钢筋混凝土深梁填充钢框架抗震性能试验

郑宏¹，胡立黎¹，刘源¹，肖峰²

(1. 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安，710061；

2. 中煤国际工程集团南京设计研究院，江苏 南京，210096)

摘要：为了使钢结构初始刚度能够在一定范围内渐变，且增加的构件安装或拆卸方便，设计一种新型的抗震加固结构体系即钢筋混凝土深梁。通过1个纯钢框架和2个缩尺混凝土深梁填充钢框架的水平低周反复荷载试验，得到内填混凝土深梁钢框架结构的滞回曲线。在试验的基础上，分析深梁对纯钢框架的承载能力、延性、滞回特性和耗能能力的影响。结果表明：内填深梁大幅度提高了钢框架的初始刚度和承载能力；试件的滞回曲线饱满且骨架曲线有明显的塑性流动阶段；钢框架的延性和耗能能力都得到增强，证明内填深梁钢框架结构抗震性能良好，因此，混凝土深梁可作为结构抗震设防的第一道防线，钢框架作为第二道防线。

关键词：钢筋混凝土深梁；钢框架；抗震性能

中图分类号：TU317⁺.1           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)03-0797-06

Anti-seismic experiment on reinforced concrete deep beam infilled steel frame

ZHENG Hong¹, HU Li-li¹, LIU Yuan¹, XIAO Feng²

(1. School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China;

2. Sinocal International Engineering Design & Research Institute, Nanjing 210096, China)

Abstract: To realize the modulation of initial stiffness of steel structure and make the structure easily be assembled and removed, reinforced concrete deep beam, i.e., a new anti-seismic reinforcing structure, was introduced. By cyclic loading model test of one steel frame and two deep beam infilled steel frames, the hysteresis loops were obtained. Based on the experiment, effects of the deep beam on the load capacity, ductility, hysteretic property and energy-dissipation of the pure steel structure were analyzed. The results show that the deep beam enhances the initial stiffness and load capacity by a large margin, and the hysteresis loops are replete and the skeleton curves have apparent stage of plastic flow, and the ductility and energy dissipation capacity of the test pieces are enhanced. Therefore, the deep beam can be used as the first defense line of earthquake-resistance, and the steel frame can be used as the second.

Key words: reinforced concrete deep beam; steel frame; anti-seismic performance

地震导致建筑结构的倒塌是因为结构的塑性变形能力小于需要的能力，而基于承载力的设计并不能保证结构达到这种要求^[1]。钢框架和剪力墙填充钢框架是2种常用的结构体系。在地震作用下，钢筋混凝土剪力墙裂缝出现早，后期以剪切破坏为主，且震后不易修复。钢框架结构的结构延性和抗震性能良好，但钢框架结构的侧向刚度小导致侧向位移大，易引起非结构构件的破坏，在高地震烈度区的使用受到限    制^[2-3]。为满足结构在2个端点刚度之间变化的要求，实现一定范围内刚度渐变调幅^[4-8]，可将深梁作为一种新型抗侧力结构形式^[9-10]。Kahn等^[11]最早提出将钢筋混凝土板内填在钢筋混凝土框架结构的结构形式。Kesner等^[12-13]将纤维混凝土板用于钢框架抗震加固。钢-混凝土组合结构的单位面积的质量约为650 kg/m²，分别是砖混结构和混凝土结构的43%和54%^[14]。减小结构质量不仅可大大减少工程造价，更有利于提高结构的抗震性能，因此，组合结构得到了快速的发展。《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)规定：深梁是指跨高比l₀/h₀≤2.0的简支梁或跨高比l₀/h₀≤2.5的连续梁。钢筋混凝土深梁填充钢框架结构是将跨高比l₀/h₀≤2.0的钢筋混凝土板内置于框架结构中，混凝土板上下两端与上下层框架梁通过高强螺栓连接。在此，本文作者为了研究钢筋混凝土深梁填充钢框架的抗震性能，设计了缩尺的混凝土深梁填充钢框架结构在水平低周反复荷载作用下的试验，并通过改变深梁高度考察其对结构抗震性能的影响。

1  试验方案

为了对比分析，试验试件分为2类：钢框架和2个深梁填充钢框架结构(编号依次为PF，RDBF-A，RDBF-B)。试验所用钢材均为Q235B，框架柱、梁均采用HW200×200×8×12型钢，柱轴线距离为1 800 mm。梁柱节点处设加劲肋，刚性连接。柱脚刚性连接，设置4个150 mm×250 mm×12 mm(长×宽×厚)加劲肋，6个M24高强度摩擦型螺栓与基座梁固定。

