方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱的抗震損傷分析

王成剛, 余康康, 關(guān)朝江, 崔樂(lè)樂(lè)

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009; 3.安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

0 引 言

工程結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命周期會(huì)受到來(lái)自各個(gè)方面的作用,包括自身重量、環(huán)境因素以及地震作用等,每種作用可能引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件微觀或宏觀上的變化,這種變化稱為損傷,每一次損傷都使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件離破壞狀態(tài)更近一步。地震是一種隨機(jī)的交替循環(huán)作用,地震交替循環(huán)作用一次,損傷就會(huì)累積一次,當(dāng)損傷累積到一定程度時(shí),結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生破壞。由此可見(jiàn),工程結(jié)構(gòu)經(jīng)受過(guò)一次地震后,為了確定工程結(jié)構(gòu)的可利用價(jià)值或者為工程結(jié)構(gòu)加固修復(fù)提供科學(xué)依據(jù),正確地評(píng)估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷程度非常必要。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷程度一般用損傷指標(biāo)D來(lái)描述。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多不同類型的地震損傷分析模型,包括基于剛度退化、變形和耗能的單參數(shù)地震損傷模型以及基于變形和耗能的雙參數(shù)地震損傷模型。目前,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)損傷模型的研究主要集中在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上,而對(duì)鋼管混凝土地震損傷模型的研究相對(duì)較少,文獻(xiàn)[1-5]對(duì)鋼管混凝土柱或鋼管再生混凝土柱進(jìn)行了研究。

本文基于文獻(xiàn)[6]通過(guò)對(duì)六方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱進(jìn)行水平低周反復(fù)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù),研究其累積損傷問(wèn)題,采用部分損傷模型對(duì)試件在試驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)階段的損傷程度進(jìn)行計(jì)算分析和比較研究,得出不同破壞階段損傷量化指標(biāo),為基于性能的方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱抗震設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

試件具體尺寸如圖1所示,采用的材料有直焊縫方鋼管、P42.5普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、普通河砂、自來(lái)水以及再生粗骨料。再生粗骨料由建筑物拆除廢棄混凝土加工而成,本次試驗(yàn)均采用100%取代率的再生混凝土,試配強(qiáng)度為C30。試件中所有方鋼管均采用Q235B鋼材,邊長(zhǎng)均為160 mm,名義壁厚分別為4、5、6 mm。本文再生混凝土和鋼材的強(qiáng)度試驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)值均參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。本次試驗(yàn)以軸壓比n、長(zhǎng)細(xì)比λ和鋼管名義壁厚(含鋼率)為變化參數(shù),設(shè)計(jì)制作6個(gè)構(gòu)件,試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1所列。本試驗(yàn)采取荷載位移雙控加載法,采用MTS液壓伺服作動(dòng)器對(duì)試件作用水平低周反復(fù)載荷。

圖1 試件詳圖

表1 試件基本參數(shù)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

試件從開(kāi)始加載直至破壞的各個(gè)階段典型照片如圖2所示。圖2中:Δ為柱頂水平加載位移;Δue為彈性極限位移。在力控制加載階段,鋼管無(wú)明顯變化,試件處于彈性階段。觀察應(yīng)變記錄,在鋼管壁應(yīng)變達(dá)到鋼材屈服應(yīng)變時(shí),改為位移加載。隨著加載位移的逐漸增加,增加到彈性極限位移2倍時(shí),試件受壓面有局部微小鼓曲現(xiàn)象,但肉眼不易察覺(jué),鋼管表面的鐵銹開(kāi)始剝落(圖2a)。加載位移繼續(xù)增大,增加到彈性極限位移3倍左右時(shí),水平推拉力逐漸達(dá)到峰值荷載,試件受壓面有明顯局部微凸曲,鋼管表面的鐵銹剝落明顯,鋼管兩側(cè)壁仍保持平直,在卸載及反向加載過(guò)程中,鋼管受壓面的局部凸曲能被逐漸拉平,卸載后殘余變形較大(圖2b)。加載位移繼續(xù)增大,水平推拉力開(kāi)始降低,鋼管受壓面局部鼓曲加劇,左右側(cè)壁開(kāi)始鼓曲并越來(lái)越明顯,同時(shí)在卸載及反向加載過(guò)程中,鋼管的局部凸曲不能再被拉平;卸載后,殘余變形繼續(xù)增大,試件進(jìn)入破壞階段(圖2c)。再生混凝土的破壞形態(tài)如圖3所示。

