方、圓鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗研究與對比分析

王成剛,　柳炳康,　王靜峰,　張亞軍,　葉正林

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥　230009; 2.安徽鴻路鋼結構(集團)股份有限公司，安徽 合肥　231100)

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方、圓鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗研究與對比分析

王成剛1,柳炳康1,王靜峰1,張亞軍2,葉正林2

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥230009; 2.安徽鴻路鋼結構(集團)股份有限公司，安徽 合肥231100)

文章對3個圓鋼管和3個方鋼管再生混凝土柱在定常軸力作用下進行了水平低周反復荷載試驗,試驗主要考慮再生骨料替代率、軸壓比和鋼管壁厚3個參數變化對柱抗震性能的影響。試驗結果分析表明,隨著再生骨料取代率的增大,鋼管再生混凝土柱的水平承載力有所降低,延性和耗能能力略有下降;鋼管壁越厚,水平承載力越大,延性和耗能能力也越高;隨著軸壓比的增大,水平承載力有所提高,延性和耗能能力降低。試驗表明方、圓鋼管再生混凝土柱都具有良好的抗震性能,對比分析發現,在截面面積和用鋼量相近情況下,方鋼管柱的水平承載力和剛度比圓鋼管柱有較大提高,延性降低。

方鋼管;圓鋼管;再生混凝土柱;抗震性能

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配制而成的混凝土。研究表明,再生混凝土的受力和耐久性能均低于相同條件的普通混凝土,使得再生混凝土結構性能與普通混凝土相比有不同程度的降低,成為再生混凝土在結構工程中應用的一大障礙[1-2]。將再生混凝土澆筑于鋼管中,鋼管可為圓形、方形、矩形等截面形式,利用鋼管的套箍作用使核心再生混凝土處于三向受壓狀態,改善了再生混凝土的性能。鋼管再生混凝土能使鋼材和再生混凝土2種不同性質的材料揚長避短,發揮各自特長,成為一種有效的結構形式。因此,研究鋼管再生骨料混凝土構件的受力性能,對再生骨料混凝土在實際工程中的應用,以及實現建筑業綠色環保、可持續發展具有重要的意義[3-8]。

本文研究鋼管再生混凝土柱在低周反復荷載作用下的抗震性能,以再生骨料取代率、壁厚(含鋼率)和軸壓比為主要參數,對3根方鋼管再生混凝土柱和3根圓鋼管再生混凝土柱進行抗震性能試驗,分析不同參數變化對試件抗震性能的影響,并比較分析方、圓鋼管再生混凝土柱抗震性能的差異。

1　試驗概況

1.1試件設計及材料特性

試驗以方、圓鋼管再生混凝土懸臂柱部分,即框架柱反彎點至柱底之間部分為研究對象,試驗時柱頂軸力保持不變,對構件施加水平向的低周反復荷載。設計和制作3個圓鋼管、2個方鋼管再生混凝土試件和1個方鋼管普通混凝土試件進

行對比分析研究[9]。對于圓鋼管試件,鋼管外徑D=219 mm,計算高度H=1 200 mm,試件混凝土立方強度fcu=33.6 MPa,取代率ρ=100%,其他參數見表1所列。對于方鋼管試件,鋼管邊長B=200 mm,計算高度H=1 200 mm,鋼材屈服強度fy=347 MPa,鋼材極限強度fu=406 MPa,軸壓比n=0.2,其他參數見表2所列。表1、表2中,t為實測壁厚。試件尺寸和構造詳圖如圖1所示。

鋼管構件由安徽鴻路鋼結構集團股份有限公司加工制作,運至合肥工業大學結構試驗室進行混凝土澆筑。混凝土從頂部分段灌入振搗,以保證混凝土澆筑密實,混凝土澆筑完成后,將柱頂鋼管表面用抹刀抹平,敞口自然養護。

