端部帶肋方鋼管混凝土柱抗震試驗研究

汪夢甫,楊冕

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

端部帶肋方鋼管混凝土柱抗震試驗研究

汪夢甫?,楊冕

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

為進一步提高方鋼管混凝土柱的承載能力和延性，提出了一種新的方鋼管混凝土柱構造方案，即在方鋼管柱的端部設置加勁肋，并設計制作了3根端部帶肋方鋼管混凝土柱，進行了擬靜力試驗，比較、分析了試件在水平低周往復荷載作用下的承載能力、滯回曲線、骨架曲線以及位移延性等抗震性能指標. 研究結果表明：相對于普通方鋼管混凝土柱，3根端部帶肋方鋼管混凝土柱的滯回曲線更為飽滿, 骨架曲線的下降段更為平緩，柱極限位移明顯提高，分別提高了44.4%、65.3%、29.3%，位移延性系數明顯增大，分別增大了27.0%、51.3%、6.7%, 表現出了更良好的延性與耗能能力，抗震性能有比較明顯的改善.

方鋼管混凝土柱；端部帶肋；擬靜力試驗；抗震性能

鋼管混凝土柱是由鋼管與混凝土組合而成的一種結構形式，鋼管對核心混凝土有約束效應，混凝土的存在可延緩鋼管的局部屈曲，這種相互作用能彌補各自的缺點，從而使其承載力高、塑性和韌性好、耗能能力強，具有良好的抗震性能.[1-3]

試驗研究發現[4]，方鋼管混凝土柱中鋼管的寬厚比超過一定限值時，鋼管壁端部易向外局部鼓曲，從而降低了構件的承載力與延性. 為了延緩方鋼管混凝土柱的端部屈曲，增強混凝土與方鋼管之間的相互作用，改善構件的延性與抗震性能，國內外學者已對方鋼管混凝土柱展開了相關試驗及理論研究，尤其是薄壁鋼管混凝土柱. Tao等[5]進行了19根帶肋薄壁方鋼管混凝土軸壓短柱的試驗研究. 張耀春等[6]進行了9根帶肋薄壁方鋼管混凝土柱的滯回性能試驗研究. Mao等[7]進行了6根端部外壁套箍鋼板或鋼板條的方鋼管混凝土柱抗震性能研究. 在上述研究中，僅有Mao等在端部設置約束，其他則研究加勁肋的通長設置.

為改善方鋼管混凝土柱抗震性能，本文提出了一種新的構造措施，即在方鋼管內壁端部設置縱向加勁肋. 設置的長度，對于底層方鋼管混凝土框架柱，取凈高的1/3，其他則取凈高的1/6與500 mm的較大值. 方鋼管混凝土柱端部設置加勁肋，不僅能延緩柱端部屈曲，改善抗震性能，而且相對于通長設置加勁肋，能節約鋼材，降低造價. 此外，相對于鋼管外壁設置鋼板條或鋼板[7]，方鋼管內壁設置加勁肋在實際工程中更具有可操作性. 為了較系統和完善地研究端部帶肋方鋼管混凝土柱的抗震性能，本文設計制作了3根端部帶肋方鋼管混凝土柱試件，并進行了低周反復荷載作用下的試驗研究，同時與普通方鋼管混凝土柱的試驗結果[8]進行了比較.

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

圖1為試件的外形示意圖. 本文試驗以框架柱為研究對象，對于兩端為嵌固支座、一端有水平側移的框架柱，由于其反彎點在柱的中央，可將其簡化為從反彎點到固定端的懸臂柱，因此本文試件模型為懸臂柱模型，懸臂柱計算長度為1 500 mm. 試件采用的鋼板為Q235鋼，鋼管由4塊鋼板拼焊而成. 本文試驗的3個試件的鋼管厚度分別為4 mm、6 mm及10 mm,試件截面尺寸均為250 mm×250 mm. 由于試件模型是懸臂柱，為了保證柱身與地梁的固接，鋼管延伸到梁底，通長2 100 mm, 且鋼管穿孔，使地梁縱筋貫通. 柱底端設置加勁肋，加勁肋厚度與鋼管相同，加勁肋也延伸到梁底，全長950 mm，在懸臂柱柱身范圍內的長500 mm，為懸臂柱計算長度的1/3. 加勁肋單邊寬50 mm, 為方鋼管邊長的1/5，加勁肋總寬度占柱截面寬度的2/5，比例適中，便于混凝土澆筑密實.

