摘要： 將鋼渣混凝土灌入中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，充分利用鋼渣混凝土的微膨脹性和中空夾層內(nèi)外鋼管對混凝土的約束作用，有效解決了鋼渣混凝土工程應(yīng)用中的安定性問題。以混凝土類型、空心率、支主管直徑比和軸壓比為參數(shù)變量，共進(jìn)行了5個中空夾層鋼管混凝土T形節(jié)點試件（1個普通混凝土試件、4個鋼渣混凝土試件）擬靜力試驗研究。試驗結(jié)果表明：與灌注普通混凝土相比，灌注鋼渣混凝土對試件節(jié)點承載力影響不大，但位移延性和耗能能力明顯增加，提高幅度分別達(dá)69.46%和48.20%；當(dāng)空心率從0.3增大到0.5時，試件位移延性系數(shù)提高9.69%；當(dāng)支主管直徑比從0.40增大到0.68時，位移延性系數(shù)提高82.44%；當(dāng)軸壓比從0.1增大到0.2時，試件位移延性系數(shù)降低17.98%。建立有限元模型對試件的滯回性能進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本符合，驗證了所建有限元模型的有效性。進(jìn)而開展了節(jié)點承載力影響參數(shù)分析，得到最佳空心率為70%左右。鋼渣在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，可大幅提高其抗震性能。

關(guān)鍵詞： 抗震性能：中空夾層鋼管混凝土； 鋼渣混凝土； 滯回特性； 擬靜力試驗

中圖分類號： TU352.11； TU398+. 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1004-4523（2024）06-1023-10

DOI： 10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2024.06.013

引 言

中國鋼渣年產(chǎn)量超過1億噸，累計堆存超過19億噸，但鋼渣綜合利用率僅為30%，鋼渣閑置蠶食了大量土地，造成環(huán)境污染［1?2］。因此，對鋼渣資源化利用，是保護(hù)環(huán)境，實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要舉措之一。鋼渣中含有大量具有凝膠性質(zhì)的鈣，用于制備高性能混凝土材料的潛力巨大［3］。然而，由于游離氧化鈣的存在，與水反應(yīng)容易導(dǎo)致體積膨脹，安定性是限制鋼渣混凝土大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵性問題之一［4］。已有研究結(jié)果表明［5?6］，將鋼渣混凝土澆筑于鋼管中形成鋼管鋼渣混凝土組合結(jié)構(gòu)，可以利用鋼管的密閉性和套箍效應(yīng)消除鋼渣混凝土體積不安定性問題，可在工程結(jié)構(gòu)中大量推廣應(yīng)用，具有巨大經(jīng)濟(jì)價值與重要現(xiàn)實意義。

中空夾層鋼管混凝土（Concrete?Filled Double? Skin Steel Tube，CFDST）是將兩層鋼管同心放置，并在鋼管夾層之間填充混凝土而形成的中空構(gòu)件，與實心鋼管混凝土構(gòu)件相比，CFDST具有抗彎剛度大、自重輕和防火性能好等優(yōu)點［7?8］。CFDST常用于組合框架、風(fēng)電塔架和海洋平臺支架等高聳柱結(jié)構(gòu)中［9?12］。研究者對CFDST壓彎構(gòu)件力學(xué)性能［13］、長期荷載作用下的力學(xué)性能［14］以及耐火性能［15］等開展了相關(guān)研究。風(fēng)電塔架、高墩和海洋平臺支架等高聳柱結(jié)構(gòu)中廣泛采用T形節(jié)點，而節(jié)點的抗震性能直接影響其所在結(jié)構(gòu)體系的安全可靠性。但目前對灌注鋼渣混凝土的CFDST結(jié)構(gòu)T形節(jié)點抗震性能研究還不夠深入。

為探究CFDST結(jié)構(gòu)T形節(jié)點的抗震性能，本文綜合采用擬靜力試驗和有限元模型參數(shù)分析方法，共設(shè)計了5組試件，研究了混凝土類型（普通混凝土與鋼渣混凝土）、空心率、支主管直徑比和軸壓比對節(jié)點承載力、位移延性和滯回能量的影響，建立有限元模型對試件的滯回性能進(jìn)行了模擬，并開展了節(jié)點承載力影響參數(shù)分析，為鋼管鋼渣混凝土結(jié)構(gòu)大規(guī)模工程應(yīng)用提供理論支撐。

