黄 志，郭汉文，张柏丑，李 军，廖继胜，彭 龙
（1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201；
2.湖南省智慧建造装配式被动房工程技术研究中心，湖南湘潭 411201）
近年来，钢管混凝土结构因其优越的抗震性能，得到越来越广泛的应用。其中，钢管混凝土格构式柱因其施工方便、承载能力强、延性好、抗冲击性能好和安全可靠等特点在建筑抗震和抗风领域中得到了广泛应用［1-5］。钢管混凝土格构式柱静力性能方面，研究人员进行了大量的分析研究，陈伯望等［6］通过2根四肢圆钢管混凝土格构柱的低周反复荷载试验，提出了钢管混凝土格构柱退化三折线恢复力模型，确定了构件轴压比、长细比和材料比例系数等参数与模型间的关系；
袁辉辉等［7］对2组钢管混凝土格构式柱1：8缩尺模型进行了拟动力试验，结果表明平缀管钢管混凝土格构柱具有良好的抗震性能，且在多次强震后仍能保持一定承载能力；
欧智菁等［8］利用OpenSees建立变截面平缀管式钢管混凝土格构柱有限元模型，发现随试件高度增大和柱肢坡度减小，混凝土柱极限荷载逐渐降低；
龚万莉［9］对钢管混凝土格构柱-钢梁平面框架反复荷载作用下的滞回性能分析，表明随着轴压比的增大，结构的极限承载力降低，延性变差，耗能能力下降，而含钢率和梁柱线刚度比的影响规律则与之相反；
秦明光［10］通过对钢管混凝土格构柱换算长细比和低周反复水平荷载下的力学性能进行分析，得到反向斜缀条布置形式的钢管混凝土格构柱承载力较高，施工方便，在工程实践中可优先采用；
曹艳等［11］通过对2个自密实方钢管和1个自密实圆钢管混凝土格构柱模型在恒定竖向荷载作用下的水平低周反复试验，得出缀管与肢柱的焊接连接处是构件的薄弱位置、圆钢管混凝土格构柱具有更高的抗震能力的结论。而在钢管混凝土格构式柱抗震性能方面，袁辉辉等［12］通过7个试件的拟静力试验，验证了钢管混凝土格构柱试件具有良好的抗震性能，破坏形态以整体压弯破坏为主；
蒋丽忠等［13］通过单肢斜撑、交叉斜撑和横隔板3种连接形式节点的低周反复循环加载试验发现格构柱-组合梁破坏类型表现为“强柱弱梁”，节点滞回曲线比较饱满，具有良好的抗震性能；
欧智菁等［14］利用OpenSees程序，进行了四肢变截面平缀管式钢管混凝土格构柱抗震性能的参数分析，得到了四肢变截面平缀管式的骨架曲线与恢复力模型的计算公式，为变截面平缀管式钢管混凝土格构柱弹塑性动力响应的分析奠定了理论基础；
邹艳花等［15］通过2根格构式钢管混凝土柱的低周反复荷载试验与ANSYS有限元软件，发现材料的比例系数ζ越大，延性越好，一般轴压比n越大，水平承载力越大。邓萱奕［16］对偏心率、长细比等因素对破坏形式的影响做了对比试验，得出随长细比增加，破坏形式由局部鼓曲转为明显的整体压弯破坏，且破坏多发生在焊接处，并提出提高焊缝质量的解决方案。
虽然国内外学者对钢管混凝土组合构件的抗震性能试验研究已经有所开展［17-19］，但远没有跟上工程应用的步伐。国内外学者对钢管混凝土格构柱的试验研究主要集中于单一缀条/缀管形式试验研究与分析。但钢管混凝土格构式柱在低周反复水平作用下的破坏形式和影响因素较复杂，特别是不同缀管形式和数量对柱肢的约束等相关因素的影响，而当前国内外研究成果对钢管混凝土四肢格构式柱不同缀管排列和缀管数量在往复荷载作用下的塑性耗能研究很少，仍有待进一步的分析。
该格构柱柱肢选用Q235焊接钢管，缀管选用Q235无缝空钢管。试件主要构造参数见表1和表2，底座和柱帽均采用C40混凝土浇筑，配置足够的钢筋。纵向受力钢筋采用直径为16 mm的HRB335级钢筋，箍筋采用直径8 mm的HPB300级钢筋。该试验采用正交化设计方法，设试件4个，截面尺寸均为386 mm×386 mm，各柱构件柱肢截面尺寸、节间距和柱肢间距均相同，内部填充混凝土。格构柱固定在混凝土底座上，尺寸为600 mm×1 000 mm×250 mm，配置足够钢筋，保证其约束作用。顶端为钢筋混凝土柱帽，尺寸为500 mm×500 mm×500 mm。格构柱底部伸入底座180 mm，顶部伸入柱帽100 mm，则柱实际长度应增加280 mm。
表1 试件实测参数列表Table 1 Details of specimen parameters
表2 试件参数列表Table 2 Parameters of specimens
1.1 试验装置及加载制度
格构柱下端固定，上端自由，柱脚与钢筋混凝土底板浇筑成整体，底板通过高强度螺栓固定在地槽，柱顶放置吨位100 t的千斤顶，千斤顶下部设置加载板，竖向钢拉杆铰接并固定于地槽。水平拉力由1 000 kN水平作动器提供，作动器与柱通过螺栓连接，加载装置如图1所示。