表1　圓鋼管試件基本參數

表2　方鋼管試件基本參數

圖1　試件詳圖

1.2試驗裝置及加載制度

試驗在合肥工業大學結構實驗室進行,豎向軸力由液壓千斤頂施加,水平荷載由固定于反力墻上的MTS電液伺服加載系統施加。現場試驗加載裝置圖如圖2所示。

試件上部加載端布置1個位移計,以測量柱上端的水平位移;在距離柱底150 mm高度范圍內的鋼管表面位置布置應變片。在進行試驗時,由TDS303對位移計和應變片的讀數進行采集和記錄。

根據文獻[10]規定,試驗加載采用荷載和位移混合控制方式進行。鋼管屈服前采用荷載加載控制,鋼管屈服后采用位移加載控制。當試驗水平荷載下降到最大水平荷載的85%時,加載結束。

圖2　試驗裝置圖

2　試驗結果及分析

2.1試驗現象

試驗加載初期,方、圓試件均處于彈性階段,變形較小,試件頂部位移隨著荷載的增加而成線性增大;隨著荷載的繼續加大,加載至最大荷載的70%～80%時,柱腳受壓面鋼管壁先發生局部微小鼓屈,且隨著水平荷載的增大,加載至最大荷載的80%～90%時,側面鋼管壁也隨后發生鼓曲;在卸載及反向加載過程中,鼓曲的鋼管壁被逐漸拉平,同時另一受壓面發生鼓曲。試件接近破壞時,鼓曲現象發展很快,柱根鋼管截面最終形成一個向外凸起的燈籠狀破壞形態。試件最終破壞模式如圖3所示。

圖3　試件最終破壞模式

圓鋼管試件在距柱根頂面約50 mm處鼓屈(圖3a～圖3c),試件YDZA5-1和YDZA5-2在鼓曲處最終被拉裂,而試件YDZA2在根部完全被拉裂。

方鋼管試件在距柱根頂面約100 mm處鼓曲(圖3d～圖3f),試件最終破壞時,壁厚較小的試件FDZA4局部鼓曲比壁厚較大的嚴重,且在四角部開裂,2個壁厚較大的試件FDZA5-1、 FDZA5-2四角部未開裂。

試驗結束后,剖開鋼管,觀察內部核心混凝土的破壞情況,如圖4所示。

鋼管內核心再生混凝土柱在鼓曲處完全斷裂,混凝土被壓碎程度不同。由圖4a可看出,試件YDZA2從根部完全斷裂,混凝土基本沒有被壓碎;由圖4b可看出,試件YDZA5在鼓屈處混凝土被壓碎;由圖4c、圖4d可看出,方鋼管柱在鋼管屈曲部位的30～40 mm寬度范圍內的混凝土全部被壓碎。

比較發現,方鋼管柱內混凝土壓碎程度比圓鋼管柱的要嚴重。

圖4　試件內部破壞模式

2.2滯回曲線

6個試件的水平荷載-位移滯回曲線如圖5所示,分析比較圖5可知:

(1) 圓鋼管和方鋼管再生混凝土柱在荷載控

制加載階段,荷載和位移均呈線性關系,殘余變形和剛度退化很小;在位移控制加載階段,隨著水平位移的增大,滯回曲線的切線斜率逐漸減小,殘余變形增大,剛度退化程度隨加載循環次數的增加而增大。

(2) 圓鋼管和方鋼管再生混凝土柱的滯回曲線均呈梭形,滯回曲線形狀都比較飽滿,說明鋼管再生混凝土柱具有良好的滯回性能。

(3) 圓鋼管和方鋼管柱隨著壁厚的增加,正、反向的極限水平承載力均增加,滯回曲線的飽滿程度均有所增加。

(4) 對比試件圓鋼管試件YDZA5-1和YDZA5-2的滯回曲線,可見構件的水平承載力和彈性剛度隨軸壓比的增加有所提高,試件YDZA5-2在達到峰值荷載后的承載力下降較明顯,試件YDZA5-1的極限位移變形大于試件YDZA5-2,說明試件軸壓比越小,其延性和耗能能力越好。

