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

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種由鋼管和混凝土組合的結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)中，兩種材料各自發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，相互作用從而使其性能得到很大的提升：塑性韌性良好、承載能力較高、抗震能力較強(qiáng)。眾多截面形式中，尤以方鋼管混凝土柱的應(yīng)用最為廣泛。隨著科技的進(jìn)步，冷彎形成的鋼管相對(duì)于熱軋焊接而成的鋼管，優(yōu)點(diǎn)更為明顯：焊縫較少、節(jié)省施工工期、殘余應(yīng)力和殘余變形較小。冷彎鋼管混凝土結(jié)構(gòu)憑借特殊成型方式、優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能、良好的抗震性能，在未來(lái)建設(shè)中的地位也將越來(lái)越重要。

目前，在方形截面鋼管混凝土柱的擬靜力性能方面諸多研究者已進(jìn)行了相關(guān)研究并取得一定成果。呂西林等[1]、徐培蓁等[2]通過(guò)試驗(yàn)，研究了不同參數(shù)對(duì)試件抗震性能的影響，得出方鋼管混凝土柱具有良好的耗能能力。王鐵成等[3-5]利用數(shù)值模擬的方法，研究了不同參數(shù)對(duì)方鋼管混凝土柱抗震性能的影響。聶瑞鋒等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元模擬并分析不同參數(shù)得出：鋼管混凝土柱的耗能能力和塑性變形能力良好。汪夢(mèng)甫等[7]提出端部帶肋方鋼管混凝土柱的概念并進(jìn)行相應(yīng)構(gòu)件的抗震實(shí)驗(yàn)，提出在柱端部加肋可以明顯改善構(gòu)件抗震性能。以上是基于普通鋼管混凝土柱的研究，但到目前為止，對(duì)于高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱的抗震性能研究卻鮮有報(bào)道。HAJJAR等[8-9]在考慮冷彎管平板區(qū)和彎角區(qū)材料特性影響的基礎(chǔ)上確定了擬動(dòng)力荷載作用下鋼材和混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型。PATEL等[10]開(kāi)發(fā)了一種新的高效數(shù)值模型來(lái)預(yù)測(cè)循環(huán)加載下的鋼管混凝土的循環(huán)特性。張耀春等[11]以軸壓比和是否設(shè)置加勁肋為主要參數(shù)設(shè)計(jì)了9根帶肋薄壁方鋼管混凝土柱進(jìn)行低周實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：軸壓比對(duì)試件的滯回性能影響很大。

為研究高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱的抗震性能,本文基于以前學(xué)者相關(guān)研究方法[12-17]，設(shè)計(jì)了不同參數(shù)下的高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱擬靜力試驗(yàn)。研究在低周往復(fù)荷載作用下，高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱的破壞模式、變形承載能力、延性變化、耗能性能以及強(qiáng)度剛度退化。討論了冷彎矩形鋼管混凝土柱抗震性能在三個(gè)試驗(yàn)參數(shù)截面長(zhǎng)寬比、鋼管寬厚比、軸壓比下的不同變化。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

采用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)并制作9根高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱，考慮截面長(zhǎng)寬比、鋼管的寬厚比、軸壓比對(duì)其抗震性能的影響，具體采用的柱子尺寸以及參數(shù)如表1及圖1所示，鋼材力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2，鋼管內(nèi)填混凝土采用《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2000規(guī)范設(shè)計(jì)混凝土配合比：水泥/水/砂(過(guò)篩5 mm)/石子(5～20 mm)/減水劑為1/0.42/1.42/3.15/0.01，標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強(qiáng)度平均值為38.5 MPa。

圖1 柱底尺寸Fig.1 Dimensions of column bottom

試件編號(hào)柱高L/mm截面長(zhǎng)H/mm截面寬B/mm管壁厚度t/mm長(zhǎng)寬比寬厚比軸壓比總軸力Nu/kN軸壓力N/kNCFST11 30020010042500.2 773.768154.757CFST21 30020010052400.4870.078348.031CFST31 3002001006233.30.6965.708579.425CFST41 30020015041.3500.41 030.966412.368CFST51 30020015051.3400.61 143.803686.282CFST61 30020015061.333.30.21 255.978251.196CFST71 30020020041500.61 288.146772.888CFST81 30020020051400.21 417.528283.506CFST91 3002002006133.30.41 546.248618.499

