方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗研究

張　銳,　王成剛,　張傳兵,　柳炳康

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥　230009)

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方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗研究

張銳,王成剛,張傳兵,柳炳康

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥230009)

摘要:文章在定常軸力和水平低周反復荷載作用下,對3根采用足尺比例的方鋼管再生混凝土柱進行了擬靜力試驗，研究了再生混凝土取代率、含鋼率等參數(shù)的變化對構件抗震性能的影響。試驗結果表明:方鋼管再生混凝土柱有較好的塑性變形能力和抗震性能;隨著含鋼率的上升,方鋼管再生混凝土柱的水平承載力顯著上升,延性和耗能能力也隨之提高;隨著再生混凝土取代率的增大,方鋼管再生混凝土柱的水平承載力小幅度下降,延性和耗能能力略有降低。因此方鋼管再生混凝土柱具有良好的抗震性能。

關鍵詞:方鋼管;再生混凝土;擬靜力試驗;抗震性能

再生混凝土的再生循環(huán)利用符合國家節(jié)約資源、保護環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想[1]。方鋼管混凝土柱以其承載力高、節(jié)點構造簡單、抗彎性能好以及耐火性能優(yōu)于圓鋼管混凝土柱等特點,日益受到工程界的重視[2-3]。為了探索再生混凝土在組合結構中的應用,在方鋼管混凝土結構中使用再生混凝土代替普通混凝土,對方鋼管再生混凝土柱的抗震性能進行研究。

本文以再生混凝土取代率和壁厚(含鋼率)為主要參數(shù),在定常軸力和水平低周反復荷載作用下,對3根方鋼管再生混凝土柱進行抗震性能試驗,并分析這2個參數(shù)對試件抗震性能的影響。

1試驗概況

本試驗以方鋼管再生混凝土柱為研究對象,以反彎點至柱底之間長度部分作為研究單元,設計制作了3個鋼管再生混凝土試件[4]。試件的詳圖如圖1所示。

圖1　試件詳圖

試件鋼管的外邊長B、實測壁厚t、鋼材屈服強度[5]fy和極限強度fu、混凝土立方體抗壓強度fcu、再生混凝土取代率ρ、柱的軸壓比n和豎向軸力N等基本參數(shù)見表1所列。

試件制作時,混凝土由現(xiàn)場攪拌而成,為確保混凝土結構的密實、各成分的均勻,在澆筑的同時用插入式振搗棒進行振搗。在混凝土澆筑完成后收光,敞口自然養(yǎng)護。

水平荷載由固定于反力墻上的MTS電液伺服加載系統(tǒng)施加,豎向軸力由1 000 kN的液壓千斤頂施加。

試件上部加載端布置1個位移計,以測量柱上端的水平相對位移;在距離柱底為50、100、150 mm的鋼管表面位置布置應變片。其中柱對稱面應變片布置相同,受拉、壓面布置7個豎向應變片;另2個側(cè)面布置3個豎向應變片和1個水平向應變片。在試驗進行的同時,由TDS303對位移計和應變片的讀數(shù)進行采集和記錄。

表1　試件基本參數(shù)

根據(jù)文獻[6]的有關規(guī)定,試驗加載采用荷載和位移混合控制的方式進行。鋼管屈服前采用荷載加載控制,鋼管屈服后采用位移加載控制。當試驗水平荷載下降到最大水平荷載的85%時,試驗加載控制結束。

2試驗現(xiàn)象

試驗過程中,各試件的破壞現(xiàn)象大致相同,在距離柱根50～150 mm范圍內(nèi)隨機出現(xiàn)鋼管局部屈曲現(xiàn)象。當水平位移達到9～12 mm時,柱腳受壓面鋼管壁先發(fā)生局部微小屈曲,且隨著水平位移的增大逐漸擴展至受壓區(qū)側(cè)面鋼管壁,同時在卸載及反向加載過程中,鋼管的局部屈曲被逐漸拉平,同時另一側(cè)發(fā)生局部屈曲。試件接近破壞時,屈曲現(xiàn)象急劇發(fā)展,整個截面最終形成一個向外凸起的燈籠狀破壞形態(tài)。試件最終破壞時,壁厚較小的試件局部屈曲較大且鋼管四角部開裂較大,而其他2個壁厚較大的試件局部屈曲情況與鋼管四角部開裂情況與前者相比有明顯改善。各試件最終破壞形態(tài)如圖2所示。

