薄壁圓鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗研究

李祝情,　肖景平，　王成剛,　柳炳康,　胡瓊芳

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥　230009; 2.華匯工程設計集團股份有限公司,浙江 紹興　312000)

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薄壁圓鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗研究

李祝情1,肖景平2，王成剛1,柳炳康1,胡瓊芳1

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥230009; 2.華匯工程設計集團股份有限公司,浙江 紹興312000)

摘要:文章通過對2根薄壁圓鋼管再生混凝土柱在定常軸力和水平往復荷載作用下的擬靜力試驗,研究其破壞形態和滯回特性,分析其承載力、剛度退化、延性及耗能能力等抗震性能。試驗結果表明:試件破壞時柱根部200 mm范圍內鋼管壁發生屈曲外鼓;低周反復荷載下滯回曲線較為飽滿,延性系數在4.0左右,說明薄壁鋼管再生混凝土柱具有良好的延性性能和耗能能力。

關鍵詞:薄壁鋼管;再生混凝土柱;滯回曲線;抗震性能

隨著全球可持續發展戰略的提出,各國都在研究和利用廢棄可再生材料,以達到保護環境、節約天然資源等目的[1]。再生混凝土是指將廢棄混凝土塊經過破碎、清洗、分級后,按一定比例與級配混合,部分或全部代替砂石等天然骨料(主要是粗骨料)配制而成的新的混凝土。由于再生混凝土的承載能力、耐久性能等均低于普通混凝土,使得再生混凝土結構性能相比于普通混凝土結構有不同程度的降低,這成了再生混凝土在工程中應用的最大障礙。但是,將再生混凝土灌入鋼管形成鋼管再生混凝土之后,使再生混凝土處于鋼管的約束和保護之下,兩者的相互作用有利于提高再生混凝土的承載能力,改善再生混凝土耐久性能,也能夠充分發揮2種材料的特點,揚長避短。

國內外學者對鋼管再生混凝土柱的靜力性能進行了研究。文獻[2-3]對鋼管再生混凝土構件的軸壓性能進行了大量的試驗研究，試驗結果顯示:鋼管再生混凝土和普通鋼管混凝土的破壞形態類似,當核心混凝土強度相同時,前者比后者的極限變形量大些,而極限承載力要小些。但是國內外對薄壁鋼管再生混凝土抗震性能的研究卻開展得較少[4-5]。本文通過2根薄壁圓鋼管再生混凝土柱在水平往復荷載下的試驗研究,分析試件的抗震性能,為薄壁鋼管再生混凝土構件在工程中的應用提供理論依據。

1試驗概況

1.1試驗材料及試件制作

試驗設計制作了2根圓鋼管再生混凝土柱,分別為試件YDZB2-1、YDZB2-2,2根試件的再生骨料取代率均為100%。再生粗骨料為某建筑物拆除后的廢棄混凝土加工破碎所得。試驗中使用的水泥為安徽巢湖水泥廠生產的P42.5普通硅酸鹽水泥,拌制水為普通自來水。制作試件時,混凝土由現場攪拌而成,為確保鋼管內混凝土的密實性,混凝土澆筑過程中用插入式振搗棒進行振搗,澆筑完成后敞口自然養護。

鋼管采用Q235B鋼,根據《金屬材料拉伸試驗》[6]進行了鋼材的相關性能檢測,鋼管加工詳圖如圖1所示。鋼管再生混凝土試件的基本參數見表1所列。

圖1　試件加工詳圖

試件編號B/mmt/mmfy/MPafu/MPafcu/MPanN/kNYDZB2-12251.9343748733.60.2480YDZB2-22251.9043748733.60.2480

