張震,吳江，李加樂，張淑君，吳孫武　(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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往復(fù)水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)

張震,吳江，李加樂，張淑君，吳孫武(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

[摘要]為研究方鋼管再生混凝土柱在往復(fù)水平荷載作用下的抗震性能，基于現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，制作了4根方鋼管再生混凝土試件進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，研究了再生骨料替代率、含鋼率和軸壓比這3種參數(shù)對(duì)試件抗震性能的影響。通過觀察各試件的破壞過程和破壞形態(tài)，分析其滯回曲線、骨架曲線、延性系數(shù)、耗能能力及剛度退化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：所有試件破壞形態(tài)都為柱腳的鼓曲破壞，與普通鋼管混凝土柱相同；隨著再生骨料替代率的上升，柱的極限承載力、延性系數(shù)及耗能能力都有所降低，但降幅不大；含鋼率越大，柱的極限承載力明顯提高，延性和耗能能力亦有所增加，抗震性能顯著增強(qiáng)；軸壓比對(duì)柱的極限承載力和延性有一定程度影響，軸壓比越大，極限承載力越大，延性反而越差；從承載力、延性及耗能能力來看，在合理的軸壓比和含鋼率的前提下，方鋼管再生混凝土柱具有較好的抗震性能，可用于抗震設(shè)防區(qū)。

[關(guān)鍵詞]鋼管再生混凝土柱；軸壓比；取代率；含鋼率；擬靜力試驗(yàn)；抗震性能

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，工程實(shí)際中會(huì)越來越多的使用到再生混凝土[1]。再生混凝土中骨料來自于已有建筑的廢棄混凝土，因在對(duì)混凝土進(jìn)行破碎過程中會(huì)造成骨料出現(xiàn)進(jìn)一步損傷，導(dǎo)致了再生混凝土的力學(xué)性能較普通混凝土要差，因此再生混凝土普遍應(yīng)用于非承重和承重較小的結(jié)構(gòu)中[2]。現(xiàn)階段，對(duì)普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究已趨向成熟，在此基礎(chǔ)上提出了鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)，研究將鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)用于建筑的抗側(cè)力構(gòu)件和主要的承重構(gòu)件具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管再生混凝土進(jìn)行了一些研究。在靜力受壓性能方面，吳波等[3]、肖建莊等[4]、陳娟等[5]、Koo K et al[6]進(jìn)行了軸壓力學(xué)性能的試驗(yàn)研究和理論推導(dǎo)。在抗震性能方面，黃一杰等[7]研究了再生骨料取代率和混凝土強(qiáng)度等鋼管再生混凝土柱抗震性能的影響，并提出了基于Miner原理的改進(jìn)損傷評(píng)估模型。張向?qū)萚8,9]對(duì)圓形和方形鋼管再生混凝土柱進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，并依據(jù)現(xiàn)有規(guī)程相關(guān)公式進(jìn)行了壓彎承載力的計(jì)算。黃丹等[10]、張銳等[11]、孟二從等[12]也對(duì)不同變化參數(shù)下的鋼管再生混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

為了進(jìn)一步研究鋼管再生混凝土柱在低周反復(fù)荷載下的抗震性能，筆者選擇再生骨料替代率、含鋼率和軸壓比這3個(gè)參數(shù)為變化參數(shù)，對(duì)4根試件柱模型進(jìn)行了在恒定軸壓力和水平荷載作用下的破壞加載試驗(yàn)，分析了各試件的極限承載力、延性系數(shù)和耗能能力等參數(shù)，研究了3個(gè)參數(shù)對(duì)試件抗震性能的影響，為鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

選擇鋼管混凝土框架底層柱反彎點(diǎn)以下部分為研究對(duì)象，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，設(shè)計(jì)制作了4個(gè)試件，編號(hào)為Z-0～Z-3。柱腳選用端承式柱腳，方鋼管每側(cè)與底板焊接有2個(gè)高度為120mm，厚度為10mm的梯形加勁肋板，柱頂焊接蓋板。各試件的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　試件參數(shù)

注：B為方鋼管載面密度，mm；t為鋼管壁厚度，mm；L為柱的有效高度，mm。

1.2試驗(yàn)材料

再生混凝土由天然骨料、再生骨料、自來水、42.5R級(jí)水泥、黃砂拌合而成，其中再生骨料來自于某質(zhì)監(jiān)站廢棄試塊，經(jīng)人工砸碎、篩選、清洗、烘干后得到。天然骨料和再生骨料經(jīng)相同的篩網(wǎng)篩分，均為連續(xù)級(jí)配。

