低周反復(fù)荷載下方鋼管再生混凝土框架柱損傷試驗研究

吳孫武，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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低周反復(fù)荷載下方鋼管再生混凝土框架柱損傷試驗研究

吳孫武，張震

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

[摘要]為了更加深入的了解地震作用下方鋼管再生混凝土框架柱的損傷演化過程，設(shè)計制作了4根方鋼管再生混凝土框架柱模型，通過改變加載制度、軸壓比和含鋼率進行了低周反復(fù)荷載試驗。通過觀察試件的破壞失效過程得到了試件的滯回曲線、骨架曲線、承載力退化及耗能能力，并從損傷的角度出發(fā)分析了不同設(shè)計參數(shù)及加載制度對方鋼管再生混凝土框架柱抗震性能的影響。研究結(jié)果表明，試件在地震作用下的損傷進程分為無損傷、損傷穩(wěn)定發(fā)展及損傷急劇發(fā)展3個階段；隨著加載的持續(xù)進行，試件的損傷逐步加大，使得其承載力和剛度不斷下降，從而導(dǎo)致試件的變形能力降低。該研究結(jié)果可供建立方鋼管再生混凝土地震損傷模型作為參考，并為揭示損傷對方鋼管再生混凝土柱力學(xué)性能的影響提供試驗支撐。

[關(guān)鍵詞]方鋼管再生混凝土；框架柱；擬靜力試驗；損傷

鋼-混組合結(jié)構(gòu)中的一種主要結(jié)構(gòu)形式是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有承載力高和剛度大等眾多優(yōu)異的抗震性能已被廣泛用于地震設(shè)防區(qū)及大跨重載建筑結(jié)構(gòu)中[1，2]。眾多的國內(nèi)外震后調(diào)研資料都顯示，框架柱在地震中受到的損傷往往較其他構(gòu)件要嚴重，框架柱的破壞是導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)坍塌的重要因素。再生混凝土[3]的引入則擴展了鋼管混凝土柱的應(yīng)用范圍，因此，研究鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)及掌握地震作用下方鋼管再生混凝土柱損傷演化過程就顯得十分迫切。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱均進行過一些試驗及理論研究[4～9]，研究均是基于普通混凝土柱的抗震性能而進行的，而對混凝土柱損傷進程的研究都沒有涉及到，尤其是對鋼管再生混凝土柱的損傷演化過程幾乎未見報道。因此，為了更加深入的了解地震作用下方鋼管再生混凝土柱的損傷演化過程，筆者設(shè)計并制作了4根方鋼管再生混凝土柱模型，通過改變加載制度、軸壓比和含鋼率對試件進行了低周反復(fù)荷載試驗。

1試驗概況

1.1試件設(shè)計

表1　試件參數(shù)

試驗共設(shè)計制作了4根方鋼管再生混凝土柱試件模型，其截面尺寸均為180mm×180mm，柱有效高度為1200mm，鋼管材質(zhì)為Q235B，試件的含鋼率分為9.5%、14.8%這2種；軸壓比分為0.4、0.6這2種；再生混凝土取代率均為50%。加載制度不盡相同，再生混凝土的等級為C40，實測立方體抗壓強度為40.2MPa，試件參數(shù)見表1，鋼材力學(xué)性能值見表2。

表2　 鋼材性能值

1.2加載裝置及加載制度

1) 試驗加載裝置試驗采用懸臂柱式加載方式，首先在試件頂部施加1000kN液壓千斤頂施加豎向荷載，然后通過固定在反力墻上的作動器施加往復(fù)或單調(diào)荷載，試驗數(shù)據(jù)通過連接作動器的電腦實時同步采集，加載示意圖如圖1所示。

