摘要： 為探究高寒地區(qū)環(huán)境溫度對(duì)圓鋼管混凝土柱抗震性能的影響，開(kāi)展4種不同溫度工況下鋼管混凝土柱的擬靜力試驗(yàn)研究，分析不同環(huán)境溫度下各試件的破壞特征、承載力、滯回特性、剛度退化、延性及耗能能力，揭示環(huán)境溫度變化對(duì)鋼管混凝土柱抗震性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同環(huán)境溫度下各試件滯回曲線均呈梭形，未產(chǎn)生明顯捏縮現(xiàn)象;試件典型破壞模式在不同溫度下基本一致，均為鋼管底部產(chǎn)生一圈貫通鼓曲波、核心混凝土被壓潰、鋼管撕裂，溫度越低，鋼管混凝土柱越早發(fā)生破壞，且破壞程度越嚴(yán)重;相較于常溫（20 ℃）工況，0 ℃、-20 ℃、-40 ℃溫度工況下，試驗(yàn)鋼管混凝土柱水平承載力分別提高3.08%、6.15%、10.08%，初始剛度分別提高16.9%、30.3%、50.0%，而延性系數(shù)分別降低8.6%、14.6%、16.9%;環(huán)境溫度越低，剛度退化速率也越大。溫度變化對(duì)鋼管混凝土柱抗震性能影響顯著，高寒地區(qū)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)需考慮環(huán)境低溫對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響。

關(guān)鍵詞： 圓鋼管混凝土柱; 擬靜力試驗(yàn); 抗震性能; 溫度

中圖分類(lèi)號(hào)： U444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）06-1251-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230827001

Experimental study on the seismic performance of concrete-filled steel tubular columns under ambient temperature in alpine regions

YU Lusong¹， WANG Geng¹， WANG Li^1，2， ZHOU Xiaofu³， GU Haowei¹， LI Ziqi¹

（1. School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， Gansu， China;

2. GHATG Construction Group， Lanzhou 730099， Gansu， China;

3. Sichuan Communication Surveying amp; Design Institute Co.， Ltd.， Chengdu 610017， Sichuan， China）

Abstract： To investigate the impact of environmental temperature in alpine regions on the seismic performance of circular concrete-filled steel tubular （CFST） columns， a series of quasi-static tests were conducted on circular CFST columns at four different temperature conditions. The failure characteristics， bearing capacity， hysteresis characteristics， stiffness degradation， ductility， and energy-dissipation capacity of each specimen were analyzed， and the influence of temperature on the seismic performance of CFST columns was revealed. The experimental results showed that the hysteresis curves of specimens under different temperature conditions all present a spindle shape without obvious pinching phenomenon. The typical failure modes of specimens are basically the same at different temperatures： a circle of bulging waves occurs at the bottom of the steel pipe， the core concrete is crushed， and the steel pipe is torn. The lower the temperature， the earlier and more severe the failure of CFST columns. Compared with the working condition at a normal temperature （20 ℃）， the horizontal bearing capacities of CFST columns at 0 ℃， -20 ℃， and -40 ℃ are increased by 3.08%， 6.15%， and 10.08%， and the initial stiffness are increased by 16.9%， 30.3%， and 50.0%， respectively， whereas the ductility coefficients are decreased by 8.6%， 14.6%， and 16.9%， respectively. The lower the environmental temperature， the faster the rate of stiffness degradation. Temperature change has a significant impact on the seismic performance of CFST columns， so the adverse effects of low environmental temperatures on the structure should be considered in the seismic design of CFST structures in alpine regions.

Keywords： circular concrete-filled steel tubular column; pseudo-static test; seismic performance; temperature

0 引言

鋼管混凝土（Concrete Filled Steel Tube，CFST）是由鋼管與核心混凝土形成的一種組合材料。鋼管為核心混凝土提供圍壓應(yīng)力，使其處于三向受壓狀態(tài)，核心混凝土則為鋼管起到支撐作用，延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，因而鋼管混凝土具有承載力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于高層建筑及大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中^［1-2］。

鋼管混凝土柱作為一種組合結(jié)構(gòu)，環(huán)境溫度對(duì)其影響主要體現(xiàn)在兩方面：一是溫度對(duì)于鋼材^［3-4］和混凝土^［5-6］材料力學(xué)性能的影響;二是由于混凝土與鋼材兩種材料的線膨脹系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)差異較大，容易在接觸界面發(fā)生脫黏滑移、脫空等行為，減弱了鋼管對(duì)于核心混凝土的約束效應(yīng)，進(jìn)而使整體的力學(xué)性能受到影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于常溫下鋼管混凝土抗震性能已經(jīng)開(kāi)展了大量研究^［7-9］，并產(chǎn)生出大量的研究成果^［10］。目前，在溫度對(duì)鋼管混凝土柱力學(xué)性能影響方面，靳忠強(qiáng)^［11］、陳宗平等^［12］分別對(duì)低溫下和高溫后鋼管混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了溫度對(duì)界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律。Yan等^［13-14］、虞廬松等^［15］對(duì)低溫環(huán)境下鋼管混凝土軸壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，討論了溫度對(duì)其豎向承載力、延性等力學(xué)性能的影響。Li等^［16］、曾翔^［17］對(duì)火災(zāi)作用后鋼管混凝土滯回性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究;張童^［18］對(duì)腐蝕及凍融循環(huán)作用后鋼管混凝土柱抗震性能進(jìn)行了數(shù)值分析。

