新型預制管混凝土柱抗震性能試驗

丁紅巖， 杜闖，2， 張浦陽

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072； 2.河北工業大學 土木工程學院，天津 300072)

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新型預制管混凝土柱抗震性能試驗

丁紅巖1， 杜闖1，2， 張浦陽1

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072； 2.河北工業大學 土木工程學院，天津 300072)

采用預制管代替鋼管混凝土柱中的鋼管形成一種新型的預制管混凝土柱。為了研究新型預制管混凝土柱抗震性能，制作了1根預制管混凝土柱和1根對比的鋼筋混凝土柱，研究二者在低周往復荷載作用下的破壞過程、滯回曲線、骨架曲線、承載力、變形及延性。結果表明：預制管混凝土柱和鋼筋混凝土柱破壞模式都為彎剪破壞；預制管混凝土柱滯回曲線呈現梭形，曲線飽滿，具有良好的耗能能力；預制管混凝土柱的承載力、延性系數和彈塑性層間位移角比相應的鋼筋混凝土柱都大，等效粘滯阻尼系數鋼筋混凝土柱略大于預制管混凝土柱。新型預制混凝土柱具有鋼筋混凝土柱的抗震性能，能夠滿足抗震要求。

預制管混凝土柱；抗震性能；鋼筋混凝土柱；試驗研究；承載力；變形；滯回曲線；骨架曲線

鋼管混凝土柱是在鋼管中填充混凝土而形成的構件，當建筑結構處在腐蝕或高溫的不利環境中時，鋼管易腐蝕或高溫軟化，鋼管混凝土柱顯然不宜繼續應用。采用預制混凝土管代替鋼管，形成一種新型的預制管混凝土柱。新型預制管混凝土柱是一種新型組合結構，由和超等提出[1-2]預制管混凝土柱由外層混凝土預制管和核心現澆混凝土組成，預制管在預制現場規模化生產成型，在施工現場吊裝后，再澆筑預制管內核心區混凝土，是一種綜合了預制和現澆的新型組合柱。其優點明顯，預制管作為免拆模板使用，節約成本，施工迅速[3-5]，是值得研究的一種新型組合結構。

國外對類似預制管混凝土柱結構研究的是日本，稱為外殼預制核心現澆裝配整體式RC結構，主要由外殼預制混凝土核心現澆柱、預制外殼核心現澆RC梁及預制板組成[6]，并且已經投入實際工程應用。郭純等[7-9]提出一種新型疊合柱，幾段預制好的預制管拼接起來，配筋、澆注混凝土成為一個整體柱構件。此外，張大長、支正東等引進日本的外殼預制核心現澆裝配整體式RC結構到國內，并對其進行了研究[10-11]。本文研究的新型預制管混凝土柱與上述構件類似，但卻有實質上的差異。無論郭純、吳方伯提出的新型預制管混凝土柱還是張大長等引進的日本外殼預制核心現澆裝配整體式RC結構中的柱，其預制混凝土管(殼)主要起模板作用，管壁單薄，約束效應很差，實際制造主要采用素混凝土配置鋼絲。郭純等提出的實際是由幾段預制管拼接起來的，類似混凝土下水管道，不是受力構件。張大長等引進日本的預制管柱，管口是方形的，縱筋配置冷拔鋼絲，不是受力鋼筋。本文研究的新型預制管混凝土柱，其初衷是用來代替鋼管混凝土柱應用在不利環境中。預制管配置縱筋和箍筋，預制管不但起模板作用，而且是主要荷載承擔者。管口外形方形，內口圓形，具有良好的約束能力。而且，根據需要可以選擇在預制管中配置螺旋箍筋以提高其約束能力或者在管內核心混凝土中配置鋼筋或型鋼以提高其豎向承載能力。因此本文研究的是一種新型組合構件。為了了解新型預制管混凝土抗震性能，采用對比方法研究相同條件下的預制管混凝土柱與現澆鋼筋混凝土柱，為預制管混凝土柱早日應用于實際工程提供理論支持。

