鋼管再生混凝土柱在低周反復荷載作用下的試驗研究

黃 丹， 王成剛， 李祝情， 柳炳康

（合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

將再生混凝土澆筑于鋼管中，形成鋼管再生混凝土，利用鋼管的套箍作用使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)。鋼管再生混凝土結構有效地結合了鋼管和再生混凝土這兩種材料的特點，改善了再生混凝土的性能，成為一種有效的結構形式。

目前，國內(nèi)外研究學者對鋼管再生混凝土構件的研究主要集中在其受力性能方面，楊有福［1］、肖建莊［2］等對鋼管再生混凝土軸壓和偏壓柱的受力性能做了大量研究，Konn，K．［3］等對鋼管再生混凝土構件的軸壓性能進行了考察探究，研究結果均表明，鋼管再生混凝土柱在軸向壓力和偏心壓力作用下有足夠的承載能力，其荷載－位移關系曲線特性與鋼管普通混凝土構件相似，鋼管再生混凝土柱的剛度和極限強度低于鋼管普通混凝土構件，其大小與再生骨料取代率有關。

近年來，國內(nèi)學者開始關注鋼管再生混凝土結構抗震性能［4－7］，為更好地了解鋼管再生混凝土壓彎構件在低周反復荷載作用下的破壞形態(tài)和抗震特性，本文通過變化含鋼率和軸壓比兩個參數(shù)，對3個圓鋼管再生混凝土壓彎構件進行了水平低周反復荷載試驗，根據(jù)試驗結果得到試件的延性系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)等抗震性能指標，分析了不同參數(shù)下各個試件的延性性能和耗能能力，為鋼管再生混凝土結構抗震設計提供理論依據(jù)。

1 試驗概況

1．1 試驗材料

再生混凝土材料如下:42．5R普通硅酸鹽水泥，水為自來水，砂為普通中粗砂，再生粗骨料是拆除某建筑廢棄混凝土破碎而得，依據(jù)《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》（JGJ53－92），進行了再生粗骨料含水率、篩分、針片狀和吸水率等試驗。再生粗骨料最大粒徑為25mm，連續(xù)級配，粒徑2．5～16mm、16～25mm的粗骨料分別占粗骨料總質量的73．8%、25．4%，測得粗骨料針片狀含量為4．17%，其余材性指標見表1?；炷僚浜媳葹?水:水泥:砂:粗骨料為1:2．05:2．43:5．17。試驗測得再生混凝土立方體試塊28d抗壓強度平均值為33．6MPa，彈性模量Ec通過文獻［4］的建議公式計算得出，Ec＝27200 MPa，結果與再生混凝土材料性能吻合。

鋼管采用Q235B鋼，根據(jù)《金屬材料拉伸試驗》（GB／T228．1－2010），進行了鋼材的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率檢測試驗，檢測結果滿足要求。

1．2 試件設計

試驗以框架柱為研究對象，設計了3個試件，試件YDZA2和試件YDZA5－2含鋼率不同，軸壓比相同；試件YDZA5－1和試件YDZA5－2軸壓比不同，含鋼率相同。試件的再生粗骨料取代率均取100%，試件設計參數(shù)見表2，試件加工圖如圖1所示。

表1 粗骨料基本性能指標

表2 試件設計參數(shù)

圖1 試件加工圖

1．3 試驗加載裝置和加載方法

試驗在合肥工業(yè)大學結構實驗室進行，根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ101－96）［8］采用擬靜力試驗方法。試驗現(xiàn)場加載裝置見圖2。

試驗時先用千斤頂在柱頂施加豎向軸力至預定值，然后采用MTS電液伺服作動器在試件頂部施加水平低周反復荷載模擬地震作用。試驗前先進行預加載，預加反復荷載1次，預加荷載大小按照小于30%預估屈服荷載的原則取為15kN。采用荷載－位移雙控制的加載制度，鋼管屈服前采用荷載控制并分級加載，根據(jù)預先計算的試件屈服荷載大小取適量增幅，第一次加載循環(huán)取的屈服荷載的20%，以屈服荷載的10%為級差逐級遞增加載。試件進入屈服后改用位移控制并分級加載，在屈服位移值的基礎上取5mm的增幅進行位移控制加載，每級荷載均反復加載三次，加至試件破壞時停止試驗。

圖2 試驗現(xiàn)場加載裝置

2 試驗結果及分析

2．1 試驗現(xiàn)象

加載初期，試件處于彈性階段，變形不明顯，試件應變和位移值隨著荷載的增加而增大，隨著加載的進行，鋼管底部受壓一側開始出現(xiàn)微小的屈曲外凸的“象腿”現(xiàn)象，構件開始進入強化階段。隨著卸載和反向加載過程的進行，鋼管另一側也開始出現(xiàn)鼓曲。加載至接近破壞位移時，鼓曲部分急劇增長，試件YDZA5－1和試件YDZA5－2鋼管底部鼓屈部分出現(xiàn)裂口，試件YDZA2試件腳底的焊縫被拉裂，試件的承載力迅速下降，構件在豎向和水平荷載的共同作用下宣告破壞。鋼管外凸裂開處有部分混凝土碎屑掉落，表明鋼管核心混凝土被壓碎。圖3所示為各試件柱根部的破壞狀態(tài)，3根試件均是柱底壓屈破壞。