1 擬靜力試驗

1.1 試件設(shè)計

共設(shè)計5根CFDST結(jié)構(gòu)T形節(jié)點，其構(gòu)造和尺寸如圖1所示。試驗以混凝土類型（普通混凝土與鋼渣混凝土）、空心率、支主管直徑比、軸壓比為設(shè)計變量，具體試件參數(shù)如表1所示。表1列出試件的具體設(shè)計參數(shù)，其中，D，Dn和D0分別為主管外管外徑、主管內(nèi)管外徑和支管外徑；L，Ln和L0分別為主管外管長度、主管內(nèi)管長度和支管長度；T，Tn和t分別為主管外管壁厚、主管內(nèi)管壁厚和支管壁厚，單位均為mm；χ=Dn/（D-2T）為主管空心率，β=D0/D為支主管直徑比，n為主管軸壓比。

1.2 材料性能

試件主管和支管管材采用牌號為Q235的直縫焊管，材料性能試件截取自預(yù)留的支管和主管管材。依照《金屬材料溫室拉伸試驗方法》（GB/T 228.1—2021）［16］規(guī)程，測得鋼材的基本力學(xué)性能如表2所示。表2中，fy為鋼材屈服強(qiáng)度，F(xiàn)u為鋼材極限強(qiáng)度，Es為鋼材彈性模量，υ為泊松比，δ為延伸率。

表3給出了灌注混凝土試件的配合比和性能。表3中，Ec為混凝土彈性模量，fcu，t為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。其中，水泥選用標(biāo)號為P.I42.5的硅酸鹽基準(zhǔn)水泥；粉煤灰為鉑潤耐火材料有限公司生產(chǎn)的高活性粉煤灰；細(xì)骨料選用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂，粗骨料采用5～15 mm粒徑范圍內(nèi)的玄武巖碎石；減水劑為聚羧酸鹽混凝土減水劑；所用鋼渣粉為福建省三鋼（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)，鋼渣粉替代其余膠凝材料含量的10%。

試驗用混凝土的彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度力學(xué)性能指標(biāo)通過國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）［17］所述靜力受壓彈性模量試驗方法（相應(yīng)試塊尺寸：150 mm×150 mm×300 mm）和抗壓強(qiáng)度試驗方法（相應(yīng)試塊尺寸：100 mm×100 mm×100 mm）測得，結(jié)果如表3所示。

1.3 加載及測量方案

試驗加載裝置如圖2所示。試驗?zāi)M的邊界條件為鉸接，主管兩端端板與平板鉸連接，一側(cè)平板鉸連接支承座滑桿，滑桿另一側(cè)連接側(cè)向布置的作動器，以實現(xiàn)軸向荷載的傳遞；另一側(cè)平板鉸連接側(cè)向連接支座，側(cè)向連接支座將力傳遞給反力架。加載前，首先根據(jù)各試件的軸壓比施加預(yù)定軸壓力，然后在加載點施加低周往復(fù)荷載。試件在達(dá)到屈服強(qiáng)度之前，以荷載控制加載。屈服后以屈服位移的倍數(shù)進(jìn)行加載。試驗滿足下列條件之一時停止加載：主管或支管撕裂、加載至荷載下降至峰值荷載的85%；節(jié)點區(qū)域壓彎破壞或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的拉伸、壓縮或彎曲等形式的塑性變形［18］。

試件的荷載?位移關(guān)系曲線通過對比校核數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所得作動器時程數(shù)據(jù)、主管跨中底部位移計時程數(shù)據(jù)和支管端板豎向位移計時程數(shù)據(jù)確定。試驗共布設(shè)11個位移計于試件和邊界裝置上，如圖2（b）所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞過程與破壞模式

試件的破壞過程如圖3所示。具體破壞過程與特征如下：加載初期，未見支主管有明顯的變化；位移加載至3Δy～5Δy（Δy為屈服位移）時，冠點附近主管外管管壁開始出現(xiàn)輕微鼓曲，冠趾處出現(xiàn)裂痕；位移加載至5Δy～7Δy時，鼓曲范圍增大，裂痕擴(kuò)展也呈現(xiàn)相同趨勢；位移加載至最終破壞時，鼓曲范圍發(fā)展迅猛，節(jié)點區(qū)域下凹嚴(yán)重，焊趾管壁表面被拉裂，主管呈現(xiàn)壓彎破壞。圖4顯示了各試件的典型破壞形態(tài)?？梢钥闯?，在擬靜力荷載作用下，節(jié)點區(qū)域發(fā)生了明顯的壓彎塑性變形，表明其破壞模式為主管壓彎破壞。分析其原因，中空夾層內(nèi)外鋼管及支管有效約束了填充混凝土，提高了節(jié)點的強(qiáng)度與剛度，隨著位移的增加，夾層混凝土發(fā)生破壞，主管外管缺少夾層混凝土支撐，破壞模式變?yōu)橹鞴芡夤艿那?/p>

2.2 力與位移關(guān)系曲線

圖5為5個試件實測的力?位移關(guān)系曲線。由圖5可見，各試件具有梭形的滯回曲線，曲線整體飽滿，正反方向?qū)ΨQ，沒有明顯捏縮現(xiàn)象，表明試件具有良好耗能能力。

