往復水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗

張震,吳江，李加樂，張淑君，吳孫武　(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022)

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往復水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗

張震,吳江，李加樂，張淑君，吳孫武(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022)

[摘要]為研究方鋼管再生混凝土柱在往復水平荷載作用下的抗震性能，基于現行設計規范，制作了4根方鋼管再生混凝土試件進行擬靜力加載試驗，研究了再生骨料替代率、含鋼率和軸壓比這3種參數對試件抗震性能的影響。通過觀察各試件的破壞過程和破壞形態，分析其滯回曲線、骨架曲線、延性系數、耗能能力及剛度退化規律發現：所有試件破壞形態都為柱腳的鼓曲破壞，與普通鋼管混凝土柱相同；隨著再生骨料替代率的上升，柱的極限承載力、延性系數及耗能能力都有所降低，但降幅不大；含鋼率越大，柱的極限承載力明顯提高，延性和耗能能力亦有所增加，抗震性能顯著增強；軸壓比對柱的極限承載力和延性有一定程度影響，軸壓比越大，極限承載力越大，延性反而越差；從承載力、延性及耗能能力來看，在合理的軸壓比和含鋼率的前提下，方鋼管再生混凝土柱具有較好的抗震性能，可用于抗震設防區。

[關鍵詞]鋼管再生混凝土柱；軸壓比；取代率；含鋼率；擬靜力試驗；抗震性能

隨著我國城市化進程的加快，工程實際中會越來越多的使用到再生混凝土[1]。再生混凝土中骨料來自于已有建筑的廢棄混凝土，因在對混凝土進行破碎過程中會造成骨料出現進一步損傷，導致了再生混凝土的力學性能較普通混凝土要差，因此再生混凝土普遍應用于非承重和承重較小的結構中[2]。現階段，對普通鋼管混凝土結構的抗震性能的研究已趨向成熟，在此基礎上提出了鋼管再生混凝土結構，研究將鋼管再生混凝土結構用于建筑的抗側力構件和主要的承重構件具有十分重要的現實意義。

目前，國內外學者對鋼管再生混凝土進行了一些研究。在靜力受壓性能方面，吳波等[3]、肖建莊等[4]、陳娟等[5]、Koo K et al[6]進行了軸壓力學性能的試驗研究和理論推導。在抗震性能方面，黃一杰等[7]研究了再生骨料取代率和混凝土強度等鋼管再生混凝土柱抗震性能的影響，并提出了基于Miner原理的改進損傷評估模型。張向岡等[8,9]對圓形和方形鋼管再生混凝土柱進行了深入細致的研究，并依據現有規程相關公式進行了壓彎承載力的計算。黃丹等[10]、張銳等[11]、孟二從等[12]也對不同變化參數下的鋼管再生混凝土柱進行了試驗研究。

為了進一步研究鋼管再生混凝土柱在低周反復荷載下的抗震性能，筆者選擇再生骨料替代率、含鋼率和軸壓比這3個參數為變化參數，對4根試件柱模型進行了在恒定軸壓力和水平荷載作用下的破壞加載試驗，分析了各試件的極限承載力、延性系數和耗能能力等參數，研究了3個參數對試件抗震性能的影響，為鋼管再生混凝土結構的推廣應用提供理論參考。

1試驗概況

1.1試件設計

選擇鋼管混凝土框架底層柱反彎點以下部分為研究對象，依據現行規范，設計制作了4個試件，編號為Z-0～Z-3。柱腳選用端承式柱腳，方鋼管每側與底板焊接有2個高度為120mm，厚度為10mm的梯形加勁肋板，柱頂焊接蓋板。各試件的相關參數見表1。

表1　試件參數

注：B為方鋼管載面密度，mm；t為鋼管壁厚度，mm；L為柱的有效高度，mm。

1.2試驗材料

再生混凝土由天然骨料、再生骨料、自來水、42.5R級水泥、黃砂拌合而成，其中再生骨料來自于某質監站廢棄試塊，經人工砸碎、篩選、清洗、烘干后得到。天然骨料和再生骨料經相同的篩網篩分，均為連續級配。

表2　鋼材性能值

實驗室制作試件過程中，再生混凝土在現場拌制形成，澆筑過程中用振搗棒進行振搗，保證混凝土密實，并預留3個標準立方體試塊，混凝土等級為C40，按規范要求測得的立方體平均抗壓強度為40.2MPa。鋼管采用Q235B，鋼材性能值見表2。

1.3加載裝置及加載制度

注：　　　1—反力墻；2—電液伺服作動器；3—豎向門架；　　　4—反力梁；5—滑動小車；6—油壓千斤頂；　　　7—試件；8—混凝土基座。　　圖1　加載示意圖

圖2　加載制度

安裝試驗裝置時，先將混凝土底座安裝到位，再用螺栓固定在剛性地面，最后將鋼管再生混凝土柱通過螺栓安裝至混凝土底座上，形成固定端。試件采用懸臂柱式加載方法，柱的軸力由上方的1000kN油壓千斤頂施加，正式加載前，先施加預定荷載的一半以消除內部不均勻性，然后卸載后再施加至預定荷載，保持整個加載過程中軸力始終穩定直至試驗結束。水平荷載由固定在試件左端位于反力墻上的液壓伺服作動器施加，加載示意圖如圖1所示。