近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)的不斷推進(jìn)，川藏鐵路、蘭新鐵路等大型基礎(chǔ)項(xiàng)目在我國(guó)西部高原地區(qū)進(jìn)行建設(shè)，鋼管混凝土因其良好的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于這些區(qū)域的鐵路橋梁及站房中。這些地區(qū)具有溫度低、溫差大等特點(diǎn)，最低氣溫可達(dá)-60 ℃。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高寒高烈度區(qū)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)階段易受極端溫度、地震等不利因素影響，研究表明極端溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響顯著^［19-21］。目前關(guān)于高寒環(huán)境溫度下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗(yàn)研究報(bào)道較少。

本文擬在上述研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展-40～20 ℃環(huán)境溫度下鋼管混凝土柱擬靜力試驗(yàn)研究，探究環(huán)境溫度對(duì)鋼管混凝土柱水平承載力、耗能能力、剛度退化、延性等力學(xué)性能的影響規(guī)律與作用機(jī)理，為高寒地區(qū)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為對(duì)不同環(huán)境溫度下鋼管混凝土柱抗震性能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)并制作了4個(gè)圓鋼管混凝土柱，鋼管直徑D=140 mm，鋼管壁厚t=6 mm，柱高L=1 200 mm，實(shí)際加載高度h=1 000 mm。在試驗(yàn)前進(jìn)行了數(shù)值模擬，參照模擬結(jié)果與同類(lèi)型常溫試驗(yàn)結(jié)果，選取軸壓比為0.4。各個(gè)試件的設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1，試件構(gòu)造見(jiàn)圖1。

1.2 材性試驗(yàn)

試驗(yàn)鋼管采用有縫圓鋼管，鋼材牌號(hào)為Q235，按照《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法（GB/T 228.1—2021）》^［22］，對(duì)從鋼管上截取的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表1?；炷敛捎肅50自密實(shí)混凝土，由PO42.5普通硅酸鹽水泥、粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石、砂、水，及Ⅰ級(jí)粉煤灰等材料配制，具體配合比如表2所列。澆筑試件的同時(shí)澆筑4組標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，與試件在同等條件下養(yǎng)護(hù)28 d。低溫試驗(yàn)時(shí)首先將試塊放置在低溫試驗(yàn)箱中降溫，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫48 h取出^［23］，依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50081—2019）》^［24］進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表1。鋼材與混凝土材性試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)裝置與加載方案

本試驗(yàn)在蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，整個(gè)加載系統(tǒng)由水平向加載裝置與豎向加載裝置組成，如圖3所示。采用電液伺服作動(dòng)器施加低周往復(fù)荷載，鋼管柱與作動(dòng)器通過(guò)加載頭連接。為防止往復(fù)荷載作用下的松動(dòng)滑移，兩處螺栓連接處螺桿上均加有彈簧墊片。在反力梁與千斤頂之間放置兩塊四氟乙烯板，確保加載過(guò)程中千斤頂與鋼管柱保持豎直。

正式加載前，首先施加軸向力至50%設(shè)計(jì)壓力值，若儀表運(yùn)行正常，則逐漸加載至設(shè)計(jì)軸力值，并保持軸力恒定不變，然后施加水平往復(fù)荷載。整個(gè)加載過(guò)程由位移控制，在加載側(cè)移率為±0.25%、±0.5%及±0.75%時(shí)，試件處于線彈性階段，鋼管表面沒(méi)有明顯現(xiàn)象，每級(jí)加載循環(huán)一圈;在加載側(cè)移率為±1.0%～±4.0%之間時(shí)，每級(jí)加載循環(huán)三圈，其中，側(cè)移率在±1.0%～±2.0%之間時(shí)，加載位移步為5 mm，側(cè)移率在±2.0%～±4.0%之間時(shí)，加載位移步為10 mm;加載側(cè)移率在±5.0%及以后，每級(jí)加載循環(huán)兩圈，加載位移步為10 mm。加載制度如圖4所示，當(dāng)水平荷載下降至峰值荷載的85%或當(dāng)鋼管發(fā)生斷裂時(shí)停止加載，試驗(yàn)結(jié)束。

