碳纖維鋼骨-鋼管混凝土柱抗震性能研究

邢 民，王 越

(1. 廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣東 廣州 510000； 2. 東北大學 資源與土木學院， 遼寧 沈陽 110819)

地震時框架柱破壞的原因可歸到柱的延性問題上，如果結構柱延性不足，則在遇到地震時，就可能會破壞，造成整個結構的坍塌，在震害面前，大型建構筑物的整體抗震穩(wěn)定問題急需研究。王慶利等[1]通過試驗研究碳纖維鋼管混凝土的力學性能(受彎、受壓及扭轉)。尹志雨[2]在鋼管混凝土拱橋地震響應上做了研究。顧威等[3-5]對碳纖維鋼管混凝土的穩(wěn)定性分析及其受破壞進行加固等開展了研究。

本次試驗是在鋼骨-鋼管混凝土柱研究的基礎上[6-12]，提出一種新型碳纖維鋼骨-鋼管混凝土柱形式并對其進行擬靜力試驗，介紹了試件的設計和制作，通過觀察試驗現象，記錄了試件的破壞過程，并對數據進行分析，研究在不同軸壓比、鋼管直徑、碳纖維層數及混凝土強度下構件的極限荷載值及整體穩(wěn)定性。主要研究了軸壓比對此類柱在軸壓力和往復荷載下抗震性能的影響。同時，利用有限元軟件建立了9組碳纖維鋼骨-鋼管混凝土柱模型，對混凝土強度、軸壓比、鋼管直徑以及碳纖維層數分別進行了定量控制分析比對，研究不同參量的變化對構件抗震性能的影響。為科研人員與設計人員提供參考與借鑒[13-17]。

1 試驗材料和試驗方法

現場試驗共制作3根構件，各試件尺寸相同，柱高L：1.5 m，截面尺寸(B×H)：0.2 m×0.2 m，構件截面及內部型鋼布置見圖1。均采用C50混凝土，通過3組數據測分析得出混凝土立方體的平均抗壓強度值為52.2 MPa。鋼材：Q345級，鋼管型號：D133×5，鋼骨型號：∠50×3的等肢角鋼，綴板：150 mm×30 mm、t=3 mm，間距100 mm沿柱縱向布置；構件外側設置環(huán)向碳纖維。材料力學指標，見表1。試驗主要參數，見表2。表中試件編號T代表碳纖維，G代表鋼骨，U代表鋼管，H代表混凝土，數字代表試件編號。

圖1 碳纖維鋼骨-鋼管混凝土柱截面及內部型鋼布置

表2 試驗研究參數

試驗加載裝置見圖2。在試件基礎雙側各放一根工字鋼梁。工字鋼梁固定在地溝內，防止構件基座產生偏移和滑動。豎向千斤頂連接滑板保證柱頂是平移的邊界條件，水平位置伺服液壓機加載系統(tǒng)與構件相連，水平通過作動器對試件施加循環(huán)荷載，試驗數據及結果均通過計算機進行實時傳遞。

1-反力墻；2-反力橫梁；3-水平千斤頂；4-傳感器；5-構件柱；6-反力縱梁；7-滑動板；8-豎向千斤頂；9-壓梁；10-螺栓

圖2試驗加載裝置圖

本試驗的加載方式：先控制力再控制位移的交叉控制加載法(見圖3)。具體操作步驟如下：

(1) 控制固定的軸壓比，在構件上加載至設計值N，使軸向壓力保持不變，同時在柱側施加循環(huán)荷載。

(2) 取設計屈服荷載的1/3倍，2/3倍，1倍加載，每級循環(huán)1次；試件在循環(huán)荷載下的荷載值為屈服荷載Py，與之對應Δy為屈服位移；構件屈服后，用位移控制，取1.0Δy、 2.0Δy、 3.0Δy、 4.0Δy、5.0Δy，…，依次加載，每級循環(huán)3次。

(3) 當荷載達到構件的承載力峰值荷載的85%或靠近允許的最大位移時，停止加載。

圖3試驗加載制度

2 試驗現象與結果分析

試件破壞形式(見圖4)。

2.1 試驗現象

在加載初期，構件變化不明顯，當施加荷載達到一定時，柱表面開始出現細微裂縫，CFRP表面出現白色紋路；荷載逐漸增大，CFRP布隆起，橫向應變迅速增大，出現斷裂現象；當荷載繼續(xù)加大至構件屈服，CFRP脫離混凝土表面，裂縫數量急劇增大。進入位移控制階段，隨位移逐步增大，角鋼周圍混凝土出現裂紋，且裂縫寬度逐漸變大；當位移繼續(xù)成屈服位移倍數增加時，試件裂縫由柱根部向上逐漸發(fā)展；當水平荷載達到極限荷載，CFRP、綴板的應變及裂縫寬度急劇增大。

2.2 滯回曲線

通過現場實驗滯回曲線結果見圖5。由圖5可以看出：不同軸壓比構件滯回曲線形狀大致相同，滯回環(huán)均由彈性變形時的直線發(fā)展成為梭形，最后過度為弓形；不同軸壓比時，滯回曲線均存在良好的穩(wěn)定性，在達到極限荷載后，軸壓比較大的曲線下降較快，同時強度降低相對較大。