表1中，B為鋼管外徑；t為鋼管實測壁厚；fy為鋼管屈服強度；fu為鋼管極限強度；fcu為混凝土立方強度；n為軸壓比；N為豎向軸力。

1.2試驗加載裝置及加載方法

試驗加載裝置如圖2所示,整個試驗過程在合肥工業大學結構實驗室完成。由液壓千斤頂施加豎向軸力,水平荷載由固定于反力墻上的MTS電液伺服作動器施加。

圖2　試驗加載裝置

試驗時先施加豎向軸力,在軸向壓力施加過程中,注意觀察千斤頂油壓的變化情況,使其變化范圍控制在5%以內;然后再由MTS作動器施加水平荷載。水平荷載正式施加前,先預加載一個循環,以檢查試驗儀器和設備工作是否正常,預加值取為8 kN。試驗采用荷載和位移混合控制的加載方法。正式加載時,先采用力控制,每級循環1次,屈服后改為位移控制,每級循環3次,加載至水平荷載下降到最大水平荷載的85%以下,承載力有明顯下降時停止加載。試驗過程中,荷載和位移的數據由MTS自動采集。

2試件破壞形態

試驗過程中發現2個試件的破壞形態基本相同，即加載初期,試件處于彈性受力狀態,外形上沒有明顯的變化。當加載至2～3倍屈服位移時,在距離鋼管底部200 mm范圍內的受壓區發生了微小的鼓曲現象,但是隨著卸載和反向加載的進行,鼓曲的部位重新被拉平,且另一邊相同的位置處也發生微小的屈曲。

當加載至4～6倍屈服位移時,鋼管壁進入強化階段,鋼管的底部受壓區出現明顯的“象腿”現象,產生的塑性變形也隨之逐漸增大。當試件位移加至接近破壞時,鋼管根部的鼓曲部位產生水平裂口,導致承載力快速下降。最終鋼管根部拉裂,可見管內混凝土局部壓潰,試件典型的破壞狀態如圖3所示。

圖3　試件破壞狀態

3抗震性能分析

3.1P-Δ滯回曲線

試驗得到的鋼管再生混凝土柱YDZB2-1和YDZB2-2的P-Δ滯回曲線如圖4所示,分析圖4可得如下結論:

(1) 2個試件的滯回曲線形狀大致相同,雖然鋼管壁厚只有2 mm左右,但滯回曲線飽滿性較好,說明了薄壁鋼管再生混凝土柱具有較好的延性性能和耗能能力[7]。

(2) 試件在屈服之前,力與位移基本呈線性關系,P-Δ滯回曲線在加載和卸載階段所包圍的范圍狹長,表示試件耗能較少;試件在屈服之后,隨著加載位移增大,滯回曲線逐漸倒向水平軸,滯回曲線所包圍的面積較豐滿。隨著循環次數增加,鋼管再生混凝土柱的耗能能力不斷增強。

(3) 在位移控制加載時,每一階段有3個循環,第1次循環所達到的荷載略高于后面2次,加載曲線也略高于后2次循環,說明在同一位移加載循環下,構件承載力和剛度隨循環次數的增加有所降低。

圖4　P-Δ滯回曲線

3.2P-Δ骨架曲線及延性

圖5所示為試件YDZB2-1和YDZB2-2的P-Δ骨架曲線圖。

根據試驗結果得出的試件的峰值荷載和峰值位移、破壞荷載和極限位移及屈服荷載和屈服位移等參數見表2所列。

圖5　骨架曲線對比圖

對比圖5及表2可得如下結論:

(1) 2個試件的骨架曲線均基本反向對稱,正反向的峰值荷載和峰值位移基本相等。

(2) 試件YDZB2-1和YDZB2-2的延性系數均在4.0左右,表明薄壁鋼管再生混凝土柱具有良好的變形性能和延性指標。

(3) 試件YDZB2-1和YDZB2-2的極限位移角均在1/25.7～1/26.4之間,均大于《建筑抗震設計規范》[8]關于框架結構彈塑性層間位移角限值1/50的規定。試件的軸壓比為0.2,表明鋼管再生混凝土柱在較小的軸壓比條件下,具有良好的彈塑性變形性能[9]。

表2　試件的特征荷載和特征位移

3.3剛度退化曲線

試件YDZB2-1和YDZB2-2的剛度退化曲線如圖6所示。其中,k為鋼管再生混凝土柱的等效剛度,等于原點與某次循環的荷載峰值連線的斜率值。

由圖6可以看出,鋼管再生混凝土柱的剛度退化主要發生在1Δy、2Δy、3Δy級的循環加載中,之后隨著變形的增大,剛度退化慢慢趨于平緩,退化的幅度也越來越小。

圖6　剛度退化曲線對比圖

3.4耗能能力

耗能能力是衡量結構抗震性能的重要指標,常用總耗能I和能量耗散系數E來判斷試件的耗能能力。在低周反復荷載作用下,每級循環中各個滯回環所包圍的區域的面積SABCDA代表了荷載循環1次時所吸收的能量,加載全過程的總耗能I按(1)式計算:

(1)

能量耗散系數E按(2)式計算:

(2)

其中,Ei為第i次加載時的能量耗散系數;S(ABC+CDA)為第i次加載時滯回環與位移軸所圍成的總面積;S(OBE+ODF)為第i次加載時滯回環的峰值點與位移軸所圍成的三角形的總面積。耗能系數計算示意圖如圖7所示。

圖7　耗能系數計算示意圖

結構耗能能力還可以用等效黏滯阻尼系數ξeq表示,按(3)式計算。

(3)

本文選擇極限位移所對應循環的滯回環來計算2個試件的能量耗散系數E和等效黏滯阻尼系數ξeq。2個試件的總耗能I、能量耗散系數E和等效黏滯阻尼系數ξeq見表3所列。由表3可知試件的等效黏滯阻尼系數在0.269～0.352之間,而普通鋼管混凝土柱的等效黏滯阻尼系數一般在0.1～0.2之間[10-11],說明鋼管再生混凝土柱的耗能能力并不比普通鋼管混凝土柱差,即使鋼管的壁厚很薄,也有較好的耗能能力。

表3　各試件耗能能力

4結論

(1) 鋼管再生混凝土柱與普通鋼管混凝土柱相比,破壞過程和破壞模式大致相同,都是彈性—屈服—極限—破壞4個階段,試件破壞時根部鋼管壁發生明顯的鼓曲變形,鋼管根部拉裂,管內混凝土局部壓潰。薄壁鋼管再生混凝土柱與普通鋼管混凝土柱破壞形態基本相同。

(2) 試件屈服前,鋼管對內部核心混凝土的約束作用不明顯,而屈服后,鋼管對混凝土的約束作用明顯,混凝土處于三向受力狀態,與此同時,由于內部核心混凝土的存在,減弱了鋼管的局部失穩狀態,充分發揮了混凝土材料受壓和鋼材受拉性能。薄壁鋼管對于核心區混凝土具有良好的約束作用。

(3) 2個試件的滯回曲線飽滿、延性系數在4.0左右,等效黏滯阻尼系數在0.269～0.352之間，表明了薄壁鋼管再生混凝土結構具有良好的滯回性能、變形性能和耗能能力,用于抗震設防地區。

[參考文獻]

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(責任編輯張镅)

Experimental research on seismic behavior of circular thin-walled steel tubular columns filled with recycled aggregate concrete

LI Zhu-qing1,XIAO Jing-ping2,WANG Cheng-gang1, LIU Bing-kang1, HU Qiong-fang1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Huahui Engineering Design Group Co., Ltd., Shaoxing 312000, China)

Abstract:Quasi-static experiment of two circular thin-walled steel tubular columns filled with recycled aggregate concrete under axial load and cyclic lateral load was conducted. The failure pattern and hysteresis performance of the columns were studied, and their seismic behavior, such as bearing capacity, stiffness degradation, ductility, energy dissipation capacity and so on, was analyzed. The experimental results show that the steel tube wall which is less than 200 mm away from the roots of the columns is buckling when the specimens are destroyed. The hysteresis curves of the specimens are plump in shapes under low cyclic load, and the ductility coefficient is around 4.0. These results illustrate that the circular thin-walled steel tubular column has good ductility and energy dissipation capacity.

Key words:thin-walled steel tube; recycled aggregate concrete-filled column; hysteresis curve; seismic behavior

中圖分類號:TU398.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)03-0364-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.016

作者簡介：李祝情(1990-),女,安徽太湖人,合肥工業大學碩士生;柳炳康(1952-),男,安徽鳳陽人,合肥工業大學教授,博士生導師.

基金項目：住房與城鄉建設部科學技術計劃資助項目(2013-K4-46)

收稿日期：2015-01-08；修回日期：2015-03-06