本次試驗的混凝土均采用C40 普通混凝土. 在試件加工制作過程中，先給地梁支模、扎筋，將焊接好的鋼管插入地梁，地梁縱筋穿過鋼管貫通. 地梁與鋼管內混凝土同時澆筑，采用振搗器深入鋼管內部進行振搗，以保證混凝土的密實度. 待混凝土凝結硬化后，焊上厚度為20 mm的蓋板，以保證鋼管與混凝土在試驗施荷初期就能共同受力.

圖1 試驗試件圖(單位：mm)Fig.1 Test specimen figure(unit: mm)

1.2 材料力學性能與基本參數

鋼材強度由標準拉伸試驗確定，將試件所用的鋼板加工成每組3個的標準試件，進行拉伸試驗. 測試按《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228—2010)[9]的相關規定進行. 鋼材材料力學性能參數見表1，表中fy為屈服強度，fu為極限強度 ，Es為彈性模量. 混凝土采用C40普通混凝土，配合比見表2. 在混凝土澆筑時，澆筑3個邊長為150 mm的立方體試塊，同條件養護28 d. 根據《普通混凝土力學性能試驗方法》(GB/T 50081—2002)[10]進行立方體抗壓強度的測定，測得混凝土立方體抗壓強度fcu=38.6 N/mm2.

表1 鋼材材料力學性能指標

表2 混凝土配合比

本文試驗的3個試件，即DL-4L、DL-6L、DL-10L，與文獻[8]中的3個試件，即RT-4M、RT-6H、RT-10L 的基本參數見表3. 表中，B為試件截面邊長，t為鋼管厚度，tb為加勁肋厚度，L為試件計算長度，b為加勁肋寬度，fcu為混凝土立方體抗壓強度，fy為鋼材屈服強度，ξ為套箍系數[11]，對于端部設置加勁肋的試件，研究水平承載力時，要考慮加勁肋對ξ的影響.N為施加的軸向荷載，Nu為構件軸心受壓承載力[11]，其中ξ的計算不考慮端部加勁肋的影響，n=N/Nu為試件軸壓比.

表3 試件基本參數一覽表

1.3 試驗裝置及加載制度

試驗裝置如圖2所示. 安裝試件時，為保證對中和豎直，可在柱子與地梁四面及試驗位置處彈線，進行吊裝就位與幾何對中. 為保證試件底部的固定邊界條件，可在試件地梁兩側各安裝一根剛度很大的壓梁，同時在地梁兩端用千斤頂頂死，以防在試驗過程中地梁產生轉動和相對滑移. 加載方式采用在軸向施加常軸力的同時在柱頂施加反復水平荷載. 豎向軸力由2 000 kN的液壓千斤頂施加，千斤頂上有200 t的壓力傳感器，用來測量軸力. 水平力由固定在反力架上的伺服作動器施加，作動器的最大行程為500 mm. 在柱頂端和地梁部位分別安裝2個位移計和1個位移百分表，用于測量柱頂端水平位移及地梁的水平位移.

圖2 試驗裝置圖Fig.2 Test device

試驗加載方法參考《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ 101—96)[12]. 先施加軸壓力，取軸壓力值的50% 預加載、卸載一次，以便消除試件內部組織的不均勻性，然后加載至滿載，直到試驗結束. 水平力采用力位移混合控制加載，在屈服前，采用力控制，分級加載；屈服后，采用位移控制，以屈服時試件最大位移的倍數加載，直到水平荷載下降至峰值荷載的85% 時，認為構件破壞，停止試驗.

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞形態

普通方鋼管混凝土柱[8]中鋼管對混凝土的約束主要集中在混凝土截面的角部與核心部位，從而導致同等條件下其受力性能比圓鋼管混凝土柱差，尤其是套箍系數[11]較小時，柱底端鋼管壁較易向外鼓曲，出現屈曲波，波長為柱寬. 端部帶肋方鋼管混凝土柱中，端部縱向加勁肋為壁板提供了約束變形的支撐點，從而減小了壁板局部屈曲的波長，延緩了壁板的向外屈曲，增強了鋼管與混凝土之間的相互作用，提高了構件的延性. 本文試驗觀察發現，3個試件破壞時，柱端部均發生雙波鼓曲，波長為1/2柱寬，屈曲最顯著的位置大約離柱腳60 mm.