按照《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ101-1996)的相關規定，加載方式采用荷載-位移控制加載。試件屈服之前，采用荷載分級控制，每級荷載按照25kN為增量，每級循環一次，直至在滯回曲線上出現明顯拐點后，再重新設置成位移控制。按照屈服位移Δy為倍數繼續加載，每級循環3次。為了方便比較各試件在同級位移下的試驗數據，根據第一根試件的屈服位移，將所有試件的屈服位移統一取為9mm，直到試件的承載力下降至極限荷載85%以下才停止加載，加載制度見圖2。

2試驗過程及分析

圖3　典型的破壞形態

在整個試驗加載過程中各試件表現出的破壞過程宏觀上相似，在加載初期，試件未屈服之前都沒有任何現象出現。待試件進入屈服階段后，隨著作動器的持續加載，首先在試件受壓側柱腳上方發生局部輕微屈曲。隨著作動器卸載及反向持續加載時，屈曲被拉恢復后繼而在對應一側也出現屈曲。隨著水平位移的加大，屈曲轉向受壓側旁的2個側面。試件快要破壞時，屈曲現象迅速發展，整個截面鼓曲十分明顯。卸載后，待作動器位移歸零，鼓曲截面稍微有所恢復。試驗結束后剝開鋼管，發現柱腳鼓曲處內部混凝土完全被壓碎。這是因為在加載過程中，鋼管發生屈曲后與混凝土的黏結作用減弱，鋼管不能對混凝土形成良好的約束，且之前由鋼管承擔的軸壓力也有部分轉移由核心混凝土承擔，因此核心混凝土被壓碎嚴重。所有柱的破壞現象都表現為在水平荷載作用下柱兩側鼓曲嚴重，另外兩側鼓曲較輕微。典型的破壞形態見圖3。

3試驗結果及分析

3.1荷載-位移滯回曲線

通過試驗實測得到的鋼管再生混凝土柱荷載-位移滯回曲線見圖4。其中，荷載指的是柱頂部水平荷載，位移指的是柱頂部與作動器齊平的水平位移。

圖4　荷載-位移滯回曲線

由圖4可知：①各試件的滯回曲線均呈紡錘形，并沒有出現明顯的“捏攏”現象，說明鋼管再生混凝土柱同鋼管混凝土柱一樣，都具有良好的耗能性能。再生骨料替代率、含鋼率及軸壓比對滯回曲線的形狀不產生明顯的影響。②試件屈服之前，荷載與位移基本呈線性關系，無明顯的殘余變形，且剛度基本不退化。屈服之后，隨著加載位移的增加，滯回曲線越來越飽滿，耗能能力得到提升，殘余變形也逐步加大。同時每級循環位移加載下，后級循環的承載力都比前級循環的承載力有所下降，表現出承載力退化情況，反映出試件在加載過程中受到了累積損傷的影響。③對于取代率為參數變化的試件，其滯回曲線的形狀較普通鋼管混凝土變化不大，說明取代率對鋼管混凝土柱的滯回曲線影響不大。④對于含鋼率不同的試件Z-1和Z-2的鋼管再生混凝土柱，鋼管壁厚越大，極限承載力提升越明顯，延性和耗能能力也越好。⑤對于軸壓比單參數變化的鋼管再生混凝土柱，隨著軸壓比的增大，極限承載力有一定程度提高，但表現出較差的延性和耗能能力。

3.2骨架曲線

圖5　骨架曲線

圖5為所有試件的骨架曲線，由圖5可知：①所有試件均經歷了上升階段、峰值階段和下降階段，除了試件Z-3因軸壓比較大導致下降階段時發展迅速外，其余試件的下降階段都比較平緩，具有良好的后期變形能力，延性較好。這主要是因為鋼管與再生混凝土之間的相互作用，鋼管約束混凝土，使得混凝土處于三向受壓狀態，混凝土強度得到明顯提高。另外，混凝土對鋼管的鼓曲起到了支撐和限制作用，延緩了鋼管鼓曲變形的發展速度，使得2種材料的優點得以良好發揮。②對于取代率不同的試件Z-0和Z-1，骨架曲線的大體形狀相似，彈性工作階段幾乎重合，說明不同的再生骨料替代率對鋼管混凝土柱的初始彈性剛度的影響可以忽略不計。③對于軸壓比不同的試件Z-1和Z-3，不同的軸壓比帶來的變化較越明顯，隨著軸壓比增大，極限承載力有了一定程度提高，但高軸壓比試件的骨架曲線下降階段比較急劇，破壞荷載對應的破壞位移較小，變形能力有限。④對于含鋼率不同的試件Z-1和Z-2，隨著含鋼率的上升，試件的初始剛度有所增大，極限荷載增大尤為明顯并擁有更好的彈塑性變形能力和耗能能力。

