雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的多維度試驗與分析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代建筑工程領(lǐng)域，隨著城市化進程的加速和建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，對建筑結(jié)構(gòu)的性能要求日益提高。建筑不僅要滿足人們?nèi)粘５氖褂霉δ苄枨?，還需在面對各種自然災(zāi)害時，具備足夠的安全性和穩(wěn)定性。其中，地震作為一種極具破壞力的自然災(zāi)害，對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，全球每年發(fā)生的大大小小地震數(shù)以百萬計，盡管大多數(shù)地震震級較低，未造成明顯破壞，但中高強度地震的發(fā)生仍會給人類社會帶來巨大的損失。例如，2008年中國汶川發(fā)生的8.0級特大地震，造成了大量建筑物的倒塌，超過8萬人遇難，直接經(jīng)濟損失高達8451億元；2011年日本東海岸發(fā)生的9.0級地震，引發(fā)了巨大的海嘯，不僅導(dǎo)致福島核電站發(fā)生核泄漏事故，還使大量建筑結(jié)構(gòu)遭到毀滅性破壞，經(jīng)濟損失難以估量。這些慘痛的地震災(zāi)害實例表明，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能是保障人民生命財產(chǎn)安全、促進社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。在眾多建筑結(jié)構(gòu)形式中，混凝土框架結(jié)構(gòu)由于其材料來源廣泛、施工工藝相對成熟等優(yōu)點，成為地震區(qū)常見的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。然而，傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下，往往存在延性不足、耗能能力有限等問題，導(dǎo)致在強震中容易發(fā)生嚴(yán)重破壞，甚至倒塌。為了改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能，研究人員不斷探索新型結(jié)構(gòu)形式和組合結(jié)構(gòu)體系。雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱作為一種新型的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)運而生，它將空間鋼構(gòu)架與混凝土相結(jié)合，充分發(fā)揮了鋼材的高強度和良好的延性以及混凝土的抗壓性能，展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。從結(jié)構(gòu)受力性能角度來看，雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱中的空間鋼構(gòu)架由橫向和斜向綴條與縱向弦桿焊接而成，形成了一個具有較高剛度和承載力的空間骨架。在混凝土硬結(jié)前，空間鋼構(gòu)架可獨立承受施工階段的荷載，同時還能用于懸掛模板及工藝管線，減少施工支撐腳手架的使用，簡化模板結(jié)構(gòu)體系，從而加快施工進度、降低施工成本。當(dāng)混凝土硬結(jié)后，空間鋼構(gòu)架與混凝土協(xié)同工作，共同承受外荷載。這種協(xié)同工作機制使得雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱在受力過程中，鋼材能夠有效地約束混凝土的橫向變形，提高混凝土的抗壓強度和延性；而混凝土則可以為鋼材提供側(cè)向支撐，防止鋼材過早發(fā)生局部屈曲，從而充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，提高構(gòu)件的整體承載能力和變形能力。在實際工程應(yīng)用中，雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱具有諸多優(yōu)勢。一方面，由于其良好的力學(xué)性能，能夠承受較大的豎向荷載和水平地震作用，適用于高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)以及地震設(shè)防烈度較高地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)中。例如，在一些超高層建筑的底部加強部位，采用雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱可以有效提高結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，確保建筑在地震等自然災(zāi)害作用下的安全。另一方面，雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的應(yīng)用還可以帶來一定的經(jīng)濟效益。通過合理設(shè)計，在滿足結(jié)構(gòu)安全要求的前提下，可適當(dāng)減小構(gòu)件的截面尺寸，從而增加建筑物的使用空間，提高土地利用率。同時，由于其施工過程中的一些優(yōu)勢，如減少施工支撐和模板用量、縮短施工周期等，能夠降低工程的綜合造價。然而，目前對于雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的抗震性能研究仍處于相對不足的階段。雖然已有一些關(guān)于空間鋼構(gòu)架混凝土結(jié)構(gòu)的研究，但針對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱這一特定構(gòu)件的系統(tǒng)性研究較少。在地震作用下，雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的受力機理復(fù)雜，涉及到鋼材與混凝土之間的相互作用、不同部位的應(yīng)力應(yīng)變分布以及結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)等多個方面。而且，影響其抗震性能的因素眾多，如鋼構(gòu)架的形式、配筋率、軸壓比、混凝土強度等級以及加載方式等。不同因素之間可能存在相互影響和耦合作用，使得準(zhǔn)確把握其抗震性能變得更加困難?，F(xiàn)有的研究成果還無法全面、深入地揭示雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱在地震作用下的破壞模式、滯回性能、耗能能力以及變形特征等關(guān)鍵抗震性能指標(biāo)，這在一定程度上限制了該結(jié)構(gòu)形式在實際工程中的廣泛應(yīng)用和推廣。因此，開展雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的試驗研究具有重要的理論意義和實際工程價值。從理論層面而言，通過試驗研究可以深入了解雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱在地震作用下的力學(xué)響應(yīng)機制和破壞機理，建立更加準(zhǔn)確的力學(xué)模型和計算理論，豐富和完善組合結(jié)構(gòu)的抗震理論體系，為后續(xù)的理論研究和數(shù)值模擬提供可靠的試驗依據(jù)。從實際工程應(yīng)用角度來看，研究成果能夠為雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的設(shè)計和施工提供科學(xué)合理的指導(dǎo)，幫助工程師在設(shè)計階段合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)和構(gòu)造措施，提高建筑物的抗震能力，保障人民生命財產(chǎn)安全。同時，也有助于推動相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善，促進雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱這一新型結(jié)構(gòu)形式在建筑工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，為建筑行業(yè)的技術(shù)進步做出貢獻。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在建筑結(jié)構(gòu)抗震性能研究領(lǐng)域，雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱作為一種新型組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，近年來逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。對其研究涵蓋多個方面，包括構(gòu)件的力學(xué)性能、抗震性能以及相關(guān)理論分析和數(shù)值模擬等，同時也涉及到一些與該構(gòu)件相關(guān)的結(jié)構(gòu)體系研究。國外對組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究起步相對較早，在鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗。一些研究關(guān)注不同形式的鋼與混凝土組合柱的力學(xué)性能，如鋼管混凝土柱、鋼骨混凝土柱等，對這些構(gòu)件在各種荷載作用下的受力特性、破壞模式等進行了深入探討。然而，針對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的研究相對較少。部分國外學(xué)者對空間鋼構(gòu)架相關(guān)結(jié)構(gòu)有一定研究，但與雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱仍存在差異。例如，在一些輕型鋼結(jié)構(gòu)與混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究中，分析了結(jié)構(gòu)在施工階段和使用階段的性能，但雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱獨特的雙空間結(jié)構(gòu)形式，使其在力學(xué)性能和抗震性能方面具有自身特點，國外現(xiàn)有研究成果難以直接應(yīng)用于該構(gòu)件。國內(nèi)在組合結(jié)構(gòu)研究方面發(fā)展迅速，對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱及相關(guān)結(jié)構(gòu)也開展了一系列研究工作。在試驗研究方面，部分學(xué)者進行了空間鋼構(gòu)架混凝土柱的軸壓、偏壓試驗，分析了其破壞特征。如唐興榮通過2根空間鋼構(gòu)架混凝土軸心受壓短柱及1根普通鋼筋混凝土軸心受壓短柱的對比試驗研究，以及4根空間鋼構(gòu)架混凝土偏壓短柱的試驗研究，探討了空間鋼構(gòu)架混凝土柱的破壞特征，提出了其設(shè)計計算方法和構(gòu)造要求。還有學(xué)者對空間鋼構(gòu)架混凝土L形截面柱進行低周反復(fù)荷載作用下的對比試驗，研究其抗震性能指標(biāo)及其變形和破壞機制。例如，通過4根空間鋼構(gòu)架混凝土L形截面柱和1根普通鋼筋混凝土L形截面柱的對比試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沿平行L形截面柱肢方向水平加載時，空間鋼構(gòu)架混凝土L形截面柱的受剪承載力與相同條件的鋼筋混凝土L形截面柱基本相同，但其延性更大；當(dāng)斜向水平加載時，其受剪承載力降低，且隨著加載角度（0°-45°）的增大，斜截面受剪承載力進一步降低。在理論分析方面，國內(nèi)學(xué)者嘗試建立適用于雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的力學(xué)模型和計算理論，考慮鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作以及不同因素對構(gòu)件性能的影響。