鋼管再生混凝土框架抗震性能試驗研究

孟二從，伍小萍，楊　震，蘇益聲,3

(1.廣西大學土木建筑工程學院, 廣西南寧530004； 2.西南大學工程技術學院， 重慶400715；3.廣西大學廣西防災減災與工程安全重點實驗室, 廣西南寧530004)

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鋼管再生混凝土框架抗震性能試驗研究

孟二從1,2，伍小萍1，楊震1，蘇益聲1,3

(1.廣西大學土木建筑工程學院, 廣西南寧530004； 2.西南大學工程技術學院， 重慶400715；3.廣西大學廣西防災減災與工程安全重點實驗室, 廣西南寧530004)

為了從結構層面對鋼管再生混凝土框架結構的抗震性能進行研究，以梁截面高度為變化參數，設計制作了2榀100%取代率的方鋼管再生混凝土柱—鋼筋再生混凝土梁框架，并對其進行低周反復加載試驗。結果表明：框架的滯回曲線呈現為飽滿的梭形，試件破壞時的等效黏滯阻尼系數heu在0.22以上，表明該框架結構具有良好的耗能性能；試件破壞時的層間位移轉角在1/39左右，表明該框架結構具有較好的抗倒塌能力。隨著梁截面高度的增加，試件的承載能力及初始彈性剛度會逐漸上升，而其延性系數則會逐漸下降；峰值荷載之前，增加梁的截面高度可以提升框架的耗能性能，峰值荷載之后，增加梁的截面高度則會降低框架的耗能性能，而梁截面高度對框架在達到峰值荷載后的殘余剛度影響則相對較小。

鋼管再生混凝土框架；抗震性能；試驗研究

再生混凝土(recycledaggregateconcrete，簡稱RAC)是指將廢棄混凝土塊經破碎、篩分、清洗后得到的再生骨料部分或全部替代天然骨料而制成的新混凝土[1]，它是解決建筑垃圾問題的有效途徑之一，但再生骨料在破碎過程中會產生一定的原始損傷[2-3]，因此配制而成的RAC的力學性能會有一定的缺陷。如何彌補這些缺陷則是推廣應用RAC技術的關鍵問題之一。

將RAC填充于鋼管之中形成的鋼管再生混凝土結構(recycledaggregateconcretefilledsteeltubestructure,簡稱RACFST結構)由于外部鋼管的約束作用，可以有效提升鋼管內核心RAC的承載能力及變形性能，從而可以有效彌補由再生骨料配制而成的RAC的相關性能缺陷，而RAC的存在又可有效限制鋼管發生局部屈曲，進而可以充分發揮兩種材料的力學性能，因而RACFST結構具有廣闊地推廣應用價值[4]。目前國內外已有不少學者對RACFST結構的相關力學性能進行了研究，但大多集中于構件的層面[5-12]，而在結構層面的研究還相對較少[13]。本課題組已在構件的層面對RACFST結構的相關力學性能進行了研究[14-16]，研究表明：鋼管再生混凝土構件和鋼管普通混凝土構件的相關力學性能相差不大，RAC可以填充于鋼管之中形成RACFST結構，并且RACFST構件具有較好地抗震性能。本研究在此研究背景基礎上，從結構的層面出發，設計制作了2榀100%取代率的鋼管再生混凝土柱—鋼筋再生混凝土梁框架，并對其進行低周反復加載試驗，以對鋼管再生混凝土框架的相關抗震性能進行試驗研究，進而為鋼管再生混凝土結構的進一步推廣應用及理論研究提供參考。

1　試驗概況

1.1試件設計

試驗以不同的梁高為變化參數，設計制作了2榀方鋼管再生混凝土柱—鋼筋再生混凝土梁框架，其編號分別設為RACFST-1及RACFST-2，鋼管采用截面尺寸為150mm×150mm，壁厚為6mm的Q235方鋼管，鋼管內及梁內均采用取代率為100%的再生混凝土，其設計強度等級均為C40，1m3再生混凝土配合比為水泥∶砂∶再生粗骨料∶水=500∶542∶1153∶205，RAC梁的的截面尺寸分別取為100mm×200mm(RACFST-1)及100mm×250mm(RACFST-2)，RAC梁內縱筋均為直徑14mm的HRB400鋼筋，箍筋采用Φ6@80mm，試件的梁柱節點采用開孔穿筋的連接方式，與此同時，為了保證“強節點弱構件”以及梁端剪力能夠有效地傳遞到柱上，在內節點處焊接一塊200mm×140mm×8mm的節點板。試件的相關設計參數如表1所示，其相關尺寸圖如圖1所示。