钢筋混凝土深梁的尺寸如图1所示。混凝土板上留有连接用的螺栓孔，强度等级为C30。深梁与框架的连接方法为：在混凝土板上下端、钢框架梁下翼缘和底梁上钢板留有螺栓孔，用角钢的一肢将混凝土板夹紧并用螺栓固定；角钢的另一肢分别与框架梁下翼缘和基座梁上钢板通过螺栓固定(见图2)。连接螺栓采用摩擦型高强螺栓M20，RDBF-A共18个，RDBF-B共48个，连接角钢为∠80 mm×8 mm(肢长×厚)。

试验加载装置如图3所示，水平加载设备采用美国的MTS电液伺服程控结构试验机系统。采用带有低摩擦球铰的2个同步油压千斤顶施加轴压力3×10⁵ N。首先施加轴压力，在试验过程中保持不变；然后，施加水平低周往复荷载，采用位移加载方式。屈服前，每级位移循环加载1次；屈服后，每级位移循环加载3次。荷载加载到水平荷载下降至峰值荷载的85%或结构破坏时。在框架梁、框架柱和深梁上都配置一定数量的百分表和应变片。使用360通道7D-602数据采集仪器自动采集试验数据。

2  试验结果

2.1  加载过程

2.1.1  PF的加载过程

当位移较小时，仅在螺栓连接处产生响声，结构

图1  钢筋混凝土深梁

Fig.1  Reinforced concrete deep beam

图2  深梁的连接

Fig.2  Connectors of RC deep beam

图3  加载装置示意图

Fig.3  Diagram of experimental apparatus

无明显变化。当水平位移加载至25 mm时，框架柱脚开始出现屈服，柱表面油漆开始剥落。随着荷载的增大，柱脚屈服越明显，柱翼缘局部屈曲。当水平位移为37 mm时，框架右侧节点区内油漆开始剥落，且上盖板焊缝开始出现裂缝；当水平位移为41 mm时，右侧梁柱节点上盖板焊缝完全断开，且节点区腹板裂缝开展贯通，框架破坏，试验结束。框架梁在整个加载过程中无明显变化，框架柱脚最终破坏形态如图4所示。

图4  框架的破坏模式

Fig.4  Damage models of steel frame

2.1.2  RDBF系列的加载过程

RDBF-A和RDBF-B的框架破坏过程与PF破坏过程相同。2个填充的混凝土深梁均是随着外荷载的逐渐增加，首先在深梁的4个角部出现混凝土压碎，在底部连接处产生水平裂缝；同时，在深梁中部产生斜向裂缝。随着荷载方向不断变化，斜向裂缝产生“闭”与“合”现象。最终深梁由于底部连接螺栓孔处水平裂缝贯通破坏模式如图5和6所示。

2.2  荷载-位移滞回曲线

在反复荷载作用下，PF和RDBF试件的荷载-位移滞回曲线如图7~9所示。从图7~9可知：试件经历了弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和承载能力下降段；随着荷载的增大，试件的刚度不断退化；在弹性阶段滞回曲线成直线，结构没有发挥耗能能力；试件的滞回环总体上较为饱满，呈现纺锤形。但进入塑性

图5  RDBF-A的混凝土深梁破坏模式

Fig.5  Damage models of RDBF-A’s deep beam

图6  RDBF-B的混凝土深梁破坏模式

Fig.6  Damage models of RDBF-B’s deep beam

图7  PF荷载-位移滞回曲线

Fig.7  Hysteresis loops of PF

图8  RDBF-A荷载-位移滞回曲线

Fig.8  Hysteresis loops of RDBF-A

图9  RDBF-B荷载-位移滞回曲线

Fig.9  Hysteresis loops of RDBF-B

阶段后期，PF试件滞回环不出现“捏拢”现象，而RDBF试件滞回曲线出现“捏拢”现象，并逐渐向反“S”形发展，RDBF-B表现尤为明显。

3  试验分析

3.1  承载能力分析

图10所示为3种试件的骨架曲线对比曲线。从图10可以看出：初始刚度从大到小的顺序为RDBF-B，RDBF-A，PF；在相同的加载位移下，内填高度较大的深梁RDBF-B试件的承载力最高，纯钢框架PF的承载力相对最低。试件的屈服荷载(F_y)和最大荷载(F_u)的实测值如表1所示。从表1可以看出：RDBF-A的屈服荷载和最大荷载与PF的相比分别提高了8%和