表2　鋼材性能值

實(shí)驗(yàn)室制作試件過程中，再生混凝土在現(xiàn)場(chǎng)拌制形成，澆筑過程中用振搗棒進(jìn)行振搗，保證混凝土密實(shí)，并預(yù)留3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，混凝土等級(jí)為C40，按規(guī)范要求測(cè)得的立方體平均抗壓強(qiáng)度為40.2MPa。鋼管采用Q235B，鋼材性能值見表2。

1.3加載裝置及加載制度

注：　　　1—反力墻；2—電液伺服作動(dòng)器；3—豎向門架；　　　4—反力梁；5—滑動(dòng)小車；6—油壓千斤頂；　　　7—試件；8—混凝土基座。　　圖1　加載示意圖

圖2　加載制度

安裝試驗(yàn)裝置時(shí)，先將混凝土底座安裝到位，再用螺栓固定在剛性地面，最后將鋼管再生混凝土柱通過螺栓安裝至混凝土底座上，形成固定端。試件采用懸臂柱式加載方法，柱的軸力由上方的1000kN油壓千斤頂施加，正式加載前，先施加預(yù)定荷載的一半以消除內(nèi)部不均勻性，然后卸載后再施加至預(yù)定荷載，保持整個(gè)加載過程中軸力始終穩(wěn)定直至試驗(yàn)結(jié)束。水平荷載由固定在試件左端位于反力墻上的液壓伺服作動(dòng)器施加，加載示意圖如圖1所示。

按照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101-1996)的相關(guān)規(guī)定，加載方式采用荷載-位移控制加載。試件屈服之前，采用荷載分級(jí)控制，每級(jí)荷載按照25kN為增量，每級(jí)循環(huán)一次，直至在滯回曲線上出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)后，再重新設(shè)置成位移控制。按照屈服位移Δy為倍數(shù)繼續(xù)加載，每級(jí)循環(huán)3次。為了方便比較各試件在同級(jí)位移下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)第一根試件的屈服位移，將所有試件的屈服位移統(tǒng)一取為9mm，直到試件的承載力下降至極限荷載85%以下才停止加載，加載制度見圖2。

2試驗(yàn)過程及分析

圖3　典型的破壞形態(tài)

在整個(gè)試驗(yàn)加載過程中各試件表現(xiàn)出的破壞過程宏觀上相似，在加載初期，試件未屈服之前都沒有任何現(xiàn)象出現(xiàn)。待試件進(jìn)入屈服階段后，隨著作動(dòng)器的持續(xù)加載，首先在試件受壓側(cè)柱腳上方發(fā)生局部輕微屈曲。隨著作動(dòng)器卸載及反向持續(xù)加載時(shí)，屈曲被拉恢復(fù)后繼而在對(duì)應(yīng)一側(cè)也出現(xiàn)屈曲。隨著水平位移的加大，屈曲轉(zhuǎn)向受壓側(cè)旁的2個(gè)側(cè)面。試件快要破壞時(shí)，屈曲現(xiàn)象迅速發(fā)展，整個(gè)截面鼓曲十分明顯。卸載后，待作動(dòng)器位移歸零，鼓曲截面稍微有所恢復(fù)。試驗(yàn)結(jié)束后剝開鋼管，發(fā)現(xiàn)柱腳鼓曲處內(nèi)部混凝土完全被壓碎。這是因?yàn)樵诩虞d過程中，鋼管發(fā)生屈曲后與混凝土的黏結(jié)作用減弱，鋼管不能對(duì)混凝土形成良好的約束，且之前由鋼管承擔(dān)的軸壓力也有部分轉(zhuǎn)移由核心混凝土承擔(dān)，因此核心混凝土被壓碎嚴(yán)重。所有柱的破壞現(xiàn)象都表現(xiàn)為在水平荷載作用下柱兩側(cè)鼓曲嚴(yán)重，另外兩側(cè)鼓曲較輕微。典型的破壞形態(tài)見圖3。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1荷載-位移滯回曲線

通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的鋼管再生混凝土柱荷載-位移滯回曲線見圖4。其中，荷載指的是柱頂部水平荷載，位移指的是柱頂部與作動(dòng)器齊平的水平位移。