1 試驗概況

1.1 試件設計

設計了兩根配筋及尺寸完全相同的柱，1根為預制管混凝土柱，1根用于對比的現澆鋼筋混凝土柱。柱高均為1 000 mm，截面均為250 mm×250 mm，縱筋為8根直徑12 mm的HRB400鋼筋，箍筋為間距100 mm，直徑為8 mm的HRB400鋼筋。其中預制管混凝土柱鋼筋配置在預制管中。試件配筋及尺寸如圖1所示，試件參數如表1所示，SC1-1代表鋼筋混凝土柱，SC1-2代表預制管混凝土柱。試件的混凝土強度等級為C30。在澆筑試件的同時制作3個100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試塊，并在相同條件下進行養護，在試件加載時測試其立方體抗壓強度。試驗所采用的鋼筋為同批次，不同直徑的鋼筋隨機取3根長為500 mm 鋼筋試樣用于測試其力學性能。鋼筋和混凝土的材料性能如表2、3所示。

表1 試件參數

預制管混凝土柱制作主要步驟：先豎直方向綁扎鋼筋，再水平方向放置鋼模板，再澆筑預制管混凝土，待混凝土初凝后抽模形成外管。待預制管混凝土完全凝固后，再將其豎起，澆筑核心混凝土。預制管混凝土柱制作過程如圖2所示。現澆鋼筋混凝土柱按照常規制作。

圖1 試件尺寸及配筋(單位：mm)Fig.1 Specimens dimension and reinforcement(unit: mm)

類型fcu/MPafc/MPaEc/MPaC3033.9125.7731025.3

表3 鋼筋力學性能

1.2 試件裝置

試驗在天津大學結構試驗室完成的。試驗采用低周往復荷載試驗，先施加豎向荷載，保持不變，再施加水平往復荷載。試件的加載裝置如圖3所示。安裝過程如下：先進行試件就位，用粉筆在地上畫出試件位置，再鋪設水泥砂漿找平，用吊車吊裝試件就位。就位后，安裝壓梁將試件臺座固定于地面。安裝豎直千斤頂，連接到門式鋼架，在門式鋼架的反力梁與千斤頂之間安裝有滾軸，通過門式鋼架施加豎向荷載，并且保持在整個加載過程中豎向荷載不變。安裝柱端的加載頭，連接到安裝在反力墻上的雙向拉壓千斤頂，以施加的水平往復荷載。

圖2 預制管混凝土柱制作Fig.2 Concrete-filled precast concrete tubular column fabrication

圖3 加載裝置Fig.3 Test setup

1.3 測點布置

本次試驗測量的內容主要包括軸壓力、混凝土和鋼材的應變以及試件的側向位移。試件在鋼筋籠綁扎完成后，在靠近柱腳上約10 cm處的塑性區縱筋上粘貼鋼筋變片，以測量加載過程中縱筋的應力變化。混凝土應變片粘貼在試件澆注完成后運至試驗室，在準備試驗前在試件柱腳附件混凝土側面粘貼。為了測量試件位移變化，在試件加載端和試件中間位置處安裝位移計。柱端水平荷載通過安裝在雙向拉壓千斤頂上的荷載傳感器進行測定，柱頂豎向荷載通過安裝在柱頂千斤頂上的荷載傳感器測定。具體測點布置見圖4。其中1為鋼筋應變片，2為混凝土應變片，3為位移計，4豎直荷載傳感器，5水平荷載傳感器。所有試驗測量數據引線接入DH3820Net靜態應變儀，采用DH3820Net靜態應變儀自動記錄試驗數據，并實時監測試驗過程。

圖4 測點布置示意圖(單位：mm)Fig.4 Measuring point layout diagram(unit: mm)

1.4 加載制度

根據《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ101-96)按照荷載-位移混合加載制度加載。試件屈服前采用荷載控制，試件屈服后采用變形控制。屈服前每級荷載循環1次，5、10、15 kN…循環一次，直至縱筋屈服，改為位移加載。屈服后每級循環3次。1Δ、2Δ、3Δ…，當試件承受的荷載下降至最大荷載的85%后，停止試驗。

在試驗過程中，每加載一級后，靜候3～5 min，觀測試件混凝土的開裂情況。用裂縫儀量測裂縫寬度，用紅藍兩種顏色筆畫出往復荷載下拉壓裂縫開展走勢，并觀察DH3820Net靜態應變測試系統相應的實時荷載位移曲線情況以及位移計、鋼筋應變片和混凝土應變片的讀數，以掌握和控制試驗進程，如發現意外情況，立刻終止試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗破壞現象