不過，由于雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱受力機理復(fù)雜，現(xiàn)有的理論模型在準(zhǔn)確性和全面性上仍有待完善。在數(shù)值模擬領(lǐng)域，利用有限元軟件如ANSYS、ABAQUS等對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱進行模擬分析，研究其在不同荷載工況下的力學(xué)響應(yīng)。通過模擬可以得到構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變分布、變形情況等，但數(shù)值模擬結(jié)果與實際試驗結(jié)果之間還存在一定偏差，模型的精度和可靠性需要進一步提高。盡管國內(nèi)外在雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱及相關(guān)結(jié)構(gòu)研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足與空白。目前的研究大多集中在單一構(gòu)件的性能研究，對于雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱在實際結(jié)構(gòu)體系中的協(xié)同工作性能研究較少，缺乏對整體結(jié)構(gòu)抗震性能的系統(tǒng)性分析。在影響雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的多因素耦合作用方面，研究還不夠深入，不同因素之間復(fù)雜的相互關(guān)系尚未完全明確?，F(xiàn)有研究中，針對不同地震波特性、場地條件等實際地震環(huán)境因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能影響的研究相對匱乏，難以滿足實際工程在不同地震條件下的設(shè)計需求。而且，在設(shè)計方法和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方面，目前還沒有形成完善的針對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的設(shè)計理論和規(guī)范體系，這在很大程度上限制了該結(jié)構(gòu)形式在實際工程中的廣泛應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與方法本文主要圍繞雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的抗震性能展開深入研究，綜合運用試驗研究和數(shù)值模擬兩種方法，全面、系統(tǒng)地探究該結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的力學(xué)行為和抗震特性。具體研究內(nèi)容和方法如下：在試驗研究方面，精心設(shè)計并制作多根不同參數(shù)的雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件。這些參數(shù)涵蓋鋼構(gòu)架形式、配筋率、軸壓比以及混凝土強度等級等多個關(guān)鍵因素。通過改變這些參數(shù)，能夠系統(tǒng)地研究不同因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的影響規(guī)律。例如，設(shè)置不同形式的鋼構(gòu)架，如不同的弦桿間距、綴條布置方式等，對比分析其對構(gòu)件承載能力和變形性能的影響；通過調(diào)整配筋率，探究鋼筋用量變化對結(jié)構(gòu)抗震性能的作用；改變軸壓比，研究其對構(gòu)件在地震作用下穩(wěn)定性和破壞模式的影響；設(shè)置不同的混凝土強度等級，分析混凝土性能對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的貢獻。隨后，對制作完成的試件進行擬靜力試驗，模擬地震作用下的低周反復(fù)加載過程。在試驗過程中，運用先進的測量儀器和設(shè)備，精確采集試件在加載過程中的各項數(shù)據(jù)。包括但不限于荷載-位移曲線、應(yīng)變分布、裂縫開展情況以及破壞模式等關(guān)鍵信息。荷載-位移曲線能夠直觀反映試件在加載過程中的力學(xué)響應(yīng)，為分析構(gòu)件的剛度、強度和延性提供重要依據(jù)；應(yīng)變分布數(shù)據(jù)有助于了解構(gòu)件內(nèi)部各部位的受力狀態(tài)，揭示鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作機制；裂縫開展情況和破壞模式的記錄，則能夠直觀展示試件在地震作用下的損傷演化過程，為深入研究結(jié)構(gòu)的破壞機理提供直接證據(jù)。通過對這些試驗數(shù)據(jù)的詳細分析，深入研究雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的滯回性能、耗能能力、延性以及剛度退化等抗震性能指標(biāo)。滯回性能反映了構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的變形恢復(fù)能力和能量耗散特性；耗能能力體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在地震作用下吸收和耗散能量的能力，是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一；延性則表示構(gòu)件在破壞前能夠承受的塑性變形能力，對于保證結(jié)構(gòu)在大震作用下的安全性具有重要意義；剛度退化分析能夠揭示構(gòu)件在地震作用下剛度隨加載歷程的變化規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和評估提供參考。在數(shù)值模擬方面，借助通用有限元軟件ABAQUS建立雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的精細化數(shù)值模型。在建模過程中，充分考慮鋼材與混凝土的材料非線性特性，包括鋼材的彈塑性本構(gòu)關(guān)系和混凝土的復(fù)雜力學(xué)行為，如開裂、壓碎等。同時，精確模擬鋼材與混凝土之間的相互作用，通過合理設(shè)置接觸算法和粘結(jié)滑移模型，準(zhǔn)確反映兩者之間的協(xié)同工作機制。對建立好的模型進行非線性有限元分析，模擬其在地震作用下的力學(xué)響應(yīng)過程。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行細致對比和驗證，通過對比荷載-位移曲線、應(yīng)力應(yīng)變分布、破壞模式等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，評估數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在驗證模型的基礎(chǔ)上，進一步開展參數(shù)分析，系統(tǒng)研究不同參數(shù)對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的影響規(guī)律。通過數(shù)值模擬的參數(shù)分析，可以更加全面、深入地研究各種因素對結(jié)構(gòu)性能的影響，彌補試驗研究在參數(shù)變化范圍和樣本數(shù)量上的局限性，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供更豐富的理論依據(jù)。二、雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試驗設(shè)計2.1試件設(shè)計本次試驗共設(shè)計制作了[X]根雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件，旨在全面研究不同因素對其抗震性能的影響。試件的主要設(shè)計參數(shù)包括截面尺寸、鋼構(gòu)架形式、配筋率、軸壓比以及混凝土強度等級等，各參數(shù)的具體取值根據(jù)相關(guān)研究成果和工程實際情況確定，以確保試驗結(jié)果的可靠性和實用性。在截面尺寸方面，考慮到實際工程中柱子的常見尺寸范圍以及試驗加載設(shè)備的能力，所有試件均采用正方形截面，邊長統(tǒng)一設(shè)定為[邊長尺寸數(shù)值]mm。這樣的尺寸設(shè)計既能滿足模擬實際結(jié)構(gòu)中柱構(gòu)件的受力特征，又便于在試驗室內(nèi)進行加工制作和加載測試。同時，該尺寸也與以往相關(guān)試驗研究中的試件尺寸具有一定的可比性，有利于后續(xù)對試驗結(jié)果進行對比分析。鋼構(gòu)架作為雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的核心組成部分，其形式對構(gòu)件的力學(xué)性能和抗震性能有著關(guān)鍵影響。為了探究不同鋼構(gòu)架形式的作用效果，本次試驗設(shè)計了兩種典型的鋼構(gòu)架形式：一種是常規(guī)的空間鋼構(gòu)架，由橫向和斜向綴條與縱向弦桿焊接而成，形成穩(wěn)定的空間受力體系；另一種是在此基礎(chǔ)上進行改進的新型雙空間鋼構(gòu)架，其在原有空間鋼構(gòu)架的內(nèi)部增設(shè)了一組與外部鋼構(gòu)架相互垂直的鋼構(gòu)架，進一步增強了結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性和承載能力。兩種鋼構(gòu)架形式的縱向弦桿均采用[弦桿鋼材型號]鋼材，以保證具有足夠的強度和剛度來承受荷載。對于橫向綴條和斜向綴條，分別選用不同規(guī)格的[綴條鋼材型號]鋼材，通過改變綴條的間距和布置方式，調(diào)整鋼構(gòu)架的整體力學(xué)性能。具體而言，常規(guī)空間鋼構(gòu)架的綴條間距設(shè)置為[常規(guī)綴條間距數(shù)值]mm，斜向綴條與縱向弦桿的夾角為[常規(guī)夾角數(shù)值]°；新型雙空間鋼構(gòu)架中，內(nèi)部鋼構(gòu)架與外部鋼構(gòu)架的綴條間距分別設(shè)置為[內(nèi)部綴條間距數(shù)值]mm和[外部綴條間距數(shù)值]mm，斜向綴條的夾角也根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點進行了優(yōu)化設(shè)計，取值為[新型夾角數(shù)值]°。通過這種方式，使兩種鋼構(gòu)架形式在力學(xué)性能上產(chǎn)生差異，以便更深入地研究鋼構(gòu)架形式對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的影響規(guī)律。配筋率是影響混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素之一，它直接關(guān)系到構(gòu)件在受力過程中鋼筋與混凝土之間的協(xié)同工作效果以及構(gòu)件的承載能力和變形能力。在本次試驗中，通過調(diào)整縱向鋼筋和箍筋的配置數(shù)量來實現(xiàn)不同配筋率的設(shè)計?？v向鋼筋采用[鋼筋型號]鋼筋，根據(jù)設(shè)計要求，分別設(shè)置了[配筋率1數(shù)值]%、[配筋率2數(shù)值]%和[配筋率3數(shù)值]%三種不同的配筋率水平。例如，對于配筋率為[配筋率1數(shù)值]%的試件，在柱截面的四個角部各布置一根直徑為[鋼筋直徑1數(shù)值]mm的縱向鋼筋，中間均勻布置[鋼筋數(shù)量1數(shù)值]根相同直徑的鋼筋；對于配筋率為[配筋率2數(shù)值]%和[配筋率3數(shù)值]%的試件，則相應(yīng)地增加或減少縱向鋼筋的數(shù)量和直徑。箍筋同樣采用[箍筋鋼筋型號]鋼筋，箍筋間距分別設(shè)置為[箍筋間距1數(shù)值]mm、[箍筋間距2數(shù)值]mm和[箍筋間距3數(shù)值]mm，以控制構(gòu)件在剪切作用下的性能。不同配筋率的設(shè)置可以模擬實際工程中不同設(shè)計要求下的結(jié)構(gòu)配筋情況，為研究配筋率對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的影響提供豐富的數(shù)據(jù)支持。軸壓比反映了柱子在豎向荷載作用下的受壓狀態(tài)，對構(gòu)件的破壞模式、延性和耗能能力等抗震性能指標(biāo)有著顯著影響。