圖2　試件最終破壞形態(tài)

由圖2可以看出，試驗結束后,試件FDZA4、試件FDZA5-1、試件FDZA5-2鋼管內(nèi)部核心混凝土的破壞情況均相同,3種鋼管屈曲部位的混凝土全部被壓碎。

3試驗結果及分析

3.1　水平荷載-位移滯回曲線

本試驗進行的3個試件的水平荷載-位移滯回曲線如圖3所示,圖3中P為水平荷載;Δ為頂部加載點中心點的水平位移。從圖3可以看出,方鋼管再生混凝土柱的滯回曲線形狀都較飽滿,具有良好的滯回性能。方鋼管再生混凝土柱在荷載控制加載階段,力和位移基本呈線性關系,殘余變形和剛度退化很小;在位移控制加載階段,隨著水平位移的增大,滯回曲線的切線斜率減小,殘余變形增大,剛度隨加載循環(huán)次數(shù)的增加退化程度增大。隨著壁厚的增加,即含鋼率的上升,正、反向的極限水平承載力均有所增加,滯回曲線的正向區(qū)域飽滿程度增加,而負向區(qū)域飽滿程度略有降低。鋼管再生骨料混凝土試件與鋼管天然骨料混凝土試件相比,正、反向的極限水平承載力均有不同程度的減小,滯回曲線的飽滿程度有所降低。

圖3　水平荷載-位移滯回曲線

3.2　骨架曲線及延性

本試驗進行的3個試件的水平荷載-位移骨架曲線如圖4所示，試驗結果見表2所列。

圖4　骨架曲線

試件編號Pue/kNΔu/mmθ/radΔy/mmuFDZA4196.039.01/3010.323.78FDZA5-1249.542.51/2811.043.85FDZA5-2262.647.01/2611.444.11

水平承載力Pue、破壞位移Δu和破壞位移角θ計算時取正、反2個方向絕對值的平均值;屈服位移Δy取骨架曲線彈性段沿線與過峰值點的切線交點處的位移。結合表2以及圖4可以看出,總體上來看,隨著鋼管壁厚的增加和再生混凝土取代率的下降,方鋼管混凝土柱的水平承載力和初始剛度總體上都有所提高。在水平承載力提高程度上,再生混凝土取代率影響較小,而壁厚的影響顯著;在初始剛度提高程度方面都有所提高,但幅度不大,其中壁厚對初始剛度增大的影響，正向加載過程要明顯大于負向加載過程。隨著含鋼率的上升,正、反向的水平承載力均有顯著增加,正向加載增加32.9%,反向加載增加23.7%;延性系數(shù)u分別為3.78和3.85,延性系數(shù)略有增加,延性盡管有所上升,但沒有表現(xiàn)出更好的延性,原因可能是本試驗含鋼率較大,使鋼管對混凝土的三向約束作用影響減小。隨著再生混凝土取代率的增大,正向和反向的極限水平承載力均有一定減小,但是幅度不大,正向加載減小3.94%,反向加載減小5.74%;延性系數(shù)分別為4.11和3.85,延性系數(shù)減小了6.33%,但總體看取代率為100%的鋼管再生混凝土柱與普通鋼管混凝土柱延性相對接近,仍然表現(xiàn)出良好的延性性能。

3.3　剛度退化曲線

低周反復荷載作用下,剛度的退化直接導致了構件抗震性能退化[7]。本試驗3個試件的剛度退化曲線如圖5所示，其中,k為鋼管再生混凝土等效剛度。

從圖5可以看出，再生混凝土取代率對試件的初始剛度影響不大;在再生混凝土取代率變化時,剛度退化的趨勢相近;取代率為0的方鋼管普通混凝土柱剛度退化的速度比取代率為100%方鋼管再生混凝土柱的退化速度快;含鋼率對試件的初始剛度影響顯著,含鋼率大的試件初始剛度明顯大得多,但其退化趨勢一致。