圖2 方鋼管再生混凝土柱典型破壞特征

圖3 再生混凝土的破壞形態(tài)

從圖3a可以看出,在鋼管鼓曲處再生混凝土完全壓饋再生混凝土柱完全斷裂;從圖3b可以看出,其他部位混凝土保持完整,在距柱底50～150 mm范圍形成沿加載方向轉(zhuǎn)動(dòng)的塑性鉸,屬于典型的壓彎破壞。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 試件承載力和變形能力分析

試件的屈服荷載Py、峰值荷載Pmax、破壞荷載Pu以及與之對(duì)應(yīng)的屈服位移Δy、峰值位移Δmax、破壞位移Δu計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所列,表2中加載方向正向?yàn)橥?反向?yàn)槔?平均為正向以及反向加載后得出數(shù)值的平均值;屈服荷載采用能量等值法(等面積法)來(lái)確定,用位移延性系數(shù)(μ=Δu/Δy)來(lái)反映結(jié)構(gòu)延性的大小。由表2可以看出:

1) 試件的延性系數(shù)在2.61～3.46之間,表明方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱的變形性能良好。

2) 隨鋼管壁厚的增加,延性呈增長(zhǎng)趨勢(shì),試件的各個(gè)特征點(diǎn)處的承載力均有所提高。

3) 隨長(zhǎng)細(xì)比的增加,試件峰值位移和破壞位移明顯增加,延性系數(shù)也明顯增大,但是試件的承載力均明顯降低。

4) 隨軸壓比的增加,試件各特征點(diǎn)處的位移均有所降低,延性系數(shù)減小,而特征點(diǎn)處的承載力均有所提高。

表2 特征荷載、特征位移和延性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.2.2 剛度退化

在地震作用下,構(gòu)件剛度的退化是抗震性能退化的主要原因之一。根據(jù)文獻(xiàn)[7]建議,本文采用割線剛度來(lái)研究反復(fù)荷載作用下試件變形性能的變化。在低周反復(fù)荷載作用下,剛度退化的形式有2種。本文采用的剛度退化方法根據(jù)試件在每一級(jí)加載位移作用下,第1次循環(huán)的峰值荷載和峰值位移計(jì)算公式為:

(1)

其中:Ki為第i級(jí)加載的割線剛度;+Fi為第i級(jí)加載峰值點(diǎn)正向荷載值;-Fi為第i級(jí)加載峰值點(diǎn)負(fù)向荷載值;+Xi為第i級(jí)加載峰值點(diǎn)正向位移值;-Xi為第i級(jí)加載峰值點(diǎn)負(fù)向位移值。各個(gè)試件的剛度退化對(duì)比曲線如圖4所示。

圖4 剛度退化曲線對(duì)比

從圖4可以看出,隨著加載位移的增加,各個(gè)試件剛度退化趨勢(shì)基本一致,前期快,后期慢,直到試件完全屈服,剛度退化曲線下降段逐漸趨于平緩。不同壁厚試件的剛度退化系數(shù)在峰值位移(30 mm左右)之前差別不明顯,在加載位移超過(guò)峰值位移之后,壁厚較大試件的剛度退化系數(shù)較大,說(shuō)明較厚的鋼管壁可以增強(qiáng)核心再生混凝土的約束,減緩剛度退化。長(zhǎng)細(xì)比較大的試件剛度退化系數(shù)較大,說(shuō)明長(zhǎng)細(xì)比大的試件剛度退化慢。在荷載未達(dá)到峰值之前,軸壓比較大試件的剛度退化系數(shù)較小,說(shuō)明軸壓比大的試件前期剛度退化較快。