為了研究軸壓比的影響規(guī)律，本次試驗選取了[軸壓比1數(shù)值]、[軸壓比2數(shù)值]和[軸壓比3數(shù)值]三個不同的軸壓比水平。在試驗過程中，通過在試件頂部施加豎向荷載來實現(xiàn)不同軸壓比的設(shè)定。例如，對于軸壓比為[軸壓比1數(shù)值]的試件，根據(jù)試件的截面尺寸和混凝土強度等級，計算出所需施加的豎向荷載大小，然后通過試驗加載設(shè)備精確施加該荷載，使試件在試驗過程中始終處于設(shè)定的軸壓比狀態(tài)下承受水平地震作用模擬荷載。不同軸壓比的設(shè)置可以涵蓋實際工程中柱子可能承受的不同豎向荷載水平，有助于全面了解軸壓比對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的影響機制?；炷翉姸鹊燃壥菦Q定混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一，它直接影響到構(gòu)件的抗壓強度、抗拉強度以及與鋼材之間的粘結(jié)性能等。本次試驗采用了C[混凝土強度等級1數(shù)值]、C[混凝土強度等級2數(shù)值]和C[混凝土強度等級3數(shù)值]三種不同強度等級的混凝土來制作試件。在混凝土配合比設(shè)計過程中，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行原材料的選擇和配合比的確定，確?；炷恋墓ぷ餍阅芎蛷姸葷M足設(shè)計要求。例如，對于C[混凝土強度等級1數(shù)值]混凝土，選用[水泥品種1名稱]水泥、[骨料類型1名稱]骨料以及[外加劑名稱1名稱]外加劑，通過試配和調(diào)整，確定最佳的配合比，使混凝土在澆筑成型后能夠達到設(shè)計的強度等級要求。不同混凝土強度等級的設(shè)置可以研究混凝土性能對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的貢獻，以及混凝土與鋼材之間在不同強度匹配情況下的協(xié)同工作性能。為了確保試件的制作質(zhì)量和試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，在試件制作過程中嚴(yán)格控制每一個環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量。首先，對鋼材進行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗，確保鋼材的力學(xué)性能和幾何尺寸符合設(shè)計要求。在鋼構(gòu)架的焊接過程中，采用專業(yè)的焊接設(shè)備和工藝，保證焊縫的質(zhì)量和強度，避免出現(xiàn)虛焊、脫焊等缺陷。對于鋼筋的加工和安裝，按照設(shè)計圖紙的要求進行精確下料和綁扎，確保鋼筋的位置和間距準(zhǔn)確無誤。在混凝土澆筑前，對模板進行仔細檢查和清理，確保模板的密封性和垂直度，防止在澆筑過程中出現(xiàn)漏漿和變形等問題?；炷翝仓r，采用分層澆筑和振搗的方法，確?；炷恋拿軐嵭?，避免出現(xiàn)蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。在混凝土澆筑完成后，及時進行養(yǎng)護，保證混凝土在規(guī)定的時間內(nèi)達到設(shè)計強度等級。通過以上嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，為試驗的順利進行和試驗結(jié)果的可靠性提供了有力保障。2.2加載裝置與加載制度本次試驗采用的加載裝置主要由反力架、豎向液壓千斤頂、水平液壓作動器以及相關(guān)的加載控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。反力架作為整個加載系統(tǒng)的支撐基礎(chǔ)，采用高強度鋼材制作而成，具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，能夠承受試驗過程中產(chǎn)生的巨大荷載而不發(fā)生明顯變形，確保試驗的準(zhǔn)確性和安全性。豎向液壓千斤頂安裝在反力架頂部，通過與試件頂部的加載板接觸，用于施加豎向荷載。豎向液壓千斤頂?shù)牧砍探?jīng)過精確計算和選型，滿足試驗中不同軸壓比下的豎向荷載施加需求，其精度能夠保證荷載施加的準(zhǔn)確性，誤差控制在極小范圍內(nèi)。水平液壓作動器則安裝在反力架的一側(cè)，通過與試件側(cè)面的連接件相連，用于施加水平反復(fù)荷載，模擬地震作用下柱子所承受的水平力。水平液壓作動器具備雙向加載能力，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定的荷載控制，并且能夠精確測量和記錄施加的荷載大小以及試件的水平位移。[此處插入加載裝置的示意圖]圖1加載裝置示意圖在試驗過程中，豎向荷載的施加按照預(yù)先設(shè)定的軸壓比進行。首先，根據(jù)試件的截面尺寸、混凝土強度等級以及設(shè)計的軸壓比，計算出所需施加的豎向荷載大小。在施加豎向荷載時，采用分級加載的方式，緩慢增加荷載至預(yù)定值，并在整個試驗過程中保持豎向荷載恒定不變。這樣可以確保試件在承受水平地震作用模擬荷載時，始終處于設(shè)定的軸壓比狀態(tài)下，以便準(zhǔn)確研究軸壓比對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的影響。水平荷載則通過水平液壓作動器采用低周反復(fù)加載制度進行施加。低周反復(fù)加載制度是一種常用的模擬地震作用的加載方式，其基本原理是用低周往復(fù)循環(huán)加載的方法對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行靜力試驗，試驗中控制結(jié)構(gòu)的變形值或荷載量，使結(jié)構(gòu)試件在正反兩個方向反復(fù)加載和卸載，用以模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力過程。本次試驗采用位移控制的加載模式，即以試件頂部的水平位移作為控制參數(shù)。在加載初期，由于試件處于彈性階段，剛度較大，位移增長相對較慢，因此采用較小的位移增量進行加載，每級位移增量為[初始位移增量數(shù)值]mm，加載1-2個循環(huán)，以便準(zhǔn)確測量試件在彈性階段的力學(xué)性能參數(shù)，如彈性剛度等。隨著加載的進行，試件逐漸進入彈塑性階段，剛度逐漸降低，位移增長加快，此時逐漸增大位移增量，按照[位移增量變化規(guī)律描述]的規(guī)律增加位移增量，每級位移增量加載3個循環(huán)，這樣可以更全面地觀察試件在彈塑性階段的滯回性能、耗能能力以及剛度退化等特征。當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的破壞跡象，如裂縫寬度急劇增大、混凝土剝落、鋼材屈服變形過大等，且荷載下降至極限荷載的85%以下時，停止加載，認(rèn)為試件已達到破壞狀態(tài)。選擇低周反復(fù)加載制度進行試驗主要有以下幾個原因。首先，低周反復(fù)加載制度能夠較好地模擬地震作用下結(jié)構(gòu)所承受的反復(fù)加載和卸載過程，使試驗結(jié)果更接近結(jié)構(gòu)在實際地震中的受力情況。地震作用具有明顯的雙向性和反復(fù)性，結(jié)構(gòu)在地震中會經(jīng)歷多次正負方向的力的作用，低周反復(fù)加載制度通過在正反兩個方向施加荷載，能夠有效模擬這種受力特性，為研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能提供了可靠的試驗手段。其次，低周反復(fù)加載試驗操作相對簡單，試驗設(shè)備和加載控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)和控制。相比于其他模擬地震作用的試驗方法，如擬動力試驗等，低周反復(fù)加載試驗不需要復(fù)雜的振動設(shè)備和實時數(shù)據(jù)采集與反饋控制系統(tǒng)，降低了試驗成本和技術(shù)難度，同時也能夠獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)抗震性能參數(shù)。此外，低周反復(fù)加載試驗可以根據(jù)需要靈活調(diào)整加載參數(shù)，如位移增量、加載循環(huán)次數(shù)等，便于研究不同加載條件對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。通過改變加載參數(shù)，可以更深入地了解結(jié)構(gòu)在不同地震強度和持續(xù)時間下的力學(xué)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和評估提供更豐富的依據(jù)。2.3量測方案在本次雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能試驗中，為全面、準(zhǔn)確地獲取試件在加載過程中的力學(xué)響應(yīng)信息，明確了一系列需要量測的物理量，并精心設(shè)計了測點布置方案，同時合理選擇了相應(yīng)的量測儀器及使用方法。試驗中主要量測的物理量包括荷載、位移、應(yīng)變以及裂縫開展情況等。荷載的量測分為豎向荷載和水平荷載，豎向荷載通過安裝在豎向液壓千斤頂上的荷載傳感器進行測量，荷載傳感器的精度可達±[荷載傳感器精度數(shù)值]kN，能夠準(zhǔn)確測量豎向荷載的大小，并實時傳輸數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。水平荷載則由水平液壓作動器上的力傳感器進行測量，其精度同樣滿足試驗要求，可精確記錄水平加載過程中的荷載變化情況。通過準(zhǔn)確測量荷載，能夠得到試件在不同加載階段所承受的外力大小，為后續(xù)分析構(gòu)件的承載力和力學(xué)性能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。位移量測對于研究構(gòu)件的變形性能至關(guān)重要。在試件的頂部和底部沿水平加載方向布置位移計，以測量試件的水平位移。頂部位移計用于測量試件在水平荷載作用下的頂端水平位移，底部位移計則可測量試件底部由于加載引起的水平位移，通過兩者的數(shù)據(jù)對比，能夠分析試件在加載過程中的整體變形特征和彎曲變形情況。此外，在試件的側(cè)面中部也布置了位移計，用于測量試件在該位置的水平位移，以便更全面地了解試件在不同部位的變形分布情況。位移計選用高精度的電子位移計，其量程根據(jù)試驗預(yù)估的最大位移量進行選擇，精度可達±[位移計量程精度數(shù)值]mm，確保能夠準(zhǔn)確測量試件在加載過程中的微小位移變化。應(yīng)變的量測能夠反映試件內(nèi)部各部位的受力狀態(tài)，為研究鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作機制提供重要依據(jù)。在鋼構(gòu)架的縱向弦桿、橫向綴條和斜向綴條上，以及混凝土表面的關(guān)鍵部位粘貼電阻應(yīng)變片。對于鋼構(gòu)架部分，在弦桿和綴條的跨中、端部以及與其他構(gòu)件的連接部位等容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置布置應(yīng)變片，以監(jiān)測這些部位在加載過程中的應(yīng)變變化情況。在混凝土表面，沿柱高方向在不同截面位置布置應(yīng)變片，重點關(guān)注柱腳、柱身中部以及可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域。電阻應(yīng)變片的規(guī)格根據(jù)鋼材和混凝土的表面特性進行選擇，粘貼時嚴(yán)格按照操作規(guī)程進行，確保應(yīng)變片與被測部位緊密結(jié)合，以準(zhǔn)確測量應(yīng)變。應(yīng)變測量采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，其具有高精度的數(shù)據(jù)采集和處理能力，能夠?qū)崟r采集應(yīng)變片的電阻變化，并將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值進行記錄。裂縫開展情況是評估構(gòu)件破壞過程和損傷程度的重要指標(biāo)。在試驗加載前，在試件表面預(yù)先繪制網(wǎng)格線，以便在加載過程中準(zhǔn)確觀測裂縫的出現(xiàn)位置和發(fā)展方向。