高强钢骨混凝土柱延性分析及施工质量控制

傅琳琳+谢剑学

【摘要】对8根钢骨高强混凝土柱在低周反复荷载下抗震性能进行了试验，并综合现有钢骨高强混凝土柱的试验研究成果，分析了轴压力系数、体积配箍率、剪跨比和配钢率等参数对钢骨高强混凝土柱延性的影响及规律。同时结合试验及具体的工程实践提出了提高其抗震延性的施工工艺。

【关键词】钢骨高强混凝土;延性;抗震 ;施工

Ductility of high strength steel reinforced concrete column analysis and construction quality control

Fu Lin-lin1，Xie Jian-xue2

（1.Foster Wheeler （Hebei） Engineering Co.， Ltd. BranchShanghai200000;

2.Suzhou University of Science and Technology Department of Civil EngineeringSuzhouJiangsu215000）

【Abstract】For eight steel reinforced high-strength concrete columns under low cyclic loading tests conducted seismic performance， and integration of existing steel high strength concrete columns experimental research analyzes the axial compression ratio， volume stirrup ratio， shear span ratio and with steel rate and other parameters on the ductility of steel reinforced high-strength concrete columns influence and rule. Meanwhile binding assays and specific engineering practices proposed to improve the construction process the seismic ductility.

【Key words】Steel Reinforced High Strength Concrete;Ductility;Earthquake;Construction

1. 钢骨高强混凝土结构的特点

钢骨高强混凝土结构是在钢筋混凝土内部埋置型钢或焊接钢构件，并使钢骨与混凝土组合成为一个整体共同工作，而形成的一种组合结构。其特点如下：

1.1与钢筋混凝土结构相比，由于配置了钢骨，使构件的承载力大大提高，从而有效的减小了梁柱截面尺寸，尤其是抗剪承载力提高、延性加大，显著改善了抗震性能。

1.2与钢结构相比，钢骨高强混凝土构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，提高构件的整体刚度，显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。同时，外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。

1.3钢骨高强混凝土结构比钢结构具有更大的刚度和阻尼，有利于控制结构的变形和振动。

（1）钢骨高强混凝土充分发挥了钢与混凝土两种材料的优点，在高层及超高层建筑中得到了广泛的应用，但到目前为止，国内外对其研究的成果多集中于构件的强度、刚度等方面，在施工方面经验不多，可供参考的资料很少。而施工现场的施工质量又严重影响着这种组合结构性能的充分发挥。

（2）同时高强混凝土具有高脆性，柱的抗震性能是关系到建筑物在地震作用下是否倒塌的关键，因此笔者对钢骨高强混凝土框架柱的抗震延性进行试验分析，并结合试验过程及具体的工程实践提出确保钢骨高强混凝土柱抗震延性的施工质量控制措施。

2. 试验概况及分析

2.1主要试件参数

本次试验所用试件的剪跨比λ=1.5 、2.0 两种，截面200mm×200mm ，含钢率为3.7% 。纵筋为416 ，配筋率ρs=1.62% 。箍筋采用直径为8@400  。高强混凝土抗压强度实测值范围为86.8～ 96.2 MPa， 试件中钢骨为热轧l12 ， 实测截面面积为1476mm2 。

2.2试验装置及加载制度。

试件采用简支梁式加载， 加载装置如图1。采用变幅变位移混合加载制度，如图2 所示，第一循环以开裂荷载控制， 正反向各加载1 次; 随后按屈服位移控制， 每一控制位移下水平荷载循环3 次， 直至水平荷载显著降低或试件不能稳定地承受预加的轴向荷载时， 停止试验，试件数据用动静态应变（应力） 测试分析系统采集. 试件的滞回曲线实时显示在计算机上。

图1加载装置简图

图2试验加载制度

2.3破坏特征分析

本次试验所用8 根钢骨高强混凝土试件的剪跨比1.5λ2.0 ，试验轴压比分别为0.55、0.50、0.45、0.40、0.35、0.30、0.25、0.10。研究较高轴压力作用下钢骨超高强混凝土短柱的抗震延性问题，试验表明，短柱处于压、弯、剪复合应力状态作用下， 受力极其不利， 破坏一般比较突然， 具体破坏形态表现为：

（1）剪切斜压破坏：本次试验剪跨比λ=1.5 的试件和大多数剪跨比λ=2.0 的试件发生了这类形式的破坏. 在横向荷载作用下， 在柱的受剪平面上首先出现沿加载点至试件支点的微细斜裂缝， 继而在反向荷载作用下， 反向亦出现斜裂裂缝， 形成交叉裂缝.随着荷载的增加和反复， 斜裂缝进一步发展并将试件分隔成许多斜压小柱体; 达到极限承载力之后，混凝土保护层剥落， 破坏面上的石子被击穿，导致试件破坏。

