型钢混凝土叠合梁(Prefabricated steel reinforced concrete beam,简称为PSRC梁)是先预制梁腹板部分,随后与混凝土楼板整浇梁上部翼缘部分的一种结构构件。它不仅秉承了传统型钢混凝土结构强度高、刚度大、抗震性能好 ^[1]的特点,同时又兼备了装配式结构 ^[2]设计灵活、工业化生产、装配式施工和有利于保护环境的优势。

　　 目前,国内学者对PSRC梁的正截面受弯性能、斜截面受剪性能和抗震性能展开了研究 ^[3,4,5],但是对其滞回性能的研究较少。

　　 因此,本文基于PSRC梁的拟静力试验结果,对其滞回性能展开分析,为此类结构构件的工程应用和科学研究提供参考。

　　 6个试件的设计参数见表1,试件截面尺寸及配筋构造见图1。

　　 试验装置由加载装置和采集装置两部分构成,加载装置包括竖向加载作动器、分配梁、线载梁、反力梁、传力螺杆、地锚锚杆以及支座墩构成;线载梁中心线之间的距离为600mm,反力梁中心线与线载梁中心线之间为剪跨段的距离,对应剪跨比λ=1,2,3的试件分别为300,600,900mm;采集装置包括采集系统、应变及位移采集系统,加载装置见图2。本次型钢混凝土叠合梁试验加载制度采用力-位移混合加载方式,加载制度示意见图3。

　　 试验主要测试内容包括:承载力,跨中挠度,钢筋、型钢和混凝土的应变,裂缝发展规律以及试件最终的破坏类型。试件的承载力由MTS电液伺服作动器直接读取,挠度及应变则采用DNH采集箱采集。

　　 在加载初期,6个试件均在跨中位置首先出现竖向裂缝。随着荷载增加,U1在剪弯段出现斜向裂缝,并在低周反复荷载作用下,剪弯段斜裂缝形成交叉状,不断形成新的斜压区,斜压区混凝土被分割成若干短柱,最终试件因斜压短柱混凝土压坏而发生破坏。随着荷载增加,U2与U4两个试件均在剪弯段出现斜向裂缝,随着荷载继续增加,剪弯段的斜裂缝中逐渐发展出一条临界裂缝,加载至后期,剪弯段混凝土被压溃,试件梁最终发生斜截面剪压破坏。随着荷载增加,U3,U5和J3试件腹板跨中处裂缝不断发展,剪弯段裂缝向跨中位置发展,跨中混凝土疏松,加载至后期,跨中混凝土逐渐剥落,钢筋外露,试件最终发生正截面受弯破坏。U1,U3和U4破坏图见图4。

　　 图5给出了各试件的荷载-挠度滞回曲线,分析PSRC梁的滞回曲线可以得出:

　　 (1)试件在加载初期,滞回环包裹的面积较小,荷载随着挠度的增加能基本保持线性变化;随着加载的不断进行,滞回曲线逐渐偏向挠度轴,滞回环包裹的面积逐渐增大,试件的刚度开始退化;按位移加载时,在同一级位移加载的三个循环下,试件的刚度退化现象明显,试件的强度逐渐衰减,滞回环的面积也依次减小。

　　 (2)剪跨比λ=1的U1,滞回曲线整体呈现出“Z”形,进入位移加载后,滞回环包裹的面积比较小,试件的耗能能力较差,这大致符合试件发生斜压破坏的滞回曲线特征;剪跨比λ=3的4个试件大多数发生弯曲破坏,其滞回曲线呈现出较为饱满且对称的梭形,试件的耗能能力较好。

　　 (3)现浇层混凝土强度对试件的滞回曲线影响不大,对比U3和U5的滞回曲线可知,现浇层混凝土强度的提高仅能略微提高试件的承载力,但随着混凝土强度的提高,试件的塑性变形能力降低;对比U3和U4的滞回曲线可知,当现浇层混凝土强度降低,U4发生反向破坏,其正向受拉腹板未能充分发挥作用。

　　 腹板截面类型对试件的滞回曲线影响并不明显,J3的正向承载力大于U3,但J3在位移加载至±60mm时已经破坏,而U3加载至±80mm才达到破坏,这说明U3的变形能力更好。

　　 试件骨架曲线的开裂点、屈服点、极限点、破坏点的荷载及位移特征点测试值见表2。但是由于PSRC梁骨架曲线上并没有明显的屈服点,本文采用通用屈服弯矩法 ^[6]对表中屈服荷载P_y与屈服挠度Δ_y进行计算。图6给出了不同参数下各试件的骨架曲线。

　　 对比图6(a)可以看出,剪跨比不同的U1,U2和U3,随着剪跨比的增大,U2,U3的正向极限承载力相对于U1分别降低了43.83%和64.67%;U2,U3的正向极限挠度分别为U1的2.50倍及3.13倍。这说明虽然剪跨比大的试件承载力最大,但是其变形能力较差,不适用于抗震设计,剪跨比小的试件能够呈现出良好的变形能力,适用于一般的抗震设计。