圖4 試件的典型破壞形態(tài)

圖5滯回曲線

2.3 骨架曲線

三種構件的骨架曲線見圖6，由圖6可知在加載初期荷載位移呈線性變化，屈服時有明顯的屈服平臺，構件達到極限荷載后，加載力均逐漸下降，曲線降低相對比較緩慢，證明有比較好的塑性能力。可以看出，構件的軸壓比在一定范圍內越大，試件的極限承載力越低，試件后期越容易出現快速破壞的情況。

2.4 軸向變形曲線

根據圖7所示的軸向變形曲線可知，在初期加載時，構件軸向變形相對比較穩(wěn)定，未產生較大的突變。當加載位移逐漸提高后，構件出現屈服階段，當位移施加到5倍～8倍的Δy時，軸向變形明顯改變，試件逐漸進入破壞階段。

圖6不同軸壓比下的骨架曲線

圖7軸向變形曲線

2.5 延性分析

通過現場試驗加載，三種試件的延性試驗計算結果見表3。由表3可知，屈服荷載、極限荷載、極限位移值、延性系數及相對極限位移角均隨構件軸壓比的增大而減小?？梢钥闯?，構件的軸壓比越小，其抗震性能越好。

3 有限元模型的建立

3.1 單元類型及網格劃分

網格的劃分原則對計算速度和結果起很大作用，在建模時必須用合理的方法確定網格密度。圖8給出了碳纖維鋼骨-鋼管混凝土柱模型的截面網格劃分圖模型單元數8 400，節(jié)點數10 200。

表3 試驗結果

3.2 模型的建立

本次模擬設置9組試件。構件截面參數為：截面尺寸0.2 m×0.2 mm，構件高度均為1.1 m，以構件的其他指標進行變化和對比。鋼材本構關系是在塑性變形時考慮包辛格效應的影響下，將鋼材的塑性變形階段與強化階段用一條斜直線簡化代換。試件混凝土強度等級采用C50、C60、C70三種，鋼材均采用Q345級，鋼管直徑選為89 mm、108 mm、133 mm，t=5 mm的鋼管，綴板選用150 mm×30 mm，t=3 mm的鋼板，以間距0.1 m沿柱縱向放置；構件外側環(huán)向設置碳纖維。具體見表4。

圖8網格劃分圖

表4 模型參數一覽表

注：B為截面寬度；H為截面高度；D為鋼管直徑；t為壁厚；L為柱長度；fcu為混凝土抗壓強度；fy為鋼管屈服強度。

3.3 變形與應力分析

從圖9所示的應力云圖可看出，應力較大部位集中在試件底部。從鋼管外混凝土的應力云圖可知，外部混凝土底面均為高應力區(qū)；對鋼管內混凝土，中部為高應力集中部分；從鋼管的應力云圖可知，底面兩側為高應力區(qū)。

4 模擬結果與討論

4.1 碳纖維層數

從圖10所示的曲線可以發(fā)現，不同碳纖維層數試件的荷載-位移曲線在彈性階段基本一致，斜率大致相同，這表明試件的初始剛度幾乎沒有改變。隨著碳纖維CFRP布層數設置的增大，曲線的極限荷載值有所提高。

圖9各構件應力云圖

4.2 鋼管直徑

研究表明隨著鋼管直徑的變大，荷載-位移骨架曲線形狀和變化趨勢基本一致。對不同的鋼管直徑的構件，骨架曲線彈性階段大致相同；試件的極限承載力隧鋼管直徑的提高而逐漸變大，曲線并未出現明顯的下降段。

圖10碳纖維層影響下滯回曲線及骨架曲線

4.3 混凝土強度

混凝土強度在一定范圍內提高，曲線的峰值會相應的提高，當混凝土強度為C60、C70時，兩條曲線近乎重合，可以看出混凝土強度在一定范圍內提高，對整體的極限承載力有影響，當混凝土提高到C60以上時，混凝土強度的提高對整體的承載力影響不大。

4.4 軸壓比

其他構件的參數不變的情況下，隨軸壓比的變大，曲線峰值有下降的趨勢，表明構件的極限承載力有所下降；軸壓比為0.3、0.4時，加載的后期骨架曲線并不會出現明顯的下降趨勢，表明構件的軸壓比在一定范圍內越大，構件后期越容易出現快速破快情況。

5 結 論

(1) 在一定范圍內，混凝土強度、碳纖維層數、軸壓比和鋼管直徑四種因素改變其中一種時，構件的荷載-位移滯回曲線受變化不大，曲線形狀基本一致。

(2) 隨著碳纖維層數的增多，試件的初始剛度基本不變，曲線的極限荷載值有所提高。

(3) 構件內部鋼管直徑變大，曲線的峰值變大，試件的極限承載力有所提高，滯回曲線及骨架曲線并未出現明顯的下降段。

(4) 混凝土強度在一定范圍內提高使整體的極限承載力有增大，當混凝土提高到C60以上時，混凝土強度的提高對整體的承載力影響不大。

(5) 構件的軸壓比在一定范圍內越大，試件的極限承載力越低，試件后期越容易出現快速破壞的情況。

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