鋼管超高強混凝土柱擬靜力試驗

韋建剛，周 俊，楊 艷，陳寶春

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118)

0 引 言

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)在全世界范圍內(nèi)一直備受關(guān)注[1-2]，其在橋梁工程[3-4]中有著大量應(yīng)用。迄今為止的研究和觀察表明，UHPC有潛力將混凝土擴展為同以往不同的新形式，將UHPC與普通混凝土、鋼材等材料進行組合形成新型組合結(jié)構(gòu)是當(dāng)前工程界的研究熱點[5]；將未摻有鋼纖維的UHPC[本文為將其與摻有鋼纖維的UHPC進行區(qū)別，稱之為超高強混凝土(Ultra-high Strength Concrete，UHSC)]與鋼管組成鋼管超高強混凝土(UHSC Filled Steel Tubular，UCFST)結(jié)構(gòu)，不但具備普通鋼管混凝土的組合效應(yīng)特征，且外部鋼管的約束可以在一定程度上彌補UHSC由于強度的提高而導(dǎo)致的脆性缺陷[6]。

對于UCFST結(jié)構(gòu)的研究，目前主要集中在靜力性能方面。Xiong等[7]、韋建剛等[8-9]以鋼材強度、UHSC強度、套箍系數(shù)、徑厚比以及長細(xì)比等為參數(shù)，對UCFST試件進行了長短柱的軸壓、偏壓試驗研究，提出一系列適用于UCFST試件受壓承載力的計算公式；對于UCFST結(jié)構(gòu)抗震性能研究，Wei等[10]對該結(jié)構(gòu)彎矩-曲率滯回性能進行了分析。還有部分學(xué)者以軸壓比、徑厚比以及鋼材強度等為參數(shù)，進行了鋼管高強混凝土(High Strength Concrete Filled Steel Tubular，HCFST)結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗，分析了各試件抗震性能[11-12]。

為了進一步探討UCFST結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文借鑒CFST結(jié)構(gòu)擬靜力試驗研究[13-14]，以UCFST柱為研究對象，采用擬靜力試驗方法分析軸壓比、含鋼率和長徑比對UCFST試件荷載-位移滯回曲線、強度和剛度退化、耗能以及延性等指標(biāo)的影響，了解該類結(jié)構(gòu)的抗震性能，可為其應(yīng)用研究提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗概況

以軸壓比、含鋼率和長徑比為試驗參數(shù)，設(shè)計了11根UCFST柱。表1為試件的詳細(xì)設(shè)計資料，其中，鋼管采用Q345鋼材，試件編號由五部分組成：S代表鋼管，U代表UHSC，T為鋼管厚度，L為試件長度，N代表試件軸壓比n小數(shù)點后數(shù)值，且n=N0/Nu，N0為試驗時施加在試件端部的水平軸力，Nu為鋼管屈服時對應(yīng)的試件強度承載力[15]，D為鋼管外徑，α為含鋼率。

表1 試件參數(shù)

2 加載方案與測量方式

本文采用如圖1所示兩端鉸支跨中作用集中荷載的梁式加載方式。試驗加載制度采用位移控制方式[16]，試件屈服前每級位移加載1圈，屈服后，以屈服位移倍數(shù)為加載位移，每級位移加載3圈，直至試件破壞。在平面鉸中心和試件兩側(cè)四分之一點處布置位移計對其撓度進行測量；由MTS伺服加載系統(tǒng)和放置在跨中處的位移計同時測量跨中撓度。試件最不利截面位于剛性夾具兩側(cè)，在試件剛性夾具兩側(cè)截面各選取4個點布置相互垂直的雙向應(yīng)變花，以測得最不利截面上關(guān)鍵點的鋼管縱向和橫向的應(yīng)變。