圖3 試件破壞模式

2．2 滯回曲線

試驗過程中得到鋼管再生混凝土柱的水平荷載－位移滯回曲線（P－Δ曲線），如圖4所示。分析比較各試件滯回曲線可知:

（1）鋼管再生混凝土柱的滯回曲線形狀均呈梭形，加載過程中曲線的斜率在不斷減小，表明試件在反復荷載作用下剛度不斷退化。

（2）對比試件YDZA2和YDZA5－2的滯回曲線，構件的水平承載力及塑性變形能力隨著鋼管壁厚的增加而提高，試件YDZA5－2的含鋼率高，耗能能力大，延性性能好；試件YDZA2的含鋼率低，承載能力和滯回性能均不如試件YDZA5－2。

（3）對比試件YDZA5－1和YDZA5－2的滯回曲線，構件的水平承載力和彈性剛度隨軸壓比的增加有所提高，試件YDZA5－2在達到峰值荷載后的承載力下降較明顯，試件YDZA5－1的位移變形大于試件YDZA5－2，說明試件軸壓比越小，其延性和耗能能力越好。

圖4 試件滯回曲線

2．3 骨架曲線

各試件的骨架曲線對比圖如圖5所示。在試件彈性工作階段，水平荷載與試件位移呈線性關系，隨著軸壓比和含鋼量的增加，構件的彈性剛度及水平承載力均有明顯的提高，因為在彈性階段，構件的變形小，P－Δ效應影響不明顯。進入彈塑性階段后，構件水平承載力繼續(xù)隨軸壓比和含鋼量的增加而增大，軸壓比越大，構件屈服后累積損傷的發(fā)展越快，故變形性能降低，至構件的水平承載力達到峰值荷載的85%左右，試件進入破壞階段，最終鋼管鼓屈或底部拉裂。

2．4 剛度退化曲線

根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ101－96）計算試件剛度的建議，得到鋼管再生混凝土柱的剛度退化曲線如圖6示?？梢钥闯?，軸壓比越大的構件，曲線下降段越陡，承載力下降快，則剛度退化越快，在彈性階段內(nèi)，試件的剛度隨軸壓比的增加而有所提高。含鋼率小的試件，剛度退化較快，承載力低。

圖5 試件骨架曲線

2．5 延性和耗能能力

由滯回曲線及骨架曲線計算得到的各試件的結果試驗值見表3。鋼管再生混凝土柱的延性系數(shù)在3．55～4．76之間，表明鋼管再生混凝土柱具有良好的變形性能。試件延性隨軸壓比的增加降低，隨含鋼率的增加而有所提高。試件YDZA2的等效粘滯阻尼系數(shù)接近0．1，隨著含鋼量的增加，另兩個試件的等效粘滯阻尼系數(shù)在0．12左右，且隨著軸壓比的增大而減小，試件耗能能力降低。

圖6 試件剛度退化曲線

表3 試件試驗結果

3 結束語

通過3個鋼管再生混凝土柱的低周反復荷載試驗，可得出以下結論:

（1）含鋼率對試件的滯回性能影響較為明顯，在構件長細比、再生粗骨料取代率及軸壓比相同的條件下，試件的含鋼率越高，鋼管對核心混凝土的約束越強，核心混凝土變形性能得到明顯改善，柱的承載力及延性都得到提高。

（2）軸壓比影響試件的抗震性能［9］，隨軸壓比的增加，試件的承載力、延性和耗能能力均降低，故對鋼管再生混凝土柱的軸壓比需有限制在一定范圍。

（3）試驗分析表明，圓鋼管再生混凝土柱的滯回曲線呈梭形，延性系數(shù)在3．55～4．76之間，等效粘滯阻尼系數(shù)在0．1左右，說明鋼管再生混凝土具有良好的變形性能和耗能能力，能滿足結構抗震設計要求。

1 You－Fu Yang，Lin－Hai Han，Experimental behav－iour of recycled aggregate concrete filled steel tubular Columns［J］，Journal of Constructional Steel Research，2006，P:1310－1324．

2 肖建莊，楊 潔，黃一杰，等．鋼管約束再生混凝土軸壓試驗研究［J］．建筑結構學報，2011，32（6）:92－98．

3 Konno K，Sato Y，Kakuta Y，et al．Property of recycled concrete column encased by steel tube subjected to axial compression［J］．Transactions of the Japan Concrete Institute，1997，19（2）:231－238．

4 張國強，尚守平，徐 峰．綠色結構工程［M］．北京，中國建筑工業(yè)出版社，2009．

5 韓林海，楊有福．現(xiàn)代鋼管混凝土結構技術［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．

6 黃一杰，肖建莊．鋼管再生混凝土柱抗震性能與損傷評價［J］．同濟大學學報（自然科學版），2012，40（11）:1596－1602．

7 聶瑞鋒，徐培蓁，閻 宇．方鋼管混凝土柱抗震性能試驗研究和仿真分析［J］．同濟大學學報（自然科學版），2012，41（3）:330－335．

8 JGJ101－96．建筑抗震試驗方法規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997:9－15．

9 GB50011－2010．建筑抗震設計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．