圖1　加載示意圖

2)加載制度各試件的加載制度不盡相同，試件C-1采用常幅加載，如圖2中(a)所示，即幅值取屈服位移的2倍，直至試件破壞。試件C-2采用混合加載，即荷載-位移雙控制，先用荷載進行加載，直至試件屈服后再用位移加載，直至試件破壞，試驗加載制度見圖2(b)。試件C-3、C-4采用變幅加載，試件屈服之前采用位移循環(huán)一次加載，每級位移的增加幅度為0.3Δy，待試件屈服以后，按屈服位移的倍數(shù)來進行加載，每級位移循環(huán)3次，直至試件破壞，試件加載制度見圖2(c)。

圖2　試件加載制度

2試件破壞特征與過程

試驗中所有試件的破壞形態(tài)相似，均表現(xiàn)出彎曲破壞。試件C-2、C-3、C-4的破壞過程大體相似，加載初期，在柱根部荷載作用平面內(nèi)受壓側(cè)先出現(xiàn)輕微鼓曲，隨著荷載和加載位移的增加，鼓曲的程度和范圍也逐步增加，并進一步向受壓側(cè)旁的兩側(cè)鼓曲。加載后期，鼓曲現(xiàn)象迅速急劇猛烈發(fā)展，最后柱根部截面鋼管鼓曲嚴重，混凝土有碎裂聲，水平承載力迅速降低，但由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中鋼與混凝土具有良好的約束作用，試件直到破壞時仍然能夠具有良好的豎向和橫向承載能力，表明鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)擁有良好的二次設(shè)防和變形能力。

3試驗結(jié)果分析

3.1滯回曲線

圖3給出了每個試件在不同加載制度下的荷載-位移滯回曲線。

1)從試件C-1、C-2、C-3滯回曲線可以看出，在加載初期，1Δy、2Δy位移控制加載循環(huán)下，滯回環(huán)出現(xiàn)輕微的捏縮現(xiàn)象，但在隨后的加載過程中，該現(xiàn)象逐漸消失，滯回環(huán)呈現(xiàn)出良好的梭形。這是因為在加載初期的時候，鋼管內(nèi)的再生混凝土?xí)霈F(xiàn)裂縫，該裂縫隨著加載的持續(xù)進行不斷的封閉和張開，故造成了滯回曲線上的捏攏現(xiàn)象。隨著循環(huán)位移的增加和荷載的加大，裂縫進一步延伸和發(fā)展，柱的損傷不斷累積。直到混凝土出現(xiàn)較大損傷時外部的鋼管對核心混凝土的約束作用開始顯現(xiàn)，使其抗壓變形能力顯著增加，混凝土的存在也使得鋼管不會發(fā)生過大的鼓曲變形，正因為這些因素的共同作用，才使得試件的滯回環(huán)變的較為飽滿，表現(xiàn)出良好的耗能能力。

圖3　試件荷載-位移曲線

2)混合加載和變幅加載對試件的損傷進程影響不大，都表現(xiàn)為在試件達到極限荷載后，其承載力和剛度不斷退化，隨著循環(huán)次數(shù)加大，其退化幅度也逐漸變大，試件的累積損傷程度不斷加大，從而使得承載力和剛度退化越加明顯。常幅加載過程中，試件的承載力隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐步下降。承載力不斷衰減，衰減幅度較小。試件破壞過程中的殘余變形較小，剛度退化不明顯，形成的塑性鉸鼓曲程度不大。加載后期，隨著試件損傷變大，鋼管發(fā)生鼓曲，承載力和剛度均有一定程度的下降。

3)對比試件C-2和C-4滯回曲線可知，軸壓比對框架柱在地震作用下的損傷影響十分明顯。軸壓比較低試件C-2的滯回環(huán)更加豐滿，極限荷載之后，其承載力和剛度退化較慢，極限變形能力強，耗能較好。反之，軸壓比較大的試件C-4，其能達到的極限荷載較高，極限荷載之后，滯回曲線的承載力和剛度退化較快，破壞荷載對應(yīng)的破壞位移提前，延性較小。這主要是因為高軸壓比下，隨著加載位移的增大，框架柱所承受的荷載-位移效應(yīng)加劇，因此造成了試件進一步損傷。