圖1 試驗裝置

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 荷載-位移滯回曲線

所有試件加載后都呈整體彎曲破壞。圖2為各UCFST柱荷載-位移滯回曲線，從圖2可以看出，11根試件呈大致相同的趨勢，都較為飽滿，無捏縮，呈紡錘形，說明其抗震性能較好。在加載初期，滯回曲線基本呈直線狀，試件剛度無退化，處于彈性階段，殘余變形基本為0。隨著位移的增大，試件進入彈塑性階段，滯回曲線不再經(jīng)過0點，呈直線上升，在該階段，有殘余變形開始產(chǎn)生，滯回曲線形成完整的滯回環(huán)，且隨著循環(huán)位移的不斷增大，滯回環(huán)所圍成的面積不斷增大，越來越飽滿。由圖2(a)～(e)可知：隨著軸壓比的增大，滯回環(huán)面積不斷減小，耗能減弱；在軸壓比較小時，荷載-位移滯回曲線在后期基本呈直線狀，無明顯下降，而軸壓比較大時，荷載-位移滯回曲線有明顯的下降段。由圖2(c)，(f)～(h)可知，在保持其他參數(shù)不變情況下，隨著含鋼率的增大，滯回曲線圍成的面積越大，形狀越飽滿，耗能能力越強。對比圖2(c)，(i)～(k)可知，隨著試件長徑比增大，滯回曲線面積越小，耗能能力不斷退化。因此，軸壓比、含鋼率以及長細(xì)比對試件荷載-位移滯回曲線具有較大的影響。

圖2 荷載-位移滯回曲線

3.2 荷載-位移骨架曲線

圖3和表2分別為試件的荷載-位移骨架曲線及骨架曲線特征值。從圖3可知：試件在屈服前，骨架曲線基本呈直線上升趨勢；隨著跨中豎向位移增加，試件進入彈塑性狀態(tài)，剛度下降，曲線斜率降低。結(jié)合圖3和表2可知：軸壓比對彈性段剛度沒有太大影響，但是軸壓比由0.03增大到0.23時，試件峰值承載力降低了36.77%，且下降段下降速度變快；隨著含鋼率的增大，試件彈性階段剛度和極限承載力都有較大提高，含鋼率由0.160增大到0.361，彈性剛度增大了43.12%，試件峰值承載力提高了63.32%；同時長徑比對試件的彈性剛度及承載力影響也較大，長徑比由10增大到21時，彈性剛度降低了84.74%，峰值承載力減小了70.44%。由此可知，軸壓比、含鋼率和長徑比對UCFST柱荷載-位移骨架曲線影響較大。

圖3 荷載-位移骨架曲線

由表2可知：隨著軸壓比的增大，試件承載力減小，延性系數(shù)呈先增大后減小趨勢，主要是因為軸壓比為0.03的試件骨架曲線未出現(xiàn)下降段，使得軸壓比由0.03增大至0.06時延性系數(shù)增大；隨著長徑比的增大，試件承載力減小，延性系數(shù)呈先增大后減小趨勢；隨著含鋼率的增加，試件承載力和延性系數(shù)則呈增大趨勢。由此可知，軸壓比、含鋼率以及長徑比對試件承載力和位移延性系數(shù)有著較大的影響。

表2 骨架曲線特征值

3.3 耗能能力

等效黏滯阻尼系數(shù)是衡量結(jié)構(gòu)耗能能力的重要參數(shù)，各試件等效黏滯阻尼系數(shù)-位移曲線見圖4。從圖4可以看出，隨著位移增大，試件等效黏滯阻尼系數(shù)都不斷增大。隨著軸壓比增大，同一位移試件等效黏滯阻尼系數(shù)都有所增大，這與普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)一致[14]。對于不同含鋼率試件，等效黏滯阻尼系數(shù)呈減小趨勢。對比不同長徑比試件，試件等效黏滯阻尼系數(shù)整體上呈減小趨勢。

圖4 等效黏滯阻尼系數(shù)-位移曲線

3.4 剛度退化

UCFST柱隨著位移的增大，剛度會隨著試件進入塑性階段而不斷減小，從而發(fā)生剛度退化。剛度退化采用割線剛度[16]表示，圖5為UCFST柱剛度退化曲線，橫坐標(biāo)為累積滯回耗能，可根據(jù)文獻[17]計算。由圖5可知，在加載初期，曲線下降程度明顯，剛度退化較快，在加載后期，曲線則趨于平緩。其中，隨著軸壓比和長徑比的增大，剛度退化程度越大，且長徑比的變化對其影響較大；隨著含鋼率的增大，試件剛度退化程度則不斷減小。

