刘 浩 崔 瑶 殷福新
（大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024）
摘 要：通过拟静力试验研究箱型截面柱、厚底板和混凝土基础组成的外露式柱脚在极大变形下的抗弯性能及传力机制。通过试验研究锚栓的材质、数量和排列方式以及轴压比等参数对外露式柱脚的抗弯承载力、抗弯刚度、延性及耗能的影响。结果表明，增加2个锚栓可以提高20%左右的抗弯承载力，并提高耗能能力，但对初始刚度的提高并不明显。冷拔锚栓严重降低了柱脚的延性和耗能能力，不宜采用。柱脚承受竖向拉力时，柱脚节点将主要通过剪切变形来抵抗水平荷载，柱脚的抗弯承载力低、刚度小、耗能和延性较差。
关键词：外露式钢柱脚；锚栓；轴压比；抗弯承载力；滞回性能
外露式柱脚主要由钢柱、底板、锚栓和混凝土基础组成，其中钢柱与底板焊接，由底板锚栓孔通过锚栓与混凝土基础固定［1］。20世纪90年代美国的北岭地震以及日本的神户地震中［2］，大量钢结构破坏发生在柱脚节点，连接节点的强度和变形能力不足是钢结构遭受震害的主要因素之一。
对于外露式钢柱脚的抗弯性能，国内外均展开了相关的试验及有限元研究［3－7］，但是大多数研究主要为单调加载，少数循环加载试验也仅限于中小变形的柱脚抗弯性能［8－10］，柱脚节点在大变形下的抗弯性能及受力机制研究相对较少［11－12］。目前，对外露式柱脚的锚栓布置方式及柱脚在轴拉力下的力学性能研究较少。
本文通过拟静力试验，以锚栓材料、数量和布置方式以及轴压比等作为参数，对外露式钢柱脚在大变形下的抗弯性能进行了试验研究，并考察了钢柱在承受拉压轴力时柱脚的受力性能，以期为我国外露式钢柱脚的抗震设计提供试验依据。
1.1 试件及材料性能
本试验以锚栓材料性能、数量、排列方式及轴力的大小及方向为参数共设计了5个试件。每个试件由钢柱、底板、锚栓、砂浆层和混凝土基础等构成，其中钢柱和底板通过焊接连接，整体通过锚栓与混凝土基础固定，在底板与混凝土基础之间铺垫砂浆层。各试件的底板锚栓布置形式及试件具体尺寸如图1所示，试件参数见表1。
为保证柱脚主要受弯矩作用，柱高取1 200 mm。锚栓材料采用Q235钢，型号M20。为保证锚栓端部具有足够的锚固能力及锚栓与混凝土基础间具有足够的黏结力，使锚栓与混凝土能够共同工作，锚栓总长600 mm。其中锚栓上、下端螺纹段长度均为90 mm，并配有螺母。图2给出了热轧锚栓和冷拔锚栓的应力 －应变关系曲线。试件材料性能见表2。
1.2 测点布置
在混凝土基础、底板、钢柱、顶板及作动器的关键位置分别布置位移计，用于测量柱顶水平位移和竖向位移、底板转角、底板位移，如图3所示。锚栓的应变片布置如图3所示，同时在距柱底90，300，600 mm处沿柱面四周布置应变片，从而观测锚栓和钢柱的受力性能。
图1 试件尺寸及锚栓布置示意
表1 试件参数
试件编号 轴压比 锚栓数量 锚栓布置 锚栓成型方式4RMT －0.1（拉） 4 图1b 热轧4LM 0.2（压） 4 图1b 冷拔4RM 0.2（压） 4 图1b 热轧6RCM 0.2（压） 6 图1d 热轧6REM 0.2（压） 6 图1c 热轧
图2 不同材料锚栓应力－应变曲线
表2 材料特性
注：fy为屈服强度；fu为极限强度。
试件 型号 fy/MPa fu/MPa钢柱 □200×12 373 486热轧锚栓 M20 276 435冷拔锚栓 M20 563 627
图3 应变片及位移片布置
注：D1—D9为位移计编号。
1.3 加载装置
如图4所示，采用恒定竖向荷载，水平循环加载的方式进行加载，为防止试件平面外变形，在柱顶两侧放置侧梁，试件竖向荷载为轴压比0.2（受压540 kN）或－0.1（受拉270 kN），水平荷载位移控制，按柱顶转角确定工况，分别为0.025%、0.05%、1%、2%、3%、4%、6%、8%和10%，由柱高计算出的柱顶实际水平位移控制加载，分别为3，6，12，24，36，48，72，96和120 mm，每个工况循环加载两次，加载至试件破坏或最大位移工况停止加载。
图5给出了现场试验加载的照片，在循环加载过程中，由于承受竖向拉力，锚栓同时承受拉力、剪力、和弯矩，因此试件4RMT在加载至3%转角的第1圈时锚栓拉断破坏，破坏时底板完全与砂浆层分离，4个锚栓塑性变形明显。试件4LM由于采用冷拔钢材制作锚栓，其延性较差，在由4%转角加载至6%转角过程中，锚栓被拉断，破坏时受拉侧两个锚栓先后被拉断，间隔时间很短。其他试件均完成最大位移工况，锚栓出现明显的塑性变形但未破坏，钢柱和底板变形并不明显，若继续增大柱顶转角，预测锚栓将会破坏。由于大变形下的巨大荷载作用，砂浆层发生剪切破坏和受压破坏，尤其是试件6RCM和6REM，砂浆层破坏较为严重。
