往復(fù)水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)

張震,吳江，李加樂，張淑君，吳孫武　(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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往復(fù)水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)

張震,吳江，李加樂，張淑君，吳孫武(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

[摘要]為研究方鋼管再生混凝土柱在往復(fù)水平荷載作用下的抗震性能，基于現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，制作了4根方鋼管再生混凝土試件進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，研究了再生骨料替代率、含鋼率和軸壓比這3種參數(shù)對試件抗震性能的影響。通過觀察各試件的破壞過程和破壞形態(tài)，分析其滯回曲線、骨架曲線、延性系數(shù)、耗能能力及剛度退化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：所有試件破壞形態(tài)都為柱腳的鼓曲破壞，與普通鋼管混凝土柱相同；隨著再生骨料替代率的上升，柱的極限承載力、延性系數(shù)及耗能能力都有所降低，但降幅不大；含鋼率越大，柱的極限承載力明顯提高，延性和耗能能力亦有所增加，抗震性能顯著增強(qiáng)；軸壓比對柱的極限承載力和延性有一定程度影響，軸壓比越大，極限承載力越大，延性反而越差；從承載力、延性及耗能能力來看，在合理的軸壓比和含鋼率的前提下，方鋼管再生混凝土柱具有較好的抗震性能，可用于抗震設(shè)防區(qū)。

[關(guān)鍵詞]鋼管再生混凝土柱；軸壓比；取代率；含鋼率；擬靜力試驗(yàn)；抗震性能

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，工程實(shí)際中會(huì)越來越多的使用到再生混凝土[1]。再生混凝土中骨料來自于已有建筑的廢棄混凝土，因在對混凝土進(jìn)行破碎過程中會(huì)造成骨料出現(xiàn)進(jìn)一步損傷，導(dǎo)致了再生混凝土的力學(xué)性能較普通混凝土要差，因此再生混凝土普遍應(yīng)用于非承重和承重較小的結(jié)構(gòu)中[2]。現(xiàn)階段，對普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究已趨向成熟，在此基礎(chǔ)上提出了鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)，研究將鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)用于建筑的抗側(cè)力構(gòu)件和主要的承重構(gòu)件具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對鋼管再生混凝土進(jìn)行了一些研究。在靜力受壓性能方面，吳波等[3]、肖建莊等[4]、陳娟等[5]、Koo K et al[6]進(jìn)行了軸壓力學(xué)性能的試驗(yàn)研究和理論推導(dǎo)。在抗震性能方面，黃一杰等[7]研究了再生骨料取代率和混凝土強(qiáng)度等鋼管再生混凝土柱抗震性能的影響，并提出了基于Miner原理的改進(jìn)損傷評估模型。張向?qū)萚8,9]對圓形和方形鋼管再生混凝土柱進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，并依據(jù)現(xiàn)有規(guī)程相關(guān)公式進(jìn)行了壓彎承載力的計(jì)算。黃丹等[10]、張銳等[11]、孟二從等[12]也對不同變化參數(shù)下的鋼管再生混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

為了進(jìn)一步研究鋼管再生混凝土柱在低周反復(fù)荷載下的抗震性能，筆者選擇再生骨料替代率、含鋼率和軸壓比這3個(gè)參數(shù)為變化參數(shù)，對4根試件柱模型進(jìn)行了在恒定軸壓力和水平荷載作用下的破壞加載試驗(yàn)，分析了各試件的極限承載力、延性系數(shù)和耗能能力等參數(shù)，研究了3個(gè)參數(shù)對試件抗震性能的影響，為鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

選擇鋼管混凝土框架底層柱反彎點(diǎn)以下部分為研究對象，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，設(shè)計(jì)制作了4個(gè)試件，編號為Z-0～Z-3。柱腳選用端承式柱腳，方鋼管每側(cè)與底板焊接有2個(gè)高度為120mm，厚度為10mm的梯形加勁肋板，柱頂焊接蓋板。各試件的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　試件參數(shù)

注：B為方鋼管載面密度，mm；t為鋼管壁厚度，mm；L為柱的有效高度，mm。

1.2試驗(yàn)材料

再生混凝土由天然骨料、再生骨料、自來水、42.5R級水泥、黃砂拌合而成，其中再生骨料來自于某質(zhì)監(jiān)站廢棄試塊，經(jīng)人工砸碎、篩選、清洗、烘干后得到。天然骨料和再生骨料經(jīng)相同的篩網(wǎng)篩分，均為連續(xù)級配。