3 抗震損傷指標(biāo)定量分析

本文在方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱的抗震性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上,分別采用基于剛度退化、變形、耗能的單參數(shù)地震損傷評(píng)估模型和基于變形、耗能的雙參數(shù)地震損傷評(píng)估模型,分析低周反復(fù)荷載作用下鋼管再生混凝土試件地震損傷演化的全過(guò)程,并基于建筑結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)的分類和多個(gè)損傷評(píng)估模型得出的損傷指標(biāo),給出鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱在不同損傷狀態(tài)下量化的損傷指標(biāo)。

3.1 損傷指標(biāo)的計(jì)算分析

3.1.1 基于剛度退化和變形的損傷分析模型

文獻(xiàn)[8]提出結(jié)構(gòu)的破壞與殘余強(qiáng)度和剛度密切相關(guān),結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷變量應(yīng)該為構(gòu)件殘余剛度和彈性剛度的結(jié)合,給出了彎曲剛度的修正損傷指標(biāo),即

(2)

其中:D為損傷指標(biāo);Ky為屈服點(diǎn)剛度;Ku為極限點(diǎn)的割線剛度;Kr為任意一點(diǎn)的割線剛度。按此方法計(jì)算出的損傷指標(biāo)D見(jiàn)表3所列。

文獻(xiàn)[9]提出彈塑性變形是引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損傷的主要原因,假設(shè)單調(diào)荷載作用下的極限變形與結(jié)構(gòu)循環(huán)荷載作用下的極限變形相等,那么基于彈塑性變形的損傷評(píng)估模型為:

(3)

其中,Δc、Δy、Δu分別為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的彈塑性變形(計(jì)算值)、屈服變形、極限變形。該模型沒(méi)有考慮反復(fù)荷載對(duì)損傷的影響,認(rèn)為反復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的損傷與單次荷載作用下結(jié)構(gòu)的損傷相當(dāng),而且承載力和剛度的變化并沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。按此方法計(jì)算出的損傷指標(biāo)D見(jiàn)表4所列。

表3 基于剛度退化損傷分析模型計(jì)算的損傷指標(biāo)

表4 基于變形的損傷分析模型計(jì)算的損傷指標(biāo)

3.1.2 基于耗能的損傷分析模型

在文獻(xiàn)[10]線性累積損傷模型基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[11]認(rèn)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件累積損傷模型應(yīng)考慮疲勞損傷的影響,因此需要建立結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形損傷與疲勞損傷的相互關(guān)系。

變量的計(jì)算表達(dá)式如下:

(4)

表5 基于耗能的損傷分析模型計(jì)算的損傷指標(biāo)

3.1.3 基于變形和耗能的雙參數(shù)損傷分析模型

文獻(xiàn)[12]在進(jìn)行了大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了Park-Ang雙參數(shù)損傷模型,此模型綜合考慮了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限變形與滯回耗能,其表達(dá)式如下:

(5)

由于本文是基于方鋼管再生混凝土柱的試驗(yàn)數(shù)據(jù),Park-Ang雙參數(shù)損傷模型中的參數(shù)值不可直接套用,因此本文根據(jù)試件破壞時(shí)D取1,反算出方鋼管再生混凝土柱的組合參數(shù)值β,得出的β值見(jiàn)表6所列。按此方法計(jì)算出的損傷指標(biāo)D見(jiàn)表7所列。

表6 試件的組合參數(shù)

表7 基于變形耗能損傷分析模型計(jì)算的損傷指標(biāo)

3.1.4 基于不同損傷模型計(jì)算結(jié)果的分析

由表3～表5、表7可知,隨著循環(huán)加載位移的增加,所有試件的損傷都呈近單調(diào)增加,趨勢(shì)是一致的,在超過(guò)屈服位移而未達(dá)到峰值位移時(shí),試件的累積損傷都較小,在達(dá)到峰值位移時(shí),試件的累積損傷基本不超過(guò)0.4,超過(guò)峰值位移后,試件的累積損傷增加較快。在相同循環(huán)位移下,軸壓比較大試件的累積損傷較軸壓比小的大,而且增長(zhǎng)得快;長(zhǎng)細(xì)比較大試件的累積損傷較長(zhǎng)細(xì)比小的小,而且增長(zhǎng)得慢;壁厚較厚試件的累積損傷較壁厚薄的小些,但是影響不明顯。

