方鋼管再生混凝土柱恢復(fù)力模型研究

張淑君　(安徽建筑大學(xué)管理學(xué)院，安徽 合肥 230022)

張震　(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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方鋼管再生混凝土柱恢復(fù)力模型研究

張淑君(安徽建筑大學(xué)管理學(xué)院，安徽 合肥 230022)

張震(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的滯回特性，進(jìn)行了3根鋼管再生混凝土柱和1根普通鋼管混凝土的擬靜力試驗(yàn)，分析了再生骨料替代率、含鋼率及軸壓比對(duì)柱抗震性能的影響。結(jié)果表明，柱的滯回曲線形狀較為飽滿，具有良好的變形能力及耗能能力；再生骨料替代率對(duì)柱的承載力、延性、耗能能力和剛度退化影響不大；含鋼率對(duì)柱抗震性能的影響較為明顯，含鋼率越大，柱的抗震性能越好；增大軸壓比可以提高柱的水平承載力，但會(huì)降低柱的延性和耗能能力?；谠囼?yàn)結(jié)果，提出了適合于方鋼管再生混凝土柱的“定點(diǎn)指向”三折線恢復(fù)力模型，并給出了恢復(fù)力模型的表達(dá)式。該模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相接近,可供方鋼管再生混凝土柱非線性地震反應(yīng)提供參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]鋼管再生混凝土柱；骨料替代率；含鋼率；軸壓比；骨架曲線；恢復(fù)力模型

混凝土再生技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為解決廢棄混凝土提供了一條有效途徑。鋼管再生混凝土柱就是在此背景下提出的，是將廢棄混凝土破碎并加工成再生骨料，部分或者完全替代天然骨料并拌制成混凝土后填入鋼管柱中而形成的。再生混凝土在加工過程中會(huì)出現(xiàn)裂縫或者裂紋，決定著其強(qiáng)度和彈性模量與普通混凝土相比必然存在著些許差異，故將再生混凝土用于承重結(jié)構(gòu)中已成為當(dāng)下研究的一個(gè)難題[1,2]?；謴?fù)力模型是研究結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力反應(yīng)的基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中不可或缺[3]。在鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)中，框架柱是其重要組成部分和關(guān)鍵部位，其抗震性能的好壞直接決定著整體建筑的安全性能。徐亞豐等[4]、徐超等[5]、馬愷澤等[6]對(duì)鋼管混凝土柱的恢復(fù)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并提出了相適用的恢復(fù)力模型，王文達(dá)等[7]、王來等[8]針對(duì)鋼管混凝土框架的恢復(fù)力模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究。但關(guān)于方鋼管再生混凝土柱的恢復(fù)力模型研究尚屬空白，因此有必要對(duì)其進(jìn)行理論研究。為獲得方鋼管再生混凝土柱的恢復(fù)力模型，筆者基于方鋼管再生混凝土柱的試驗(yàn)研究結(jié)果，采用試驗(yàn)擬合法建立了適用于該類柱的簡(jiǎn)化骨架曲線模型和恢復(fù)力模型，以期為該組合結(jié)構(gòu)的抗震性能研究提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)及加載方案

共進(jìn)行了3根方鋼管再生混凝土柱和1根方鋼管普通混凝土柱試件的低周反復(fù)荷載破壞試驗(yàn)，柱均按照“強(qiáng)剪弱彎”原則設(shè)計(jì)，編號(hào)分別為Z-0、Z-1、Z-2、Z-3。柱選擇薄壁冷彎方鋼管，方鋼管通過截面尺寸180mm×180mm的矩形鋼管加工而成，其中試件Z-2的鋼管壁厚為6mm，其余鋼管壁厚均為4mm。實(shí)測(cè)得到4mm厚度鋼管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為343.1、409.1MPa和211GPa，6mm厚度鋼管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為367.7、454.2MPa和193GPa。柱腳焊接加勁肋板形成端承式柱腳，鋼管、加勁肋及底板全融透焊接。柱的核心混凝土均采用C40再生混凝土，實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu為40.2MPa。柱的有效加載高度為1200mm，各試件的相關(guān)參數(shù)見表1。

圖1　加載示意圖

圖2　破壞形態(tài)