圖4　荷載-位移滯回曲線

由圖4可知：①各試件的滯回曲線均呈紡錘形，并沒有出現(xiàn)明顯的“捏攏”現(xiàn)象，說明鋼管再生混凝土柱同鋼管混凝土柱一樣，都具有良好的耗能性能。再生骨料替代率、含鋼率及軸壓比對(duì)滯回曲線的形狀不產(chǎn)生明顯的影響。②試件屈服之前，荷載與位移基本呈線性關(guān)系，無明顯的殘余變形，且剛度基本不退化。屈服之后，隨著加載位移的增加，滯回曲線越來越飽滿，耗能能力得到提升，殘余變形也逐步加大。同時(shí)每級(jí)循環(huán)位移加載下，后級(jí)循環(huán)的承載力都比前級(jí)循環(huán)的承載力有所下降，表現(xiàn)出承載力退化情況，反映出試件在加載過程中受到了累積損傷的影響。③對(duì)于取代率為參數(shù)變化的試件，其滯回曲線的形狀較普通鋼管混凝土變化不大，說明取代率對(duì)鋼管混凝土柱的滯回曲線影響不大。④對(duì)于含鋼率不同的試件Z-1和Z-2的鋼管再生混凝土柱，鋼管壁厚越大，極限承載力提升越明顯，延性和耗能能力也越好。⑤對(duì)于軸壓比單參數(shù)變化的鋼管再生混凝土柱，隨著軸壓比的增大，極限承載力有一定程度提高，但表現(xiàn)出較差的延性和耗能能力。

3.2骨架曲線

圖5　骨架曲線

圖5為所有試件的骨架曲線，由圖5可知：①所有試件均經(jīng)歷了上升階段、峰值階段和下降階段，除了試件Z-3因軸壓比較大導(dǎo)致下降階段時(shí)發(fā)展迅速外，其余試件的下降階段都比較平緩，具有良好的后期變形能力，延性較好。這主要是因?yàn)殇摴芘c再生混凝土之間的相互作用，鋼管約束混凝土，使得混凝土處于三向受壓狀態(tài)，混凝土強(qiáng)度得到明顯提高。另外，混凝土對(duì)鋼管的鼓曲起到了支撐和限制作用，延緩了鋼管鼓曲變形的發(fā)展速度，使得2種材料的優(yōu)點(diǎn)得以良好發(fā)揮。②對(duì)于取代率不同的試件Z-0和Z-1，骨架曲線的大體形狀相似，彈性工作階段幾乎重合，說明不同的再生骨料替代率對(duì)鋼管混凝土柱的初始彈性剛度的影響可以忽略不計(jì)。③對(duì)于軸壓比不同的試件Z-1和Z-3，不同的軸壓比帶來的變化較越明顯，隨著軸壓比增大，極限承載力有了一定程度提高，但高軸壓比試件的骨架曲線下降階段比較急劇，破壞荷載對(duì)應(yīng)的破壞位移較小，變形能力有限。④對(duì)于含鋼率不同的試件Z-1和Z-2，隨著含鋼率的上升，試件的初始剛度有所增大，極限荷載增大尤為明顯并擁有更好的彈塑性變形能力和耗能能力。

3.3延性和耗能能力

圖6　能量等值法示意圖

筆者采用能量等值法來確定試件的屈服位移Δy，具體做法如圖6所示。過骨架曲線極值點(diǎn)A向y軸做垂線，并通過原點(diǎn)O向上做斜線，當(dāng)ABH和OIH面積相等時(shí)，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移即為屈服位移Δy。取極限荷載Pmax下降至85%時(shí)的荷載Pu對(duì)應(yīng)的位移為破壞位移Δu，位移延性系數(shù)的計(jì)算方法為：μ=Δu/Δy。計(jì)算求出的位移延性系數(shù)μ及各特征值見表3，其中，Py、Δy分別為屈服荷載和屈服位移，Δmax為Pmax對(duì)應(yīng)的位移。