（2）剪切粘结破坏本次试验少部分剪跨比λ=2.0的试件发生了这类形式的破坏， 且有时与剪切斜压破坏同时发生. 这种破坏形态主要是由于钢骨两侧混凝土产生纵向劈裂所致.在反复荷载作用下， 首先出现沿加载点至试件支座的微细斜裂缝， 沿着柱两侧型钢翼缘位置的混凝土表面出现纵向劈裂粘结裂缝， 随着荷载的增加和往复， 这些裂缝逐渐扩展、贯通， 最后由于竖向劈裂粘结裂缝处混凝土被压溃， 试件抗剪承载力下降， 导致试件破坏。

2.4水平力——转角位移滞回曲线性态分析

对8 根钢骨高强混凝土短柱在低周反复荷载作用下进行了试验， 图3 、图4为轴压比为0.10和0. 50时试件的实测水平力——转角位移滞回曲线，曲线图形饱满，无明显的“捏缩”现象，吸能性能好，反映出钢骨高强混凝土柱具有很好的抗震性能。从图中可以看出如下特点：

图3水平力——转角位移滞回曲线1

图4水平力——转角位移滞回曲线2

（1） 构件的初始刚度随轴压比的增大而增大， 刚度随着循环次数的增加而降低。 水平荷载未达到峰值荷载前， 每一位移幅值控制下的3 次循环加、卸载曲线基本重合， 表明此时刚度变化不大; 水平荷载超过峰值后， 出现明显的刚度退化现象。

（2） 在相同条件下， 低轴压比试件的滞回曲线形状较为饱满呈梭形， 承受反复荷载的循环次数较多， 有较大的塑性变形和耗能能力， 而高轴压比的试件滞回曲线形状则相对狭窄， 循环次数也相对较少， 塑性变形和耗能能力也相应降低。

（3） 在相同条件下， 随着剪跨比的增大， 试件的滞回曲线更加平缓， 滞回环的形状趋于饱满， 极限变形能力也明显随之增加， 表明耗能能力更强;反之亦然。

3. 影响位移延性的因素分析

根据试验结果分析了轴压力系数、体积配箍率、剪跨比和配钢率等参数对钢骨高强混凝土柱位移延性的影响及规律如下：

3.1轴压比对延性的影响。

（1）图5是试验分析得到的轴压比与钢骨高强混凝土柱位移延性系数的关系曲线。它表明轴压比是影响混凝土柱抗震延性的主要因素之一。不仅能够影响高强混凝土短柱的破坏形态， 而且能够影响其变形能力、耗能能力及承载能力。

（2）随着轴压比的提高， 横向荷载达到峰值以后， 钢骨高强混凝土框架短柱的延性逐渐降低， 强度衰减的速率加快， 极限变形能力也相应降低， 且骨架曲线的下降段逐渐变得愈发陡峭.表明钢骨高强混凝土柱的位移延性系数随轴压力系数的增大而降低，但轴压力系数增加到0. 40 后延性的变化较小。

图5轴压比与延性系数的关系曲线

图6配箍率与延性系数的关系曲线

图7剪跨比与延性系数的关系曲线

3.2配箍率对延性的影响。

图6是试验分析得到的体积配箍率ρv 与延性系数的关系曲线，它表明了配箍率也是影响混凝土柱抗震延性的主要因素之一. 相同条件下， 提高配箍率可以明显改善钢骨高强混凝土短柱的滞回特性和抗震延性.随着配箍率的提高， 试件的变形能力和延性有了明显改善; 同时试件的受剪承载力也有不同程度的提高.试件的延性随体积配箍率的提高而增大， 随体积配箍率的减小而降低。

3.3剪跨比的影响。

剪跨比（ λ=M/Vh0）反映了截面上弯曲正应力和剪应力的相对关系， 剪跨比对柱子延性的影响不可忽视.是决定框架柱延性破坏还是脆性破坏的主导因素. 由理论推导和结合国内、国外试验结果可知，破坏形态与剪跨比的关系大致可按如下划分：当λ1.5  时，发生斜压破坏; 1.5λ2.5  时， 发生剪切粘结破坏; λ2.5时，发生弯曲破坏.图7 是试验分析得到的剪跨比与位移延性系数的关系曲线.分析结果表明， 随着剪跨比的改变，钢骨高强混凝土柱的破坏形态将发生改变，从而使柱子的延性发生较大变化，位移也发生较大改变.当 时，钢骨高强混凝土柱的延性系数随剪跨比的增加而提高，但当 当时，随着剪跨比的增加钢骨高强混凝土柱位移延性系数反而降低。