因3個試件的破壞形態基本一致，故以試件DL-4L為例，描述試件的具體破壞過程. 在加載過程中，當水平位移達到約13 mm時，在距柱底約55 mm處，鋼管受壓翼緣發生局部微小屈曲，如圖3(a)所示. 在隨后的卸載和反向加載過程中，屈曲部分又被重新拉平，同時另一側翼緣出現局部屈曲. 當位移達到約25 mm時，鋼管受壓翼緣屈曲現象已經相當突出，出現雙屈曲波，波長為1/2柱寬，如圖3(b)所示. 當位移達到約36 mm時，受壓翼緣的屈曲現象進一步發展，如圖3(c)所示，同時鋼管腹板發生屈曲，如圖3(d)所示. 隨著位移的進一步增大，鋼管的屈服現象越來越明顯，水平荷載出現下降，之后進一步加載，當聽見混凝土被壓碎的聲音時，水平荷載已下降至峰值荷載的85%，認為構件破壞，停止試驗.此時受壓翼緣的屈曲現象尤為顯著，如圖3(e)所示 ，鋼管腹板的屈曲也相當明顯，如圖3(f)所示.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)圖3 破壞形態圖Fig.3 Failure mode

2.2 荷載-位移滯回曲線

荷載-位移滯回曲線概括了承載能力、剛度與延性等重要力學特征，是鋼管混凝土柱抗震性能的集中體現. 本文試驗的3個試件，即DL-4L、DL-6L、DL-10L，及文獻[8]中3個試件，即RT-4M、RT-6H、RT-10L的滯回曲線如圖4所示.

(a)4 mm帶肋與未帶肋比較

(b)6 mm帶肋與未帶肋比較

(c)10 mm帶肋與未帶肋比較圖4 荷載-位移滯回曲線Fig.4 Loading-displacement hysteretic loop curves

從圖4中可看出，試件DL-4L、DL-6L、DL-10L的滯回曲線飽滿，沒有明顯的捏攏現象，表現出良好的耗能能力. 以DL-4L的滯回曲線為例，來說明試件的滯回曲線的變化. 在加載初始階段，滯回曲線基本上是一條過原點的直線，加載與卸載曲線基本重合，滯回環的面積小，處于彈性工作階段. 隨著位移增大，剛度開始退化，處于彈塑性工作階段. 當鋼管屈服后，隨著位移增加，剛度退化雖然加大，但也不明顯，這是由于鋼管與混凝土之間的相互作用，尤其當柱端部加勁肋進一步加強對混凝土的約束時，方鋼管混凝土柱表現出良好的塑性與延性.

端部帶肋方鋼管混凝土柱，即試件DL-4L、DL-6L、DL-10L，與普通方鋼管混凝土柱，即試件RT-4M、RT-6H、RT-10L 比較可知，端部帶肋鋼管混凝土柱的滯回曲線更飽滿，剛度退化更平緩，承載力有一定程度的提高，極限位移明顯增加. 表明柱端設置加勁肋，能提高方鋼管混凝土柱的承載能力，增強構件的延性與耗能能力，改善構件的抗震性能.

2.3 荷載-位移骨架曲線

試件的荷載-位移骨架曲線，能較直觀地反映試件在水平荷載作用下的屈服荷載、極限荷載與延性等重要特征. 圖5(a)(b)(c)分別為試件DL-4L與RT-4M、 DL-6L與RT-6H、 DL-10L與RT-10L的荷載-位移骨架曲線的比較圖. 可看出，不管端部帶肋與否，初始剛度基本無變化. 但隨著進一步加載，達到峰值荷載，曲線出現下降段后，端部帶肋鋼管混凝土柱的下降段相對于普通鋼管混凝土柱，即RT-4M、RT-6H、RT-10L的下降段更為平緩，表現出更好的延性. 且試件DL-4L、DL-6L、DL-10L相對于RT-4M、RT-6H、RT-10L的極限位移都有很大程度的增加，極限位移分別增大了44.4%、65.3%、29.3%.

(a)4mm帶肋與未帶肋比較(b)6mm帶肋與未帶肋比較(c)10mm帶肋與未帶肋比較(d)帶肋的比較圖5 荷載-位移骨架曲線Fig.5 Loading-displacementskeletoncurves

本文試驗的3個試件的骨架曲線比較如圖5(d)所示. 可看出，軸壓比越小，套箍系數越大，試件正負兩方向下降段越平緩，表現出更好的塑性與耗能能力，抗震性能越強.