使用裂縫觀測儀定期對試件表面進行觀測，裂縫觀測儀的精度可達±[裂縫觀測儀精度數(shù)值]mm，能夠清晰地觀測到裂縫的寬度和長度變化。當(dāng)裂縫寬度達到一定數(shù)值時，及時記錄裂縫的位置、寬度和長度，并在試件表面進行標(biāo)記，以便后續(xù)分析裂縫的發(fā)展規(guī)律和對構(gòu)件性能的影響。測點布置圖如圖2所示。在試件的頂部和底部，水平位移計D1、D2分別布置在水平加載方向的兩側(cè)，用于測量試件頂部和底部的水平位移；側(cè)面中部的位移計D3則用于測量該位置的水平位移。在鋼構(gòu)架上，應(yīng)變片S1-S[X1]布置在縱向弦桿上，S[X1+1]-S[X2]布置在橫向綴條上，S[X2+1]-S[X3]布置在斜向綴條上；在混凝土表面，應(yīng)變片C1-C[X4]沿柱高方向布置在不同截面位置。通過這樣的測點布置，能夠全面、系統(tǒng)地獲取試件在加載過程中的各項物理量數(shù)據(jù)，為深入研究雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的抗震性能提供有力支持。[此處插入測點布置圖]圖2測點布置圖在試驗過程中，所有量測儀器均與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用專業(yè)的自動化采集軟件，能夠按照設(shè)定的采樣頻率實時采集和存儲各量測儀器的數(shù)據(jù)。采樣頻率根據(jù)試驗加載過程的特點進行設(shè)置，在加載初期，由于結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化相對較慢，采樣頻率設(shè)置為[初始采樣頻率數(shù)值]Hz；隨著加載的進行，結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段，響應(yīng)變化加快，采樣頻率提高至[后期采樣頻率數(shù)值]Hz，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到結(jié)構(gòu)在不同加載階段的力學(xué)響應(yīng)信息。同時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)實時顯示和分析功能，試驗人員可以在試驗過程中實時觀察各項物理量的變化趨勢，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并進行調(diào)整，保證試驗的順利進行。三、試驗結(jié)果與分析3.1破壞形態(tài)在本次雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能試驗中，通過對不同參數(shù)試件的擬靜力試驗，詳細觀察并記錄了試件在加載過程中的破壞順序和特征，分析了其破壞機制，并對不同試件破壞形態(tài)的差異進行了對比。在加載初期，試件處于彈性階段，隨著水平荷載的逐漸增加，首先在試件底部靠近加載端的位置出現(xiàn)水平裂縫，這是由于水平荷載引起的彎曲作用導(dǎo)致混凝土受拉開裂。隨著裂縫的出現(xiàn)，試件的剛度開始略有下降，但仍能保持較好的承載能力。隨著加載的繼續(xù)，裂縫不斷向上發(fā)展，寬度也逐漸增大。同時，在試件的側(cè)面，由于剪應(yīng)力的作用，開始出現(xiàn)斜裂縫，斜裂縫的方向與主拉應(yīng)力方向一致，呈現(xiàn)出一定的角度。此時，試件進入彈塑性階段，剛度明顯下降，變形迅速增大。當(dāng)荷載進一步增加到一定程度時，鋼構(gòu)架的縱向弦桿和綴條開始屈服，鋼材的塑性變形逐漸發(fā)展。由于鋼材的屈服，其對混凝土的約束作用增強，使得混凝土在受壓區(qū)的應(yīng)力分布更加均勻，延緩了混凝土的壓碎破壞。然而，隨著塑性變形的不斷積累，混凝土的損傷也逐漸加劇。在受壓區(qū)，混凝土開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，內(nèi)部骨料暴露，這表明混凝土已經(jīng)接近極限抗壓強度。在受拉區(qū)，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力逐漸喪失，鋼筋開始滑移，進一步削弱了試件的承載能力。最終，試件達到破壞狀態(tài)。破壞時，試件底部混凝土嚴(yán)重壓碎，形成塑性鉸，鋼構(gòu)架嚴(yán)重變形，部分綴條斷裂，縱向弦桿屈曲，試件喪失承載能力。整個破壞過程呈現(xiàn)出明顯的延性破壞特征，這得益于鋼構(gòu)架與混凝土的協(xié)同工作以及鋼構(gòu)架對混凝土的約束作用。不同試件的破壞形態(tài)存在一定差異。在軸壓比方面，軸壓比較小的試件，其破壞形態(tài)相對較為緩和，裂縫開展較為均勻，混凝土剝落程度較輕，鋼構(gòu)架的變形也相對較小，表現(xiàn)出較好的延性；而軸壓比較大的試件，由于豎向壓力的影響，試件在水平荷載作用下更容易發(fā)生剪切破壞，裂縫發(fā)展迅速，混凝土壓碎嚴(yán)重，鋼構(gòu)架的變形和破壞也更為劇烈，延性相對較差。在配筋率方面，配筋率較高的試件，由于鋼筋提供了更多的抗拉能力，在受拉區(qū)能夠更好地限制裂縫的開展，試件的承載能力和延性相對較高；配筋率較低的試件，受拉區(qū)裂縫開展較快，較早出現(xiàn)鋼筋屈服和混凝土開裂的情況，承載能力和延性相對較低。對于鋼構(gòu)架形式不同的試件，新型雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件由于其內(nèi)部增設(shè)的鋼構(gòu)架進一步增強了結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性和約束能力，在破壞時，混凝土的剝落程度相對較輕，鋼構(gòu)架的整體穩(wěn)定性更好，相比常規(guī)空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件具有更好的抗震性能?；炷翉姸鹊燃壍牟町愐矊ζ茐男螒B(tài)產(chǎn)生影響，強度等級較高的混凝土試件，其抗壓能力較強，在破壞過程中，混凝土的壓碎現(xiàn)象相對不那么明顯，試件的承載能力和剛度也相對較高。通過對不同試件破壞形態(tài)的分析，可以看出軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的破壞機制和破壞形態(tài)有著顯著影響。這些因素相互作用，共同決定了試件在地震作用下的力學(xué)行為和抗震性能。在實際工程設(shè)計中，需要綜合考慮這些因素，合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。3.2滯回曲線滯回曲線是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下，其荷載-位移關(guān)系曲線，它能夠直觀地反映構(gòu)件在地震作用下的力學(xué)性能和變形特征，是評估結(jié)構(gòu)抗震性能的重要依據(jù)之一。通過對本次試驗中各雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件滯回曲線的繪制與分析，可以深入了解其在不同加載階段的受力性能、耗能能力以及變形能力等。各試件的滯回曲線繪制結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，滯回曲線的形狀和特征受到多種因素的影響，呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在加載初期，試件處于彈性階段，滯回曲線基本呈線性關(guān)系，斜率較大，表明試件的剛度較大，變形較小，卸載后能夠基本恢復(fù)到初始位置，殘余變形較小。此時，試件的耗能主要以彈性應(yīng)變能的形式儲存，能量耗散較少。隨著水平荷載的逐漸增加，試件進入彈塑性階段，滯回曲線開始出現(xiàn)非線性變化，斜率逐漸減小，表明試件的剛度逐漸降低，變形迅速增大。在這個階段，鋼材開始屈服，混凝土出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，滯回曲線開始出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象。捏攏現(xiàn)象是指滯回曲線在卸載和反向加載過程中，曲線不重合，形成一個類似弓形的區(qū)域，這是由于結(jié)構(gòu)在反復(fù)加載過程中，材料的非線性行為、裂縫的開合以及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移等因素導(dǎo)致的能量耗散。捏攏現(xiàn)象越明顯，說明結(jié)構(gòu)在反復(fù)加載過程中的能量耗散越大，耗能能力越強。[此處插入滯回曲線圖片]圖3各試件滯回曲線對比不同試件的滯回曲線可以發(fā)現(xiàn)，軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素對滯回曲線的形狀和特征有著顯著影響。軸壓比是影響滯回曲線的重要因素之一。軸壓比較小的試件，滯回曲線相對較為飽滿，捏攏現(xiàn)象相對較輕，表明其耗能能力較強，變形能力較好。這是因為軸壓比較小時，試件在水平荷載作用下，混凝土的受壓區(qū)相對較小，鋼材和混凝土能夠更好地協(xié)同工作，結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力得到充分發(fā)揮。例如，試件[試件編號1]的軸壓比為[軸壓比數(shù)值1]，其滯回曲線較為飽滿，在加載過程中，試件能夠承受較大的變形而不發(fā)生破壞，表現(xiàn)出良好的抗震性能。而軸壓比較大的試件，滯回曲線相對較為狹窄，捏攏現(xiàn)象較為嚴(yán)重，耗能能力相對較弱，變形能力較差。這是由于軸壓比較大時，試件在水平荷載作用下，混凝土受壓區(qū)迅速增大，混凝土容易發(fā)生壓碎破壞，鋼材的屈服變形也受到限制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力降低。例如，試件[試件編號2]的軸壓比為[軸壓比數(shù)值2]，其滯回曲線較為狹窄，在加載過程中，試件很快出現(xiàn)混凝土壓碎和鋼材屈曲等破壞現(xiàn)象，承載能力迅速下降，抗震性能較差。配筋率對滯回曲線也有明顯影響。配筋率較高的試件，滯回曲線相對飽滿，耗能能力和變形能力較好。這是因為配筋率較高時，鋼筋在結(jié)構(gòu)中能夠提供更多的抗拉能力，限制裂縫的開展，延緩混凝土的破壞，從而提高結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力。例如，試件[試件編號3]的配筋率為[配筋率數(shù)值3]，其滯回曲線較為飽滿，在加載過程中，試件的裂縫開展較為緩慢，能夠承受較大的變形，表現(xiàn)出較好的抗震性能。而配筋率較低的試件，滯回曲線相對狹窄，耗能能力和變形能力相對較差。由于配筋率較低，鋼筋提供的抗拉能力不足，試件在受拉區(qū)容易出現(xiàn)裂縫迅速開展和鋼筋屈服的情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力和延性降低。例如，試件[試件編號4]的配筋率為[配筋率數(shù)值4]，其滯回曲線較為狹窄，在加載過程中，試件較早出現(xiàn)裂縫貫通和鋼筋屈服現(xiàn)象，承載能力下降較快，抗震性能較差。鋼構(gòu)架形式的不同也導(dǎo)致滯回曲線存在差異。新型雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件的滯回曲線相對更為飽滿，耗能能力和變形能力優(yōu)于常規(guī)空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件。新型雙空間鋼構(gòu)架通過內(nèi)部增設(shè)的鋼構(gòu)架，進一步增強了結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性和約束能力，使得鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作更加有效，從而提高了結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力。例如，試件[試件編號5]采用新型雙空間鋼構(gòu)架，其滯回曲線比采用常規(guī)空間鋼構(gòu)架的試件[試件編號6]更為飽滿，在加載過程中，試件[試件編號5]的變形能力更強，能夠承受更大的荷載，表現(xiàn)出更好的抗震性能?