活性粉末混凝土預(yù)制管組合柱抗震性能試驗研究

單波 單宇 劉福財 佟廣權(quán)

摘要：活性粉末混凝土預(yù)制管組合柱（Concretefilled RPC tube，簡稱CFRT）將活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）的力學(xué)性能和箍筋的約束效應(yīng)有效結(jié)合了起來，是一種基于超高性能水泥基套管的新型約束組合柱。對4個CFRT柱和1個箍筋約束混凝土柱開展了恒定軸力下的低周反復(fù)荷載試驗，獲取了組合柱的破壞形態(tài)、滯回曲線和鋼筋的應(yīng)變等數(shù)據(jù)，并對相關(guān)抗震指標(biāo)及試驗參數(shù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：CFRT柱在低周反復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出典型的彎曲破壞特征，在RPC管表面出現(xiàn)大量細(xì)而密的裂縫，但沒有明顯的剝落現(xiàn)象;CFRT柱的滯回曲線較飽滿，其抗震性能顯著優(yōu)于普通箍筋約束混凝土柱;在試驗條件下，CFRT柱的極限側(cè)移率在0.042～0.075之間，高于中國抗震設(shè)計規(guī)范關(guān)于罕遇地震下結(jié)構(gòu)柱極限塑性側(cè)移率不低于0.02的要求;從抗震性能來看，在RPC管內(nèi)部填充高強(qiáng)混凝土，對于CFRT是可以接受的組合方式。

關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土;組合柱;反復(fù)荷載;抗震性能

中圖分類號：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：20966717（2020）04009411

收稿日期：20191122

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2018YFC0705400）;國家自然科學(xué)基金 （51678228）

作者簡介：單波（1976 ），男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事組合結(jié)構(gòu)和竹木結(jié)構(gòu)研究，Email：supershanb@163.com。

Received：20191122

Foundation items：National Key R & D Program of China （2018YFC0705400）; National Natural Science Foundation of China （51678228）

Author brief：Shan Bo （1976 ）， PhD，associate professor， doctorial supervisor， main research interests： composite structures and modern bamboo structures， Email： supershanb@163.com.

Experimental research on seismic behavior of concretefilled reactive powder concrete tube

Shan Bo1a， 1b， Shan Yu1a， Liu Fucai2， Tong Guangquan1a

（1a. College of Civil Engineering; 1b. Key Laboratory for Green & Advanced Civil Engineering Materials and Application Technology of Hunan Province; Hunan University， Changsha 410082， P.R. China; 2. Guangdong Gaiteqi New Materials Technology Co. Ltd.， Qingyuan 511600， Guangdong， P.R. China）

Abstract： Concrete tube filled reactive powder is a new type of constained composite column based on ultrahigh performance cement casing， with the mechanical properties of reactive powder concrete and the constraint effect of stirrup. In this paper， four ConcreteFilled RPC Tube （CFRT） columns and one ordinary hoopsconfined concrete column were tested under cyclic and constant axial load. The failure mode， hysteresis behavior and strain development of reinforcements were investigated， and the relevant seismic parameters were analyzed. CFRT columns exhibited typical bending failure characteristics. In contrast to conventional reinforced concrete column， the surface of Reactive Powder Concrete（RPC） tube was characterized with well distributed fine cracks， without any RPC cover spalling or crushing.

The hysteresis curve of CFRT cloumn is full， and its seismic performance is significantly better than that of ordinary stirrup confined concrete cloumn. Under the test conditions， the limit plastic drift ratios of CFRT columns vary between 0.042 and 0.075， which largely exceed the specified limit （0.02） according to the rare earthquake requirement in Chinese seismic design code. The results also reveal that RPC tube filled with high strength concrete is an acceptable combination for CFRT columns.

離心法制作RPC管的主要步驟包括：箍筋綁扎、裝模、RPC下料、離心成型、初養(yǎng)護(hù)、脫模、切割和終養(yǎng)護(hù)，基本過程如圖2所示。在制作每根預(yù)制管時，預(yù)留3個棱柱體試件（100 mm×100 mm×300 mm）與RPC管同條件養(yǎng)護(hù)。試驗前，按照《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）[31]進(jìn)行抗壓試驗，測得的抗壓強(qiáng)度平均值作為該RPC管的軸心抗壓強(qiáng)度f′rpc，c0。

實驗室澆筑混凝土?xí)r，先綁扎基礎(chǔ)梁以及內(nèi)部混凝土的鋼筋籠;然后，如圖3（a）所示，將RPC管套在柱身鋼筋籠外，如圖1（b）所示，RPC管插入基礎(chǔ)梁頂面以下200 mm，以提供必要的錨固;最后，分兩次澆筑基礎(chǔ)和柱身混凝土，并用振動棒振搗密實，成型后的試件如圖3（b）所示。在澆筑每根柱身混凝土?xí)r，預(yù)留3個圓柱體試件（150 mm×300 mm），并與試件柱同條件養(yǎng)護(hù)。試驗前，按照ASTM C39標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗壓試驗[32]，測得的抗壓強(qiáng)度平均值作為內(nèi)部混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度f′c0。需要說明的是，采用圓柱體抗壓強(qiáng)度作為內(nèi)部混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，是為了與CFRT柱的軸壓承載力公式的計算取值保持一致[33]，該公式在后續(xù)部分進(jìn)行說明。