本试验采用拟静力加载方式，对钢管混凝土格构式柱试件的柱顶施加恒定的轴力，同时在柱顶端侧面施加水平荷载或位移。分3个步骤进行加载：
（1）施加柱顶轴向压力。试验采用100 t液压千斤顶施加轴力。首先取0.4 N～0.6 N（N为试验时加载在格构柱上的轴力值）进行预加载，使构件各部进入正常工作状态，并检验装置和仪表是否工作可靠。校准完毕后，加载至钢管混凝土格构柱的轴向压力设计值，并保持轴力恒定，持荷2～3 min。
（2）施加柱顶水平往复位移。首先预加反复荷载1次，保证设备工作正常。然后运用变幅等幅加载制度进行水平位移加载，采用位移控制加载。试件屈服前，按计算屈服位移的50%为其初始位移分两次加载至屈服，即0.5Δy、1.0Δy。每级荷载均循环3次。屈服后每级增量为计算的屈服位移值的倍数施加，即1Δy、2Δy、3Δy、4Δy、…。
（3）停止加载。当出现以下几种情况时，可以认为试件破坏，停止加载。
1）某级加载的第1循环位移对应的荷载低于最大荷载值的85%；
2）加载位超过试件高度的1/200；
3）钢管混凝土格构柱柱脚出现明显的鼓曲变形，并且伴有撕裂，具有明显的破坏特征。
1.2 数据采集与测点布置
柱顶安装1 000 kN测力传感器拟施加水平往复荷载，并布置千斤顶提供竖向荷载，并通过作动器获取荷载值。各试件柱顶、柱肢中截面、柱脚及与水平力一致的方向及对称位置布置位移计，拟获取各试件不同位置的水平挠度。同时，在各试件柱肢部分在柱脚、1/4截面和中截面处点A、B、C、D处布置双向应变片，缀管柱中截面上布置纵向应变片，如图2所示。每次循环中，每级荷载加载后持续2～3 min，仪表稳定后记录各测点读数，观察试件外观变化，并记录试验现象。
1.3 试验现象
试件破坏形态主要呈现为压剪破坏和压弯破坏2种。剪跨比较小的试件S1和S2，表现为压弯剪破坏，压剪共同作用的破坏。剪跨比较大的试件S3，因受到较大的剪切作用，破坏后柱脚截面出现水平裂缝。长柱试件S4，表现为压弯破坏。
图1 试验加载图Fig.1 Test loading and structure diagram
图2 测点布置图Fig.2 Layout of observation point
图3 试件破坏过程和破坏后图片Fig.3 Failure of the specimens
试件S1和S2柱破坏过程相似。加载开始时试件的受力和变形表现稳定，位移与荷载变化大致呈正比。加载至32 mm时，受压侧柱脚开始出现轻微鼓曲，另一侧2根柱肢未出现局部变形。反向加载时，原先出现鼓曲变形的一侧的柱脚变形基本恢复，而受压侧鼓曲变形不明显。加载至48 mm时，柱脚鼓曲变形无法恢复且开始向环向发展。加载至60 mm时，鼓曲变形较为明显，且受压侧出现水平裂缝，少数混凝土碎末脱落。加载至72 mm时，水平承载力下降严重，两侧柱脚肢管出现撕裂，试件破坏。
试件S3柱肢管柱脚局部屈曲出现在最大位移48 mm处。此时，柱肢局部屈曲可恢复。加载至72 mm时，局部屈曲不可完全恢复，开始出现明显鼓曲。加载至84 mm时，水平承载力开始下降，柱肢因较大鼓曲变形出现水平撕裂现象。
试件S4柱在加载过程中整体变形较为明显。加载至90 mm时，柱脚开始出现微小局部屈曲，局部变形可在反向加载时完全恢复。加载120 mm时，局部变形不可完全恢复。加载至150 mm时，出现明显面内弯曲，柱脚鼓曲较为明显，但未出现水平裂缝。此时，因作动器正向加载位移达到限制，试验停止。试件破坏过程和破坏后形态见图3。
2.1 荷载-位移滞回曲线
图4 荷载-位移滞回曲线图Fig.4 Loading-displacement hysteretic curve
利用ABAQUS建立了各试件有限元模型，并与试验结果进行了对比验证，其加载点荷载-位移滞回曲线见图4。对于S1和S2柱，滞回曲线为弓形，形状较为饱满，但存在轻微“捏缩”效应，表明滞回曲线受到滑移和剪切变形影响，整个构件的塑性变形能力比较强，格构柱低周反复荷载试验研究性能较好，能较好地耗散地震能量。
对于试件S3柱，滞回曲线呈反S型，不够饱满。原因是长柱混凝土浇筑质量相对较难保证，钢管与混凝土之间存在较大滑移，特别是加载后期，混凝土压碎，滑移作用更加明显，所以在加载后期捏缩效应更加明显。对于剪跨比不大的构件，格构柱在水平荷载作用下的剪切变形影响不可忽略。两者在试件S5柱上共同作用，因此试件S5柱滞回曲线不饱满，试件耗能能力被削弱。