注：CFST1表示試件編號(hào)為1的高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱。

表2 鋼材力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of steel

注：t表示標(biāo)準(zhǔn)試件實(shí)測(cè)厚度，fy表示屈服強(qiáng)度，fu表示極限強(qiáng)度，Es表示彈性模量，δ表示伸長(zhǎng)率

1.2 試驗(yàn)介紹

1.2.1 試驗(yàn)加載裝置

圖2 加載裝置現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Photo of loading device

試驗(yàn)采用擬靜力試驗(yàn)方法在長(zhǎng)江大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行。加載裝置現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示。將基礎(chǔ)底座用地錨螺栓固定；將柱子底部端板與基礎(chǔ)底座用高強(qiáng)螺栓固定，采用雙螺帽擰緊；柱頂采用2 000 kN的液壓千斤頂施加軸向力，千斤頂固定在裝有滾軸支座的橫梁上，連接板和拉桿與電液伺服系統(tǒng)(MTS)作動(dòng)器500 kN連接后施加水平荷載，作動(dòng)器固定在反力墻上。施加軸向力后，再次擰緊底板螺栓，確保后續(xù)加載不會(huì)出現(xiàn)滑移。正式加載前，在柱頂施加15 %預(yù)壓力，然后卸載。軸向壓力值按表1中計(jì)算值確定。

1.2.2 加載制度及數(shù)據(jù)采集

為方便描述，假定作動(dòng)器向前推為正向加載，向后拉為負(fù)向加載。水平位移加載制度如表3。水平荷載和位移由MTS自帶系統(tǒng)采集。軸向荷載采用2 000 kN的液壓千斤頂施加軸向力，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注液壓千斤頂參數(shù)，確保加載過(guò)程中軸壓比保持穩(wěn)定。

在柱底距加勁肋上端20 mm外包鋼管處粘貼了12片電阻應(yīng)變片。其中，在構(gòu)件前、后側(cè)鋼管各粘貼4片應(yīng)變片，2片橫向2片豎向；左、右側(cè)鋼管各粘貼2片應(yīng)變片，試件四面示意圖如圖3，應(yīng)變片的現(xiàn)場(chǎng)布置情況如圖4所示。同時(shí)，在沿作動(dòng)器高度方向布置一個(gè)位移計(jì)用于采集水平位移。鋼管表面應(yīng)變片的應(yīng)變讀數(shù)及位移計(jì)數(shù)據(jù)由DH3816進(jìn)行采集。

表3 加載制度Tab.3 Loading system

圖3 試件四面示意圖
Fig.3 Diagram of specimen in all directions

圖4 應(yīng)變片布置圖
Fig.4 Layout of strain gauge

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

通過(guò)對(duì)9根高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，觀察到9個(gè)試件的整體破壞過(guò)程相似：在控制位移未達(dá)到18 mm(預(yù)估屈服位移)，隨著控制位移的變化試件并未出現(xiàn)明顯現(xiàn)象，控制位移達(dá)到18 mm后，可以聽(tīng)到鋼管內(nèi)部有細(xì)微響聲，此時(shí)并未發(fā)現(xiàn)鋼管有鼓曲，控制位移達(dá)到36 mm后，可以看到前側(cè)受壓處開(kāi)始出現(xiàn)微小鼓曲，受拉處無(wú)明顯變化，反向加載時(shí)，后側(cè)受壓處鼓曲被拉平，受拉處開(kāi)始出現(xiàn)鼓曲，隨著荷載繼續(xù)增大，前后側(cè)鼓曲越來(lái)越明顯，且左右側(cè)也出現(xiàn)鼓曲。當(dāng)控制位移到達(dá)54 mm時(shí)，受壓區(qū)鋼管迅速膨脹，且受拉區(qū)的鼓曲沒(méi)有被拉平，同時(shí)，鋼管內(nèi)部混凝土被壓碎的聲音很明顯，控制位移達(dá)到72 mm后，少數(shù)構(gòu)件可以看到底部鋼管裂開(kāi)，試件已經(jīng)破壞，高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土試件的典型破壞現(xiàn)象如圖5。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滯回曲線