表1　試件的設計參數Tab.1　Design parameter of specimens

單位：mm

(a)RACFST-1

圖1試件尺寸圖

Fig.1Figureofframesize

1.2材料性能

在澆筑鋼管內及梁內的RAC時，預留了3個標準立方體試塊，并與試件在同等條件下進行養護，按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測得其立方體抗壓強度為52.8MPa。

鋼材的材料性能試驗按《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行，鋼材的力學性能實測值見表2。

表2　鋼材的力學性能實測值Tab.2　Measured value the mechanical behavior of steels

1.3加載裝置及制度

試驗的加載裝置如圖2所示。

1.反力墻；2.反力鋼柱；3.反力梁；4.MTS伺服作動器；5.油壓千斤頂；6.滾輪裝置；7.拉桿；8.螺紋鋼；9.槽鋼；10、小鋼梁；11、壓梁；12. RACFST框架

試件安裝完畢后，首先按照0.2的試驗軸壓比，通過兩臺油壓千斤頂同步施加至預定的豎向荷載并保持恒定。試件的水平加載采用荷載—位移混合控制的加載制度：試件屈服前采用荷載控制，加載級數為10kN，每級荷載循環1次直至試件達到屈服荷載Py；試件屈服后，采用位移控制，取屈服位移Δy的倍數為級差進行位移加載，對應的每級位移循環3次，直到荷載下降至峰值荷載的85%左右時停止試驗。

2　試驗過程及破壞形態

在本試驗中，規定水平荷載以推為正，以拉為負，靠近作動器的一側記為左側，另一側為右側。

從整個試驗過程來看，RACFST-1的破壞過程及破壞形態與RACFST-2類似。對于RACFST-2，當水平荷載達到±90kN時，梁左端在距左柱約10cm處開始出現1條貫通梁上端的彎曲裂縫，裂縫高度在6cm左右；隨著荷載的進一步增大，原有裂縫不斷延伸、擴展，并不斷有新的彎曲裂縫出現，新裂縫的位置逐漸遠離梁端向跨中靠攏；當荷載達到±130kN時，豎向彎曲裂縫基本出齊，豎向裂縫的間距在9～15cm，此時在梁兩端已經出現較為明顯的斜裂縫；當荷載達到±150kN時，梁端已出現較為明顯的交叉斜裂縫。直至力控加載結束，框架柱沒有發生鼓曲現象，但實測鋼管應變已達到屈服。

隨后，采用位移控制的加載方式，Δy取為6mm。在±1Δy時，原先形成的交叉斜裂縫進一步擴展延伸，并且在梁端形成一些無規則的細小斜裂縫；當加載位移達到±2Δy時，梁兩端的交叉斜裂縫迅速發展并開始向跨中靠擾，此時裂縫主要以斜裂縫的產生及發展為主，斜裂縫與梁軸線的夾角在35°～65°，RAC梁上部保護層位置處開始形成縱向劈裂裂縫；當加載位移達到±3Δy時，斜裂縫寬度明顯擴大，并逐漸形成主交叉斜裂縫，粘貼在柱底的環氧樹脂開始脫落；當加載位移達到±4Δy時，主斜裂縫區域的保護層被掀起，混凝土成塊狀脫落，部分區域的縱筋及箍筋外露，用手觸摸柱底已有較為明顯的鼓曲手感；當加載位移達到±6Δy時，試件已嚴重變形，柱底部的鋼管鼓曲現象已經較為明顯，此時正負向荷載均已下降到峰值荷載的85%，試驗宣告結束。RACFST-2的破壞形態如圖3所示。

(a) 梁

(b) 柱

(c) 整體

圖3RACFST-2的破壞形態

Fig.3FailuremodeofRACFST-2

3　試驗結果與分析

3.1滯回曲線

圖4為RACFST-1及RACFST-2實測的荷載—位移滯回曲線。

由圖4可知，RACFST框架的滯回曲線有如下特點：從整個加載過程來看，2榀RACFST框架的滯回曲線均沒有發生明顯的捏縮現象，總體上呈現為飽滿的梭形，并且在試件的破壞階段其滯回環仍呈飽滿的梭形，表明該框架結構具有良好的耗能性能。