為了考察軸壓比對(duì)方鋼管再生混凝土柱抗震性能的影響，試件Z-0、Z-1、Z-2的試驗(yàn)軸壓比都為0.4，試件Z-3的試驗(yàn)軸壓比為0.6。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，千斤頂在整個(gè)加載過程中要始終保持軸力穩(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。采用荷載-位移雙控制加載，在試件屈服之前，采用荷載分級(jí)控制，每級(jí)荷載按照25kN為增量，每級(jí)循環(huán)一次，直至在滯回曲線上出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)后，變成位移控制。按照屈服位移Δy為倍數(shù)繼續(xù)加載，每級(jí)循環(huán)3次。直到試件的承載力下降至極限荷載85%以下才停止加載。

1.2試驗(yàn)破壞特征

4個(gè)柱試件表現(xiàn)出相同的破壞形態(tài)，典型的破壞現(xiàn)象見圖2，具體表現(xiàn)為柱根部在軸力和水平力作用下的柱根部出現(xiàn)塑性鉸的鼓曲破壞。在低周反復(fù)水平荷載作用下，柱首先在受壓側(cè)發(fā)生鼓曲，接著受壓側(cè)鼓曲恢復(fù)并在對(duì)應(yīng)側(cè)繼續(xù)出現(xiàn)鼓曲。隨著加載持續(xù)進(jìn)行，鼓曲兩側(cè)的程度持續(xù)變大并轉(zhuǎn)向受壓側(cè)旁邊兩側(cè)出現(xiàn)鼓曲現(xiàn)象。繼續(xù)加載，伴隨著混凝土的碎裂聲及根部鼓曲范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大直至試件破壞。

1.3滯回曲線特征

實(shí)測(cè)各試件滯回曲線見圖3，從圖3可以看出：

1)各試件滯回曲線表現(xiàn)出一些相同的滯回特性。試件加載初期，處于彈性工作階段時(shí)，加、卸載一圈形成的滯回環(huán)狹長(zhǎng)細(xì)窄，試件無明顯變形，卸載后殘余應(yīng)變較小。處于彈塑性工作階段時(shí)，加載時(shí)滯回曲線的斜率逐漸減小，卸載后存在較為明顯的殘余變形。觀察各級(jí)加載位移下3個(gè)滯回環(huán)，發(fā)現(xiàn)后級(jí)加載形成的滯回環(huán)最大荷載與前級(jí)循環(huán)的相差不大，說明此階段試件的承載力衰減不明顯。試件達(dá)到極限荷載后，處于塑性工作階段，隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，形成的滯回環(huán)逐漸倒向位移軸，且存在較為明顯的承載力和剛度退化現(xiàn)象。卸載后，變形恢復(fù)極小，位移滯后明顯。

2)4個(gè)試件的滯回曲線均呈現(xiàn)出飽滿的紡錘形，表現(xiàn)出優(yōu)良的滯回性能，反映鋼管再生混凝土柱同普通鋼管混凝土柱一樣，都具有較好的耗能能力和良好的塑性變形能力，抗震性能較好。

3)軸壓比對(duì)試件滯回曲線有一定的影響，表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：隨著軸壓比的增大，試件的極限承載力隨之增大，但試件到達(dá)極限荷載后，荷載下降明顯，所能達(dá)到的破壞位移降低，極限變形能力降低，表現(xiàn)出延性有所下降。

4)50%的再生骨料取代率對(duì)鋼管混凝土柱滯回曲線的形狀不產(chǎn)生明顯的影響。

5)含鋼率越大，滯回曲線越飽滿，耗能能力越好，且所能達(dá)到的荷載也有顯著提升。

2恢復(fù)力模型

恢復(fù)力模型指的是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在撤去外力后恢復(fù)變形的能力[9]。試驗(yàn)得到的恢復(fù)力曲線較為復(fù)雜，難以直接用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)分析，需要建立更為簡(jiǎn)便且實(shí)用的恢復(fù)力模型。目前，建立鋼筋混凝土模型[10]的方法主要有理論計(jì)算法、系統(tǒng)識(shí)別法及試驗(yàn)擬合法。下面，筆者以試件Z-1、Z-2、Z-3為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用試驗(yàn)擬合法建立方鋼管再生混凝土柱的恢復(fù)力模型。