本試驗(yàn)以水平荷載P為縱坐標(biāo)，冷彎矩形鋼管混凝土柱的頂端位移Δ為橫坐標(biāo)，實(shí)測(cè)的冷彎矩形鋼管混凝土柱的P-Δ曲線如圖6所示。從圖中可以看出：內(nèi)部混凝土使得外部鋼管出現(xiàn)局部屈曲的時(shí)間延后從而使得鋼管的穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)，因此大部分試件的滯回曲線的形狀表現(xiàn)為飽滿(mǎn)的梭形，沒(méi)有明顯的捏縮現(xiàn)象，個(gè)別試件除外。下面具體就各個(gè)構(gòu)件的滯回曲線具體分析：

①CSFT1：滯回曲線整體表現(xiàn)飽滿(mǎn)，滯回環(huán)在加載初期基本呈現(xiàn)為梭形形狀，沒(méi)有明顯的捏縮現(xiàn)象。從圖中可以看出正反滯回環(huán)幾乎以原點(diǎn)為中心呈現(xiàn)出良好的對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。荷載加大，試件承載能力卻減小，滯回環(huán)出現(xiàn)輕微捏縮，剛度強(qiáng)度退化明顯。

②CSFT2：滯回曲線飽滿(mǎn)，破壞時(shí)由梭形變?yōu)楣?，正向最大水平荷載大于負(fù)向水平荷載，可能是因?yàn)樨?fù)向加載時(shí)構(gòu)件內(nèi)部還有正向加載的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致負(fù)向荷載達(dá)不到正向荷載的最大值，破壞后承載力迅速下降。

③CFST3:滯回環(huán)面積較大，表現(xiàn)出良好的耗能，整體呈現(xiàn)梭形，破壞時(shí)未見(jiàn)明顯捏縮，破壞后承載力下降較快，正負(fù)向比較對(duì)稱(chēng)。

④CFST4：加載初期呈現(xiàn)良好的梭形，破壞后出現(xiàn)明顯捏縮現(xiàn)象，這是因?yàn)榈撞夸摪迓菟ū焕瓟啵鬃频挠绊?，但滯回環(huán)面積又增加說(shuō)明耗能性能好。

⑤CFST5：滯回曲線較飽滿(mǎn)，加載初期呈現(xiàn)良好梭形，破壞后荷載下降緩慢，承載力較好，但是加載后期負(fù)向承載力突然下降，由于負(fù)向拉回最大時(shí)，柱底正向與底座固定的螺栓被拉斷，導(dǎo)致負(fù)向承載力劇降。

⑥CFST6：滯回曲線整體呈現(xiàn)Z形，表明出現(xiàn)大量剪力和滑移，試件后期在原有柱底板上焊接了一快較大的鋼板，便于和底座固定，在加載過(guò)程中，焊縫被拉斷，導(dǎo)致大量滑移，滯回曲線受到明顯影響。

⑦CFST7:滯回曲線飽滿(mǎn)，滯回環(huán)呈梭形，正負(fù)向關(guān)于原點(diǎn)幾乎對(duì)稱(chēng)，承載力較好，捏縮現(xiàn)象不明顯，耗能較好。

⑧CFST8：整體出現(xiàn)明顯捏縮現(xiàn)象，屈服后底座出現(xiàn)滑移，但承載力相對(duì)較高，下降較平穩(wěn)，整體滯回性能較好。

⑨CFST9：滯回曲線整體比較飽滿(mǎn)，試驗(yàn)構(gòu)件在整個(gè)加載過(guò)程中滯回環(huán)表現(xiàn)為梭形，未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象，滯回性能穩(wěn)定，說(shuō)明具有較好的耗能能力。

總體而言：高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱在低周往復(fù)荷載作用下的滯回性能較好，在正向加載時(shí)基本從同一點(diǎn)出發(fā)按照不同路徑到最大值，反向卸載時(shí)按照大體相同的斜率下降，滯回環(huán)所包圍的面積越來(lái)越大，耗能能力越來(lái)越好。