图10  RDBF与PF骨架曲线对比图

Fig.10  Skeleton curves of RDBF-B，RDBF-A and PF

12%；RDBF-B的屈服荷载和极限荷载与PF的相比分别提高了45%和52%。因此，内填钢筋混凝土深梁在提高钢框架初始刚度、屈服荷载和极限承载力方面均有显著效果，解决了纯钢框架初始刚度不足的缺陷。

3.2  延性分析

试件的屈服位移(Δ_y)、最大位移(Δ_max)和位移延性系数(μ=Δ_max/Δ_y)的实测值如表1所示。从表1可以看    出：试样PF，RDBF-A和RDBF-B屈服位移依次减  小，3种试件屈服位移递减说明钢框架填充钢筋混凝土深梁作为抗侧力构件起到了减小框架层间位移的作用，显示出内填深梁可防止钢框架受力变形过大。RDBF-A和RDBF-B的位移延性系数分别比PF的提高了38%和34%，说明结构的抗震性能提高。同时，内填深梁构件均先于钢框架退出工作，钢框架则随后丧失工作能力，体现了深梁可作为结构抗震设防的第一道防线。

表1  试验试件的屈服荷载(F_y)、最大荷载(F_u)、屈服位移(Δ_y)、最大位移(Δ_max)和位移延性系数(μ)

Table 1  Test results of yield load(F_y), maximal load(F_u), yield displacement(Δ_y), maximal displacement(Δ_max) and displacement ductility(μ)

3.3  耗能能力分析

结构体系在加载过程中P-Δ围成的面积为其吸收能量的总和，即应变能的总和，则滞回环包围的面积为结构耗散的能量。图11所示为试件的能量耗散系数历程变化，从图11可以看出：PF，RDBF-A以及RDBF-B能量耗散系数随着加载位移的增大均呈线增大趋势，但对于相同的加载位移情况下能量耗散系数从大到小依次为RDBF-A，RDBF-B，PF；RDBF-B比PF的增幅小，而RDBF-A比其他2种结构体系增幅大。综合耗能和延性情况，内填钢筋混凝土深梁在一定程度上可提高结构对地震能量耗散性能，但应综合考虑钢框架与内填深梁刚度的匹配问题，降低滞回曲线“捏缩”程度，确定整体结构体系能量耗散性最佳的钢筋混凝土深梁尺寸。

3.4  承载能力退化分析

承载力退化系数反映同一级加载各次循环承载力降低的程度。试件承载力退化系数如表2所示。从表

图11  PF，RDBF-A和RDBF-B的能量耗散系数曲线

Fig.11  Curves of energy dissipation coefficient of RDBF-A, RDBF-B and PF

表2  RDBF-A和RDBF-B承载力退化系数

Table 2  Coefficient of carrying capacity degeneration for RDBF-A and RDBF-B

2可知：虽然随着加载位移的增大，RDBF-A和RDBF-B的退化系数减小趋势略有增大，但是各级承载力退化系数均接近1，说明试件在同级循环荷载作用下承载力比较稳定。由此可见，随着深梁的逐渐破坏，并没有导致整体钢结构的承载能力急速退化，只是在破坏后期承载力退化系数随加载位移的增大呈现略微增加的趋势，说明破坏严重的深梁仍能承受一定荷载。因此，填充混凝土深梁的钢框架在水平低周反复加载情况下，结构承载力的稳定性能良好。

4  结论

(1) 在水平低周反复荷载作用下，内填钢筋混凝土深梁钢框架结构的荷载-位移滞回曲线饱满，呈现纺锤形。结构的承载能力、延性和耗能能力均优于钢框架结构，且承载能力稳定。通过改变钢筋混凝土深梁的跨高比可调整结构的抗侧刚度，使结构刚度能在一定范围内调幅。

(2) 内填钢筋混凝土深梁钢框架结构的抗震性能良好。钢筋混凝土深梁可作为结构抗震设防的第1道防线，钢框架作为第2道防线。

(3) 钢筋混凝土深梁作为一种抗震加固构件，采用高强螺栓与框架连接，安装或拆卸方便，也可工厂预制，因此可应用于新建的钢框架结构、建筑结构改造、加固与修复。

参考文献：

[1] 阎奇武, 唐莹莹, 陈康华. 组合连梁与墙肢节点恢复力模型试验研究[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2009, 40(2): 504-510.
YAN Qi-wu, TANG Ying-ying, CHEN Kang-hua. Experimental study on restoring force models of composite coupling beam and pier joints[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2009, 40(2): 504-510.