；炷翉姸鹊燃墝厍€同樣產(chǎn)生影響。強度等級較高的混凝土試件，滯回曲線相對較為飽滿，剛度和承載能力相對較高。這是因為混凝土強度等級較高時，其抗壓和抗拉能力增強，能夠更好地與鋼材協(xié)同工作，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。例如，試件[試件編號7]采用C[混凝土強度等級數(shù)值7]混凝土，其滯回曲線比采用較低強度等級混凝土的試件[試件編號8]更為飽滿，在加載過程中，試件[試件編號7]的剛度和承載能力下降較為緩慢，表現(xiàn)出較好的抗震性能。通過對滯回曲線所圍成面積的計算，可以定量評估試件的耗能能力。滯回曲線所圍成的面積越大，表明試件在反復(fù)加載過程中消耗的能量越多，耗能能力越強。計算結(jié)果表明，軸壓比小、配筋率高、采用新型雙空間鋼構(gòu)架以及混凝土強度等級高的試件，其滯回曲線所圍成的面積相對較大，耗能能力較強。例如，試件[試件編號9]在上述因素的綜合作用下，其滯回曲線所圍成的面積為[面積數(shù)值9]，明顯大于其他試件，耗能能力最強。滯回曲線的分析結(jié)果表明，軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的滯回性能、耗能能力和變形能力有著顯著影響。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮這些因素，合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。3.3骨架曲線骨架曲線是將滯回曲線中每一級加載循環(huán)的峰值點連接而成的曲線，它能夠更清晰地反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在單調(diào)加載過程中的力學(xué)性能，是評估結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。通過對本次試驗中各雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件骨架曲線的繪制與分析，可以深入了解試件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載以及變形性能等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律，從而全面評估試件的抗震性能。各試件的骨架曲線繪制結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，骨架曲線呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，這與試件在加載過程中的力學(xué)行為密切相關(guān)。在加載初期，試件處于彈性階段，骨架曲線近似為一條直線，斜率較大，表明試件的剛度較大，變形較小。此時，試件主要依靠混凝土和鋼材的彈性變形來抵抗荷載，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布較為均勻。隨著荷載的逐漸增加，當(dāng)達到一定數(shù)值時，試件開始出現(xiàn)裂縫，剛度略有下降，骨架曲線的斜率也開始減小，這一荷載值即為開裂荷載。開裂荷載是試件從彈性階段進入彈塑性階段的重要標(biāo)志，它反映了試件在初始裂縫出現(xiàn)時的承載能力。例如，試件[試件編號10]的開裂荷載為[開裂荷載數(shù)值10]kN，此時在試件表面觀察到明顯的水平裂縫，這表明混凝土在拉應(yīng)力作用下開始出現(xiàn)損傷。[此處插入骨架曲線圖片]圖4各試件骨架曲線隨著加載的繼續(xù)，鋼材開始屈服，試件進入塑性階段，骨架曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性變化，斜率進一步減小。屈服荷載是骨架曲線上的一個重要特征點，它標(biāo)志著試件內(nèi)部鋼材開始發(fā)生塑性變形，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能發(fā)生顯著變化。準(zhǔn)確確定屈服荷載對于評估試件的抗震性能具有重要意義。在本試驗中，采用能量法確定屈服荷載，即根據(jù)試件在加載過程中的能量變化來判斷屈服點的出現(xiàn)。具體方法是，在荷載-位移曲線中，從原點開始，以一定的位移增量逐步計算每一級加載下的能量值，當(dāng)能量值出現(xiàn)明顯的非線性增長時，對應(yīng)的荷載即為屈服荷載。通過這種方法確定的試件[試件編號11]的屈服荷載為[屈服荷載數(shù)值11]kN。屈服后，試件的變形迅速增大，但仍能繼續(xù)承受一定的荷載，這得益于鋼構(gòu)架對混凝土的約束作用以及鋼筋與混凝土之間的協(xié)同工作。當(dāng)荷載繼續(xù)增加到一定程度時，試件達到極限狀態(tài)，此時的荷載即為極限荷載。極限荷載是試件能夠承受的最大荷載，它反映了試件的最大承載能力。在骨架曲線上，極限荷載對應(yīng)的點是曲線的峰值點。例如，試件[試件編號12]的極限荷載為[極限荷載數(shù)值12]kN，達到極限荷載后，試件的承載能力開始下降，骨架曲線逐漸下降。這是由于試件內(nèi)部的混凝土壓碎、鋼材屈曲等損傷不斷加劇，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸喪失。不同試件的骨架曲線存在明顯差異，這主要是由于軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素的不同所導(dǎo)致的。軸壓比是影響骨架曲線的重要因素之一。軸壓比較小的試件，其骨架曲線在達到極限荷載之前較為平緩，變形能力較強，表明試件具有較好的延性。這是因為軸壓比較小時，試件在水平荷載作用下，混凝土的受壓區(qū)相對較小，鋼材和混凝土能夠更好地協(xié)同工作，結(jié)構(gòu)的塑性變形能力得到充分發(fā)揮。例如，試件[試件編號13]的軸壓比為[軸壓比數(shù)值13]，其骨架曲線在達到極限荷載前的上升段較為平緩，極限荷載對應(yīng)的位移較大，說明該試件在破壞前能夠承受較大的變形，延性較好。而軸壓比較大的試件，骨架曲線在達到極限荷載之前上升較快，但達到極限荷載后下降也較快，變形能力較差，延性相對較低。這是由于軸壓比較大時，試件在水平荷載作用下，混凝土受壓區(qū)迅速增大，混凝土容易發(fā)生壓碎破壞，鋼材的屈服變形也受到限制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的延性降低。例如，試件[試件編號14]的軸壓比為[軸壓比數(shù)值14]，其骨架曲線在達到極限荷載前上升迅速，但達到極限荷載后很快下降，極限荷載對應(yīng)的位移較小，表明該試件在破壞前的變形能力較弱，延性較差。配筋率對骨架曲線也有顯著影響。配筋率較高的試件，其骨架曲線的極限荷載和延性相對較高。這是因為配筋率較高時，鋼筋在結(jié)構(gòu)中能夠提供更多的抗拉能力，限制裂縫的開展，延緩混凝土的破壞，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力和延性。例如，試件[試件編號15]的配筋率為[配筋率數(shù)值15]，其骨架曲線的極限荷載高于配筋率較低的試件，且在達到極限荷載后，曲線下降較為緩慢，說明該試件具有較好的延性。而配筋率較低的試件，骨架曲線的極限荷載和延性相對較低。由于配筋率較低，鋼筋提供的抗拉能力不足，試件在受拉區(qū)容易出現(xiàn)裂縫迅速開展和鋼筋屈服的情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力和延性降低。例如，試件[試件編號16]的配筋率為[配筋率數(shù)值16]，其骨架曲線的極限荷載較低，且在達到極限荷載后，曲線下降較快，延性較差。鋼構(gòu)架形式的不同也導(dǎo)致骨架曲線存在差異。新型雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件的骨架曲線在極限荷載和延性方面均優(yōu)于常規(guī)空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件。新型雙空間鋼構(gòu)架通過內(nèi)部增設(shè)的鋼構(gòu)架，進一步增強了結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性和約束能力，使得鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作更加有效，從而提高了結(jié)構(gòu)的承載能力和延性。例如，試件[試件編號17]采用新型雙空間鋼構(gòu)架，其骨架曲線的極限荷載比采用常規(guī)空間鋼構(gòu)架的試件[試件編號18]更高，且在達到極限荷載后，曲線下降更為平緩，說明新型雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件具有更好的抗震性能。混凝土強度等級對骨架曲線同樣產(chǎn)生影響。強度等級較高的混凝土試件，其骨架曲線的極限荷載和剛度相對較高。這是因為混凝土強度等級較高時，其抗壓和抗拉能力增強，能夠更好地與鋼材協(xié)同工作，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。例如，試件[試件編號19]采用C[混凝土強度等級數(shù)值19]混凝土，其骨架曲線的極限荷載比采用較低強度等級混凝土的試件[試件編號20]更高，且在加載初期，曲線的斜率更大，表明該試件的剛度較高。通過對骨架曲線的分析，可以看出軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的承載力和變形性能有著顯著影響。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮這些因素，合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。3.4耗能能力耗能能力是衡量雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的重要指標(biāo)之一，它反映了結(jié)構(gòu)在地震作用下吸收和耗散能量的能力。結(jié)構(gòu)的耗能能力越強，在地震中就越能有效地消耗地震輸入能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，保護結(jié)構(gòu)的安全。通過對本次試驗中各試件的耗能能力進行評估和分析，有助于深入了解雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱在地震作用下的能量耗散機制，以及不同因素對其耗能能力的影響規(guī)律。等效粘滯阻尼系數(shù)是評估結(jié)構(gòu)耗能能力的常用指標(biāo)之一，它通過滯回曲線來計算，能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的能量耗散情況。等效粘滯阻尼系數(shù)的計算公式為：h_{e}=\frac{1}{2\pi}\frac{S_{ABC}+S_{CDA}}{S_{OBD}}，其中，S_{ABC}和S_{CDA}分別為滯回曲線中半周的面積，S_{OBD}為三角形OBD的面積，O為滯回曲線的原點，B和D分別為滯回曲線在正向和負向的峰值點。等效粘滯阻尼系數(shù)越大，表明結(jié)構(gòu)在反復(fù)加載過程中消耗的能量越多，耗能能力越強。各試件的等效粘滯阻尼系數(shù)計算結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，不同試件的等效粘滯阻尼系數(shù)存在明顯差異，這表明不同因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的耗能能力有著顯著影響。[此處插入等效粘滯阻尼系數(shù)對比圖]圖5各試件等效粘滯阻尼系數(shù)對比軸壓比是影響雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱耗能能力的重要因素之一。隨著軸壓比的增大，試件的等效粘滯阻尼系數(shù)逐漸減小，耗能能力逐漸降低。這是因為軸壓比較大時，試件在水平荷載作用下，混凝土受壓區(qū)迅速增大，混凝土容易發(fā)生壓碎破壞，鋼材的屈服變形也受到限制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的塑性變形能力降低，能量耗散能力減弱。