(a) CFST1

(b) CFST2

(c) CFST3

(d) CFST4

(e) CFST5

(f) CFST6

(g) CFST7

(h) CFST8

(i) CFST9

3.2 骨架曲線

骨架曲線可以反映構(gòu)件整體的承載力變化趨勢(shì)，分析延性變化特征。圖7為試件的荷載—位移骨架曲線，根據(jù)不同參數(shù)變化下的各試件骨架曲線的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

①整體而言：骨架曲線發(fā)展趨勢(shì)基本一致，加載初期，構(gòu)件處于彈性階段，曲線上升趨勢(shì)為直線。荷載繼續(xù)增加，構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，曲線斜率表現(xiàn)為減小的形式，構(gòu)件承載力達(dá)到最大，加載后期下降緩慢，趨于平穩(wěn)，說(shuō)明具有良好的塑形。并且正向和負(fù)向的骨架曲線并不是完全對(duì)稱(chēng)，這是因?yàn)檎蚣虞d后構(gòu)件內(nèi)部的具有一定的殘余變形，負(fù)向加載時(shí)構(gòu)件要抵消這部分殘余變形從而導(dǎo)致負(fù)向加載時(shí)的承載力普遍低于正向加載時(shí)的承載力。

(a) 長(zhǎng)寬比2

(b) 長(zhǎng)寬比1.3

(c) 長(zhǎng)寬比1

(d) 寬厚比50

(e) 寬厚比40

(f) 寬厚比33.3

(g) 軸壓比0.2

(h) 軸壓比0.4

(i) 軸壓比0.6

圖7 高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱骨架曲線
Fig.7 Skeleton curves of concrete-filled high strength cold-formed rectangular steel tubular columns

②對(duì)于長(zhǎng)寬比相同的構(gòu)件，軸壓比越大，承載力越大，但下降趨于陡峭，說(shuō)明延性差；隨著長(zhǎng)寬比減小，軸壓比的影響變得不明顯，說(shuō)明長(zhǎng)寬比在一定范圍內(nèi)，軸壓比越大，構(gòu)件承載力越好，延性越差。寬厚比的影響相對(duì)較小。

③對(duì)于寬厚比相同的構(gòu)件，長(zhǎng)寬比越大，承載力越大，但上升段和下降段較陡峭，峰值點(diǎn)很高，軸壓比的影響相對(duì)較小。

④對(duì)于軸壓比相同的構(gòu)件，在一定范圍內(nèi)，長(zhǎng)寬比越小，承載力越大，寬厚比越小，加載后期曲線上升和下降越陡峭。

3.3 延性與耗能分析

各構(gòu)件的位移—荷載值在屈服點(diǎn)，峰值點(diǎn)，破壞點(diǎn)以及延性系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 各特征點(diǎn)下試件的荷載—位移值Tab.4 Measured load and displacement of specimen at characteristic points

表4表現(xiàn)出各個(gè)構(gòu)件的位移延性系數(shù)都不一樣，并且同一構(gòu)件的位移延性系數(shù)在正向加載和反向加載時(shí)也表現(xiàn)不一致，這是因?yàn)檎蚣虞d后構(gòu)件存在殘余應(yīng)力。各構(gòu)件的位移延性系數(shù)均大于3，滿(mǎn)足規(guī)范要求，延性性能良好。采用方差分析和比較各個(gè)因素對(duì)位移延性系數(shù)的影響大小。位移延性系數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表5，K1、K2、K3分別為長(zhǎng)寬比、寬厚比、軸壓比三個(gè)因素分別控制下的位移延性系數(shù)之和，以第一列計(jì)算過(guò)程為例，K1=4.31+3.87+3.5=11.68，K2=4.24+4.04+3.1=11.38，K3=3.61+3.54+3.26=10.41，極差R=max{11.68,11.38,10.41}- min{11.68,11.38,10.41}=1.27。