[2] 陈绍蕃, 顾强. 钢结构[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007: 34-39.
CHEN Shao-fan, GU Qiang. Steel structure[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2007: 34-39.

[3] 刘大海, 杨翠如. 高楼钢结构设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004: 20-25.
LIU Da-hai，YANG Cui-ru. Steel structure design of tall building[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2004: 20-25.

[4] 米旭峰. 带竖缝钢筋混凝土剪力墙的设计与构造研究[J]. 江苏科技大学学报: 自然科学版, 2009, 23(5): 387-390.
MI Xu-feng. Design rules and constructional measures of RC slit walled system[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2009, 23(5): 387-390.

[5] 王恒, 余安东, 郝际平. 带缝钢板剪力墙性能研究[J]. 钢结构, 2007, 22(9): 70-72.
WANG Heng, YU An-dong, HAO Ji-ping. Analysis on the behaviors of steel shear wall with slits[J]. Steel Construction, 2007, 22(9): 70-72.

[6] 曹春华, 郝际平, 王迎春, 等. 开缝薄钢板剪力墙低周反复荷载试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报: 自然科学版, 2008, 40(1): 46-52.
CAO Chun-hua, HAO Ji-ping, WANG Ying-chun, et al. Cyclic test of thin steel plate shear wall with slits[J]. Journal of Xi’an University of Architecture and Technology: Natural Science Edition, 2008, 40(1): 46-52.

[7] 郝际平, 曹春华, 王迎春, 等. 开洞薄钢板剪力墙低周反复荷载试验研究[J]. 地震工程与工程振动, 2009, 9(2): 79-85.
HAO Ji-ping, CAO Chun-hua, WANG Ying-chun, et al. Test on thin steel plate shear wall with opening under cyclic loading[J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2009, 9(2): 79-85.

[8] 缪友武, 董全利, 郭彦林. 两侧边开缝钢板剪力墙弹性屈曲分析[J]. 钢结构, 2007, 22(9): 95-98.
MIU You-wu, DONG Quan-li, GUO Yan-lin. Elastic bucking behavior of steel plate shear walls slotted at two edges[J]. Steel Construction, 2007, 22(9): 95-98.

[9] 郑宏, 杨飞颖, 张维刚. 钢板深梁屈曲分析[J]. 建筑科学与工程学报, 2007, 24(3): 31-34.
ZHENG Hong, YANG Fei-ying, ZHANG Wei-gang. Buckling analysis on steel plate deep beam[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering, 2007, 24(3): 31-34.

[10] ZHENG Hong，ZHOU Xu-hong. Parameter study of hysteretic behavior of steel beams in ANSYS[C]//JIANG Yong, LIU Kai. Proceedings of the Second International Conference on Modeling and Simulation. Manchester, England: World Academic Press, 2009: 91-96.

[11] Kahn L F, Hanson R D.Infilled walls for earthquake strengthening[J]. J Struct Div ASCE, 1979, 105(2): 283-296.

[12] Kesner K E. Development of seismic retrofit and strengthening strategies for critical facilities using engineered cementitious composite materials[D]. Ithaca: The Ithaca Compus, Cornell University, School of Civil Engineering, 2003: 113-120.

[13] Kesner K, Billington S L. Investigation of infill panels made from engineered cementitious composites for seismic strengthening and retrofit[J]. Journal of Structural Engineering, 2005, 131(11): 1712-1720

[14] 陶红林, 刘甲铭. 钢-混凝土组合结构住宅建筑体系技术经济分析[J]. 建筑经济, 2007, 30(12): 110-111.
TAO Hong-lin, LIU Jia-ming. Techno-economic analysis of steel-concrete composite structure[J]. Construction Economy, 2007, 30(12): 110-111.

(编辑 赵俊)

收稿日期：2009-12-16；修回日期：2010-04-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50678025)；陕西省外国专家局择优资助项目(SLZ2008008)

通信作者：郑宏(1964-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，从事钢结构稳定性和组合结构抗震性能研究；电话：029-82337262；E-mail: cehzheng@chd.edu.cn