預制管混凝土柱和鋼筋混凝土柱試件試驗現象類似，大致經過彈性階段；混凝土個別細小裂縫萌生階段(起裂縫)；裂縫數量增多，裂縫長度延伸，寬度增大階段(裂縫發展)；個別小塊混凝土壓碎或開裂掉落階段(初步破壞)；成片的混凝土壓碎或開裂掉落階段(完全破壞)。彈性階段混凝土滯回曲線基本線性，起裂縫階段滯回曲線開始偏離直線。裂縫發展階段滯回環較小，荷載不斷增大。初步破壞階段滯回環在不斷增大，荷載增加到最大。完全破壞階段滯回環很大，荷載不斷下降。下面以預制管混凝土柱為代表，較詳細描述試驗過程現象。

預制管混凝土柱試件，當施加的水平荷載較小時，側向變形較小，試件沒有發現出現裂縫，試件處于彈性狀態。當水平荷載達到35 kN時，在試件受拉面柱腳根部出現了第一條細小的水平方向的微裂縫，受壓面沒有發現裂縫。當荷載增加的40 kN時，受拉面裂縫變為三條水平方向的細小裂縫，最大裂縫寬度為0.12 mm，受壓面也出現了一條細小的裂縫。此后隨著荷載的增大，新裂縫數量不斷增加，已有的裂縫長度不斷延伸，裂縫寬度不斷的增大。當荷載達到50 kN時后，受拉、受壓面裂縫貫通整個截面，最大裂縫寬度達到0.2 mm。此時柱腳縱筋的應變片讀數達到2 286 με，縱筋已經屈服。柱頂位移約為3 mm。此后由力加載改為位移加載，每個位移往復三次。在1Δ第一個位移循環時，試件上裂縫數量增加，后兩次位移循環時，裂縫數量變化不大，但裂縫寬度在增大，最大裂縫0.25 mm。在2Δ位移加載時，受拉面有一條明顯貫通的水平裂縫，最大裂縫寬度達到0.31 mm。受壓面有混凝土個別碎屑掉落。在3Δ位移加載時，受拉面裂縫寬度不斷增大，最大裂縫到達0.5 mm，受壓面混凝土成片的混凝土碎屑掉落。在4Δ位移加載時，受拉面裂縫寬度不斷增大，裂縫寬度到達1.0 mm，同時受拉面柱腳一小塊混凝土裂開。受壓面混凝土連片碎屑變成小塊混凝土壓碎剝落。在5Δ位移加載時，受拉面裂縫最大寬度達到1.28 mm，受壓面的小塊混凝土成片壓碎剝落。在6Δ位移加載時，受拉面柱腳小塊混凝土裂開即將掉落，拉面最大裂縫寬度達到1.5 mm，受壓面小塊壓碎混凝土不斷掉落，受壓區面積不斷增大。在7Δ位移加載時，受拉面柱腳混凝土塊掉落，壓區小塊混凝土更加嚴重剝落。在8Δ位移加載時，受拉面混凝土成片掉落，受壓面混凝土掉落很多。在9Δ位移加載時，受拉面和壓面混凝土都成片掉落。從實時監測的荷載位移曲線上，明顯已經看到荷載下降至最大荷載的85%以上，試驗終止。鋼筋混凝土柱和預制管混凝土柱的破壞都屬于典型的彎剪破壞。