表2　鋼材性能值

實(shí)驗(yàn)室制作試件過程中，再生混凝土在現(xiàn)場拌制形成，澆筑過程中用振搗棒進(jìn)行振搗，保證混凝土密實(shí)，并預(yù)留3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，混凝土等級為C40，按規(guī)范要求測得的立方體平均抗壓強(qiáng)度為40.2MPa。鋼管采用Q235B，鋼材性能值見表2。

1.3加載裝置及加載制度

注：　　　1—反力墻；2—電液伺服作動(dòng)器；3—豎向門架；　　　4—反力梁；5—滑動(dòng)小車；6—油壓千斤頂；　　　7—試件；8—混凝土基座?！　D1　加載示意圖

圖2　加載制度

安裝試驗(yàn)裝置時(shí)，先將混凝土底座安裝到位，再用螺栓固定在剛性地面，最后將鋼管再生混凝土柱通過螺栓安裝至混凝土底座上，形成固定端。試件采用懸臂柱式加載方法，柱的軸力由上方的1000kN油壓千斤頂施加，正式加載前，先施加預(yù)定荷載的一半以消除內(nèi)部不均勻性，然后卸載后再施加至預(yù)定荷載，保持整個(gè)加載過程中軸力始終穩(wěn)定直至試驗(yàn)結(jié)束。水平荷載由固定在試件左端位于反力墻上的液壓伺服作動(dòng)器施加，加載示意圖如圖1所示。

按照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101-1996)的相關(guān)規(guī)定，加載方式采用荷載-位移控制加載。試件屈服之前，采用荷載分級控制，每級荷載按照25kN為增量，每級循環(huán)一次，直至在滯回曲線上出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)后，再重新設(shè)置成位移控制。按照屈服位移Δy為倍數(shù)繼續(xù)加載，每級循環(huán)3次。為了方便比較各試件在同級位移下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)第一根試件的屈服位移，將所有試件的屈服位移統(tǒng)一取為9mm，直到試件的承載力下降至極限荷載85%以下才停止加載，加載制度見圖2。

2試驗(yàn)過程及分析

圖3　典型的破壞形態(tài)

在整個(gè)試驗(yàn)加載過程中各試件表現(xiàn)出的破壞過程宏觀上相似，在加載初期，試件未屈服之前都沒有任何現(xiàn)象出現(xiàn)。待試件進(jìn)入屈服階段后，隨著作動(dòng)器的持續(xù)加載，首先在試件受壓側(cè)柱腳上方發(fā)生局部輕微屈曲。隨著作動(dòng)器卸載及反向持續(xù)加載時(shí)，屈曲被拉恢復(fù)后繼而在對應(yīng)一側(cè)也出現(xiàn)屈曲。隨著水平位移的加大，屈曲轉(zhuǎn)向受壓側(cè)旁的2個(gè)側(cè)面。試件快要破壞時(shí)，屈曲現(xiàn)象迅速發(fā)展，整個(gè)截面鼓曲十分明顯。卸載后，待作動(dòng)器位移歸零，鼓曲截面稍微有所恢復(fù)。試驗(yàn)結(jié)束后剝開鋼管，發(fā)現(xiàn)柱腳鼓曲處內(nèi)部混凝土完全被壓碎。這是因?yàn)樵诩虞d過程中，鋼管發(fā)生屈曲后與混凝土的黏結(jié)作用減弱，鋼管不能對混凝土形成良好的約束，且之前由鋼管承擔(dān)的軸壓力也有部分轉(zhuǎn)移由核心混凝土承擔(dān)，因此核心混凝土被壓碎嚴(yán)重。所有柱的破壞現(xiàn)象都表現(xiàn)為在水平荷載作用下柱兩側(cè)鼓曲嚴(yán)重，另外兩側(cè)鼓曲較輕微。典型的破壞形態(tài)見圖3。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1荷載-位移滯回曲線

通過試驗(yàn)實(shí)測得到的鋼管再生混凝土柱荷載-位移滯回曲線見圖4。其中，荷載指的是柱頂部水平荷載，位移指的是柱頂部與作動(dòng)器齊平的水平位移。