(a)RACFST-1

(b)RACFST-2

圖4滯回曲線

Fig.4Hystereticcurve

3.2骨架曲線

試件的骨架曲線是指將荷載—位移滯回曲線的各級循環位級下第一循環的峰點所連成的包絡線。它能夠明確地反映出結構的強度以及變形性能等等。試件的骨架曲線如圖5所示。

由圖5可知，2榀框架的骨架曲線均較為完整，有明顯的上升段、峰值段及下降段，由此說明RACFST框架經歷了彈性工作階段、彈塑性工作階段及破壞階段。與此同時，RACFST-1與RACFST-2在正向的骨架曲線相差較大，而在負向的骨架曲線相差則相對較小。出現這一現象的原因可能與加載過程中試件的傳力過程有關，在正向推的過程中，框架兩根柱之間的力通過整個RAC梁傳遞，而在反向拉的過程之中，框架兩根柱之間的力主要通過RAC梁的受力縱筋及拉桿傳遞，從而出現了上述現象。總體而言，從整個骨架曲線的走勢來看，增加梁的高度可以提升框架的初始剛度及承載能力。

圖5　骨架曲線

3.3承載能力

表3為試件在各特征點處實測的特征值。其中，破壞荷載Pu取為峰值荷載Pm下降到85%時荷載；Δu則為與Pu相對應的破壞位移；屈服荷載Py采用等能量法進行計算，其計算模型如圖6所示：過峰值點M作一平行于X軸的直線，然后從坐標原點O引一斜線與上述直線相交于Y點，使得曲線OABM與折線OY-YM下的總面積相等，即SOAB=SBYM，圖中Δy即為所求的屈服位移，而與Δy相對應的荷載即為試件的屈服荷載Py。

由表3可知，相比于RACFST-1，RACFST-2的開裂荷載Pcr、屈服荷載Py、峰值荷載Pm均有了較大幅度的提升，RACFST-2在正負向的平均屈服荷載、平均峰值荷載分別提升了19.41%、10.95%。由此可知，增加RAC梁的截面高度可以有效提升RACFST框架的承載能力。

表3　實測特征點處數值Tab.3　Test results of characteristic points

圖6等能量法計算示意圖

Fig.6Energyequivalentmethodfigure

3.4延性系數及層間位移轉角

在框架結構抗震性能研究中，延性及層間位移轉角是研究結構變形性能的重要性能指標，位移延性系數μ=Δu/Δy，層間位移角θ=Δ/Η，其中,Δ指樓層的層間位移，Η指樓層層高。表4為試件在各特征點處實測的層間位移轉角及位移延性系數。

表4　層間位移轉角及延性系數Tab.4　Displacement angle and ductility coefficient of specimens

由表4可知：

①試件的延性系數在2.17～2.45，相比于RACFST-1，RACFST-2的延性系數降低了12.90%。由此可知，隨著梁截面高度的增加，RACFST框架的延性會逐漸下降。

②我國《建筑抗震設計規范》[17]規定：在多遇(中震)地震下，結構的彈性層間位移轉角應小于某一限制，以防止主體結構受到損壞，非結構構件發生過大破壞而導致人員的傷亡，以此來保證建筑的正常使用功能。對于鋼筋混凝土框架，這一規定限值為1/550，對于多、高層鋼結構，這一限值為1/250。2榀試驗框架屈服時的層間位移轉角在1/95～1/92，均遠大于規定限值，表明試件在達到規范規定的限值條件時還未發生明顯屈服，由此說明RACFST框架在彈性階段的變形能力能夠較好地滿足規范要求。

③我國《建筑抗震設計規范》[17]規定：在罕遇(大震)地震作用下，結構的彈塑性層間位移轉角應小于某一限值，以此來限制結構的最大變形，從而防止建筑結構的倒塌。對于鋼筋混凝土框架及多、高層鋼結構，這一限值為1/50。2榀試驗框架破壞時的層間位移轉角在1/39左右，遠大于規定的限值，表明試件在達到規范規定的彈塑性層間位移轉角限值時還未發生明顯的倒塌現象，由此表明RACFST框架具有較強的抗倒塌能力。

3.5耗能性能

在研究工程結構的抗震性能時，等效黏滯阻尼系數的大小常被用來作為評判結構耗能能力的一個重要指標。本文采用等效粘滯阻尼系數he來評價RACFST框架的耗能能力。he的計算公式為：

(1)

式中，S(ABC+CDA)表示滯回環面積，S(OBE+ODF)表示滯回環峰值點對應的三角形面積，其計算模型如圖7所示。按此公式計算的試件在各加載位移處的he值如表5所示。試件的he隨著加載位移的變化如圖8所示。

由表5及圖8可知，RACFST框架的等效黏滯阻尼系數he隨著加載位移的增加而不斷增大；試件破壞時的等效黏滯阻尼系數heu均在0.22以上，表現出良好的抗震耗能性能；與此同時，在±3Δ及其加載級之前(峰值荷載之前)，在各加載位移下，RACFST-2的he均大于RACFST-1的，而在±4Δ之后(峰值荷載之后)，在各加載位移下，RACFST-2的he反而均小于RACFST-1的。由此說明，在達到峰值荷載之前，增加RAC梁的截面高度可以提升RACFST框架的耗能性能，達到峰值荷載之后，增加RAC梁的截面高度則會降低RACFST框架的耗能性能。