3.2 方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱損傷量化指標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[14]將建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn)劃分為基本完好(包括完好)、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌,采用層間位移作為量化指標(biāo),具體劃分見(jiàn)表8所列。

表8 建筑結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)的分類

根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以得到各個(gè)試件在加載特征點(diǎn)處的位移值與彈性極限位移之比,見(jiàn)表9所列。

由表9可知,根據(jù)試件在加載特征點(diǎn)處的位移值與彈性極限位移之比,可將試件分為4種狀態(tài):試件頂端位移小于彈性極限位移時(shí),試件處于彈性狀態(tài),屬于基本完好狀態(tài);試件頂端位移達(dá)到屈服位移時(shí),峰值位移與彈性極限位移比值在1.5～2.0之間,屬于輕微損壞狀態(tài);試件頂端位移到達(dá)峰值位移時(shí),峰值位移與彈性極限位移比值在2.8～3.2之間,屬于中等破壞狀態(tài);試件頂端位移達(dá)到破壞位移時(shí),試件處于塑性狀態(tài),破壞位移與彈性極限位移比值在5.1～5.9之間,屬于嚴(yán)重破壞狀態(tài)。

表9 試件加載特征點(diǎn)處的位移與彈性位移之比

根據(jù)6個(gè)試件在不同循環(huán)加載位移下基于不同損傷分析模型計(jì)算出的損傷指標(biāo)值,得出各個(gè)試件在不同Δ/Δue比值下?lián)p傷指標(biāo)的平均值如圖5所示。由圖5可知:Δ/Δue不大于1時(shí),試件損傷指標(biāo)值不超過(guò)0.1;Δ/Δue不大于2時(shí),試件損傷指標(biāo)值不超過(guò)0.2;Δ/Δue不大于4時(shí),試件損傷指標(biāo)值不超過(guò)0.6;Δ/Δue不大于5時(shí),試件損傷指標(biāo)值不超過(guò)0.9。通過(guò)對(duì)各個(gè)試件累積損傷指標(biāo)值的綜合分析,給出了方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱基于抗震性能的損傷量化指標(biāo),見(jiàn)表10所列。

圖5 不同Δ/Δue比值的損傷指標(biāo)平均值

表10 方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱基于抗震性能的量化損傷指標(biāo)

4 結(jié) 論

1) 鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱在低周反復(fù)荷載作用下,在距柱底一定范圍形成沿加載方向轉(zhuǎn)動(dòng)的塑性鉸,屬于典型的壓彎破壞,且變形性能良好。隨著循環(huán)加載位移的增大,前期各個(gè)試件剛度退化系數(shù)逐漸減小,剛度退化加快,后期剛度退化系數(shù)有所增大,剛度退化變慢。

2) 根據(jù)不同損傷模型計(jì)算分析可知,隨著加載位移的增加,所有鋼管再生混凝土試件的損傷都呈近單調(diào)增加,在達(dá)到峰值位移之前,累積損傷指標(biāo)值基本不超過(guò)0.4,試件損傷較小,超過(guò)峰值位移后,試件的累積損傷增加較快。

3) 隨著軸壓比的增加,鋼管再生混凝土試件的承載力有所提高,但是變形能力減小,剛度退化加快,累積損傷加重;隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加,鋼管再生混凝土試件的承載力降低,但是變形能力提高,剛度退化變慢,累積損傷減輕;隨著鋼管壁厚的增加,鋼管再生混凝土試件的承載力和變形能力均提高,達(dá)到峰值荷載之后剛度退化變慢,累積損傷有所減輕。

4) 通過(guò)綜合分析各種累積損傷分析模型得出的損傷指標(biāo)值,并結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中試件破壞形態(tài),本文給出了方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱對(duì)應(yīng)不同抗震性能水準(zhǔn)的損傷量化指標(biāo),對(duì)方鋼管再生混凝土中長(zhǎng)柱的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。