例如，試件[試件編號21]的軸壓比為[軸壓比數(shù)值21]，其等效粘滯阻尼系數(shù)為[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值21]；而試件[試件編號22]的軸壓比為[軸壓比數(shù)值22]（大于[軸壓比數(shù)值21]），其等效粘滯阻尼系數(shù)為[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值22]（小于[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值21]）。這說明在設(shè)計雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱時，應(yīng)合理控制軸壓比，以保證結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力。配筋率對試件的耗能能力也有明顯影響。配筋率較高的試件，等效粘滯阻尼系數(shù)相對較大，耗能能力較好。這是因為配筋率較高時，鋼筋在結(jié)構(gòu)中能夠提供更多的抗拉能力，限制裂縫的開展，延緩混凝土的破壞，使結(jié)構(gòu)在反復(fù)加載過程中能夠產(chǎn)生更多的塑性變形，從而消耗更多的能量。例如，試件[試件編號23]的配筋率為[配筋率數(shù)值23]，其等效粘滯阻尼系數(shù)為[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值23]；而試件[試件編號24]的配筋率為[配筋率數(shù)值24]（小于[配筋率數(shù)值23]），其等效粘滯阻尼系數(shù)為[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值24]（小于[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值23]）。因此，適當(dāng)提高配筋率可以增強雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的耗能能力。鋼構(gòu)架形式的不同也導(dǎo)致試件的耗能能力存在差異。新型雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件的等效粘滯阻尼系數(shù)相對較大，耗能能力優(yōu)于常規(guī)空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件。新型雙空間鋼構(gòu)架通過內(nèi)部增設(shè)的鋼構(gòu)架，進一步增強了結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性和約束能力，使得鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作更加有效，在地震作用下能夠產(chǎn)生更多的能量耗散機制，從而提高了結(jié)構(gòu)的耗能能力。例如，試件[試件編號25]采用新型雙空間鋼構(gòu)架，其等效粘滯阻尼系數(shù)為[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值25]；而試件[試件編號26]采用常規(guī)空間鋼構(gòu)架，其等效粘滯阻尼系數(shù)為[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值26]（小于[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值25]）。這表明新型雙空間鋼構(gòu)架在提高雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能方面具有一定優(yōu)勢?；炷翉姸鹊燃墝哪苣芰ν瑯赢a(chǎn)生影響。強度等級較高的混凝土試件，等效粘滯阻尼系數(shù)相對較大，耗能能力相對較好。這是因為混凝土強度等級較高時，其抗壓和抗拉能力增強，能夠更好地與鋼材協(xié)同工作，提高結(jié)構(gòu)的整體性能，在反復(fù)加載過程中能夠承受更大的變形而不發(fā)生破壞，從而消耗更多的能量。例如，試件[試件編號27]采用C[混凝土強度等級數(shù)值27]混凝土，其等效粘滯阻尼系數(shù)為[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值27]；而試件[試件編號28]采用較低強度等級的C[混凝土強度等級數(shù)值28]混凝土，其等效粘滯阻尼系數(shù)為[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值28]（小于[等效粘滯阻尼系數(shù)數(shù)值27]）。通過對等效粘滯阻尼系數(shù)的分析可知，軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的耗能能力有著顯著影響。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮這些因素，合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的耗能能力，增強結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。3.5剛度退化剛度是衡量結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的重要指標(biāo)，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的剛度會隨著加載歷程發(fā)生變化，剛度退化反映了結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下內(nèi)部材料性能的劣化以及結(jié)構(gòu)損傷的累積過程。通過對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件剛度退化的研究，可以深入了解結(jié)構(gòu)在地震過程中的變形特性和承載能力的變化規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和評估提供重要依據(jù)。在試驗中，根據(jù)荷載-位移曲線，采用割線剛度法計算試件在不同加載階段的剛度。割線剛度的計算公式為：K_i=\frac{P_{i}-P_{i-1}}{\Delta_{i}-\Delta_{i-1}}，其中，K_i為第i級加載時的割線剛度，P_{i}和P_{i-1}分別為第i級和第i-1級加載時的荷載值，\Delta_{i}和\Delta_{i-1}分別為對應(yīng)荷載下的位移值。通過計算各級加載下的割線剛度，得到各試件在不同加載階段的剛度值，進而繪制出剛度退化曲線，如圖6所示。[此處插入剛度退化曲線圖片]圖6各試件剛度退化曲線從剛度退化曲線可以看出，所有試件的剛度均隨著加載位移的增加而逐漸降低，呈現(xiàn)出明顯的退化趨勢。在加載初期，試件處于彈性階段，剛度基本保持不變，此時曲線較為平緩。隨著荷載的增加，試件開始出現(xiàn)裂縫，混凝土內(nèi)部的微裂縫逐漸發(fā)展和貫通，鋼材也開始進入屈服階段，結(jié)構(gòu)的剛度開始下降，曲線斜率逐漸減小。當(dāng)試件進入彈塑性階段后，裂縫進一步開展，混凝土的損傷加劇，鋼材的塑性變形不斷增大，結(jié)構(gòu)的剛度退化速度加快，曲線斜率明顯減小。到加載后期，試件接近破壞狀態(tài)，混凝土嚴(yán)重壓碎，鋼材屈曲變形嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)的剛度急劇下降，曲線幾乎垂直下降。不同試件的剛度退化曲線存在一定差異，這主要是由軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素的不同所導(dǎo)致的。軸壓比是影響剛度退化的重要因素之一。軸壓比較大的試件，其剛度退化速度相對較快。這是因為軸壓比較大時，試件在水平荷載作用下，混凝土受壓區(qū)迅速增大，混凝土更容易發(fā)生壓碎破壞，鋼材的屈服變形也受到限制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展更快，剛度退化更明顯。例如，試件[試件編號29]的軸壓比為[軸壓比數(shù)值29]，其剛度退化曲線在加載后期下降速度明顯快于軸壓比較小的試件[試件編號30]，表明軸壓比的增大加速了結(jié)構(gòu)的剛度退化。配筋率對剛度退化也有顯著影響。配筋率較高的試件，在加載過程中，鋼筋能夠提供更多的抗拉能力，限制裂縫的開展，延緩混凝土的破壞，從而使結(jié)構(gòu)的剛度退化相對較慢。例如，試件[試件編號31]的配筋率為[配筋率數(shù)值31]，其剛度退化曲線在整個加載過程中相對較為平緩，說明較高的配筋率有助于提高結(jié)構(gòu)的剛度保持能力。而配筋率較低的試件，由于鋼筋提供的抗拉能力不足，試件在受拉區(qū)容易出現(xiàn)裂縫迅速開展和鋼筋屈服的情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度下降較快。鋼構(gòu)架形式的不同同樣影響剛度退化。新型雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件由于其內(nèi)部增設(shè)的鋼構(gòu)架進一步增強了結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性和約束能力，使得鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作更加有效，在加載過程中，結(jié)構(gòu)的剛度退化相對較慢。例如，試件[試件編號32]采用新型雙空間鋼構(gòu)架，其剛度退化曲線比采用常規(guī)空間鋼構(gòu)架的試件[試件編號33]更為平緩，表明新型雙空間鋼構(gòu)架在提高結(jié)構(gòu)剛度穩(wěn)定性方面具有一定優(yōu)勢?；炷翉姸鹊燃墝偠韧嘶伯a(chǎn)生影響。強度等級較高的混凝土試件，其抗壓和抗拉能力較強，能夠更好地與鋼材協(xié)同工作，在加載過程中，結(jié)構(gòu)的剛度下降相對較慢。例如，試件[試件編號34]采用C[混凝土強度等級數(shù)值34]混凝土，其剛度退化曲線在加載初期和中期相對較為平緩，說明較高強度等級的混凝土有助于提高結(jié)構(gòu)的初始剛度和剛度保持能力。軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的剛度退化有著顯著影響。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮這些因素，合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，以控制結(jié)構(gòu)的剛度退化速度，提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形能力和承載能力，確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。3.6延性分析延性是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一，它反映了結(jié)構(gòu)在破壞前能夠承受的塑性變形能力。結(jié)構(gòu)具有良好的延性，意味著在地震等強烈作用下，能夠通過自身的塑性變形來耗散能量，避免發(fā)生脆性破壞，從而保障結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和人員安全。對于雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱而言，其延性性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)在地震中的可靠性。在本試驗中，采用位移延性系數(shù)來定量評估雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件的延性性能。位移延性系數(shù)的計算公式為：\mu=\frac{\Delta_{u}}{\Delta_{y}}，其中，\mu為位移延性系數(shù)，\Delta_{u}為試件的極限位移，即試件達到破壞狀態(tài)時的位移值；\Delta_{y}為試件的屈服位移，是試件從彈性階段進入彈塑性階段的標(biāo)志位移。屈服位移的確定采用通用的能量法，通過計算荷載-位移曲線下的能量面積變化來判斷屈服點的出現(xiàn)，進而確定屈服位移。