翼缘则较晚受力屈服，以混凝土破坏为主。

图5 对称十字形配钢SRC1柱破坏形态和损伤云图Fig.5 Failure pattern and damage nephogram of SRC1 column with symmetric cross-shaped steel

图6 非对称十字形配钢SRC2柱破坏形态和损伤云图Fig.6 Failure pattern and damage nephogram of SRC2 column with asymmetric cross-shaped steel

3 非对称十字形配钢SRC柱的三种损伤模式

分析各柱混凝土受压损伤云图和型钢累积应变云图的演化过程，可将非对称十字形配钢SRC柱的损伤模式划分为弯曲型、剪切型和剪剪型三类。

3.1 弯曲型损伤模式

对于剪跨比较大的SRC3柱和轴压比较小的SRC4柱，主要由构件受弯产生水平向损伤影响柱的性能变化而发生弯曲型损伤模式。混凝土受压和型钢应变累积的过程分别如图7和图8所示，SRC柱损伤演化特征为：

图7 SRC3柱的混凝土受压损伤演化过程Fig.7 Compression damage process of concrete in SRC3 column

图8 SRC3柱型钢累积损伤演化过程Fig.8 Accumulative damage process of steel in SRC3 column

（1）混凝土先于型钢产生损伤，受压损伤始于柱根，由两侧逐步向内部水平发展，直至试件破坏。同时，由于型钢缩进侧的混凝土受型钢约束较小，因此该侧损伤区域较大。

（2）构件损伤中期，由于型钢未内缩一侧的翼缘距构件边缘较近，因此率先受力使部分型钢进入屈服状态，而内缩一侧的型钢则较晚出现损伤，从而两侧呈现不对称损伤。

3.2 剪切型损伤模式

对于剪跨比较小的SRC8柱发生剪切型损伤模式如图9和图10所示。主要由构件受剪造成的斜向损伤影响柱的性能，其损伤演化特征为：

图9 SRC8柱混凝土受压损伤演化过程Fig.9 Compression damage process of concrete in SRC8 column

图10 SRC8柱型钢累积损伤演化过程Fig.10 Accumulative damage process of steel in SRC8 column

（1）混凝土先于型钢产生损伤，自柱根两侧向斜上方延展，型钢内缩一侧的混凝土损伤始终比另一侧显著，呈现不对称损伤。

（2）在构件损伤的中后期，未内缩一侧型钢率先屈服，且损伤较另一侧更为显著，呈现不对称损伤。

3.3 弯剪型损伤模式

除SRC3、SRC4和SRC8外，其余柱均表现出弯剪型损伤特征如图11和图12所示。在损伤初期以水平向受弯为主、中后期斜向受剪为主所造成的损伤影响柱的性能变化。弯剪型损伤的演化特征为：

图11 SRC2柱混凝土受压损伤演化过程Fig.11 Accumulative damage process of steel in SRC2 column

图12 SRC2柱型钢累积损伤演化过程Fig.12 Accumulative damage process of steel in SRC2 column

（1）混凝土先于型钢产生损伤，在损伤初期由柱根两侧向中间水平发展，中后期则斜向发展为主，直至构件破坏，且损伤区域大于弯曲型损伤。同时，型钢内缩一侧的混凝土率先出现损伤，其损伤程度较另一侧更为显著，损伤范围更大，呈现不对称损伤。

（2）在构件损伤中期，型钢在未内缩一侧率先屈服，且损伤较为显著；内缩一侧型钢于后期出现损伤，左右两侧型钢呈现不对称损伤。

综合以上三类损伤模式的混凝土受压损伤云图和型钢累积应变云图，分析试件损伤演化过程可知：

（1）三类损伤模式下的非对称十字形配钢SRC柱均具有损伤不对称的特征。型钢内缩一侧的混凝土较早出现损伤，并先于型钢产生，其损伤程度和范围均大于型钢未内缩一侧，而型钢则在未内缩一侧损伤较严重。

（2）三类损伤模式的本质原因各不相同。弯曲型损伤模式主要由于构件受弯产生水平向损伤，剪切型损伤主要由于构件受剪造成斜向损伤，弯剪型损伤模式则是在损伤初期以水平向受弯为主、中后期斜向受剪为主。

在区分三类损伤模式的基础上，还可进一步明确影响损伤模式的主要因素，并分别建立损伤评价指标。

4 结论

本文提出了一种非对称十字形配钢SRC柱的构造形式，满足了复杂高层建筑边柱的施工和受力要求。通过九组非对称十字形配钢SRC柱的有限元分析，获得如下结论：

（1）在相同配钢率下，非对称十字形配钢方式不仅与对称十字形配钢方式具有相当的承载力，并具有施工方便、符合边柱受力特征等优势，因此采用非对称十字形配钢SRC柱具有实际工程意义。

（2）非对称十字形配钢SRC柱具有不对称的损伤特征。型钢内缩一侧的混凝土较早出现损伤，程度和范围均大于型钢未内缩一侧，而型钢则是未内缩一侧的损伤较为严重。

（3）非对称十字形配钢SRC柱的损伤模式可划分为弯曲型、剪切型和弯剪型三类。三类损伤模式的损伤演化过程以及本质原因各不相同，在本文定性描述损伤的基础上可进一步建立各类损伤的损伤评价指标。