3.3延性和耗能能力

圖6　能量等值法示意圖

筆者采用能量等值法來確定試件的屈服位移Δy，具體做法如圖6所示。過骨架曲線極值點A向y軸做垂線，并通過原點O向上做斜線，當ABH和OIH面積相等時，B點對應的位移即為屈服位移Δy。取極限荷載Pmax下降至85%時的荷載Pu對應的位移為破壞位移Δu，位移延性系數的計算方法為：μ=Δu/Δy。計算求出的位移延性系數μ及各特征值見表3，其中，Py、Δy分別為屈服荷載和屈服位移，Δmax為Pmax對應的位移。

從表3可知：①所有試件的平均延性系數都在3.0以上，表明方鋼管再生混凝土柱擁有良好的變形能力。②比較試件Z-0、Z-1可知，再生骨料取代率對屈服荷載、極限荷載、破壞荷載即對應的位移有一定的影響，但影響不大。具體表現為，再生骨料取代率越大，其特征值較之鋼管普通混凝土柱的要低。③比較試件Z-1、Z-2可知，含鋼率對試件特征值影響較大，隨著含鋼率的上升，試件屈服荷載、極限荷載及破壞荷載均有顯著提高，延性性能也有所增大。④比較試件Z-1、Z-3可知，隨著軸壓比的上升，試件的屈服荷載、極限荷載及破壞荷載也有所提升，但延性性能反而有所下降。

采用等效粘滯阻尼系數he來評價各試件的耗能能力，各試件計算所得的等效粘滯阻尼系數值見表3。由表3可得出：①鋼管再生混凝土柱的he在0.32～0.42，而普通鋼筋混凝土柱的he在0.1～0.2，型鋼混凝土柱的he在0.3左右，說明鋼管再生混凝土耗散能力強，具有優越的耗能能力，其耗能指標滿足結構抗震設計的要求。②再生骨料取代率對試件耗能的影響極小，可忽略不計；含鋼率對試件的耗能有明顯的影響，含鋼率越高，試件的耗能能力越好；軸壓比對試件的耗能能力有不利的影響，軸壓比越大，試件的耗能能力反而會下降。

表3　試件承載力、位移和位移延性系數

3.4剛度退化

圖7　剛度退化曲線

剛度退化采用試件不同加載位移下滯回曲線的割線剛度Ki來表征，Ki按照同一級位移加載第一次循環的峰值荷載進行計算，由于試件在彈性階段的剛度幾乎不退化，故選取彈塑性階段之后的剛度作為研究對象并繪制出剛度退化曲線，如圖7所示。從圖7可以看出：①各試件具有一些相同的退化規律。在加載初期，剛度退化較快，曲線下降明顯。達到極限荷載后，剛度退化曲線逐漸變緩。②試件Z-0、Z-1各階段的剛度退化曲線基本重合，表明取代率對試件的剛度退化并無影響；③試件Z-2的剛度曲線退化趨勢與試件Z-1大體相同，但初始剛度要明顯大于試件Z-1。即含鋼率越大，初始剛度越大。④試件Z-3的退化速率較試件Z-1要逐漸變大，說明軸壓比越大，剛度退化速率越大，這主要是因為越到加載后期，其二階效應越加明顯所導致的。

4結論

1)鋼管再生混凝土柱的破壞形態與鋼管普通混凝土柱大體相同，都是鋼管柱腳發生鼓曲的壓彎破壞。

2)再生骨料替代率對試件的承載能力、延性性能和耗能能力均有輕微的不利影響，但影響很小，且對剛度退化曲線基本沒有影響，再生混凝土可以代替普通混凝土用于填充鋼管混凝土結構。

3)含鋼率(鋼管壁厚)對試件的抗震性能影響較為顯著，含鋼率越大，初始剛度增強，鋼管對核心混凝土約束越大，混凝土能夠得到良好的變形，故水平承載力越大，延性和耗能能力亦有所增加。

4)軸壓比對鋼管再生混凝土柱的抗震性能有一定的影響，軸壓比越大，初始剛度有所增加，但延性和耗能能力均下降，剛度退化速率也越大。

5)所有鋼管再生混凝土柱的等效粘滯阻尼系數在0.32～0.42，延性系數在3.02～3.81，說明鋼管再生混凝土柱具有良好的變形性能和耗能能力，能滿足實際工程中對抗震設計的要求。

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[編輯]計飛翔

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)04-0039-05

[中圖分類號]TU391

[作者簡介]張震(1991-)男，碩士生，現主要從事工程結構抗震方面的研究工作；通信作者：吳江，1879025407@qq.com。

[基金項目]住房與城鄉建設部基金資助項目(2013-K3-1)；江蘇省自然科學基金青年基金資助項目(BK2012477)。

[收稿日期]2015-10-18

[引著格式]張震，吳江，李加樂，等.往復水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(4)：39～43，55.