極限位移則根據(jù)試驗過程中試件的破壞現(xiàn)象和荷載-位移曲線的變化來確定，當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的破壞特征，如混凝土嚴(yán)重壓碎、鋼材屈曲變形過大，且荷載下降至極限荷載的85%以下時，對應(yīng)的位移即為極限位移。各試件的位移延性系數(shù)計算結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，不同試件的位移延性系數(shù)存在明顯差異，這表明軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的延性有著顯著影響。表1各試件位移延性系數(shù)試件編號軸壓比配筋率（%）鋼構(gòu)架形式混凝土強度等級位移延性系數(shù)試件1[軸壓比數(shù)值1][配筋率數(shù)值1]常規(guī)[混凝土強度等級數(shù)值1][位移延性系數(shù)數(shù)值1]試件2[軸壓比數(shù)值2][配筋率數(shù)值2]常規(guī)[混凝土強度等級數(shù)值2][位移延性系數(shù)數(shù)值2]試件3[軸壓比數(shù)值3][配筋率數(shù)值3]新型[混凝土強度等級數(shù)值3][位移延性系數(shù)數(shù)值3]..................軸壓比是影響雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱延性的關(guān)鍵因素之一。隨著軸壓比的增大，試件的位移延性系數(shù)逐漸減小，延性性能降低。當(dāng)軸壓比較大時，試件在水平荷載作用下，混凝土受壓區(qū)迅速增大，混凝土更容易發(fā)生壓碎破壞，鋼材的屈服變形也受到限制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的塑性變形能力降低，延性變差。例如，試件1的軸壓比為[軸壓比數(shù)值1]，位移延性系數(shù)為[位移延性系數(shù)數(shù)值1]；而試件2的軸壓比增大至[軸壓比數(shù)值2]，其位移延性系數(shù)減小為[位移延性系數(shù)數(shù)值2]，明顯低于試件1。這說明在設(shè)計雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱時，應(yīng)嚴(yán)格控制軸壓比，以保證結(jié)構(gòu)具有良好的延性。配筋率對試件的延性也有明顯影響。配筋率較高的試件，位移延性系數(shù)相對較大，延性較好。這是因為配筋率較高時，鋼筋在結(jié)構(gòu)中能夠提供更多的抗拉能力，限制裂縫的開展，延緩混凝土的破壞，使結(jié)構(gòu)在破壞前能夠承受更大的塑性變形，從而提高了結(jié)構(gòu)的延性。例如，試件[試件編號35]的配筋率為[配筋率數(shù)值35]，其位移延性系數(shù)為[位移延性系數(shù)數(shù)值35]；而試件[試件編號36]的配筋率為[配筋率數(shù)值36]（小于[配筋率數(shù)值35]），其位移延性系數(shù)為[位移延性系數(shù)數(shù)值36]（小于[位移延性系數(shù)數(shù)值35]）。因此，適當(dāng)提高配筋率可以增強雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的延性。鋼構(gòu)架形式的不同同樣導(dǎo)致試件的延性存在差異。新型雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件的位移延性系數(shù)相對較大，延性優(yōu)于常規(guī)空間鋼構(gòu)架混凝土柱試件。新型雙空間鋼構(gòu)架通過內(nèi)部增設(shè)的鋼構(gòu)架，進一步增強了結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性和約束能力，使得鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作更加有效，在地震作用下能夠更好地發(fā)揮塑性變形能力，從而提高了結(jié)構(gòu)的延性。例如，試件[試件編號37]采用新型雙空間鋼構(gòu)架，其位移延性系數(shù)為[位移延性系數(shù)數(shù)值37]；而試件[試件編號38]采用常規(guī)空間鋼構(gòu)架，其位移延性系數(shù)為[位移延性系數(shù)數(shù)值38]（小于[位移延性系數(shù)數(shù)值37]）。這表明新型雙空間鋼構(gòu)架在提高雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱延性方面具有一定優(yōu)勢?；炷翉姸鹊燃墝ρ有砸伯a(chǎn)生影響。強度等級較高的混凝土試件，位移延性系數(shù)相對較大，延性相對較好。這是因為混凝土強度等級較高時，其抗壓和抗拉能力增強，能夠更好地與鋼材協(xié)同工作，在結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形時，能夠承受更大的變形而不發(fā)生過早破壞，從而提高了結(jié)構(gòu)的延性。例如，試件[試件編號39]采用C[混凝土強度等級數(shù)值39]混凝土，其位移延性系數(shù)為[位移延性系數(shù)數(shù)值39]；而試件[試件編號40]采用較低強度等級的C[混凝土強度等級數(shù)值40]混凝土，其位移延性系數(shù)為[位移延性系數(shù)數(shù)值40]（小于[位移延性系數(shù)數(shù)值39]）。通過對位移延性系數(shù)的分析可知，軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素對雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的延性有著顯著影響。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮這些因素，合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的延性，增強結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。3.7應(yīng)變分析在雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的抗震性能試驗中，應(yīng)變分析是深入了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力狀態(tài)以及鋼材與混凝土協(xié)同工作性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過在試件的鋼材和混凝土關(guān)鍵部位布置應(yīng)變片，精確測量了在加載過程中兩者的應(yīng)變變化情況，進而分析其分布規(guī)律，評估結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。在試驗過程中，對鋼構(gòu)架的縱向弦桿、橫向綴條和斜向綴條以及混凝土表面的應(yīng)變進行了實時監(jiān)測。從鋼材應(yīng)變分布情況來看，在加載初期，由于試件處于彈性階段，鋼構(gòu)架各部位的應(yīng)變較小，且分布相對均勻。隨著水平荷載的逐漸增加，鋼構(gòu)架首先在與混凝土接觸的部位以及應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)變增大的趨勢。例如，縱向弦桿與綴條的連接處，由于力的傳遞和構(gòu)件的變形協(xié)調(diào)，應(yīng)變增長較為明顯。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，試件進入彈塑性階段后，鋼構(gòu)架的應(yīng)變分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。在靠近加載端的區(qū)域，縱向弦桿和綴條的應(yīng)變迅速增大，率先達到屈服應(yīng)變，表明這些部位承受了較大的應(yīng)力。隨著加載的持續(xù)進行，鋼構(gòu)架的屈服區(qū)域逐漸擴大，塑性變形不斷發(fā)展，這也導(dǎo)致了鋼構(gòu)架對混凝土的約束作用發(fā)生變化?；炷恋膽?yīng)變分布同樣呈現(xiàn)出與加載過程密切相關(guān)的規(guī)律。在加載初期，混凝土的應(yīng)變較小，且分布較為均勻，主要表現(xiàn)為彈性變形。隨著裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，混凝土的應(yīng)變開始發(fā)生變化。在裂縫附近區(qū)域，混凝土的應(yīng)變明顯增大，尤其是在受壓區(qū)，混凝土的壓應(yīng)變增長較快。當(dāng)試件進入彈塑性階段后，受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變進一步增大，且應(yīng)變分布呈現(xiàn)出非線性特征。在試件破壞階段，受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變達到極限壓應(yīng)變，混凝土發(fā)生壓碎破壞，而受拉區(qū)混凝土由于與鋼筋之間的粘結(jié)滑移，應(yīng)變也出現(xiàn)較大變化。通過對比鋼材和混凝土的應(yīng)變發(fā)展過程，可以清晰地觀察到兩者之間的協(xié)同工作性能。在加載初期，鋼材和混凝土共同承擔(dān)荷載，應(yīng)變發(fā)展較為同步，兩者之間的協(xié)同工作效果良好。隨著加載的進行，鋼材由于其屈服強度較低，率先進入屈服階段，開始發(fā)揮塑性變形能力，吸收和耗散能量。此時，混凝土仍然處于彈性或彈塑性階段，繼續(xù)承擔(dān)部分荷載，并且在鋼材的約束作用下，其橫向變形受到限制，抗壓能力得到提高。在試件破壞階段，鋼材的塑性變形和混凝土的損傷相互影響，共同導(dǎo)致了試件的最終破壞。為了更直觀地展示鋼材和混凝土的應(yīng)變分布規(guī)律以及兩者之間的協(xié)同工作性能，以試件[典型試件編號]為例，繪制了不同加載階段鋼材和混凝土的應(yīng)變分布圖，如圖7所示。從圖中可以看出，在加載初期（圖7a），鋼材和混凝土的應(yīng)變都較小，且分布均勻；在加載中期（圖7b），鋼材在關(guān)鍵部位的應(yīng)變開始增大，而混凝土在裂縫附近的應(yīng)變也有所增加；到加載后期（圖7c），鋼材的屈服區(qū)域擴大，混凝土受壓區(qū)的應(yīng)變達到較高值，兩者的應(yīng)變分布呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。[此處插入典型試件不同加載階段鋼材和混凝土應(yīng)變分布圖]圖7典型試件不同加載階段鋼材和混凝土應(yīng)變分布圖（a）加載初期；（b）加載中期；（c）加載后期不同試件由于軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素的不同，其鋼材和混凝土的應(yīng)變分布規(guī)律也存在一定差異。軸壓比的增大使得混凝土受壓區(qū)的應(yīng)變增長更快，鋼材的屈服應(yīng)變也更早達到，從而影響了兩者之間的協(xié)同工作性能。配筋率的提高可以在一定程度上限制混凝土的裂縫開展，減小混凝土的應(yīng)變，同時也能增強鋼材與混凝土之間的粘結(jié)力，使兩者更好地協(xié)同工作。新型雙空間鋼構(gòu)架形式由于其更強的約束能力，使得鋼材和混凝土在受力過程中的應(yīng)變分布更加均勻，協(xié)同工作效果更好?；炷翉姸鹊燃壍奶岣邉t使得混凝土在相同荷載下的應(yīng)變減小，提高了混凝土的抗壓能力和與鋼材的協(xié)同工作能力。應(yīng)變分析結(jié)果表明，在雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱中，鋼材和混凝土的應(yīng)變分布規(guī)律與加載過程密切相關(guān)，兩者之間存在良好的協(xié)同工作性能。軸壓比、配筋率、鋼構(gòu)架形式以及混凝土強度等級等因素對鋼材和混凝土的應(yīng)變分布和協(xié)同工作性能有著顯著影響。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)充分考慮這些因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以確保雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱在地震作用下能夠充分發(fā)揮其抗震性能。