表5　試件實測heTab.5　Measured he of specimen

圖7荷載—位移滯回環

Fig.7Loading-displacementhystereticloop

圖8試件he變化情況圖

Fig.8Figureofspecimenshe

3.6剛度退化

剛度退化是指在反復荷載作用下結構的剛度隨著加載位移的增加而不斷減小的現象。本文采用割線剛度來研究RACFST框架的剛度退化現象，其相關計算公式為：

(2)

式中，+Fj1和-Fj1表示試件在第j加載級第1循環下正、負向的最大荷載值，+Δj1、-Δj1則為與+Fj1、-Fj1相對應的位移，K則表示試件在正負方向上的平均割線剛度值。圖9為按上述計算方法進行計算而得到的試件剛度退化情況圖。

由圖9可知,隨著加載位移的增加，RACFST框架的剛度退化速率呈現出先快后慢的變化趨勢；增加RAC梁的截面高度可以有效提升RACFST框架的初始彈性剛度，而當加載位移達到±3Δ之后(峰值荷載之后)，兩榀框架的剛度變化曲線基本重合。由此可知，梁截面高度對RACFST框架在達到峰值荷載后的殘余剛度影響較小。

圖9　試件剛度退化

4　結　論

①RACFST框架的滯回曲線呈現為飽滿的梭形，在試件的破壞階段,其滯回環仍呈飽滿的梭形，與此同時，試件破壞時的等效黏滯阻尼系數heu在0.22以上，表明該框架結構具有良好的耗能性能。

②隨著RAC梁截面高度的增加，RACFST框架的承載能力及初始彈性剛度會逐漸上升，而其延性系數則會逐漸下降。

③試件屈服時的層間位移轉角在1/95～1/92，表明RACFST框架在彈性階段的變形能力能夠較好地滿足規范要求；破壞時的層間位移轉角在1/39左右，表明RACFST框架具有較好的抗倒塌能力。

④峰值荷載之前，增加RAC梁的截面高度可以提升RACFST框架的耗能性能，而峰值荷載之后，增加RAC梁的截面高度則會降低RACFST框架的耗能性能；與此同時，梁截面高度對RACFST框架在達到峰值荷載后的殘余剛度影響較小。

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(責任編輯唐漢民裴潤梅)

Experimental study on seismic behavior of RACFST fram

MENG Er-cong1,2, WU Xiao-ping1, YANG Zhen1, SU Yi-sheng1,3

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;2.CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China;3.GuangxiKeyLaboratoryofDisasterPreventionandEngineeringSafety,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

Tostudytheseismicbehaviorofrecycledaggregateconcretefilledsteeltube(RACFST)framefromthestructurallevel,twoframeswithRACFSTcolumnandRACbeamandareplacementratioof100%weredesignedandsubjectedtolow-cyclicreversedloadingunderdifferentbeamheights.Theresultsshowthatthehystereticcurvesoftheframesareplumpshuttleshaped.Theequivalentviscousdampingcoefficientheuwasover0.22whenthespecimensdestructed,whichindicatesthattheframeshavegoodenergydissipationperformance.Theinter-storydisplacementanglewasabout1/39whenthespecimensdestructed,whichshowsthattheframestructureshavegoodcollapsecapacity.Withtheincreaseofthebeamheight,thebearingcapacityandinitialelasticstiffnessofthespecimensincreasegradually,buttheductilitycoefficientofthespecimensdeclineregularly.Beforethepeakloading,increasingthesectionheightofthebeamcanimprovetheenergydissipationabilityoftheframe.Andafterpeakloading,increasingthesectionheightofthebeamwilldecreasetheenergydissipationabilityoftheframe.Thesectionheightofthebeamhaslittleeffectontheresidualstiffnessafterpeakloadingoftheframe.

recycledaggregateconcretefilledsteeltubeframe;seismicbehavior;experimentalstudy

2016-06-08；

2016-06-19

國家自然科學基金資助項目(51468003)；高等學校博士學科點專項科研基金聯合資助項目(20134501110001)；廣西科學研究與技術開發項目(桂科轉14124005-1-2)

蘇益聲(1956—)，男，湖南醴陵人，廣西大學教授，博士生導師；E-mail:suyisheng@sina.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0964

TU391

A

1001-7445(2016)04-0964-09

引文格式：孟二從，伍小萍，楊震，等.鋼管再生混凝土框架抗震性能試驗研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：964-972.