鋼筋混凝土柱和預制管混凝土柱最終破壞加載方向側面、受拉面和受壓面對比如圖5～7所示。其中紅色裂縫表示受拉面，藍色裂縫表示受壓面。

圖5 SC1-1、SC1-2加載方向側面對比Fig.5 Loading direction side face between SC1-1 and SC1-2

圖6 SC1-1、SC1-2受拉面對比Fig.6 Comparison of tension zone between SC1-1 and SC1-2

圖7 SC1-1、SC1-2受壓面對比Fig.7 Comparison of compression zone between SC1-1 and SC1-2

2.2 滯回曲線

預制管混凝土柱與鋼筋混凝土柱滯回曲線如圖8所示。由圖可見，在預制管混凝土柱與鋼筋混凝土柱加載初期，混凝土尚未開裂，構件處于彈性狀態，滯回曲線基本呈直線，卸載后幾乎沒有殘余變形。隨著循環次數的增加，鋼筋混凝土柱和預制管混凝土柱滯回曲線表現出大致相同的特點：荷載逐漸增大，剛度逐漸退化，滯回環的面積逐漸增大，構件處于彈塑性狀態，殘余變形越來越大，直至達到最大荷載。此后鋼筋混凝土柱突然承載力下降，滯回曲線出現不連續變化。這是由于試驗中控制的該級位移加載量過大造成的。而預制管混凝土柱位移控制量連續，因而滯回曲線連續。但明顯看出鋼筋混凝土柱和預制管混凝土柱的承載力都在下降，滯回環面積增大的趨勢進一步加劇，構件剛度退化顯著。在同一級位移循環中，后兩次的承載力下降，滯回環面積略有減少，表明構件強度在退化，耗能能力在退化，這是由于構件不斷的累積損傷造成的。總體上，鋼筋混凝土柱與預制管混凝土柱的滯回曲線呈現梭形，曲線飽滿，表現出良好的延性和耗能能力。

圖8 滯回曲線對比Fig.8 Comparison of hysteresis curves

2.3 骨架曲線

鋼筋混凝土柱與預制管混凝土柱骨架曲線如圖9所示。由圖可見，鋼筋混凝土柱和預制管混凝土柱骨架曲線較為相似，表明鋼筋混凝土柱和預制管混凝土柱的承載力、變形能力和延性相當。鋼筋混凝土柱骨架曲線在峰值荷載后下降段較預制管混凝土柱快，預制管下降段較為平緩。表明鋼筋混凝土柱的剛度退化迅速，承載力在后期下降嚴重。

圖9 骨架曲線對比Fig.9 Comparison of skeleton curves

2.4 承載力

預制管混凝土柱和鋼筋混凝土柱的開裂荷載根據試驗實測的第一條裂縫對應的荷載確定。屈服荷載、極限荷載和破壞荷載根據構件的骨架曲線獲得。但骨架曲線中屈服荷載的確定，目前尚無統一的定義。一般常用三種方法確定：能量等值法、通用屈服彎矩法和變形變化率法。本文采用能量等值法確定構件的屈服荷載，破壞荷載取承載力下降15%對應的荷載確定。

根據以上方法，確定得到鋼筋混凝土柱與預制管混凝土柱的承載力如表4所示。由表4可以看出，鋼筋混凝土柱與預制管混凝土柱的開裂荷載平均值分別為36.63 kN和38.74 kN，較為接近，相差5.76%。表明在彈性工作階段，二者受力性能類似。構件開裂進入彈塑性階段后，鋼筋混凝土柱和預制管混凝土柱的平均屈服荷載分別為80.02 kN和78.85 kN，相差1.46%；平均極限荷載分別為95.67 kN和90.34 kN，相差5.90%；平均破壞荷載分別為81.32 kN和76.79 kN，相差5.90%。可見，總體上二者的荷載相差在6%以下，表明從承載力上看，預制管混凝土柱的承載力和現澆鋼筋混凝土柱較為接近。采用預制管混凝土柱并沒有降低構件的承載力。

表4 試件承載力

2.5 變形及延性

鋼筋混凝土柱和預制管混凝土柱的位移、破壞位移角以及延性系數如表5所示。開裂位移Δck、屈服位移Δy、極限位移Δm和破壞位移Δu對應于表4中相應荷載時的位移值。θu為試件破壞時位移角，θu=Δu/H，H=860 mm，為位移測點距離柱腳的高度。延性系數為μ=Δu/Δy。