4)在試件其他因素相同的情況下，含鋼率越大，滯回環(huán)越飽滿，所能達到的極限荷載也越大，承載力和剛度退化更為緩慢，延性較好，累積耗能能力強。

3.2骨架曲線

圖4　試件骨架曲線

骨架曲線是取滯回曲線每級循環(huán)第一圈形成的滯回環(huán)上的極值點連接而成，它能夠宏觀反映出試件在低周反復(fù)荷載下的損傷進程，通常被用來研究試件在地震作用下的彈塑性反應(yīng)。選取試件C-1、C-2、C-3為研究對象，繪制出骨架曲線于圖4，從圖4可以看出：

1)方鋼管再生混凝土框架柱的損傷是一個逐漸發(fā)展，逐步累積的過程，其損傷發(fā)展大致可以分為3個階段：無損傷、損傷穩(wěn)定發(fā)展及損傷急劇發(fā)展階段，對應(yīng)在骨架曲線就是彈性階段、彈塑性階段、破壞階段。

2)理想狀況下的試件在經(jīng)受低周反復(fù)荷載作用下形成的骨架曲線正負向完全對稱，但筆者的研究中骨架曲線正負向并非完全對稱，正向荷載值要小于負向荷載值。這是因為試件在加載初期是負向加載，反向加載時試件已經(jīng)存在損傷，故正向所能達到的極限荷載值要小于未損傷時負向加載達到的極限荷載值。

3)試件C-2與C-4的軸壓比不同，其余試件參數(shù)均相同。軸壓比較大時，柱段約束大，故初始剛度大，試件達到的極限荷載也較大，但極限荷載過后承載力衰減速度加快，造成下降段曲線較為陡峭，表現(xiàn)出較差的延性。

圖5　試件承載力衰減

4)試件C-2與C-3的含鋼率不同，其余試件參數(shù)均相同。含鋼率越大，試件的極限荷載越大，這主要得益于含鋼率越大，柱根部的鋼管越厚，鋼管對核心區(qū)再生混凝土的約束也就越大，故能達到的極限荷載越大。含鋼率越大的試件在達到極限荷載過后，承載力衰減緩慢，具有良好的彈塑性變形能力和耗能能力。

3.3承載力退化

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在低周反復(fù)荷載作用下承載力會隨著損傷程度的加深而逐漸退化，導(dǎo)致承載力退化的根本原因是試件損傷的發(fā)展。損傷主要體現(xiàn)在核心區(qū)混凝土裂縫不斷發(fā)展，鋼管屈服與鼓曲，鋼管與混凝土產(chǎn)生黏結(jié)滑移等，圖5給出了各試件承載力隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，從圖5可知：

圖6　滯回耗能與半循環(huán)次數(shù)的定義

1)常幅加載中，試件的承載力一直處于衰減過程中，加載過程中衰減幅度趨于平緩。變幅加載和混合加載過程中，試件在達到峰值荷載前承載力退化不明顯，超過峰值荷載后承載力即出現(xiàn)明顯的衰減，且隨著循環(huán)次數(shù)的上升，衰減程度也隨之加大。

圖7　滯回耗能與半循環(huán)次數(shù)的變化曲線

2)軸壓比和含鋼率對試件承載力的衰減都有一定影響。軸壓比為0.4時，隨著加載的持續(xù)進行，試件承載力衰減逐漸增加，變化十分平穩(wěn)；軸壓比為0.6時，試件在加載后期時其承載力衰減程度有所增加。含鋼率越大，同級位移加載次數(shù)下，試件承載力衰減幅度越小，且加載后期下降段較為平緩。

3.4滯回耗能

構(gòu)件的耗能能力可以評價試件在低周反復(fù)荷載下抵抗損傷累積的能力，可以反映出構(gòu)件抗震性能的好壞。定義滯回曲線上2個0加載點之間的間隔部分為1個半循環(huán)，如圖6所示，曲線OAB表示第1個半循環(huán)，其包圍的面積稱為滯回耗能E1；曲線BNM表示第2個半循環(huán)，其包圍的面積稱為滯回耗能E2。圖7給出了試件在第i個半循環(huán)中的滯回耗能Ei隨半循環(huán)次數(shù)的變化曲線，從圖7中可以看出：