圖4　荷載-位移滯回曲線

由圖4可知：①各試件的滯回曲線均呈紡錘形，并沒有出現(xiàn)明顯的“捏攏”現(xiàn)象，說明鋼管再生混凝土柱同鋼管混凝土柱一樣，都具有良好的耗能性能。再生骨料替代率、含鋼率及軸壓比對滯回曲線的形狀不產(chǎn)生明顯的影響。②試件屈服之前，荷載與位移基本呈線性關(guān)系，無明顯的殘余變形，且剛度基本不退化。屈服之后，隨著加載位移的增加，滯回曲線越來越飽滿，耗能能力得到提升，殘余變形也逐步加大。同時(shí)每級循環(huán)位移加載下，后級循環(huán)的承載力都比前級循環(huán)的承載力有所下降，表現(xiàn)出承載力退化情況，反映出試件在加載過程中受到了累積損傷的影響。③對于取代率為參數(shù)變化的試件，其滯回曲線的形狀較普通鋼管混凝土變化不大，說明取代率對鋼管混凝土柱的滯回曲線影響不大。④對于含鋼率不同的試件Z-1和Z-2的鋼管再生混凝土柱，鋼管壁厚越大，極限承載力提升越明顯，延性和耗能能力也越好。⑤對于軸壓比單參數(shù)變化的鋼管再生混凝土柱，隨著軸壓比的增大，極限承載力有一定程度提高，但表現(xiàn)出較差的延性和耗能能力。

3.2骨架曲線

圖5　骨架曲線

圖5為所有試件的骨架曲線，由圖5可知：①所有試件均經(jīng)歷了上升階段、峰值階段和下降階段，除了試件Z-3因軸壓比較大導(dǎo)致下降階段時(shí)發(fā)展迅速外，其余試件的下降階段都比較平緩，具有良好的后期變形能力，延性較好。這主要是因?yàn)殇摴芘c再生混凝土之間的相互作用，鋼管約束混凝土，使得混凝土處于三向受壓狀態(tài)，混凝土強(qiáng)度得到明顯提高。另外，混凝土對鋼管的鼓曲起到了支撐和限制作用，延緩了鋼管鼓曲變形的發(fā)展速度，使得2種材料的優(yōu)點(diǎn)得以良好發(fā)揮。②對于取代率不同的試件Z-0和Z-1，骨架曲線的大體形狀相似，彈性工作階段幾乎重合，說明不同的再生骨料替代率對鋼管混凝土柱的初始彈性剛度的影響可以忽略不計(jì)。③對于軸壓比不同的試件Z-1和Z-3，不同的軸壓比帶來的變化較越明顯，隨著軸壓比增大，極限承載力有了一定程度提高，但高軸壓比試件的骨架曲線下降階段比較急劇，破壞荷載對應(yīng)的破壞位移較小，變形能力有限。④對于含鋼率不同的試件Z-1和Z-2，隨著含鋼率的上升，試件的初始剛度有所增大，極限荷載增大尤為明顯并擁有更好的彈塑性變形能力和耗能能力。

3.3延性和耗能能力

圖6　能量等值法示意圖

筆者采用能量等值法來確定試件的屈服位移Δy，具體做法如圖6所示。過骨架曲線極值點(diǎn)A向y軸做垂線，并通過原點(diǎn)O向上做斜線，當(dāng)ABH和OIH面積相等時(shí)，B點(diǎn)對應(yīng)的位移即為屈服位移Δy。取極限荷載Pmax下降至85%時(shí)的荷載Pu對應(yīng)的位移為破壞位移Δu，位移延性系數(shù)的計(jì)算方法為：μ=Δu/Δy。計(jì)算求出的位移延性系數(shù)μ及各特征值見表3，其中，Py、Δy分別為屈服荷載和屈服位移，Δmax為Pmax對應(yīng)的位移。

從表3可知：①所有試件的平均延性系數(shù)都在3.0以上，表明方鋼管再生混凝土柱擁有良好的變形能力。②比較試件Z-0、Z-1可知，再生骨料取代率對屈服荷載、極限荷載、破壞荷載即對應(yīng)的位移有一定的影響，但影響不大。具體表現(xiàn)為，再生骨料取代率越大，其特征值較之鋼管普通混凝土柱的要低。③比較試件Z-1、Z-2可知，含鋼率對試件特征值影響較大，隨著含鋼率的上升，試件屈服荷載、極限荷載及破壞荷載均有顯著提高，延性性能也有所增大。④比較試件Z-1、Z-3可知，隨著軸壓比的上升，試件的屈服荷載、極限荷載及破壞荷載也有所提升，但延性性能反而有所下降。