由表5可見，鋼筋混凝土柱延性系數為3.24，預制管混凝土柱的位移延性系數為4.22，大于鋼筋混凝土柱的位移延性系數，二者差值為0.98，但二者均大于3.0，滿足延性變形要求。鋼筋混凝土柱的破壞位移角為1/39，預制管混凝土柱為1/29，大于鋼筋混凝土柱的破壞位移角，二者差值為0.009，但二者也都大于我國現行《建筑抗震設計規范》對鋼筋混凝土框架柱規定的彈塑性層間位移角1/50的要求，滿足大震不倒。以上指標表明新型預制管混凝土柱的延性和變形能力并不比鋼筋混凝土柱差，完全滿足我國抗震規范對框架柱抗震性能的要求。

表5 試件位移及延性系數

2.6 耗能能力

通常在工程抗震中，構件的耗能能力采用等效粘滯阻尼系數he來判別。預制管混凝土柱和鋼筋混凝土柱等效粘滯阻尼系數如表6所示。在每級位移循環荷載下的等效粘滯阻尼系數該級位移下三次的平均值。由表可見，隨著位移加載幅值增大，預制管混凝土柱和鋼筋混凝土柱的等效粘滯阻尼系數增大，表明二者的耗能能力增大。鋼筋混凝土柱每級荷載下的等效粘滯阻尼系數較預制管混凝土柱略大，但二者等效粘滯阻尼系數差值基本在0.02～0.08范圍內，表明實際耗能能力差別不大。

表6 試件耗能

3 結論

通過比較預制管混凝土柱與鋼筋混凝土柱在低周往復荷載下的試驗研究，得到以下結論：

1)試驗柱剪跨比為3.44，預制管混凝土柱和鋼筋混凝土柱都是典型的彎剪破壞。二者滯回曲線呈現梭形，曲線飽滿，具有良好的耗能能力。

2)預制管混凝土柱的承載力比鋼筋混凝土柱承載力略大，但二者相差不足6%，表明預制管混凝土柱的有足夠的承載力。

3)預制管混凝土柱和鋼筋混凝土柱的延性系數分別為4.22和3.24，二者均大于3.0。彈塑性層間位移角分別為1/39和1/29，滿足大震下框架結構彈塑性層間位移角1/50的要求。這表明預制管混凝土柱具有較強的變形能力，能夠滿足抗震要求。

4)同級位移荷載下的預制管混凝土柱較鋼筋混凝土柱等效粘滯阻尼系數略大，但二者差值在5%以內，表明耗能能力二者相差不大。

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Experimental investigation of seismic behavior of new concrete-filled precast tubular column

DING Hongyan1， DU Chuang1，2， ZHANG Puyang1

(1. School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China; 2. College of Civil Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China)

In this paper， we propose a new concrete-filled tubular column using a precast-concrete tube instead of a steel tube in the column. To investigate the relative seismic behavior of this column， we manufactured a concrete-filled precast-concrete tubular column and a reinforced-concrete (RC) column and subjected both to a damage process of low-cyclic loading. We then determined the hysteretic curve， skeleton curve， bearing capacity， deformation， and ductility of each column under these conditions. The results show that both the concrete-filled precast-concrete tubular column and the RC column experienced flexural failure. The hysteretic curve of the concrete-filled precast-concrete tubular column was plump spindle， which indicates that it has good dissipation energy. In comparison to the RC column， this column also exhibited a larger bearing capacity， ductility coefficient， and elastic plastic displacement angle， but the equivalent viscous damping coefficient of the RC column was slightly larger than its counterpart. Thus， we can conclude that the proposed concrete-filled precast-concrete tubular column demonstrates the same good seismic performance as the RC column and can meet seismic requirements.

concrete-filled precast concrete tubular column; seismic behavior； RC column; experimental study; bearing capacity; deformation; hysteretic curve; skeleton curve

2015-12-03.

日期：2017-03-17.

國家自然科學基金項目(51379142)；河北省科技廳基金項目(15275802).

丁紅巖(1963-)， 男， 教授， 博士生導師； 杜闖(1976-)， 男， 講師，博士.

杜闖， E-mail:duch_1@sina.com.

10.11990/jheu.201512011

TU317.1

A

1006-7043(2017)04-0538-07

丁紅巖，杜闖， 張浦陽.新型預制管混凝土柱抗震性能試驗[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(4): 538-544.

DING Hongyan， DU Chuang， ZHANG Puyang. Experimental investigation of seismic behavior of new concrete-filled precast tubular column[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(4): 538-544.

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170317.1631.014.html