1)不同的加載制度對試件的耗能能力影響不同。常幅加載下，其滯回曲線的形狀隨著加載次數(shù)的增多變化不大，即試件的耗能能力基本保持不變?；旌霞虞d和變幅加載情況下，隨著加載次數(shù)的增多，試件的耗能能力不斷提高，反映在滯回曲線上就是越到加載后期形成的滯回環(huán)與坐標軸包圍的面積越大，即耗能越好。因隨著加載持續(xù)進行，柱的塑性鉸不斷吸收和釋放能量，造成柱的累積損傷逐步加大，故其承載力在加載后期下降明顯，但耗能能力還是有一定程度的增加。

2)軸壓比和含鋼率對試件耗能能力有一定的影響，主要影響試件在加載后期的耗能能力。加載初期時，不同軸壓比試件的耗能能力大體相同，相差不大。越到加載后期，軸壓比小的試件耗能能力增加明顯，反之，軸壓比大的試件耗能能力增長緩慢。而含鋼率越大的試件在加載后期的耗能能力不斷提升，因此，工程中可適當(dāng)提高含鋼率來提升試件的耗能能力。

4結(jié)論

1)所有試件的破壞形態(tài)均為壓彎破壞，滯回曲線都呈現(xiàn)出飽滿的梭形，說明方鋼管再生混凝土框架柱具有優(yōu)異的變形能力和耗能能力；框架柱在地震作用下的損傷進程分為3個階段：無損傷、損傷穩(wěn)定發(fā)展及損傷急劇發(fā)展階段。

2)隨著加載的持續(xù)進行，試件的損傷逐步加大，使得其承載力和剛度不斷下降，從而導(dǎo)致試件的變形能力降低。

3)軸壓比越大，框架柱的承載力衰減幅度越大，耗能能力較小，表現(xiàn)出較差的延性；含鋼率越大，框架柱的極限荷載越大，加載后期的承載力衰減減緩，表現(xiàn)出更好的耗能能力。

[參考文獻]

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

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

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

[4] 顧祥林，黃慶華，吳周偲.鋼筋混凝土柱考慮損傷累積的反復(fù)荷載-位移關(guān)系分析[J].地震工程與工程振動，2006，26(4)：68～74.

[5] 顧祥林，蔡茂，林峰.地震作用下鋼筋混凝土柱受力性能研究[J].工程力學(xué)，2010，27(11)：160～165.

[6] 蔣東紅，王連廣，劉之洋.高強鋼骨混凝土框架柱的抗震性能[J].東北大學(xué)學(xué)報，2002，23(1)：67～70.

[7] 李俊華，王新堂，薛建陽，等.低周反復(fù)荷載下型鋼高強混凝土柱受力性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2007，40(7)：11～18.

[8] 林松.高性能鋼管混凝土柱在水平低周反復(fù)荷載作用下的試驗研究[J].鐵道科學(xué)與過程學(xué)報，2006，3(1)：21～26.

[9] 李黎明，李寧，陳志華，等.方鋼管混凝土柱的抗震性能試驗研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2006，38(4)：817～822.

[編輯]計飛翔

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)10-0042-05

[中圖分類號]TU391

[作者簡介]吳孫武(1988- )，男，碩士生，現(xiàn)主要從事地下工程結(jié)構(gòu)方面的研究工作；通信作者：張震，907067328@qq.com。

[基金項目]江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項目(BJ2013485)；住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部基金資助項目(2012-K21-4)。

[收稿日期]2015-12-10

[引著格式]吳孫武,張震.低周反復(fù)荷載下方鋼管再生混凝土框架柱損傷試驗研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(10)：42～46.