(5) 對比試件FDZA5-1和FDZA5-2的滯回曲線,鋼管再生骨料混凝土試件與鋼管天然骨料混凝土試件相比,正、反向的極限水平承載力均有不同程度的減小,滯回曲線的飽滿程度有所降低。

圖5　試件水平荷載-位移滯回曲線

2.3骨架曲線與剛度退化曲線

各試件的骨架曲線如圖6所示。

由圖6可知,在彈性工作階段,水平荷載與試件位移呈線性關系,隨著軸壓比和鋼管壁厚的增加,構件的彈性剛度及屈服水平承載力均有明顯的提高。

進入彈塑性階段后,構件水平承載力繼續隨軸壓比和鋼管壁厚的增加而增大,鋼管壁厚越厚極限位移越大;軸壓比越大,構件屈服后累積損傷的發展越快,故變形性能有所降低。

低周反復荷載作用下,剛度的退化直接導致了構件抗震性能退化。根據文獻[10]計算試件剛度的方法,得到鋼管再生混凝土柱的剛度退化曲線如圖7所示。圖7中k表示鋼管再生混凝土柱等效剛度。由圖7可知,含鋼率對試件的初始剛度影響較大,含鋼率較大的試件初始剛度也較大,但它們總的退化趨勢是一致的。

從圖7a中可以看出，在彈性階段內,試件的剛度隨軸壓比的增加而有所提高,曲線下降段越陡,承載力下降越快,則剛度退化越快。

從圖7b中可以看出，再生混凝土取代率對試件的初始剛度影響不大,剛度退化的趨勢相同;取代率為0的方鋼管普通混凝土柱剛度退化的速度比取代率為100%方鋼管再生混凝土柱來得慢。

圖6　試件骨架曲線

圖7　試件剛度退化曲線

2.4延性和耗能能力

根據滯回曲線及骨架曲線計算得到的各試件的試驗值見表3所列。Pu、Δu和θu計算時取正反2個方向絕對值的平均值;Δy取骨架曲線彈性段延線與過峰值點的切線交點處的位移。方、圓鋼管再生混凝土柱的延性系數為3.55～4.76,表明方鋼管和圓鋼管再生混凝土柱均具有良好的變形性能;試件延性隨含鋼率的增加而增加,隨軸壓比的增加而有所降低,隨著再生骨料替代率的增加有所降低。因為試件YDZA2壁厚太薄,變形和耗能能力較弱,其等效黏滯阻尼系數仍接近0.1,其他試件的等效阻尼系數為0.118～0.122,表明方、圓鋼管再生混凝土柱具有較好的耗能能力,方、圓鋼管再生混凝土柱的等效黏滯阻尼系數隨著含鋼量的增加而增加,且隨著軸壓比的增大而有所減小,隨著再生骨料替代率的增加有所降低。由表3中極限位移和極限位移角可知,圓鋼管再生混凝土柱變形能比方鋼管再生混凝土柱強,說明圓鋼管對內部混凝土的約束能力更好,套箍效應比方鋼管的要好。

表3　由滯回曲線及骨架曲線得到的試驗結果

3　抗震性能對比分析

根據低周反復靜載試驗數據,對圓鋼管試件YDZA5-1和方鋼管試件FDZA5-1進行抗震性能的對比分析,計算結果見表4所列。由表4計算結果可知,方鋼管柱在面積只提高6.24%、含鋼率提高2.7%的條件下,水平極限承載力提高了23.9%,按每承擔1 kN水平荷載的用鋼量比較時,方鋼管柱比圓鋼管柱降低12%,按構件截面每1 cm2承擔的水平承載力計算比較可知,方鋼管柱比圓鋼管柱提高17%,同時方鋼管柱彈性抗側剛度也提高了18.1%,但是方鋼管柱的極限位移比圓鋼管柱的降低40.8%,延性系數也降低。由此可知,在柱截面面積和用鋼量相近情況下,方鋼管柱的承載力比圓鋼管柱的水平承載力和剛度有較大提高,變形能力和延性相應降低。