從表3可知：①所有試件的平均延性系數(shù)都在3.0以上，表明方鋼管再生混凝土柱擁有良好的變形能力。②比較試件Z-0、Z-1可知，再生骨料取代率對(duì)屈服荷載、極限荷載、破壞荷載即對(duì)應(yīng)的位移有一定的影響，但影響不大。具體表現(xiàn)為，再生骨料取代率越大，其特征值較之鋼管普通混凝土柱的要低。③比較試件Z-1、Z-2可知，含鋼率對(duì)試件特征值影響較大，隨著含鋼率的上升，試件屈服荷載、極限荷載及破壞荷載均有顯著提高，延性性能也有所增大。④比較試件Z-1、Z-3可知，隨著軸壓比的上升，試件的屈服荷載、極限荷載及破壞荷載也有所提升，但延性性能反而有所下降。

采用等效粘滯阻尼系數(shù)he來評(píng)價(jià)各試件的耗能能力，各試件計(jì)算所得的等效粘滯阻尼系數(shù)值見表3。由表3可得出：①鋼管再生混凝土柱的he在0.32～0.42，而普通鋼筋混凝土柱的he在0.1～0.2，型鋼混凝土柱的he在0.3左右，說明鋼管再生混凝土耗散能力強(qiáng)，具有優(yōu)越的耗能能力，其耗能指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求。②再生骨料取代率對(duì)試件耗能的影響極小，可忽略不計(jì)；含鋼率對(duì)試件的耗能有明顯的影響，含鋼率越高，試件的耗能能力越好；軸壓比對(duì)試件的耗能能力有不利的影響，軸壓比越大，試件的耗能能力反而會(huì)下降。

表3　試件承載力、位移和位移延性系數(shù)

3.4剛度退化

圖7　剛度退化曲線

剛度退化采用試件不同加載位移下滯回曲線的割線剛度Ki來表征，Ki按照同一級(jí)位移加載第一次循環(huán)的峰值荷載進(jìn)行計(jì)算，由于試件在彈性階段的剛度幾乎不退化，故選取彈塑性階段之后的剛度作為研究對(duì)象并繪制出剛度退化曲線，如圖7所示。從圖7可以看出：①各試件具有一些相同的退化規(guī)律。在加載初期，剛度退化較快，曲線下降明顯。達(dá)到極限荷載后，剛度退化曲線逐漸變緩。②試件Z-0、Z-1各階段的剛度退化曲線基本重合，表明取代率對(duì)試件的剛度退化并無影響；③試件Z-2的剛度曲線退化趨勢(shì)與試件Z-1大體相同，但初始剛度要明顯大于試件Z-1。即含鋼率越大，初始剛度越大。④試件Z-3的退化速率較試件Z-1要逐漸變大，說明軸壓比越大，剛度退化速率越大，這主要是因?yàn)樵降郊虞d后期，其二階效應(yīng)越加明顯所導(dǎo)致的。

4結(jié)論

1)鋼管再生混凝土柱的破壞形態(tài)與鋼管普通混凝土柱大體相同，都是鋼管柱腳發(fā)生鼓曲的壓彎破壞。

2)再生骨料替代率對(duì)試件的承載能力、延性性能和耗能能力均有輕微的不利影響，但影響很小，且對(duì)剛度退化曲線基本沒有影響，再生混凝土可以代替普通混凝土用于填充鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

3)含鋼率(鋼管壁厚)對(duì)試件的抗震性能影響較為顯著，含鋼率越大，初始剛度增強(qiáng)，鋼管對(duì)核心混凝土約束越大，混凝土能夠得到良好的變形，故水平承載力越大，延性和耗能能力亦有所增加。

4)軸壓比對(duì)鋼管再生混凝土柱的抗震性能有一定的影響，軸壓比越大，初始剛度有所增加，但延性和耗能能力均下降，剛度退化速率也越大。

5)所有鋼管再生混凝土柱的等效粘滯阻尼系數(shù)在0.32～0.42，延性系數(shù)在3.02～3.81，說明鋼管再生混凝土柱具有良好的變形性能和耗能能力，能滿足實(shí)際工程中對(duì)抗震設(shè)計(jì)的要求。

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[編輯]計(jì)飛翔

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)04-0039-05

[中圖分類號(hào)]TU391

[作者簡(jiǎn)介]張震(1991-)男，碩士生，現(xiàn)主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震方面的研究工作；通信作者：吳江，1879025407@qq.com。

[基金項(xiàng)目]住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部基金資助項(xiàng)目(2013-K3-1)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(BK2012477)。

[收稿日期]2015-10-18

[引著格式]張震，吳江，李加樂，等.往復(fù)水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(4)：39～43，55.