圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱抗震性能試驗研究

劉鴻偉，陳娟，李昊洋

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023)

對鋼管再生混凝土組合結構的研究國外始于20世紀90年代[1]，在此期間國內外有大量學者對其進行了研究，但多側重于再生骨料取代率對鋼管再生混凝土柱的力學性能的影響，如Konno等[2]研究了鋼管再生混凝土柱豎向承載力和變形能力；楊有福[3]研究了軸壓短柱、純彎構件和壓彎構件的力學性能；肖建莊等[4]研究了再生粗骨料對圓鋼管混凝土柱的軸壓力學性能以及變形性能；黃一杰[5]對鋼管再生混凝土柱在不同再生骨料取代率、混凝土強度的條件下進行低周反復加載試驗，研究其對試件的抗震性能影響；Yang Y F等[6]研究了鋼管混凝土柱和鋼管再生混凝土柱在不同因素影響下的力學性能；陳娟等[7]研究了圓鋼管高強再生混凝土柱的抗震性能；陳創(chuàng)[8]研究了圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱的抗震性能；還有很多國內研究學者對鋼管再生混凝土構件本構關系的研究取得了一定成果[9～11]。但由于對鋼管全再生混凝土柱的研究時間較短，研究成果相對較少，將再生骨料在鋼管混凝土結構中最大化應用還需對鋼管全再生骨料混凝土柱進行研究。下面筆者設計并制作了4個鋼管全再生粗骨料混凝土柱和1個普通鋼管混凝土柱試件，通過對這5個構件進行低周反復試驗，研究軸壓比和含鋼率對圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱抗震性能的影響，通過觀察5個構件的破壞過程，整理構件的試驗數(shù)據(jù)，分別繪制滯回曲線、骨架曲線及等效黏滯系數(shù)曲線，分析各個因素對試件抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件的設計與制作

試驗共設計制作了5個構件，試件尺寸如圖1所示，試件基本參數(shù)如表1所示，其中L、t、D分別為構件的總長度、鋼壁厚度和外徑；fc為混凝土軸心抗壓強度；fy為鋼管的屈服強度；n為軸壓比；N為試驗過程中施加到試件上的縱向軸壓力。

試驗中鋼管選用外徑為133mm，壁厚分別為4.5mm和7mm的無縫鋼管，壁厚為4.5mm的鋼管屈服強度和抗拉強度分別為293MPa和465.3MPa，伸長率為24%；壁厚為7mm的鋼管屈服強度和抗拉強度分別為307.7MPa和483MPa，伸長率為26%。試驗采用32.5MPa的復合硅酸鹽水泥、天然河砂、粒徑為0～20mm連續(xù)級配的碎石。再生粗骨料為荊州市華升新型材料股份有限公司廢棄混凝土試塊通過人工和錘式破碎機破碎，再經(jīng)篩分，洗凈干燥后配成5～20mm連續(xù)級配的再生粗骨料。普通混凝土與全再生粗混凝土的配合比如表2所示，經(jīng)測試的普通混凝土的軸心抗壓強度為67.9MPa，全再生骨料混凝土的軸心抗壓強度為61.1MPa。

圖1 試件尺寸詳圖(單位：mm)

表1 試件基本參數(shù)

表2 試件的配合比

圖2 加載裝置

1.2 試驗裝置和加載制度

試驗裝置如圖2所示，利用100t高精度推力千斤頂對試件施加豎向軸力，水平低周反復荷載由量程±150mm電液伺服作動器通過位移控制實現(xiàn)加載。最大加載能力為500kN，側移率(側移率用Δ/L表示，其中Δ為水平荷載加載點處水平方向位移。)為0.25%、0.5%和0.75%時水平荷載循環(huán)1次，側移率為1%、2%、3%和4%時水平荷載循環(huán)3次。為便于數(shù)據(jù)采集，橫向應變片以東南西北為順序標記1～4，豎向應變片依照東北西南順序編號依次編為5～8，試驗中應變和位移讀數(shù)由電腦采集。

試驗時先將豎向荷載加至設計值，然后根據(jù)水平荷載的加載制度采用位移加載方式施加水平往復荷載，當水平荷載降低到峰值荷載的85%或者豎向荷載無法保持穩(wěn)定時試驗結束。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱與普通圓鋼管混凝土柱的破壞過程相似，在加載初期觀察不到顯著的變化，臨近破壞時均在柱底加勁肋上方18～26mm范圍內鋼管出現(xiàn)局部屈曲，所有試件均在水平荷載降到峰值荷載的85%后停止試驗。