圖6（a）對比了不同混凝土類型（普通混凝土和鋼渣混凝土）對試件滯回曲線的影響?？梢钥闯觯瑑?nèi)填鋼渣混凝土的試件滯回曲線更飽滿，耗能能力更強(qiáng)，極限位移更大，延性更好，表明以鋼渣粉替代部分膠凝材料制作鋼渣混凝土，抗震性能得到提高?？拐鹉芰μ岣叩脑驗椋海?）鋼渣粉的粒徑范圍不同于其他膠凝材料粒徑范圍，填充了微觀空隙，混凝土更密實；（2）鋼渣膨脹性能與鋼管約束相互作用，增加了構(gòu)件的延性。

圖6（b）對比了不同空心率對試件滯回曲線的影響?？梢钥闯觯招穆视?.3增加到0.5時，試件滯回曲線更為飽滿，極限位移和極限承載力提高。表明在合適的空心率條件下，內(nèi)鋼管的尺寸增加可充分發(fā)揮其力學(xué)性能優(yōu)勢。

圖6（c）對比了不同支主管直徑比對試件滯回曲線的影響?？梢钥闯?，隨著支主管直徑比的增大，試件滯回環(huán)面積和極限位移均增大，表明耗能能力和位移延性均有提升。分析其原因，支管尺寸增大有利于增加節(jié)點區(qū)域主管約束，延遲主管外管屈曲破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖6（d）對比了不同軸壓比對試件滯回曲線的影響，可以看出，隨著軸壓比的增大，試件極限承載力略微下降，滯回環(huán)包絡(luò)面積縮小，試件耗能能力減弱，延性降低。試驗結(jié)果表明軸壓比與試件延性呈負(fù)相關(guān)，這與其他研究結(jié)果一致。

2.3 抗震性能指標(biāo)

圖7給出各試件實測的骨架曲線。其中，屈服位移采用等效彈塑性屈服法計算，屈服位移取為骨架線彈性段延伸線與極限荷載值切線交點對應(yīng)于骨架線的位移，骨架線中相對應(yīng)的荷載值定義為屈服荷載，極限位移定義為當(dāng)試件承載力下降至極限荷載值的85%時對應(yīng)的位移［19］。

采用位移延性系數(shù)來評價節(jié)點的變形能力，計算公式如下［19］：

（1）

式中 為極限位移；為屈服位移。

采用累積耗能系數(shù)來評價節(jié)點的耗能能力，計算公式如下［20］：

（2）

式中 N為計數(shù)圈數(shù)；Ui+和分別為受拉半循環(huán)和受壓半循環(huán)的耗能面積；Uy為名義彈性勢能，Uy=Ny Δy /2。

表4列出各試件的主要試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，對比灌注普通混凝土，灌注鋼渣混凝土試件極限承載力僅提高0.44%，基本可忽略不計，而位移延性系數(shù)和累計耗能系數(shù)分別增大了69.46%和48.20%；支主管直徑比從0.40增大到0.68，試件極限承載力僅提高0.10%，影響可忽略不計，而位移延性系數(shù)和累計耗能系數(shù)分別提高82.44%和117.67%；軸壓比從0.1增大到0.2，試件極限承載力僅減小2.93%，影響也可忽略不計，而位移延性系數(shù)和累計耗能系數(shù)則分別降低17.98%和22.37%；空心率從0.3增大到0.5，試件極限承載力提高14.57%，而位移延性系數(shù)提高9.69%，累計耗能系數(shù)變化可忽略不計。

3 有限元分析

3.1 有限元建模

采用有限元軟件ABAQUS對試件在低周往復(fù)荷載作用下的動力性能進(jìn)行分析。試件各構(gòu)成部分的單元類型均選用實體單元（C3D8R），模擬焊縫時不考慮其材料的損傷，實體單元的本構(gòu)模型均采用雙折線模型，單元的分析精度受扭曲變形的影響較小，并且在載荷下不易發(fā)生剪切自鎖，適合滯回性能的模擬分析；通過允許接觸后分離的“通用接觸”模擬主管內(nèi)外鋼管與夾層混凝土間、支管與主管外管間的相互作用關(guān)系，以摩擦系數(shù)為0.6的“罰摩擦”模擬其切向行為，以“硬”接觸考慮接觸面法向壓力的傳遞；主管內(nèi)外管、支管與各端板通過“Tie”連接［9］。通過建立耦合點與兩側(cè)端板耦合來模擬鉸接，耦合點自端板中心偏移，偏移量為平板鉸軸銷中心至端板的水平距離。圖8為試件的有限元分析模型。