　　 对比图6(b)可以看出,现浇层混凝土强度不同的U3,U4和U5,随着混凝土强度的提高,U3的负向极限承载力相对于U5提高了9.46%,而U5的负向极限挠度相对于U3降低了49.09%,这说明混凝土强度的提高对试件承载力影响很小,但是会降低试件的变形能力。

　　 对比图6(c)可以看出,腹板截面形式不同的J3和U3,J3的正向极限承载能力相较于U3提高了14.27%,负向极限承载力降低了17.26%,J3的正向极限挠度相对于U3提高了12.33%,负向挠度降低了237%,这说明U形腹板截面的PSRC梁具有较好的受力性能。

　　 采用位移延性系数分析PSRC梁的延性性能,位移延性系数μ的表达式为:

　　 $\mu =\Delta {}_{\text{m}}/\Delta {}_{\text{y}}(1)$

　　 6个试件的位移延性系数如表3所示,随着试件剪跨比的增大,PSRC梁的位移延性系数增大;剪跨比相同的情况下,随着现浇层混凝土强度增加,位移延性系数有所降低;通过不同腹板截面形式的对比发现,腹板截面形式为U形的PSRC梁正、负向位移延性系数较为接近,正、负向延性性能较为平均,腹板截面形式为U形的PSRC梁延性更好。

　　 为了方便确定每级循环下的加载刚度,一般采取PSRC梁的割线刚度K_i,即每级循环下峰值荷载与对应挠度的比值,其表达式为:

　　 ${\rm K}{}_i=\frac{\left|\pm {\rm P}{}_{\max }^i\right|}{\left|\pm \Delta {}_{\max }^i\right|}(2)$

　　 式中:±P${}_{\max }^i$为试件梁在第i级循环下的峰值荷载;±Δ${}_{\max }^i$为试件梁在第i级循环下的峰值荷载对应的挠度。

　　 图7给出了不同参数下各试件的刚度退化曲线。从图中可以看出:各试件在加载初期刚度退化较为明显,但是试件反向刚度大于正向刚度,这是由于反向翼缘板及板上分布筋提供了一定的抗弯刚度;当加载至大位移时,刚度退化情况逐渐平缓,造成这种现象的原因是加载初期随着混凝土开裂,钢筋逐渐达到屈服,试件损伤积累明显,但是由于型钢的存在,试件的延性得以保证,且型钢为对称截面,从而使得构件正负向的刚度都保持较好。

　　 如图7(a)所示,剪跨比小的试件刚度大于剪跨比大的试件,但由于剪跨比小的试件最终发生斜压破坏,脆性显著,故其刚度退化情况更为明显。

　　 如图7(b)所示,现浇层混凝土强度的提高仅能略微提高试件的初始刚度,到了后期大变形阶段,对试件的刚度变化影响很小。

　　 如图7(c)所示,腹板截面形式的不同对刚度影响主要体现在初始刚度上,腹板核心区混凝土强度的提高,有效地增加了试件的正负向刚度,加载后期由于3个试件均发生弯曲破坏,刚度退化情况较为接近,这是由于后期混凝土逐渐退出工作后,型钢提供主要的抗弯刚度。

　　 通过试验所得荷载-挠度滞回曲线所包围的面积表示PSRC梁的耗能能力,采用能量耗散系数E_d和等效黏滞阻尼系数h_e作为判别试件耗能能力 ^[7]的指标,见式(3),(4)。

　　 式中:为滞回环包围的面积;S_ΔOBF和S_ΔODE分别为正负向峰值承载力及对应位移包围的三角形面积,具体如图8所示。

　　 表4给出了6个试件在达到极限和破坏时的能量耗散系数E_d和等效黏滞阻尼系数h_e,由表中数据可知,PSRC梁破坏时的等效黏滞阻尼系数h_em=0.19～0.38,而普通钢筋混凝土压弯构件发生弯曲破坏时,等效黏滞系数介于0.1～0.2 ^[8],这说明PSRC梁具有较好的耗能能力。

　　 (1)剪跨比的大小对PSRC梁的滞回性能影响显著,剪跨比小的试件承载力大,但滞回曲线不够饱满,变形能力和耗能能力差;剪跨比大的试件滞回曲线饱满,大位移作用下试件能保持较好的变形能力和耗能能力,抗震性能优越。

　　 (2)现浇层混凝土强度对PSRC梁的滞回性能影响不大,现浇层混凝土强度的提高能略微提高试件的承载力,但会降低试件的变形能力,现浇层混凝土强度的降低则会导致腹板混凝土不能得到充分发挥。

　　 (3)U形腹板截面试件仅在正向承载力方面略小于矩形腹板截面试件,而其变形能力和耗能能力俱佳,是比较理想的PSRC梁的腹板截面类型。

　　 (4)PSRC梁由于内置型钢,在混凝土退出工作后,大位移加载时刚度退化平缓,表现出较好的抗震性能。

　　 (5)PSRC梁的等效黏滞阻尼系数高于普通钢筋混凝土压弯构件,显示出优异的耗能能力。