2.2 滯回曲線

構件的水平力-側移(P-Δ)滯回曲線如圖3所示。

圖3 試件滯回曲線

由圖3可知，普通圓鋼管混凝土柱與圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱的滯回曲線都很飽滿，未出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象，這表明圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱具有良好的抗震性能；軸壓比越大，構件的水平承載力越小，水平承載力的下降幅度隨軸壓比的增大而增大。含鋼率不同時，圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱承受荷載的變形能力與普通圓鋼管混凝土柱基本相同，但是構件的含鋼率越大曲線越為飽滿，達到峰值荷載后，下降幅度平緩。

2.3 骨架曲線

骨架曲線反映了各個試件在不同階段下受力和變形的特性。由圖4(a)可知，試件在加載階段，屈服前骨架曲線均呈上升趨勢，所有試件的曲線近似成一條直線，開始屈服后，曲線進入下降段，趨勢較為平緩，說明圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件與普通圓鋼管混凝土試件相比較，變形和耗能能力較好。對比圖4(b)軸壓比和含鋼率均相同的普通圓鋼管混凝土柱和圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱的骨架曲線可知，混凝土中粗骨料全部由再生骨料代替將會降低鋼管再生混凝土柱的水平承載力，普通鋼管混凝土柱的水平承載力比圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱高出7.5%。由圖4(c)可知，隨著軸壓比不斷增大，鋼管全再生粗骨料混凝土柱的水平承載力不斷增大，軸壓比從0.3增大到0.5，試件的極限荷載分別增大了8.5%和14.06%，但變形能力不斷降低，曲線的下降階段逐漸陡峭。由4(d)可知，隨著含鋼率的增大，試件的極限承載力隨之增大，C2試件的極限荷載高出C1試件5.6%。

圖4 試件骨架曲線

2.4 延性

采用位移延性系數(shù)μ來評價結構的延性，μ=Δm/Δy，其中Δm為峰值荷載下降到85%時試件對應的位移；Δu為極限位移；Δy表示屈服位移。按照能量等值法計算的試驗主要特征點如表3所示，表3中數(shù)據(jù)為2個方向的平均值。

表3 試件各關鍵點處荷載和位移

由表3可知，各個試件的位移延性系數(shù)的值均在3以上，而且普通圓鋼管混凝土試件和圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件的μ基本相同，表明圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件的延性性能較好，粗骨料的循環(huán)利用幾乎不影響鋼管混凝土柱的屈服和破壞位移。當軸壓比相同時，圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件的含鋼率越高則延性性能越好；依次增大軸壓比后，位移延性系數(shù)逐漸降低，因此圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件有良好的延性性能。

2.5 耗能

該試驗中，用等效黏滯系數(shù)he作為評價試件耗能能力大小的標準，通過計算得出各試件等效粘滯系數(shù)he如表4所示。由表4可知，試件隨著加載位移的增大，等效黏滯系數(shù)he也隨之不斷增大；尤其是達到峰值荷載后，等效黏滯系數(shù)he上升的幅度加快，表明試件的耗能隨著位移的增大而增大。當軸壓比和含鋼率均相同的條件下，普通圓鋼管混凝土柱試件破壞時的等效黏滯系數(shù)he為0.381，而圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱試件破壞時的等效黏滯系數(shù)he均大于0.381，說明粗骨料全部采用再生骨料并不會降低圓鋼管混凝土柱的耗能能力，而且圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱隨著軸壓比的增大，相應的he逐漸增大，表明軸壓比的增大對耗能有積極的影響，但含鋼率增大則相反，即含鋼率越大he越小。

表4 試件等效粘滯系數(shù)

3 結論

通過1個普通圓鋼管混凝土柱和4個圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱試件的試驗研究可得出以下結論：

1)普通圓鋼管混凝土柱和圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱的破壞過程與模式基本相同，破壞時構件均在靠近柱腳處出現(xiàn)鋼管屈曲的現(xiàn)象。

2)全再生粗骨料混凝土的使用對試件的延性、水平承載力和耗能性能影響不大，圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱具有良好的抗震性能。

3)全再生粗骨料混凝土柱在含鋼率不同，軸壓比相同情況下，試件的滯回曲線均飽滿，隨著含鋼率的提高，對試件的水平承載力、延性具有較好的影響，試件的耗能稍有降低；在軸壓比不同，含鋼率相同情況下，試件的滯回曲線普遍飽滿，軸壓比增大對試件的耗能與水平承載力有積極的影響，但會降低試件的延性。