表4　抗震性能對比計算結果

注:變化率為FDZA5-1相對于YDZA5-1的變化率;3EI/H3為彈性抗側剛度。

4　結　　論

通過3個圓鋼管再生混凝土柱、2個方鋼管再生混凝土柱和1個方鋼管普通混凝土柱的低周反復荷載試驗,可得到如下結論:

(1) 低周反復荷載作用下,方、圓鋼管再生骨料混凝土柱與鋼管普通混凝土柱破壞過程和現象基本一致,首先柱處于彈性受力階段,承載力隨位移增加較快,在距柱根100 mm范圍內鋼管壁出現局部屈曲后,承載力隨位移增加較慢,鼓屈部位內的混凝土被壓碎。

(2) 方鋼管和圓鋼管再生混凝土柱水平承載力隨鋼管壁厚和軸壓比的增加而增大,鋼管再生骨料混凝土試件與鋼管天然骨料混凝土試件相比,其水平承載力有所減小。

(3) 方鋼管和圓鋼管再生混凝土柱均具有良好的變形性能;試件延性隨含鋼率的增加而增加,隨軸壓比和再生骨料替代率的增加有所降低。

(4) 方、圓鋼管再生混凝土柱均具有較好的耗能能力,鋼管再生混凝土柱的等效黏滯阻尼系數隨著含鋼量的增加而增加,且隨著軸壓比和再生骨料替代率的增加有所降低。

(5) 對比分析方鋼管和圓鋼管再生混凝土柱的抗震性能可知,在柱截面面積和用鋼量相近的情況下,方鋼管柱的水平承載力和剛度比圓鋼管柱的有較大提高,延性有所降低。

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(責任編輯張淑艷)

Experimental study and comparative analysis of seismic behavior of recycled aggregate concrete filled square and circular steel tube columns

WANG Chenggang1,LIU Bingkang1,WANG Jingfeng1,ZHANG Yajun2,YE Zhenglin2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Honglu Steel Structure Group Co., Ltd., Hefei 231100, China)

Tests of three circular steel tube columns and three square steel tube columns filled with recycled aggregate concrete under constant axial load and cyclic lateral load were conducted, and the effect of some parameters including the replacement ratio of recycled aggregate, axial compression ratio and thickness of steel tube on the seismic behavior of the members was investigated. The results show that the horizontal bearing capacity, ductility and energy dissipation capacity reduce slightly with the increase of replacement ratio of recycled aggregate. With the increase of thickness of steel tube, the horizontal bearing capacity increases considerably, and the ductility and energy dissipation capacity increase. But the horizontal bearing capacity increases limitedly with the increase of the axial compression ratio, on the contrary, the ductility and energy dissipation capacity decrease. The results show that both circular steel tube and square steel tube columns filled with recycled aggregate concrete have excellent seismic behavior. When the cross section and steel weight of square steel tube column are similar to those of circular steel tube column, the horizontal bearing capacity and stiffness of the former increase greatly compared with those of the latter along with the reduction of the ductility.

square steel tube; circular steel tube; recycled aggregate concrete filled column; seismic behavior

2015-03-18；

2015-05-20

住房與城鄉建設部科學技術計劃資助項目(2013-K4-46);安徽鴻路鋼結構股份有限公司科研資金資助項目(12-521)

王成剛(1974-),男,安徽巢湖人,博士生,合肥工業大學副教授,碩士生導師;

柳炳康(1952-),男,安徽鳳陽人,合肥工業大學教授,博士生導師;

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.017

TU398.9

A

1003-5060(2016)07-0949-06

王靜峰(1976-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.