图8焊接顺序

3.4含钢率的影响。

含钢率ρss 是指钢骨高强混凝土构件内钢骨截面面积Ass  与构件全截面面积 A的比值. 试验数据表明当其它参数不变，含钢率从3.01%增加到6.37% ，位移延性系数由2.9 增加到4.32，可见增加含钢率在一定范围内可显著地提高延性系数.说明了钢骨高强混凝土构件的延性随含钢率的增加而增加，抗震性能随含钢率增加而改善，其承载能力也随含钢率的增加而增加。

3.5强度对延性的影响。

混凝土强度的变化能够显著影响柱的抗震延性. 相同条件下， 混凝土强度的提高可以明显降低钢骨高强混凝土短柱的滞回特性和抗震延性。

4. 提高钢骨高强混凝土柱延性的施工工艺

施工现场的施工质量严重影响着这种组合结构性能的充分发挥，笔者结合工程的调查分析对组合结构中钢骨柱施工质量的缺陷及原因进行分析， 结果显示钢骨高强混凝土柱施工质量缺陷主要表现在焊接质量差、H 型钢柱不垂直、纵向产生弯曲、钢牛腿标高出现偏差四个方面。其中焊接质量差、H 型钢柱不垂直，是影响钢骨高强混凝土柱延性的主要原因。为此我们提出如下改进工艺：

图9拼装模架

4.1提高焊接质量的施工工艺措施。

（1）焊接前应先进行工艺试验，以取得最佳工艺系数，达到工艺合格、质量可靠和降低成本的目的。

（2）在焊接时改手工焊为采用ZXGI000R自动埋弧焊机，焊接时在其焊缝的两端配置引入板、引出板，做到引入板、引出板与被焊件的坡口形式相同，其长度大于60 mm ，宽度大于50 mm ，焊缝引入、引出的长度大于25 mm ，焊缝焊接完毕后用气割割除，并修磨平整。

（3）焊接时在专用的焊接胎膜上作全自动埋弧焊，按焊接工艺要求的焊接顺序进行施工，减少焊接变形。焊接顺序见图8 。

（4）施焊时，每条焊缝原则上要连续操作完成，不得不在T 字口和构件边缘停弧或换焊条时，施焊后的焊缝应立即覆盖岩棉材料给予保温，延长焊件降温时间。

（5）配置超声波探伤人员跟班检查焊接质量，不合格者应及时返修。

4.2减少焊接变形的方法。

（1）采用拼装模架将H 型、十字型钢板拼装成型，拼装模架如图9所示。

（2）拼装后的几何尺寸经检验合格后进行定位点焊，定位点焊的焊缝长度为60 mm ，焊缝的间隔为200 mm ，焊缝高度为6 mm。

（3）对埋弧焊电流、电压、焊接速度参数进行监控，电流：600 A～650 A ，电弧电压：35 V～38 V ，焊接速度： 0. 42 m/ min。

（4）为防止受热不均匀造成过大变形，施焊前应进行预热，预热区域应在焊缝的两侧各100 mm ，使其产生相应的反变形。

（5）划线下料应考虑焊接收缩量，以满足组焊成型后设计尺寸，使吊装就位后保证柱顶、孔眼标高一致。

5. 结语

（1）影响钢骨高强混凝土柱位移延性系数的主要因素有构件的轴压比、体积配箍率、剪跨比、配钢率和混凝土强度。

（2）钢骨高强混凝土柱的位移延性系数随轴压比的增大而降低，但轴压比增加到0.40 后位移延性的变化较小;随体积配箍率的增加而提高，但配箍率增加到1.9%后位移延性的增长减缓。含钢率在一定范围内可显著地提高延性系数。

（3）由于构件试验本身的离散性较大及样本数量相对较少，造成了某些试件的回归值与实验值偏差较大;此外钢骨高强混凝土柱的混凝土保护层厚度以及配箍形式等也是影响延性的因素之一。

（4）钢骨高强混凝土组合结构是钢与混凝土的优点结合，是建造高层与大跨度结构较好的途径，在我国具有广阔的前景， 施工现场的施工质量严重影响着这种组合结构性能的充分发挥，探讨它的施工方法和施工工艺具有深远的意义。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准. 钢骨混凝土结构设计规程YB 9082-97[S]. 北京： 冶金工业出版社， 1998.

[2]中华人民共和国国家标准. 混凝土结构设计规范GB50010 - 2010[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2010.

[3]贾金青， 钢骨高强混凝土短柱轴压力系数限值的试验研究[J]. 建筑结构，2003 ，24 （1） .