圖5 剛度退化曲線

3.5 強度退化

試件的強度退化是指試件隨著反復(fù)加載位移的增大，其承載力不斷降低的過程，可用同級荷載退化系數(shù)[17]表示。試件強度退化曲線如圖6所示，與極限荷載Pu(Pu=0.8Pmax)對應(yīng)的退化系數(shù)為±0.8水平線進行比較可知，試件在屈服后仍有較長水平段，表明其不會很快喪失承載能力，達到破壞荷載時仍能繼續(xù)承載。試件強度退化程度隨著軸壓比和長徑比的增大而增強，且軸壓比小于等于0.06的試件總體強度退化較小。同時，試件強度退化程度隨著含鋼率增大而降低，且含鋼率為0.361的試件強度退化程度較低。

圖6 強度退化曲線

3.6 抗彎剛度和極限彎矩

圖7為典型的UCFST柱(SU-T6-L19-N03)彎矩-曲率骨架曲線。由圖7可知：在加載初期，曲線剛度變化較小，為彈性階段；曲線剛度隨著加載繼續(xù)不斷減小，直至達到試件極限彎矩Mu。同文獻[12]，本文將0.2Mu割線剛度定義為初始截面抗彎剛度Ki，將0.6Mu割線剛度定義為使用階段抗彎剛度Ks，通過本文試驗得到的初始階段剛度試驗值Kie和使用階段剛度試驗值Kse。采用ACI[18]，BS 5400[19]，ANSI/AISC[20]以及EC4[21]中的計算公式計算本文試件抗彎剛度，并將其結(jié)果與試驗值比較，結(jié)果如表3所示。并采用上述規(guī)程以及GB 50936—2014[22]中對極限彎矩的計算公式，對試件極限彎矩進行計算，與試驗結(jié)果進行比較，如表4所示。由于截面抗彎剛度和彎矩與試件長度無關(guān)，因此以下對不同長徑比的試件并未分析。

圖7 典型彎矩-曲率骨架曲線

表4 極限彎矩規(guī)程計算值與試驗值對比

由表3可知，UCFST柱抗彎剛度隨著軸壓比的增大呈先增大后減小趨勢，但影響程度不大，這與CFST柱[14]結(jié)果類似，主要是由于軸壓比的增大使得核心UHSC初始應(yīng)力增大，模量有所降低，且核心UHSC對截面抗彎剛度作用占比不大，因此核心UHSC受壓面積增大對抗彎剛度影響不大。截面抗彎剛度隨著含鋼率的增大也呈增大趨勢。此外，采用上述規(guī)程對UCFST柱截面抗彎剛度的計算結(jié)果都偏保守，分析其原因為本文采用的核心混凝土為超高強混凝土，而上述規(guī)程適用范圍未將其含括進去，因此有必要對其進行適當(dāng)修正，以期適用于高強材料組合結(jié)構(gòu)抗彎剛度計算；對比4種規(guī)程，BS 5400計算結(jié)果相對更接近試驗結(jié)果，后面依次為ANSI/AISC，EC4和ACI。

表3 抗彎剛度規(guī)程計算值與試驗值對比

由表4可以看出，當(dāng)軸壓比較小時，極限彎矩隨軸壓比增大呈增大趨勢，當(dāng)軸壓比較大時，則呈減小趨勢。含鋼率增大時，極限彎矩也隨之增大。對比不同規(guī)范對極限彎矩的計算結(jié)果與試驗結(jié)果可知，GB 50936—2014計算結(jié)果與試驗結(jié)果最為接近，BS 5400次之，后面依次為ACI，ANSI/AISC以及EC4。

4 結(jié) 語

(1)軸壓比、含鋼率和長徑比對試件的承載力和延性影響較大。試件極限承載力隨著軸壓比和長徑比增大而減小，隨著含鋼率增大而增大；延性系數(shù)隨著軸壓比和長徑比增大呈先增大后減小趨勢，隨著含鋼率增大而增大。

(2)軸壓比、含鋼率和長徑比對試件的耗能及強度和剛度退化具有較大的影響。試件整體耗能能力隨著軸壓比和長徑比增大而減弱，隨著含鋼率增大而提高；強度和剛度退化程度則隨著軸壓比和長徑比增大而增強，隨著含鋼率增大而減弱。

(3)隨著軸壓比增大，試件抗彎剛度呈先增大后減小趨勢，極限彎矩呈減小趨勢；含鋼率的增大，有利于截面抗彎剛度和極限彎矩的增大。由于受適用材料范圍的限制，目前規(guī)程中的抗彎剛度和彎矩計算方法并不適用于鋼管超高強混凝土柱，計算結(jié)果偏差較大。