對于R20L的制作，使用內(nèi)徑為300 mm的塑料管作為模具，先進(jìn)行鋼筋綁扎，然后一次性澆筑成型。

2試驗方法

2.1加載裝置與測量方案

開展壓彎柱的低周反復(fù)荷載試驗，以懸臂的方式模擬底層框架柱反彎點以下部分在地震中的受力狀態(tài)，如圖4（a）所示。試驗在自制的加載裝置上進(jìn)行，如圖4（b）所示。試件通過兩根錨固鋼梁與螺栓固定在實驗室地板的反力梁上，水平力通過作動器施加。軸向荷載由設(shè)置在柱頂轉(zhuǎn)換鋼梁上的兩個穿心式油缸施加，通過油缸頂升使對拉鋼棒張拉，將軸力施加在柱頂。對拉鋼棒通過單向鉸連接在基礎(chǔ)上，以保證鋼棒在水平力作用下與試件同步轉(zhuǎn)動。軸力由設(shè)置在油缸頂部的壓力傳感器監(jiān)控，水平力通過作動器內(nèi)置的傳感器測定，水平位移由安裝在柱頂?shù)奈灰苽鞲衅鱈VDT測量。裝置照片如圖4（c）所示。

為測量試驗過程中的鋼筋應(yīng)變，在試件內(nèi)部預(yù)埋應(yīng)變片。對于RPC管內(nèi)的箍筋，選擇連續(xù)的3道螺旋箍，布置9個應(yīng)變片，其中，第2圈箍筋距離柱底的距離約為D/2（150 mm），基本對應(yīng)于塑性鉸區(qū)域的中間位置。對于內(nèi)部混凝土中的鋼筋，選擇推、拉平面內(nèi)兩端的兩根縱筋，分布粘貼6個應(yīng)變片，其中，第1個應(yīng)變片的位置與基礎(chǔ)梁頂面齊平，具體布置情況如圖1（b）所示。

試驗過程中，所有的數(shù)據(jù)，包括水平力、水平位移、軸力及鋼筋應(yīng)變，均由DH3821數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，采樣間隔為0.5 s。

2.2加載制度

試驗采用恒定軸力下的低周反復(fù)加載，試件的軸力P按其軸向承載力Nu的20%考慮（P=0.2Nu）。CFRT的軸向承載力Nu，由RPC管與內(nèi)部混凝土分別承擔(dān)的軸向荷載構(gòu)成，按照文獻(xiàn)[24]提出的公式進(jìn)行計算。

式中：kd為非有效約束區(qū)域RPC強(qiáng)度折減系數(shù);ks為約束區(qū)域RPC強(qiáng)度提高系數(shù);At為RPC管截面積;Acon為內(nèi)部混凝土截面積;ρs為體積配箍率;f′l為核心混凝土的有效約束應(yīng)力;fl為箍筋側(cè)向壓應(yīng)力;ke為有效約束系數(shù);Ae為箍筋對核心混凝土的有效約束面積;Acc為箍筋中心線包圍的面積;Ast為箍筋截面積;D為RPC預(yù)制管外徑;dc為內(nèi)部混凝土直徑;ds為箍筋中心線的直徑;t為RPC管壁厚度;s為箍筋間距;s′為RPC管中箍筋的凈間距;ρcc為縱筋面積與箍筋形心包圍的核心混凝土面積的比值;f′rpc，c0為RPC軸心抗壓強(qiáng)度;f′ron，cc為內(nèi)部混凝土抗壓強(qiáng)度，按照Mander約束模型進(jìn)行計算[33]。

式中：f′c0為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。

對比柱R20L的軸向承載力按Mander約束模型進(jìn)行計算。應(yīng)該說明的是，雖然試件的柱頂軸向力P都是按其計算軸向承載力Nu的20%進(jìn)行取值，但P的大小與約束效應(yīng)密切相關(guān)。配箍率越高，則P也就越大，如表1所示。這一取值方式應(yīng)該與結(jié)構(gòu)柱的實際工作狀況一致，因為結(jié)構(gòu)柱的軸向承載力設(shè)計取值一般需要考慮約束效應(yīng)的增強(qiáng)作用。此外，從表1可以看到，對比柱R20L的軸力P顯著低于C20L，其主要原因是按照Mander約束模型，處于非有效約束區(qū)域（含保護(hù)層）對約束柱的軸向承載力沒有貢獻(xiàn)，在抗壓承載力計算中不予考慮。然而，對CFRT柱，處于非有效約束區(qū)（含保護(hù)層）的RPC管壁部分對其軸向承載力有不可忽視的貢獻(xiàn)。因此，即使R20L與C20L兩個試件的配箍率相同，后者的軸向承載力明顯更高，增加幅度約為56%。