1.4 溫控裝置

采用PT100溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，在混凝土澆筑之前，利用固定架將溫度傳感器固定于鋼管中心，確保試驗(yàn)時(shí)所測(cè)溫度為核心混凝土中心溫度。開(kāi)展低溫試驗(yàn)時(shí)，首先將試件放置在高精度低溫冷柜中，待溫度降至目標(biāo)溫度以下5 ℃時(shí)恒溫48 h后取出。試驗(yàn)過(guò)程中外包3層保溫棉，避免試驗(yàn)時(shí)溫度散失過(guò)快。低溫試驗(yàn)時(shí)間為3月初，室溫在10 ℃以下，因此在試驗(yàn)過(guò)程中可以確保溫度在目標(biāo)溫度±2 ℃范圍內(nèi)，低溫工況試驗(yàn)加載如圖5所示。

2 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

各試件在加載過(guò)程中均出現(xiàn)鋼管外表面油漆剝落、鋼管屈曲與撕裂、核心混凝土壓碎與外流等試驗(yàn)現(xiàn)象。在試驗(yàn)加載過(guò)程中，每個(gè)試件均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段及破壞階段。各階段試驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示。

（1） 彈性階段：試件表面無(wú)明顯現(xiàn)象，隨著加載側(cè)移率增大，溫度越低，荷載增長(zhǎng)越快。

（2） 彈塑性階段：鋼管外表面的油漆開(kāi)始剝落，鋼管外壁出現(xiàn)局部屈曲，屈曲位置位于加勁肋上方45～65 mm處;剛開(kāi)始只能觀察到鋼管微微隆起，隨著側(cè)移增大，鼓曲逐漸由推拉方向加勁肋上方向兩側(cè)擴(kuò)展;在鋼管底部產(chǎn)生環(huán)形鼓曲波，在相同加載側(cè)移率下，溫度越低，鼓曲越為明顯。

（3） 破壞階段：鋼管與混凝土均嚴(yán)重破壞，隨著加載側(cè)移率增大，水平荷載出現(xiàn)下降。20 ℃工況下，鋼管在加載側(cè)移率11.0%時(shí)斷裂;溫度越低，鋼管越早出現(xiàn)斷裂，-40 ℃與-20 ℃工況下，鋼管均在側(cè)移率為9.0%時(shí)斷裂;0 ℃工況下，鋼管在側(cè)移率為10.0%時(shí)斷裂。

在加載過(guò)程中，低溫試件較常溫試件早破壞，這是因?yàn)樵诘蜏丨h(huán)境下，核心混凝土強(qiáng)度提高，塑性降低，較早發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致鋼管相比常溫下較早出現(xiàn)撕裂破壞。溫度越低，鋼管底部鼓曲長(zhǎng)度越大，這說(shuō)明溫度越低，核心混凝土變形能力越差。試驗(yàn)結(jié)束后，切開(kāi)外壁鋼管發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重的壓潰現(xiàn)象，且溫度越低，核心混凝土被壓潰得越嚴(yán)重。沿著壓潰部位往上，核心混凝土表面在往復(fù)荷載作用下產(chǎn)生大量微裂縫（圖7）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

對(duì)試件進(jìn)行不同溫度工況下的擬靜力試驗(yàn)，得到各試件滯回曲線，如圖8所示。

由圖8可知，加載初期，荷載與位移呈線性變化，滯回環(huán)狹長(zhǎng)，耗能較小，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的殘余變形，隨著加載次數(shù)的增加，滯回環(huán)逐漸變得飽滿，耗能能力增強(qiáng)。不同溫度工況下各試件的滯回環(huán)都呈梭形，形狀較為飽滿，未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象。水平荷載到達(dá)峰值點(diǎn)后，溫度越低，試件的承載力下降越快，鋼管越早斷裂，試件越早喪失承載能力，也即溫度越低，試件的延性越差。CFST2與CFST4在最后一級(jí)加載的滯回曲線出現(xiàn)異形，這是因?yàn)樵谠摷?jí)加載的第一個(gè)循環(huán)，鋼管表面出現(xiàn)微裂縫，水平承載力出現(xiàn)下降，在第二個(gè)加載循環(huán)時(shí)鋼管被徹底撕裂，核心混凝土外流，水平承載力出現(xiàn)突降。