2.4 剛度退化分析

圖6 所示為試件的剛度退化曲線，圖中等效剛度K為每次循環的荷載峰值與側移Δ的比值，其中荷載峰值取正反兩方向峰值荷載絕對值的平均值，側移Δ取正反兩方向峰值荷載所對應位移絕對值的平均值.

圖6(a)(b)(c)分別為試件DL-4L與RT-4M、 DL-6L與RT-6H、 DL-10L與RT-10L的剛度退化曲線的比較圖. 由圖可見，加載初期，試件的剛度基本沒有變化，試件處于彈性工作階段. 隨著位移的增加，試件剛度出現退化，但退化并不明顯，其中，試件DL-4L、DL-6L、DL-10L的剛度退化更為平緩，說明柱端部設置加勁肋后，確實能延緩柱端部的鼓曲，約束混凝土的變形，增強柱的延性，改善柱的抗震性能.

圖6(d) 所示為試件DL-4L、DL-6L與DL-10L的剛度退化曲線的比較圖. 由圖可見，軸壓比越小，套箍系數越大，剛度退化曲線下降得越平緩，試件具有更好的延性.

(a)4mm帶肋與未帶肋比較(b)6mm帶肋與未帶肋比較(c)10mm帶肋與未帶肋比較(d)帶肋的比較圖6 剛度退化曲線Fig.6 Stiffnessdegradationcurves

2.5 位移延性系數分析

表4為試驗分析結果一覽表，表中Pu為試件的最大水平荷載，Δy為試件的屈服位移，取初始剛度線與最大荷載水平線交點處的位移值，Δu為試件水平荷載下降到85%Pu時的位移，u為試件延性系數，u=Δu/Δy，θ為極限位移角.

由表4可知：

1)端部帶肋方鋼管混凝土柱相對于普通鋼管混凝土柱的承載力有一定程度的提高.

2)端部帶肋方鋼管混凝土柱相對于普通方鋼管混凝土柱的延性系數有很大程度的提高，試件DL-4L、DL-6L、DL-10L相對于RT-4M、RT-6H、RT-10L的延性系數分別增大了27.0%、51.3%、6.7%.

表4 試驗結果一覽表

3) 端部帶肋方鋼管混凝土柱相對于普通方鋼管混凝土柱的極限位移角有很大程度的提高. 試件DL-4L、DL-6L、DL-10L相對于RT-4M、RT-6H、RT-10L的極限位移角分別增大了50%、66.7%、27.7%.

3 結 論

通過對3根端部帶肋鋼管混凝土柱的試驗研究與分析，可初步得到以下結論：

本文試驗的3根端部帶肋方鋼管混凝土柱與文獻[8]中的普通方鋼管混凝土柱對比可以看出，普通方鋼管混凝土柱端部設置加勁肋后，承載力有一定程度的提高. 端部帶肋方鋼管混凝土柱的荷載-位移滯回曲線更為飽滿，表現出良好的耗能能力. 荷載-位移骨架曲線的下降段更為平緩，極限位移有很大程度的提高，剛度退化更為緩慢. 結果表明，柱端部設置加勁肋后，能較好地提高方鋼管混凝土柱的延性，進一步增強耗能能力，改善抗震性能.

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Experimental Study on Seismic Behavior of Square Concrete-filledSteel Tube Column with End Ribs

WANG Mengfu?, YANG Mian

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China )

In order to improve the bearing capacity and ductility of square concrete-filled steel tube (CFST) column，this paper proposed a new structure scheme，adding ribs at the end of CFST column.Three CFST columns with end ribs were designed and produced.Pseudo static test was conducted，and seismic behaviors including the bearing capacity，hysteresis curves，skeleton curves and displacement ductility were obtained.Compared with the conventional CFT columns，experimental results indicated that the hysteretic loop curve of the test specimens dissipated large energy，and the decline of the skeleton curve was not significant.The ultimate displacement increased obviously by 44.4%，65.3% and 29.3%，respectively.The ductility increased by 27.0%，51.3% and 6.7%，respectively.The CFST columns with ribs exhibited good energy dissipation capacity and their seismic performance was significantly improved with larger ductility.

square concrete-filled steel tube column; end ribs; pseudo static test; seismic behavior

TU375；P315.9

A

1674-2974(2017)011-0031-07

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.11.004

2016-11-23

國家自然科學基金資助項目(51278181, 51578225), National Natural Science Foundation of China(51278181, 51578225);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120161110022),Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(20120161110022)

汪夢甫(1965—)，男，湖北通城人，湖南大學教授，博士生導師

?通訊聯系人，E-mail: wangmengfu@126.com