圖5　方鋼管再生混凝土柱剛度退化

3.4　耗能

本文采用總耗能Ep和等效黏滯系數(shù)ξep分別來判別3個試件的耗能能力[8]。各試件的總耗能Ep和等效黏滯系數(shù)ξep見表3所列。從表3中可以看出,各試件的等效阻尼系數(shù)為0.118～0.149,而鋼筋混凝土柱的等效黏滯系數(shù)一般為0.1,表明方鋼管再生混凝土柱具有較好的耗能能力。其中鋼管壁厚為3.83 mm的柱的等效黏滯系數(shù)約為鋼管壁厚4.59 mm的60%左右,說明隨著含鋼率的上升,試件的等效黏滯系數(shù)提高,含鋼率對于試件的耗能能力有較大影響。2根壁厚為4.59 mm的鋼管再生混凝土柱總耗能大體相當,其中再生骨料取代率為100%的試件耗能能力比取代率為0的耗能能力略小,表明鋼管內(nèi)澆筑再生骨料混凝土對于結構耗能無明顯影響。再生骨料取代率對試件的耗能能力影響有限。

表3　各試件耗能能力

4結束語

試驗表明,鋼管再生骨料混凝土柱與鋼管天然骨料混凝土柱破壞現(xiàn)象大致相同,首先在柱根范圍內(nèi)出現(xiàn)鋼管壁局部屈曲破壞,然后屈曲部位內(nèi)的混凝土被壓碎。在軸壓比和再生混凝土取代率相同的情況下,壁厚大小(即含鋼率)對試件的抗震性能影響較大。隨著含鋼率的上升,試件水平承載力有顯著增加,對試件的初始剛度影響顯著,含鋼率大的試件初始剛度明顯大得多,但其剛度退化趨勢大致相同。隨著含鋼率的上升,試件的延性性能有一定提高,總耗能能力增強幅度較大,表明含鋼率對試件的延性和耗能能力影響較大。

在軸壓比和含鋼率相同的情況下,鋼管再生骨料混凝土柱比鋼管天然骨料混凝土柱水平承載力略有降低;再生混凝土取代率對試件的初始剛度影響不大,其剛度退化的趨勢相近,天然骨料混凝土柱剛度退化的速度比再生骨料混凝土柱來得快;再生混凝土試件的等效黏滯系數(shù)無明顯降低,總耗能能力降低的幅度也不大,表明鋼管內(nèi)部再生混凝土取代率對試件的耗能能力影響有限。試驗結果表明，方鋼管再生混凝土柱有良好的承載能力、滯回性能、延性指標和耗能能力,可用于抗震設防地區(qū)[9]。

[參考文獻]

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[5]GB/T 228-2002,金屬材料:室溫拉伸試驗方法[S].

[6]JGJ 101-1996,建筑抗震試驗方法規(guī)程[S].

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[8]尹海鵬,曹萬林,張亞齊,等.不同再生骨料取代率再生混凝土柱抗震試驗研究[J].世界地震工程,2010,26(1):57-63.

[9]CECS 159:2004, 矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程[S].

(責任編輯閆杏麗)

柳炳康(1952-),男,安徽鳳陽人,合肥工業(yè)大學教授,博士生導師.

Experimental research on seismic behavior of square steel tubular columns filled with recycled aggregate concrete

ZHANG Rui,WANG Cheng-gang,ZHANG Chuan-bing,LIU Bing-kang

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:Pseudo-static test on three full-scale square steel tubular columns filled with recycled aggregate concrete under constant axial load and cyclic lateral load was done, and the influence of both replacement ratio of recycled aggregate concrete and steel ratio on the seismic behavior of the specimens was investigated. The results show that square steel tubular columns filled with recycled aggregate concrete have good plastic deformation capacity and seismic behavior. With the increase of steel ratio, the ultimate load increases considerably, along with the increase of ductility and energy dissipation capacity. While the ultimate load, ductility and energy dissipation capacity reduce slightly with the increase of replacement ratio of recycled aggregate concrete. The experimental results show that square steel tubular columns filled with recycled aggregate concrete have good seismic performance.

Key words:square steel tube; recycled aggregate concrete; pseudo-static test; seismic behavior

中圖分類號:TU398.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2015)03-0369-04

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.03.017

作者簡介：張銳(1989-),男,浙江富陽人,合肥工業(yè)大學碩士生;

基金項目：住房與城鄉(xiāng)建設部科學技術計劃資助項目(2013-K4-46)

收稿日期：2014-02-24；修回日期：2014-03-13