采用等效粘滯阻尼系數(shù)he來評價(jià)各試件的耗能能力，各試件計(jì)算所得的等效粘滯阻尼系數(shù)值見表3。由表3可得出：①鋼管再生混凝土柱的he在0.32～0.42，而普通鋼筋混凝土柱的he在0.1～0.2，型鋼混凝土柱的he在0.3左右，說明鋼管再生混凝土耗散能力強(qiáng)，具有優(yōu)越的耗能能力，其耗能指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求。②再生骨料取代率對試件耗能的影響極小，可忽略不計(jì)；含鋼率對試件的耗能有明顯的影響，含鋼率越高，試件的耗能能力越好；軸壓比對試件的耗能能力有不利的影響，軸壓比越大，試件的耗能能力反而會(huì)下降。

表3　試件承載力、位移和位移延性系數(shù)

3.4剛度退化

圖7　剛度退化曲線

剛度退化采用試件不同加載位移下滯回曲線的割線剛度Ki來表征，Ki按照同一級位移加載第一次循環(huán)的峰值荷載進(jìn)行計(jì)算，由于試件在彈性階段的剛度幾乎不退化，故選取彈塑性階段之后的剛度作為研究對象并繪制出剛度退化曲線，如圖7所示。從圖7可以看出：①各試件具有一些相同的退化規(guī)律。在加載初期，剛度退化較快，曲線下降明顯。達(dá)到極限荷載后，剛度退化曲線逐漸變緩。②試件Z-0、Z-1各階段的剛度退化曲線基本重合，表明取代率對試件的剛度退化并無影響；③試件Z-2的剛度曲線退化趨勢與試件Z-1大體相同，但初始剛度要明顯大于試件Z-1。即含鋼率越大，初始剛度越大。④試件Z-3的退化速率較試件Z-1要逐漸變大，說明軸壓比越大，剛度退化速率越大，這主要是因?yàn)樵降郊虞d后期，其二階效應(yīng)越加明顯所導(dǎo)致的。

4結(jié)論

1)鋼管再生混凝土柱的破壞形態(tài)與鋼管普通混凝土柱大體相同，都是鋼管柱腳發(fā)生鼓曲的壓彎破壞。

2)再生骨料替代率對試件的承載能力、延性性能和耗能能力均有輕微的不利影響，但影響很小，且對剛度退化曲線基本沒有影響，再生混凝土可以代替普通混凝土用于填充鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

3)含鋼率(鋼管壁厚)對試件的抗震性能影響較為顯著，含鋼率越大，初始剛度增強(qiáng)，鋼管對核心混凝土約束越大，混凝土能夠得到良好的變形，故水平承載力越大，延性和耗能能力亦有所增加。

4)軸壓比對鋼管再生混凝土柱的抗震性能有一定的影響，軸壓比越大，初始剛度有所增加，但延性和耗能能力均下降，剛度退化速率也越大。

5)所有鋼管再生混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)在0.32～0.42，延性系數(shù)在3.02～3.81，說明鋼管再生混凝土柱具有良好的變形性能和耗能能力，能滿足實(shí)際工程中對抗震設(shè)計(jì)的要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]肖建莊.再生混凝土[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]張向?qū)愖谄?，薛建陽，?方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35(9)，11～19.

[3]吳波，劉偉，劉瓊祥，等.薄壁剛再生混合短柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31(8)，22～28.

[4]肖建莊，楊潔，黃一杰，等.鋼管約束再生混凝土軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32(6)，92～98.

[5]陳娟，許成祥，鄧曦.改性鋼管全再生粗骨料混凝土短柱的軸壓試驗(yàn)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015(1)：58～65.

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

[7]黃一杰，肖建莊.鋼管再生混凝土柱抗震性能與損傷評價(jià)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，41(3)：330～335.

[8]張向?qū)愖谄?，薛建陽，?方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35(9)：11～19.

[9]張向?qū)愖谄?，薛建陽，?鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，47(9)：45～56.

[10]黃丹，王成剛，李祝情，等.鋼管再生混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，22(3)：17～20.

[11]張銳，王成剛，張傳兵，等.方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，38(3)：369～372.

[12]孟二從，蘇益聲，陳朋朋，等.低周反復(fù)荷載下方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，40(4)：790～797.

[編輯]計(jì)飛翔

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)04-0039-05

[中圖分類號]TU391

[作者簡介]張震(1991-)男，碩士生，現(xiàn)主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震方面的研究工作；通信作者：吳江，1879025407@qq.com。

[基金項(xiàng)目]住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部基金資助項(xiàng)目(2013-K3-1)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(BK2012477)。

[收稿日期]2015-10-18

[引著格式]張震，吳江，李加樂，等.往復(fù)水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(4)：39～43，55.