圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究

劉鴻偉，陳娟，李昊洋

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023)

對(duì)鋼管再生混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究國(guó)外始于20世紀(jì)90年代[1]，在此期間國(guó)內(nèi)外有大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，但多側(cè)重于再生骨料取代率對(duì)鋼管再生混凝土柱的力學(xué)性能的影響，如Konno等[2]研究了鋼管再生混凝土柱豎向承載力和變形能力；楊有福[3]研究了軸壓短柱、純彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件的力學(xué)性能；肖建莊等[4]研究了再生粗骨料對(duì)圓鋼管混凝土柱的軸壓力學(xué)性能以及變形性能；黃一杰[5]對(duì)鋼管再生混凝土柱在不同再生骨料取代率、混凝土強(qiáng)度的條件下進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究其對(duì)試件的抗震性能影響；Yang Y F等[6]研究了鋼管混凝土柱和鋼管再生混凝土柱在不同因素影響下的力學(xué)性能；陳娟等[7]研究了圓鋼管高強(qiáng)再生混凝土柱的抗震性能；陳創(chuàng)[8]研究了圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱的抗震性能；還有很多國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)鋼管再生混凝土構(gòu)件本構(gòu)關(guān)系的研究取得了一定成果[9～11]。但由于對(duì)鋼管全再生混凝土柱的研究時(shí)間較短，研究成果相對(duì)較少，將再生骨料在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中最大化應(yīng)用還需對(duì)鋼管全再生骨料混凝土柱進(jìn)行研究。下面筆者設(shè)計(jì)并制作了4個(gè)鋼管全再生粗骨料混凝土柱和1個(gè)普通鋼管混凝土柱試件，通過(guò)對(duì)這5個(gè)構(gòu)件進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)，研究軸壓比和含鋼率對(duì)圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱抗震性能的影響，通過(guò)觀察5個(gè)構(gòu)件的破壞過(guò)程，整理構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制滯回曲線、骨架曲線及等效黏滯系數(shù)曲線，分析各個(gè)因素對(duì)試件抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了5個(gè)構(gòu)件，試件尺寸如圖1所示，試件基本參數(shù)如表1所示，其中L、t、D分別為構(gòu)件的總長(zhǎng)度、鋼壁厚度和外徑；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；fy為鋼管的屈服強(qiáng)度；n為軸壓比；N為試驗(yàn)過(guò)程中施加到試件上的縱向軸壓力。

試驗(yàn)中鋼管選用外徑為133mm，壁厚分別為4.5mm和7mm的無(wú)縫鋼管，壁厚為4.5mm的鋼管屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為293MPa和465.3MPa，伸長(zhǎng)率為24%；壁厚為7mm的鋼管屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為307.7MPa和483MPa，伸長(zhǎng)率為26%。試驗(yàn)采用32.5MPa的復(fù)合硅酸鹽水泥、天然河砂、粒徑為0～20mm連續(xù)級(jí)配的碎石。再生粗骨料為荊州市華升新型材料股份有限公司廢棄混凝土試塊通過(guò)人工和錘式破碎機(jī)破碎，再經(jīng)篩分，洗凈干燥后配成5～20mm連續(xù)級(jí)配的再生粗骨料。普通混凝土與全再生粗混凝土的配合比如表2所示，經(jīng)測(cè)試的普通混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為67.9MPa，全再生骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為61.1MPa。

圖1 試件尺寸詳圖(單位：mm)

表1 試件基本參數(shù)

表2 試件的配合比

圖2 加載裝置

1.2 試驗(yàn)裝置和加載制度

試驗(yàn)裝置如圖2所示，利用100t高精度推力千斤頂對(duì)試件施加豎向軸力，水平低周反復(fù)荷載由量程±150mm電液伺服作動(dòng)器通過(guò)位移控制實(shí)現(xiàn)加載。最大加載能力為500kN，側(cè)移率(側(cè)移率用Δ/L表示，其中Δ為水平荷載加載點(diǎn)處水平方向位移。)為0.25%、0.5%和0.75%時(shí)水平荷載循環(huán)1次，側(cè)移率為1%、2%、3%和4%時(shí)水平荷載循環(huán)3次。為便于數(shù)據(jù)采集，橫向應(yīng)變片以東南西北為順序標(biāo)記1～4，豎向應(yīng)變片依照東北西南順序編號(hào)依次編為5～8，試驗(yàn)中應(yīng)變和位移讀數(shù)由電腦采集。

試驗(yàn)時(shí)先將豎向荷載加至設(shè)計(jì)值，然后根據(jù)水平荷載的加載制度采用位移加載方式施加水平往復(fù)荷載，當(dāng)水平荷載降低到峰值荷載的85%或者豎向荷載無(wú)法保持穩(wěn)定時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱與普通圓鋼管混凝土柱的破壞過(guò)程相似，在加載初期觀察不到顯著的變化，臨近破壞時(shí)均在柱底加勁肋上方18～26mm范圍內(nèi)鋼管出現(xiàn)局部屈曲，所有試件均在水平荷載降到峰值荷載的85%后停止試驗(yàn)。