图4 加载装置示意
图5 试验加载照片
3.1 抗弯承载力
图6给出了本次试验各试件的弯矩M－转角θ滞回曲线，总体上呈现出滑移型，受拉试件4RMT由剪切变形控制，曲线呈平行四边形状；其他受压试件由转动变形控制，曲线出现明显的捏缩效应。图7给出了不同试件的骨架曲线，对比可以发现柱脚承受轴拉时的承载力和抗侧刚度相对于承受轴压时出现了明显的退化，冷拔锚栓的脆性严重影响了柱脚的延性，增加锚栓数量可以明显提高柱脚承载力，但对抗侧刚度的影响不明显。表3给出了各试件的屈服承载力和极限承载力及其相应转角。
试件4RMT的抗弯承载力仅为试件4RM的17.2%，抗弯承载能力和延性极差。试件4LM在延性和初始刚度方面相对于试件4RM较差，最大柱顶转角约为0.04 rad。
图6 M－θ滞回曲线
图7 M－θ骨架曲线
表3 试验结果
试件编号屈服弯矩My/（kN·m）屈服转角θy/rad极限弯矩Mu/（kN·m）极限转角θu/rad转角延性系数μθ 4RMT 12.04 0.002 28.41 0.018 —4LM 116.10 0.019 146.76 0.046 2.42 4RM 127.09 0.017 160.77 0.074 4.35 6RCM 141.69 0.014 191.53 0.058 4.14 6REM 121.40 0.016 185.86 0.074 4.63
试件6RCM和6REM比试件4RM增加了两个锚栓，只是相对位置不同，相对于试件4RM，二者抗弯承载力均有提高，且相差不大（试件6RCM提高了19.1%，试件6REM提高了17.7%），而且也与试件4RM一样，展现出了较好的延性，柱顶转角达到0.1 rad时均未发生破坏，只是初始刚度相对于试件4RM并没有明显的提高。
由试验结果给出了初步的抗弯承载力计算式，计算简图如图8所示。
对于受拉试件，锚栓均承受拉力，由于底板转动呈现出一侧拉力较大另一侧拉力较小的状态，根据力的平衡关系，对受力较小的锚栓处求矩，可得：
式中：N为轴向拉力，取负值；l为两侧锚栓之间的距离；Tb为受力较大锚栓拉力。
对于受压试件，一侧锚栓受拉，另一侧底板受压。对受压侧压力合力R的作用点求矩，可得到承载力计算式：
图8 抗弯承载力计算简图
注：Ts为受力较小锚栓拉力。
式中：dc为压力合力点到底板中轴线的距离；T为锚栓拉力；dt为受拉锚栓到底板中轴线的距离。
3.2 抗弯刚度
图9给出了5个试件每一级加载抗弯刚度的变化。所有试件的刚度退化趋势基本一致，都是退化速度逐渐减慢。明显的转折点在2%转角左右，即锚栓屈服后不久，退化减缓。
图9 各试件刚度退化曲线
试件4RMT由于承受竖向拉力，初始刚度较低，仅为试件4RM的34.6%，反映了轴压比对柱脚初始刚度的影响。试件4LM的初始刚度为试件4RM的38.6%，主要是因为试验采用的冷拔锚栓弹性模量比热轧锚栓要小，可见锚栓材性对柱脚初始刚度影响也较大。试件4RMT破坏时刚度已经退化接近于零，而试件4LM在刚度仍较大时发生了破坏，体现了冷拔锚栓的脆性性质。试件4RM，6RCM与6REM的初始刚度以及刚度退化基本吻合，增加锚栓数量对提高柱脚转动刚度并没有明显效果。
3.3 延性性能
用转角延性系数μθ来反映节点的延性：
式中：θu为试验过程中试件的柱顶极限转角，一般取为承载力下降到极值85%时的转角，由于本试验没有出现明显的承载力下降，故取为弯矩达到极值时的转角；θy为锚栓屈服时试件的柱顶转角，计算得到的延性系数见表3。
由表3可知，试件4LM的延性系数最小，主要是由于采用了冷拔钢材制作的锚栓，而柱脚的延性主要受锚栓延性的影响。试件4RMT的受力情况与其他试件不同，以受剪为主，而其他试件则以受弯为主，此时与其他试件比较延性系数没有意义，虽然试件4RMT的延性系数计算值较高，但其实际延性极差。试件4RM、6RCM和6REM由于采用热轧锚栓，延性系数均大于4，延性较好，表现出良好的抗震性能。
3.4 耗能性能
各试件加载工况的累积耗能结果如图10所示。试件4RMT和4LM分别在加载至2%转角和4%转角后锚栓破坏，其耗能能力总体较低，分别为试件4RM加载至10%转角耗能总量的9.1%和34.4%。试件6RCM和6REM虽然增加了锚栓数量，但在3%转角内甚至6%转角内，耗能能力与试件4RM相比并没有明显的增强，当转角继续增大时，锚栓数量多的优势逐渐明显，当达到10%转角时，试件6RCM和6REM的耗能总量分别比试件4RM提高了18.5%和9.1%，说明锚栓数量的增加可以提高试件的耗能能力。