（3）焊接时在专用的焊接胎膜上作全自动埋弧焊，按焊接工艺要求的焊接顺序进行施工，减少焊接变形。焊接顺序见图8 。

（4）施焊时，每条焊缝原则上要连续操作完成，不得不在T 字口和构件边缘停弧或换焊条时，施焊后的焊缝应立即覆盖岩棉材料给予保温，延长焊件降温时间。

（5）配置超声波探伤人员跟班检查焊接质量，不合格者应及时返修。

4.2减少焊接变形的方法。

（1）采用拼装模架将H 型、十字型钢板拼装成型，拼装模架如图9所示。

（2）拼装后的几何尺寸经检验合格后进行定位点焊，定位点焊的焊缝长度为60 mm ，焊缝的间隔为200 mm ，焊缝高度为6 mm。

（3）对埋弧焊电流、电压、焊接速度参数进行监控，电流：600 A～650 A ，电弧电压：35 V～38 V ，焊接速度： 0. 42 m/ min。

（4）为防止受热不均匀造成过大变形，施焊前应进行预热，预热区域应在焊缝的两侧各100 mm ，使其产生相应的反变形。

（5）划线下料应考虑焊接收缩量，以满足组焊成型后设计尺寸，使吊装就位后保证柱顶、孔眼标高一致。

5. 结语

（1）影响钢骨高强混凝土柱位移延性系数的主要因素有构件的轴压比、体积配箍率、剪跨比、配钢率和混凝土强度。

（2）钢骨高强混凝土柱的位移延性系数随轴压比的增大而降低，但轴压比增加到0.40 后位移延性的变化较小;随体积配箍率的增加而提高，但配箍率增加到1.9%后位移延性的增长减缓。含钢率在一定范围内可显著地提高延性系数。

（3）由于构件试验本身的离散性较大及样本数量相对较少，造成了某些试件的回归值与实验值偏差较大;此外钢骨高强混凝土柱的混凝土保护层厚度以及配箍形式等也是影响延性的因素之一。

（4）钢骨高强混凝土组合结构是钢与混凝土的优点结合，是建造高层与大跨度结构较好的途径，在我国具有广阔的前景， 施工现场的施工质量严重影响着这种组合结构性能的充分发挥，探讨它的施工方法和施工工艺具有深远的意义。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准. 钢骨混凝土结构设计规程YB 9082-97[S]. 北京： 冶金工业出版社， 1998.

[2]中华人民共和国国家标准. 混凝土结构设计规范GB50010 - 2010[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2010.

[3]贾金青， 钢骨高强混凝土短柱轴压力系数限值的试验研究[J]. 建筑结构，2003 ，24 （1） .

（3）焊接时在专用的焊接胎膜上作全自动埋弧焊，按焊接工艺要求的焊接顺序进行施工，减少焊接变形。焊接顺序见图8 。

（4）施焊时，每条焊缝原则上要连续操作完成，不得不在T 字口和构件边缘停弧或换焊条时，施焊后的焊缝应立即覆盖岩棉材料给予保温，延长焊件降温时间。

（5）配置超声波探伤人员跟班检查焊接质量，不合格者应及时返修。

4.2减少焊接变形的方法。

（1）采用拼装模架将H 型、十字型钢板拼装成型，拼装模架如图9所示。

（2）拼装后的几何尺寸经检验合格后进行定位点焊，定位点焊的焊缝长度为60 mm ，焊缝的间隔为200 mm ，焊缝高度为6 mm。

（3）对埋弧焊电流、电压、焊接速度参数进行监控，电流：600 A～650 A ，电弧电压：35 V～38 V ，焊接速度： 0. 42 m/ min。

（4）为防止受热不均匀造成过大变形，施焊前应进行预热，预热区域应在焊缝的两侧各100 mm ，使其产生相应的反变形。

（5）划线下料应考虑焊接收缩量，以满足组焊成型后设计尺寸，使吊装就位后保证柱顶、孔眼标高一致。

5. 结语

（1）影响钢骨高强混凝土柱位移延性系数的主要因素有构件的轴压比、体积配箍率、剪跨比、配钢率和混凝土强度。

（2）钢骨高强混凝土柱的位移延性系数随轴压比的增大而降低，但轴压比增加到0.40 后位移延性的变化较小;随体积配箍率的增加而提高，但配箍率增加到1.9%后位移延性的增长减缓。含钢率在一定范围内可显著地提高延性系数。

（3）由于构件试验本身的离散性较大及样本数量相对较少，造成了某些试件的回归值与实验值偏差较大;此外钢骨高强混凝土柱的混凝土保护层厚度以及配箍形式等也是影响延性的因素之一。

（4）钢骨高强混凝土组合结构是钢与混凝土的优点结合，是建造高层与大跨度结构较好的途径，在我国具有广阔的前景， 施工现场的施工质量严重影响着这种组合结构性能的充分发挥，探讨它的施工方法和施工工艺具有深远的意义。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准. 钢骨混凝土结构设计规程YB 9082-97[S]. 北京： 冶金工业出版社， 1998.

[2]中华人民共和国国家标准. 混凝土结构设计规范GB50010 - 2010[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2010.

[3]贾金青， 钢骨高强混凝土短柱轴压力系数限值的试验研究[J]. 建筑结构，2003 ，24 （1） .