2.2 滯回曲線

構(gòu)件的水平力-側(cè)移(P-Δ)滯回曲線如圖3所示。

圖3 試件滯回曲線

由圖3可知，普通圓鋼管混凝土柱與圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱的滯回曲線都很飽滿，未出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象，這表明圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱具有良好的抗震性能；軸壓比越大，構(gòu)件的水平承載力越小，水平承載力的下降幅度隨軸壓比的增大而增大。含鋼率不同時(shí)，圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱承受荷載的變形能力與普通圓鋼管混凝土柱基本相同，但是構(gòu)件的含鋼率越大曲線越為飽滿，達(dá)到峰值荷載后，下降幅度平緩。

2.3 骨架曲線

骨架曲線反映了各個(gè)試件在不同階段下受力和變形的特性。由圖4(a)可知，試件在加載階段，屈服前骨架曲線均呈上升趨勢(shì)，所有試件的曲線近似成一條直線，開(kāi)始屈服后，曲線進(jìn)入下降段，趨勢(shì)較為平緩，說(shuō)明圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件與普通圓鋼管混凝土試件相比較，變形和耗能能力較好。對(duì)比圖4(b)軸壓比和含鋼率均相同的普通圓鋼管混凝土柱和圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱的骨架曲線可知，混凝土中粗骨料全部由再生骨料代替將會(huì)降低鋼管再生混凝土柱的水平承載力，普通鋼管混凝土柱的水平承載力比圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱高出7.5%。由圖4(c)可知，隨著軸壓比不斷增大，鋼管全再生粗骨料混凝土柱的水平承載力不斷增大，軸壓比從0.3增大到0.5，試件的極限荷載分別增大了8.5%和14.06%，但變形能力不斷降低，曲線的下降階段逐漸陡峭。由4(d)可知，隨著含鋼率的增大，試件的極限承載力隨之增大，C2試件的極限荷載高出C1試件5.6%。

圖4 試件骨架曲線

2.4 延性

采用位移延性系數(shù)μ來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的延性，μ=Δm/Δy，其中Δm為峰值荷載下降到85%時(shí)試件對(duì)應(yīng)的位移；Δu為極限位移；Δy表示屈服位移。按照能量等值法計(jì)算的試驗(yàn)主要特征點(diǎn)如表3所示，表3中數(shù)據(jù)為2個(gè)方向的平均值。

表3 試件各關(guān)鍵點(diǎn)處荷載和位移

由表3可知，各個(gè)試件的位移延性系數(shù)的值均在3以上，而且普通圓鋼管混凝土試件和圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件的μ基本相同，表明圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件的延性性能較好，粗骨料的循環(huán)利用幾乎不影響鋼管混凝土柱的屈服和破壞位移。當(dāng)軸壓比相同時(shí)，圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件的含鋼率越高則延性性能越好；依次增大軸壓比后，位移延性系數(shù)逐漸降低，因此圓鋼管全再生粗骨料混凝土試件有良好的延性性能。

2.5 耗能

該試驗(yàn)中，用等效黏滯系數(shù)he作為評(píng)價(jià)試件耗能能力大小的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算得出各試件等效粘滯系數(shù)he如表4所示。由表4可知，試件隨著加載位移的增大，等效黏滯系數(shù)he也隨之不斷增大；尤其是達(dá)到峰值荷載后，等效黏滯系數(shù)he上升的幅度加快，表明試件的耗能隨著位移的增大而增大。當(dāng)軸壓比和含鋼率均相同的條件下，普通圓鋼管混凝土柱試件破壞時(shí)的等效黏滯系數(shù)he為0.381，而圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱試件破壞時(shí)的等效黏滯系數(shù)he均大于0.381，說(shuō)明粗骨料全部采用再生骨料并不會(huì)降低圓鋼管混凝土柱的耗能能力，而且圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱隨著軸壓比的增大，相應(yīng)的he逐漸增大，表明軸壓比的增大對(duì)耗能有積極的影響，但含鋼率增大則相反，即含鋼率越大he越小。

表4 試件等效粘滯系數(shù)

3 結(jié)論

通過(guò)1個(gè)普通圓鋼管混凝土柱和4個(gè)圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱試件的試驗(yàn)研究可得出以下結(jié)論：

1)普通圓鋼管混凝土柱和圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱的破壞過(guò)程與模式基本相同，破壞時(shí)構(gòu)件均在靠近柱腳處出現(xiàn)鋼管屈曲的現(xiàn)象。

2)全再生粗骨料混凝土的使用對(duì)試件的延性、水平承載力和耗能性能影響不大，圓鋼管全再生粗骨料混凝土柱具有良好的抗震性能。

3)全再生粗骨料混凝土柱在含鋼率不同，軸壓比相同情況下，試件的滯回曲線均飽滿，隨著含鋼率的提高，對(duì)試件的水平承載力、延性具有較好的影響，試件的耗能稍有降低；在軸壓比不同，含鋼率相同情況下，試件的滯回曲線普遍飽滿，軸壓比增大對(duì)試件的耗能與水平承載力有積極的影響，但會(huì)降低試件的延性。