試件的水平加載方式采用位移控制，具體加載制度為：在初期的3個位移峰值下（0.25%L、0.5%L和0.75%L），采用為單循環(huán)加載。此后，在每個位移峰值下為3次循環(huán)，對應(yīng)于1%L、1.5%L、2%L、3%L、4%L、6%L、8%L和10%L，直至試件完全破壞。

3試驗結(jié)果

3.1破壞現(xiàn)象

試驗柱的破壞模式如圖5所示。由于柱的破壞主要集中在下部的塑性鉸區(qū)域，故該圖為柱下部約1.5倍直徑范圍內(nèi)的破壞情況。

對比柱R20L為典型的彎曲破壞模式，其破壞形態(tài)與采用普通箍筋的約束混凝土柱類似[34]，如圖5（a）所示。當(dāng)側(cè)移率（Δ/L）為0.5%時，在受拉一側(cè)距離柱底部1倍直徑范圍內(nèi)開始出現(xiàn)細(xì)小的水平裂縫;隨著側(cè)移率的增大，水平裂縫逐漸增多、變寬，并沿環(huán)向擴(kuò)展，在受壓一側(cè)開始出現(xiàn)豎向裂縫;當(dāng)側(cè)移率達(dá)到1.5%時，水平裂縫沿環(huán)向斜向發(fā)展，形成若干交叉裂縫，同時，混凝土保護(hù)層出現(xiàn)剝落;當(dāng)側(cè)移率為3%時，柱下部混凝土保護(hù)層嚴(yán)重剝落，箍筋外露;當(dāng)側(cè)移率為8%時，水平力大幅度降低，試驗終止。

CFRT柱均表現(xiàn)出較為顯著的彎曲破壞特征。以C20L為例，當(dāng)側(cè)移率為0.75%時，試驗柱受拉一側(cè)開始出現(xiàn)水平裂縫;隨著側(cè)移率的增大，RPC管表面不斷出現(xiàn)細(xì)裂縫，且裂縫的長度和數(shù)量也不斷增長，但裂縫寬度增加不明顯，直至試驗結(jié)束。最終，試件表面出現(xiàn)大量的環(huán)向裂縫，但RPC保護(hù)層未出現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象，如圖5（b）所示。

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016版），結(jié)構(gòu)柱在罕遇地震下的極限塑性側(cè)移率不能小于0.02[41]。從表2中的數(shù)據(jù)來看，在試驗條件下，CFRT柱的θu在0.042～0.075之間，均明顯高于規(guī)范要求。

4.2耗能能力

耗能能力是衡量結(jié)構(gòu)柱抗震性能的另一個重要指標(biāo)，一般可以采用累計滯回耗能進(jìn)行評估，對應(yīng)于滯回曲線所圍成的面積。采用同一側(cè)移率的第一循環(huán)來計算累計滯回耗能，結(jié)果如圖11所示。

從試驗結(jié)果來看，C20L的累計滯回耗能超出對比柱R20L約為40%，提高幅度顯著，這主要得益于RPC管中鋼纖維的抗裂作用，以及鋼纖維在拔出過程中耗能貢獻(xiàn)。而對于CFRT柱，提高配箍率對于改善組合柱的耗能能力作用較為顯著。此外，可以看到C20H的累計滯回耗能較之C20L高出約25%。綜合來看，在填充高強(qiáng)混凝土的CFRT柱，其抗震性能不會出現(xiàn)顯著劣化，這與普通的箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱有顯著區(qū)別。

5結(jié)論

對CFRT柱開展了低周反復(fù)荷載試驗，基于試驗和分析結(jié)果，得到以下主要結(jié)論：

1）CFRT柱在低周反復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出典型的彎曲破壞特征，在距柱底約一倍直徑范圍內(nèi)形成塑性鉸。不同于普通的箍筋約束混凝土柱，RPC管表面出現(xiàn)大量細(xì)而密的裂縫，但保護(hù)層沒有明顯的剝落現(xiàn)象。

2）CFRT柱的滯回曲線較為飽滿，可以分為初始彈性段、平緩上升段和相對穩(wěn)定的下降段;而內(nèi)部填充高強(qiáng)混凝土的CFRT試件，其滯回曲線有一定的捏攏現(xiàn)象。

3）CFRT柱的抗震性能顯著優(yōu)于普通的箍筋約束混凝土柱，其初始剛度、抗側(cè)能力、耗能能力均有顯著提高。此外，增加RPC管內(nèi)的配箍率，可以在一定程度上提高CFRT柱的抗震性能。

4）在試驗條件下，CFRT柱的極限側(cè)移率在0.042～0.075之間，高于抗震設(shè)計規(guī)范關(guān)于罕遇地震下結(jié)構(gòu)柱極限塑性側(cè)移率不低于0.02的要求。從抗震性能來看，在RPC管內(nèi)部填充高強(qiáng)混凝土，對于CFRT體系是可以接受的組合方式。參考文獻(xiàn)：

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（編輯胡玲）