图10 各试件每一级加载循环耗能曲线
1）增加锚栓数量可以提高柱脚的极限抗弯承载力，试件6RCM和6REM比4RM分别提高了16.1%和18.7%；增加锚栓数量在大变形下耗能量有所增加，试件6RCM和6REM比4RM分别提高了18.5%和9.1%；但增加锚栓数量对柱脚初始刚度的提高并不明显，刚度退化过程也很接近；增加锚栓对于柱脚延性有一定的提升，尤其是试件6RCM锚栓布置形式，延性更好。
2）使用冷拔锚栓会大大减小柱脚的延性，延性系数仅为使用热轧锚栓柱脚的37.8%，而且发生脆性破坏，破坏突然；由于破坏较早未能充分耗能，对抗震不利；锚栓材料的弹性模量对柱脚刚度的影响较大。
3）当柱脚承受竖向拉力时，在水平荷载的作用下，柱底板与砂浆层很快分离，柱脚主要承受剪切变形，柱脚抗弯承载力降为受压情况下的17.2%，可承受的柱顶转角很小，仅为0.02 rad，极易发生破坏，需要采取一定的补强措施避免该情况的发生。
4）本文仅提出了初步的计算式，还需要进一步的研究工作对计算式进行改进。
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EXPERIMENTAL STUDY OF BENDING BEHAVIOR OF EXPOSED COLUMN BASE
Liu Hao Cui Yao Yin Fuxin
（State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）
ABSTRACT：A hollow steel column with rigid base plate connected to concrete foundation was loaded with stable vertical loading and cyclic horizontal loading to study the flexural behavior of exposed column base under large deformation.The flexural capacity，the rotational stiffness，the ductility and energy dissipation influenced by the material，the number and the arrangement of anchor bolts were investigated.The results showed that the additional two anchor bolts could increase the flexural capacity by 20%，however，not affected the initial rotational stiffness significantly.The cold-drawn anchor rods reduced the column base’s ductility and energy dissipation significantly，which should not be adopted.When column base was loaded with tension force，the joints mainly resisted horizontal loads with shear deformation，which had a terrible flexural capacity，initial rotational stiffness，energy dissipation，and ductility.
KEY WORDS：exposed column base；anchor bolts；axial force ratio；flexural capacity；hysteretic behavior
DOI：10.13206/j.gjg201701009
国家自然科学基金项目（51208076）；中央高校基本科研业务费专项课题（DUT14LK04）。
第一作者：刘浩，男，1991年出生，硕士研究生。
Email：liuhaoxylf＠126.com
收稿日期：2016－09－15
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