表5 延性系數(shù)極差分析結(jié)果Tab.5 Results of range analysis of μ

方差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，可以得出以下結(jié)論：

①長(zhǎng)寬比和寬厚比對(duì)試件的屈服位移影響顯著，軸壓比的影響不明顯，長(zhǎng)寬比的影響最大。

②長(zhǎng)寬比、寬厚比和軸壓比對(duì)破壞位移的影響均不明顯，但就三個(gè)因素下的F值比較而言，長(zhǎng)寬比的影響大于寬厚比且大于軸壓比。

③長(zhǎng)寬比、寬厚比和軸壓比對(duì)位移延性系數(shù)沒(méi)有顯著影響。比較分析各不同參數(shù)下的F值，可以得出以下結(jié)論：長(zhǎng)寬比、寬厚比和軸壓比對(duì)位移延性系數(shù)的影響因素的大小關(guān)系為軸壓比<長(zhǎng)寬比<寬厚比。

表6 屈服位移、破壞位移、延性系數(shù)方差分析結(jié)果Tab.6 Results of variance analysis of Δy, Δu and μ

圖8 he-Δ曲線圖Fig.8 Curves of he versus Δ

圖8為各個(gè)試件在第一次加載循環(huán)下的荷載—位移滯回曲線的等效粘滯系數(shù)。由圖8可知，構(gòu)件在屈服之前處于彈性階段，耗能沒(méi)有太大波動(dòng)，處于相同水平，位移達(dá)到18 mm(預(yù)估屈服位移)后，隨著加載位移逐漸增大，試件進(jìn)入塑形階段，耗能能力逐漸增強(qiáng)。各試件不同階段耗能見(jiàn)表7，由表可得，當(dāng)試件進(jìn)入屈服狀態(tài)后，能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼系數(shù)he都隨荷載位移的增大而增大，能量耗散系數(shù)E最大達(dá)到3.593 0。

表7 各構(gòu)件在不同階段耗能Tab.7 Energy dissipation at different stages

3.4 強(qiáng)度退化

本試驗(yàn)采用第三次循環(huán)時(shí)的最大水平荷載P3與第1次循環(huán)的時(shí)的最大水平荷載P1之比P3/P1來(lái)表示構(gòu)件的強(qiáng)度退化。圖9給出了各個(gè)構(gòu)件強(qiáng)度退化與加載等級(jí)的關(guān)系。

(a) CFST1

(b) CFST2

(c) CFST3

(d) CFST4

(e) CFST5

(f) CFST6

(g) CFST7

(h) CFST8

(i) CFST9

從圖9可以看出，構(gòu)件的強(qiáng)度退化越來(lái)越嚴(yán)重，隨著位移荷載的增大而增大，這是因?yàn)楹诵幕炷恋膿p傷不斷積累，混凝土的裂縫逐漸增多直至碎裂，鋼板與混凝土之間的滑移等影響。試件的正負(fù)向強(qiáng)度退化并不一致，這是因?yàn)檎蚣虞d后構(gòu)件內(nèi)部的具有一定的殘余變形，所以負(fù)向加載時(shí)構(gòu)件要抵消這部分殘余變形，并且外部鋼管因?yàn)閮?nèi)部核心混凝土的存在局部屈曲可以得到延緩甚至被避免發(fā)生，從而增強(qiáng)了鋼管的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

①高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為壓彎破壞，柱底鋼管破壞形態(tài)表現(xiàn)為鼓曲破壞。

②高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱在低周往復(fù)荷載作用下的滯回曲線大部分呈現(xiàn)為飽滿(mǎn)的梭形，捏縮現(xiàn)象不明顯。表現(xiàn)出的滯回性能優(yōu)良。隨著水平位移增加，滯回環(huán)所包圍的面積越來(lái)越大，耗能性能越來(lái)越好。各構(gòu)件的位移延性系數(shù)均大于3，滿(mǎn)足規(guī)范要求，延性性能良好。

③截面長(zhǎng)寬比和鋼管寬厚比對(duì)高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱的屈服位移影響顯著，對(duì)位移延性系數(shù)沒(méi)有顯著影響，但各因素對(duì)位移延性系數(shù)的影響主次關(guān)系為鋼管寬厚比>截面長(zhǎng)寬比>軸壓比。