圖3　滯回曲線

2.1假設(shè)條件

在建立方鋼管再生混凝土柱的恢復(fù)力模型前，需做以下假設(shè)：

1)屈服荷載點(diǎn)取最大彈性荷載點(diǎn)，骨架曲線采用考慮剛度退化的三折線模型；

2)彈性工作階段，卸載剛度即初始剛度，彈性工作階段之后，剛度隨著位移的增加而逐漸退化；

3)反復(fù)加載符合“定點(diǎn)指向”規(guī)律。

圖4　無量綱化骨架曲線

2.2骨架曲線模型的建立

試驗(yàn)中，每個(gè)試件都有各自對(duì)應(yīng)的極限荷載和極限位移，為方便比較，采用無量綱化處理所有骨架點(diǎn)，即P/(+Pmax)、Δ/(+Δmax)、P/|-Pmax|、P/(+Pmax)進(jìn)行處理。其中，Pmax、Δmax指的是柱的極限位移及極限位移對(duì)應(yīng)的荷載，“+”、“-”分別表示正、反向。對(duì)柱位于不同工作階段時(shí)的骨架曲線點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得出統(tǒng)一的骨架曲線模型，如圖4中細(xì)實(shí)線所示。方鋼管再生混凝土柱骨架曲線模型各直線段的線性方程和斜率見表2。

表2　骨架曲線方程

2.3剛度退化規(guī)律

圖5　剛度退化規(guī)律

觀察實(shí)測(cè)的滯回曲線和骨架曲線可知，在整個(gè)加載過程中，加、卸載剛度都存在退化現(xiàn)象。通過對(duì)不同加載循環(huán)位移下各循環(huán)進(jìn)行回歸分析，得出不同階段的剛度退化規(guī)律，如圖5所示，圖5中K12、K34分別表示正向卸載剛度、反向卸載剛度。

(1)

(2)

圖6　K12退化規(guī)律　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　K34退化規(guī)律

2.4恢復(fù)力模型

圖8　滯回曲線模型

方鋼管再生混凝土柱的滯回曲線模型如圖8所示，該恢復(fù)力模型是基于試驗(yàn)結(jié)果的三折線恢復(fù)力模型。從滯回曲線觀察試件在屈服后正、反向加載時(shí)均指向一個(gè)“定點(diǎn)”，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該定點(diǎn)基本在0.8Py附近波動(dòng)，波動(dòng)范圍較小，故直接定義該點(diǎn)即為定點(diǎn)。觀察滯回曲線可知，柱在達(dá)到極限荷載及破壞段卸載時(shí)，到達(dá)零荷載點(diǎn)后滯回曲線會(huì)出現(xiàn)明顯的剛度突變點(diǎn)，圖8中8、10、14、16點(diǎn)即為剛度突變點(diǎn)。

該恢復(fù)力模型的滯回規(guī)則的描述如下：

1)柱屈服之前，加、卸載路徑均沿著彈性段進(jìn)行，即圖中CO、OD段。該階段卸載時(shí)卸載剛度不變，均為初始剛度。

2)柱達(dá)到屈服后，正、反向卸載剛度均隨著加載位移的增加而逐漸下降，加載沿著D—2—E進(jìn)行，在2點(diǎn)卸載指向零荷載點(diǎn)3，卸載線為23，正向卸載剛度K23按式(1)計(jì)算。反向加載，指向定點(diǎn)4，再指向5點(diǎn)。反向卸載至零荷載點(diǎn)6，反向卸載剛度K56按式(2)計(jì)算。繼續(xù)加載，指向定點(diǎn)1再指向2點(diǎn)。該循環(huán)路徑為2—3—4—5—6—1—2。

3)柱達(dá)到極限荷載時(shí)卸載，卸載線為E7，卸載剛度KE7按式(1)計(jì)算，過零荷載點(diǎn)7后繼續(xù)按該剛度卸載，直到剛度突變點(diǎn)8。繼續(xù)加載，指向4點(diǎn)，若反向未達(dá)到極限荷載則指向極值點(diǎn)B，若反向過極限點(diǎn)，則指向破壞段AB的點(diǎn)11。在B點(diǎn)繼續(xù)反向卸載，卸載剛度KB9按式(2)計(jì)算。卸載至9點(diǎn)后繼續(xù)按該剛度卸載至10點(diǎn)，10點(diǎn)的縱坐標(biāo)與8點(diǎn)縱坐標(biāo)關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱。再指向定點(diǎn)1后指向E點(diǎn)。破壞段EF的12點(diǎn)卸載時(shí)，過13點(diǎn)指向14點(diǎn)，剛度按式(1)計(jì)算，14點(diǎn)也為剛度突變點(diǎn)。繼續(xù)加載，指向定點(diǎn)1后指向A點(diǎn)，反向卸載過15點(diǎn)指向16點(diǎn)，16點(diǎn)的縱坐標(biāo)與14點(diǎn)縱坐標(biāo)關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，指向定點(diǎn)1后指向12點(diǎn)。該循環(huán)路徑為12—13—14—4—A—15—16—1—12。其中，剛度突變點(diǎn)8、14點(diǎn)的縱坐標(biāo)Ps按式(3)計(jì)算:

Ps/(-Pmax)=1.728-1.294e-0.457Δ1/(+Δmax)

(3)

3恢復(fù)力模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過試驗(yàn)擬合法建立了方鋼管再生混凝土柱的恢復(fù)力模型，給出了滯回規(guī)則和剛度退化曲線。恢復(fù)力模型必須具有2個(gè)條件：

1)具備一定的精度。即模型能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)出地震作用下結(jié)構(gòu)的滯回性能，并且在一定誤差范圍內(nèi)可以重現(xiàn)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的結(jié)果；

2)簡(jiǎn)單方便實(shí)用，即給出的模型應(yīng)該簡(jiǎn)便快捷，能保證結(jié)構(gòu)非靜力分析的有效進(jìn)行，節(jié)省時(shí)間和精力。

再生混凝土與普通混凝土相比，具有變形能力差和強(qiáng)度低等缺陷，這造成了再生混凝土在抗震地區(qū)使用受到限制，這也必然會(huì)導(dǎo)致方鋼管再生混凝土柱的滯回特性不同于普通鋼管混凝土柱。為了研究鋼管再生混凝土柱模型能否適用于普通鋼管混凝土柱，將擬合得出的鋼管再生混凝土柱恢復(fù)力模型用于計(jì)算試件Z-0、Z-1、Z-2、Z-3，并將試驗(yàn)滯回曲線與恢復(fù)力模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖形畫于同一張圖中，如圖9所示。從圖9可知，除了試件Z-0的試驗(yàn)曲線和計(jì)算曲線不能很好吻合且精度不高，其余試件的試驗(yàn)曲線和計(jì)算曲線整體吻合較好，加、卸載剛度與實(shí)測(cè)滯回曲線在各循環(huán)加載等級(jí)下均大致相同。故筆者建立的恢復(fù)力模型能很好的反映出鋼管再生混凝土柱的滯回關(guān)系，可為同類型方鋼管再生混凝土柱的抗震性能和動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算提供參考。

4結(jié)論

1)3個(gè)方鋼管再生混凝土柱試件和1根普通鋼管混凝土柱試件的滯回曲線形狀呈現(xiàn)出飽滿的紡錘形，無捏縮現(xiàn)象，表現(xiàn)出較好的耗能能力和良好的滯回性能。

2)再生骨料替代率對(duì)柱的承載力、延性、耗能能力和剛度退化影響不大；含鋼率對(duì)柱抗震性能的影響較為明顯，含鋼率越大，柱的抗震性能越好；增加軸壓比對(duì)柱的抗震性能有一定的影響，軸壓比越大，柱的水平承載力增大，但延性和耗能能力會(huì)下降。

圖9　滯回曲線試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3)基于實(shí)測(cè)試驗(yàn)的滯回曲線，分析總結(jié)了方鋼管再生混凝土柱的滯回特性，提出了三折線骨架曲線模型和恢復(fù)力模型，給出了滯回規(guī)則?；謴?fù)力模型計(jì)算出來的曲線和試驗(yàn)實(shí)測(cè)滯回曲線能較好吻合，說明筆者提出的模型具有很好的精確性，可以反映出方鋼管再生混凝土柱的滯回性能，可供方鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)地震作用下彈塑性分析使用和設(shè)計(jì)參考。

4)由于制作試件較少，不同的骨料替代率、軸壓比、長(zhǎng)細(xì)比等因素都會(huì)對(duì)恢復(fù)力模型造成影響，還需進(jìn)行后續(xù)研究，才能建立起全面的實(shí)用化模型。

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[編輯]計(jì)飛翔

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)07-0053-06

[中圖分類號(hào)]TU391

[作者簡(jiǎn)介]張淑君(1992- )，女，碩士生，現(xiàn)主要從事工程管理方面的研究工作；通信作者：張震，907067328@qq.com。

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

[收稿日期]2015-10-27

[引著格式]張淑君，張震.方鋼管再生混凝土柱恢復(fù)力模型研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(7)：53～58.