3.2 骨架曲線

分析提取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到各試件的骨架曲線如圖9所示。

由圖9分析可知：不同溫度工況下鋼管混凝土柱骨架曲線形狀大致呈“S”形。分析表3可知，低溫試件（CFST2、CFST3、CFST4）較常溫試件（CFST1）峰值荷載分別提高了3.08%、6.15%、10.09%。在低溫環(huán)境下，混凝土內(nèi)部孔隙水結(jié)冰，疏松的孔隙被填充密實(shí)，整體強(qiáng)度得到提高，鋼材的屈服強(qiáng)度也增大，又因?yàn)槎呔€膨脹系數(shù)不同，在低溫下鋼管收縮大于混凝土，兩者之間的套箍效應(yīng)增強(qiáng)，從而使低溫下鋼管混凝土試件峰值荷載提高。

3.3 延性指標(biāo)

采用延性系數(shù)μ來(lái)反映試件的延性性能。位移延性系數(shù)計(jì)算公式為：

μ=Δ_u/Δ_y （1）

式中：Δ_y屈服位移;Δ_u為極限位移。

試件屈服點(diǎn)采用能量等值法計(jì)算，由于試件含鋼率較高，沒(méi)有明顯的下降段，因此取鋼管開(kāi)裂時(shí)的位移作為極限位移Δ_u。試件位移延性系數(shù)列于表4，其中P與Δ取推拉方向平均值。

由表4可知，不同溫度工況下試件延性系數(shù)均大于2。相比CFST1，CFST2、CFST3及CFST4延性系數(shù)分別降低了8.6%、14.6%及16.9%。究其原因主要是在低溫工況下，鋼材延性隨著溫度降低逐漸降低，混凝土在低溫環(huán)境下強(qiáng)度提高，塑性降低，在壓彎組合作用下較早產(chǎn)生破壞。

3.4 剛度退化

采用割線剛度K來(lái)表示剛度退化，其含義為第i次加載中正反方向水平力的絕對(duì)值之和與水平位移絕對(duì)值之和的比值。其計(jì)算表達(dá)式為：

K=|+P_i|+|-P_i|/|+Δ_i|+|-Δ_i| （2）

各試件在不同溫度下剛度退化曲線如圖10所示。

由圖10可知：各試件的初始剛度存在一定差異，相比常溫試件（CFST1），低溫工況試件（CFST2、CFST3、CFST4）初始剛度分別提高了16.9%、30.3%、50.0%，這是因?yàn)殡S著溫度降低，混凝土彈性模量逐漸增大，因此低溫工況下試件的初始剛度都有所提高。在加載側(cè)移率2.0%之前，剛度退化較為明顯，且溫度越低，剛度退化速率越大;加載側(cè)移率2.0%以后，剛度退化速率逐漸變小，不同溫度下的試件剛度退化軌跡基本一致。

3.5 耗能能力

通過(guò)滯回環(huán)面積來(lái)評(píng)價(jià)試件的耗能能力，選擇每級(jí)加載的第一個(gè)循環(huán)來(lái)計(jì)算累計(jì)耗能，各試件累計(jì)耗能如圖11所示。

由圖11可知：在初始加載循環(huán)下，溫度越低，水平荷載越大，滯回環(huán)面積越大，耗能越高。但由于溫度越低，鋼管越早斷裂，因此低溫工況下試件累計(jì)耗能低于常溫工況下。相較于常溫試件，0 ℃、-20 ℃及-40 ℃試件累計(jì)耗能分別降低21.9%、39.2%及34.5%。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高原寒冷地區(qū)溫差大、氣溫低等氣候特點(diǎn)，圍繞鋼管與混凝土材料力學(xué)性能及界面黏結(jié)特性易受溫度影響等核心問(wèn)題，對(duì)4個(gè)不同溫度工況下的鋼管混凝土柱進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

（1） 不同溫度工況下試件典型破壞模式基本一致，均為鋼管底部產(chǎn)生一圈貫通的鼓曲波、核心混凝土被壓潰、鋼管撕裂，溫度越低，鋼管混凝土柱越早發(fā)生破壞，且破壞程度越嚴(yán)重。

（2） 各溫度工況下滯回曲線均呈梭形，未產(chǎn)生明顯捏縮現(xiàn)象，在相同加載位移下，低溫試件耗能高于常溫試件，但由于溫度越低，試件越早斷裂，低溫試件累計(jì)耗能低于常溫試件。

（3） 環(huán)境溫度對(duì)試件承載力和延性有不同程度的影響，相較于常溫（20 ℃）試件，溫度為0 ℃、-20 ℃及-40 ℃的試件水平承載力分別提高了3.08%、6.15%及10.08%，延性系數(shù)分別降低了8.6%、14.6%及16.9%，對(duì)抗震不利。

（4） 環(huán)境溫度對(duì)試件初始剛度影響顯著，相比常溫（20 ℃）試件，溫度為0 ℃、-20 ℃及-40 ℃的試件初始剛度分別提高了16.9%、30.3%及50.0%;在加載過(guò)程中，溫度越低，剛度退化速率越大。

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（本文編輯：張向紅）