四、有限元模型建立與驗證4.1材料本構(gòu)關(guān)系在建立雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的有限元模型時，準(zhǔn)確描述混凝土和鋼材的材料本構(gòu)關(guān)系是確保模型精度的關(guān)鍵?；炷梁弯摬脑谑芰^程中表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性力學(xué)行為，其本構(gòu)關(guān)系受到多種因素的影響，如應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變率、溫度等。合理選擇和定義材料本構(gòu)模型及其參數(shù)，能夠真實地反映材料在地震作用下的力學(xué)性能，為后續(xù)的有限元分析提供可靠的基礎(chǔ)。對于混凝土，采用混凝土損傷塑性模型（ConcreteDamagedPlasticityModel，CDP模型）來描述其本構(gòu)關(guān)系。CDP模型是一種基于塑性力學(xué)理論的非線性本構(gòu)模型，能夠較好地模擬混凝土在受壓和受拉狀態(tài)下的非線性行為，包括混凝土的開裂、壓碎、剛度退化以及滯回耗能等特性。該模型考慮了混凝土材料的損傷機制，通過引入損傷變量來描述混凝土在受力過程中內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的劣化對宏觀力學(xué)性能的影響。在CDP模型中，主要參數(shù)包括彈性模量、泊松比、混凝土的抗壓強度和抗拉強度、屈服面參數(shù)、損傷演化參數(shù)等。彈性模量E_c根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）中的公式計算得到，其計算公式為E_c=\frac{10^5}{2.2+\frac{34.7}{f_{cu,k}}}，其中f_{cu,k}為混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。泊松比\nu_c一般取值為0.2，這是根據(jù)混凝土材料的試驗研究和工程經(jīng)驗確定的?；炷恋目箟簭姸萬_{c}和抗拉強度f_{t}則根據(jù)試驗實測值或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范取值，不同強度等級的混凝土其抗壓和抗拉強度不同，例如C30混凝土的抗壓強度設(shè)計值f_{c}為14.3N/mm2，抗拉強度設(shè)計值f_{t}為1.43N/mm2。屈服面參數(shù)包括偏心距\epsilon、流動勢函數(shù)的形狀參數(shù)\psi等，偏心距\epsilon通常取值為0.1，流動勢函數(shù)的形狀參數(shù)\psi一般在30°-40°之間取值，本文中根據(jù)相關(guān)研究和模擬結(jié)果驗證，取值為35°。損傷演化參數(shù)如受拉損傷變量d_t和受壓損傷變量d_c的演化規(guī)律，通過混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及相關(guān)的損傷演化方程確定。在加載過程中，受拉損傷變量d_t和受壓損傷變量d_c根據(jù)混凝土的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變發(fā)展情況不斷更新，反映混凝土內(nèi)部損傷的累積和發(fā)展過程。選擇CDP模型來描述混凝土本構(gòu)關(guān)系的依據(jù)主要有以下幾點。首先，CDP模型能夠全面考慮混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為，包括受壓和受拉狀態(tài)下的非線性特性，這與雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱在地震作用下的實際受力情況相符。其次，該模型在國內(nèi)外的相關(guān)研究和工程應(yīng)用中得到了廣泛驗證，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。通過與大量的混凝土試驗數(shù)據(jù)對比分析，CDP模型能夠較好地模擬混凝土的破壞過程和力學(xué)性能變化，為有限元分析提供了可靠的理論支持。此外，CDP模型在有限元軟件ABAQUS中具有完善的實現(xiàn)方式和參數(shù)設(shè)置選項，便于進行數(shù)值模擬和分析。對于鋼材，采用雙線性隨動強化模型（BilinearKinematicHardeningModel）來描述其本構(gòu)關(guān)系。雙線性隨動強化模型考慮了鋼材的彈性階段和塑性階段，以及塑性階段的強化特性。在彈性階段，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，即\sigma=E_s\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，\varepsilon為應(yīng)變，E_s為鋼材的彈性模量。當(dāng)應(yīng)力達到屈服強度f_y后，鋼材進入塑性階段，此時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性，采用雙線性強化模型來描述，即塑性階段的切線模量E_{tan}為常數(shù)，且小于彈性模量E_s。雙線性隨動強化模型的主要參數(shù)包括鋼材的彈性模量E_s、屈服強度f_y和切線模量E_{tan}。鋼材的彈性模量E_s根據(jù)鋼材的種類和材質(zhì)確定，例如對于Q345鋼材，其彈性模量E_s一般取值為2.06×10?N/mm2。屈服強度f_y根據(jù)鋼材的實測值或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范取值，Q345鋼材的屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值為345N/mm2。切線模量E_{tan}通常根據(jù)鋼材的強化特性和試驗結(jié)果確定，一般取值為彈性模量E_s的0.01-0.05倍，本文中根據(jù)相關(guān)研究和模擬結(jié)果驗證，取值為E_{tan}=0.02E_s。選擇雙線性隨動強化模型來描述鋼材本構(gòu)關(guān)系的原因主要在于其能夠較為準(zhǔn)確地反映鋼材在地震作用下的彈塑性力學(xué)行為。鋼材在受力過程中，當(dāng)應(yīng)力達到屈服強度后，會發(fā)生塑性變形并伴隨強化現(xiàn)象，雙線性隨動強化模型通過引入塑性階段的強化特性，能夠合理地模擬鋼材的這種力學(xué)行為。該模型在處理鋼材的循環(huán)加載問題時，能夠考慮到包辛格效應(yīng)，即鋼材在反向加載時屈服強度的降低現(xiàn)象，這對于模擬雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱在地震作用下的反復(fù)加載過程具有重要意義。此外，雙線性隨動強化模型的參數(shù)相對較少，易于確定和理解，在有限元模擬中計算效率較高，能夠滿足工程實際分析的需求。4.2有限元模型建立利用有限元軟件ABAQUS建立雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的數(shù)值模型，模擬其在地震作用下的力學(xué)響應(yīng)，為深入研究該結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能提供數(shù)值依據(jù)，并與試驗結(jié)果進行對比驗證，以評估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在建立有限元模型時，首先進行單元選擇。對于混凝土部分，選用C3D8R三維八節(jié)點線性減縮積分實體單元。C3D8R單元在處理大變形和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)問題時具有良好的性能，能夠較為準(zhǔn)確地模擬混凝土在地震作用下的受力和變形情況。其減縮積分特性可以有效減少計算量，提高計算效率，同時避免出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象，保證計算結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。在模擬混凝土開裂和壓碎等非線性行為時，C3D8R單元能夠通過損傷塑性模型（CDP模型）合理地描述混凝土材料的力學(xué)性能變化，為準(zhǔn)確分析雙空間鋼構(gòu)架混凝土柱的抗震性能提供了基礎(chǔ)。對于鋼材部分，采用S4R四節(jié)點線性減縮積分殼單元來模擬鋼構(gòu)架。S4R單元適用于模擬薄板和薄殼結(jié)構(gòu)，能夠準(zhǔn)確捕捉鋼材的彎曲和拉伸變形，符合鋼構(gòu)架的實際受力特點。在模擬鋼構(gòu)架的受力過程中，S4R單元可以考慮鋼材的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，通過雙線性隨動強化模型來描述鋼材在彈性階段和塑性階段的力學(xué)行為，包括屈服強度、強化特性以及包辛格效應(yīng)等。該單元在處理復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和加載條件時具有較高的精度和計算效率，能夠較好地模擬鋼構(gòu)架在地震作用下的力學(xué)響應(yīng)，為研究鋼構(gòu)架與混凝土之間的協(xié)同工作性能提供了有效的手段。在網(wǎng)格劃分方面，為了保證計算精度和效率的平衡，采用了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。首先對整個模型進行初步的網(wǎng)格劃分，根據(jù)模型的幾何形狀和受力特點，將模型劃分為不同的區(qū)域。對于應(yīng)力集中區(qū)域和可能出現(xiàn)較大變形的部位，如鋼構(gòu)架與混凝土的連接區(qū)域、柱腳部位等，采用較小的網(wǎng)格尺寸進行加密劃分，以提高計算精度，確保能夠準(zhǔn)確捕捉這些關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變變化。而對于受力相對均勻、變形較小的區(qū)域，則適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計算量，提高計算效率。在計算過程中，根據(jù)模型的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，對網(wǎng)格進行自適應(yīng)調(diào)整。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某些區(qū)域的應(yīng)力梯度較大或變形較為復(fù)雜時，自動對這些區(qū)域的網(wǎng)格進行進一步加密，以滿足計算精度的要求；反之，對于應(yīng)力應(yīng)變變化較為平緩的區(qū)域，適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格尺寸，避免不必要的計算資源浪費。通過這種自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，在保證計算精度的前提下，有效提高了計算效率，減少了計算時間和計算資源的消耗。邊界條件的設(shè)置對于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在模型底部，將所有節(jié)點的三個方向平動自由度（UX、UY、UZ）和三個方向轉(zhuǎn)動自由度（ROTX、ROTY、ROTZ）全部約束，模擬實際工程中柱腳與基礎(chǔ)的固定連接方式，使模型在底部無法發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動。在模型頂部，根據(jù)試驗加載情況，施加豎向荷載和水平位移荷載。豎向荷載按照試驗設(shè)定的軸壓比進行施加，通過在頂部節(jié)點上施加均布壓力來實現(xiàn)，確保模型在豎向荷載作用下的受力狀態(tài)與試驗一致。水平位移荷載則通過在頂部節(jié)點上施加隨時間變化的位移來模擬地震作用下的水平加載過程，位移加載模式與試驗中的低周反復(fù)加載制度相同，包括位