对于试件S4柱，滞回曲线表现最为饱满，接近梭形。因其剪跨比较大，在水平荷载作用下表现出明显的弯曲性能。相比之下，可以忽略剪切变形的影响。加载后期少量捏缩效应由滑移所致，可见长细比对于格构柱的抗震性能有较大的影响。
2.2 荷载-位移骨架曲线
4个试件在低周反复荷载作用下的荷载-位移骨架曲线均可分为3个阶段，如图5所示，分别为近似弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。钢管混凝土格构柱的长细比对构件的水平承载力、弹性阶段的刚度和极限位移均有较大影响。
图5 荷载-位移骨架曲线图Fig.5 Loading-displacement skeleton curve
总体来说，长细比越大，弹性阶段的刚度较小，水平承载力越低。极限位移越大，延性较好。轴压比对构件抗震性能的影响集中表现在破坏阶段，轴压比提高，破坏段斜率略微增大。
为了探究钢管混凝土格构式柱不同缀管形式的塑性耗能能力，以试验中的钢管混凝土格构柱为原型，利用经上述对比验证后的有限元模型，分别将模型S1中的缀管形式去除横缀管、去除斜缀管、改变缀管排列方式等5种不同形式，分析其塑性耗能性能。5种不同形式的缀管参数如表3所示。
表3 模型参数表Table 3 Key parameters of specimen
不同缀管形式的钢管混凝土格构式柱荷载-位移滞回曲线与原型结构的对比如图6所示，由图可知，MD2与原模型的荷载-位移滞回曲线基本重合，说明单侧斜缀管K字形布置与平行布置对格构柱耗能能力影响不大。MD3荷载-位移滞回曲线不够饱满，但骨架曲线与原模型相差较小，可知横缀管对格构柱塑性耗能能力的贡献较小。MD4与原模型相比，荷载-位移滞回曲线更扁平，滞回环明显偏小，说明有斜缀管形式能较大的提高格构式柱耗能性能。MD5的滞回曲线最大值稍低于原模型，但曲线更加饱满，与原模型耗能能力基本持平，说明斜缀管是否交叉对耗能能力影响较小。同时，选取耗能性能较好的3种缀管形式构件MD1、MD2和MD5进行了对比分析，分析结果表明：MD1的塑性耗能能力最佳，斜缀管布置形式与前后是否对称会相互影响，抗震性能最好的缀管形式为MD1。
图6 不同缀管形式荷载-位移滞回曲线对比图Fig.6 Comparison of hysteretic curve with different tube shape
图7 不同缀管形式荷载-位移滞回曲线与骨架曲线图Fig.7 Comparison of hysteretic curve and skeleton curve with different tube shape
不同缀管形式的钢管混凝土格构式柱荷载-位移滞回曲线和骨架曲线对比如图7所示。由图可知，耗能能力最好的缀管形式为MD1。对比图中曲线可知，缀管数量和结构受力的对称性是影响塑性耗能能力的主要因素，缀管数量越多，参与耗能的缀管越多，耗能能力越好；
结构受力越对称，滞回曲线越饱满，塑性耗能能力越强。通过对比模型MD3与其他形式缀管的滞回曲线可知，斜缀管比横缀管对格构柱的塑性耗能能力的提高更明显，横缀管对格构柱的塑性耗能能力影响较小。由荷载-位移骨架曲线图可知，在水平低周反复荷载作用下，6个模型的骨架曲线均可分为近似弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，缀管数量和缀管布置形式对格构式钢管混凝土柱的影响都比较大。
进行了4根钢管混凝土格构式柱的水平低周反复荷载试验，分析了四肢钢管混凝土格式柱可能的破坏形式。通过ABAQUS有限元软件分析了不同形式缀管的钢管混凝土格构式柱，获得了不同缀管形式柱的荷载-位移滞回曲线和骨架曲线，通过对比分析，发现MD1缀管形式的格构式钢管混凝土柱塑性耗能能力优于其他模型。并在研究过程中得到以下结论：
（1）钢管混凝土格构式柱的缀管结构受力是否对称对滞回曲线的饱满程度和骨架曲线的最大峰值有一定影响。结构受力越对称，荷载-位移滞回曲线越饱满，结构的塑性耗能能力越好。
（2）在钢管混凝土格构式柱中，设置斜缀管可使所得的荷载-位移滞回曲线更加饱满，对柱的耗能能力提升有明显作用，相比之下，横缀管对柱的塑性耗能能力影响较小，若要提高格构柱抗震性能，须合理设置斜缀管，横、斜缀管同时设置所得的滞回曲线更加饱满，耗能能力更好。
（3）对于钢管混凝土格构式柱而言，其缀管形式采用斜缀管比横缀管的塑性耗能能力提高更明显，横缀管形式对格构柱的塑性耗能能力影响较小。
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