3.2 有限元模型驗證

圖9為有限元分析得到的試件的破壞形態(tài)?？梢钥闯?，支管在往復(fù)荷載作用下，主管外管管壁屈服開始累積塑性變形，冠點附近外管管壁鼓曲，應(yīng)力進(jìn)一步集中在鼓曲管壁，直至達(dá)到鋼材的極限抗拉強(qiáng)度，節(jié)點區(qū)域發(fā)生了明顯的壓彎塑性變形。這與圖4中試驗得到的主管破壞形態(tài)相同。

圖10為試驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果的對比?？梢钥闯觯邢拊治雠c擬靜力試驗得到的滯回曲線吻合較好，說明本文所建立的有限元模型具有足夠的精度，可用于參數(shù)分析。

4 影響參數(shù)分析

采用驗證的有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，研究主管空心率、支主管直徑比、軸壓比、支管徑厚比、鋼材屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等6個參數(shù)對中空夾層鋼管鋼渣混凝土T形節(jié)點承載力的影響規(guī)律。采用的基準(zhǔn)模型主要設(shè)計尺寸為：主管內(nèi)管直徑Dn=144 mm（空心率χ=50%）、主管內(nèi)管壁厚Tn=4 mm、主管內(nèi)管長度Ln=2000 mm。根據(jù)《中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（T/CCES 7—2020）［8］，參數(shù)取值覆蓋參數(shù)常用范圍，其中，空心率χ分別為0，30%，50%，70%和80%，支主管直徑比β分別為0.4，0.5和0.6，軸壓比n分別為0.1，0.3和0.5，主管徑厚比γ分別為40，50和60，鋼材屈服強(qiáng)度fy分別為235，355和460 MPa，混凝土強(qiáng)度fcu分別為30，50和70 MPa。

圖11為支主管直徑比β對試件承載力的影響。由圖11可見，隨著支管直徑增大，試件極限承載力略微增大，不同支主管直徑比β下空心率對結(jié)構(gòu)的總體影響趨勢相同；β=0.4時，大空心率（χ=80%）對構(gòu)件承載力的不利影響最為明顯。因此，支主管直徑比較小時，應(yīng)當(dāng)避免過高的空心率。圖12為主管徑厚比對試件承載力系數(shù)的影響。由圖12可見，相同空心率下，構(gòu)件承載力隨著主管徑厚的增大而增大，即主管徑厚比與試件承載力正相關(guān)；不同主管徑厚下，節(jié)點承載力隨空心率增大先增大后減小的趨勢不變。圖13為軸壓比對試件承載力系數(shù)的影響。由圖13可見，軸壓比增大會降低構(gòu)件的極限承載力，但其影響程度在1%以內(nèi)，可忽略不計；軸壓比增大也不會影響空心率對構(gòu)件承載力的影響規(guī)律。圖14為混凝土強(qiáng)度對試件承載力系數(shù)的影響。由圖14可見，混凝土強(qiáng)度提高，構(gòu)件極限承載力提高，提高一個等級的混凝土強(qiáng)度，構(gòu)件承載力提高幅度在8%左右，這與參數(shù)分析中考慮的荷載作用方式有關(guān)；在混凝土強(qiáng)度較低時，空心率對構(gòu)件承載力的影響增大，這是因為混凝土強(qiáng)度降低后，內(nèi)管的存在彌補(bǔ)了混凝土強(qiáng)度的不足。圖15為鋼材屈服強(qiáng)度對試件承載力系數(shù)的影響。由圖15可見，主管外管強(qiáng)度是影響構(gòu)件承載力大小的最主要因素，提高一個等級的鋼材屈服強(qiáng)度，構(gòu)件承載力提高20%以上；當(dāng)主管外管強(qiáng)度較低時，空心率對構(gòu)件承載力的影響增大，這是因為外管強(qiáng)度降低后，內(nèi)管發(fā)揮的作用增大，因而在大空心率下，構(gòu)件承載力仍高于實心構(gòu)件承載力。

5 結(jié) 論

（1） 5組試件均發(fā)生主管壓彎破壞。與灌注普通混凝土相比，灌注鋼渣混凝土對試件節(jié)點承載力影響不大，但位移延性和耗能能力明顯增加，分別提高69.46%和48.20%。

（2） 當(dāng)空心率從0.3增大到0.5時，試件極限承載力提高14.57%，而位移延性系數(shù)提高9.69%；當(dāng)支主管直徑比從0.4增大到0.68時，位移延性系數(shù)提高82.44%，累計耗能系數(shù)提高117.67%；空心率增大和支主管直徑比增大對提高試件滯回性能都是有效的。

（3） 當(dāng)構(gòu)件軸壓比從0.1增大到0.2時，試件位移延性系數(shù)降低17.98%，累計耗能系數(shù)降低22.37%；軸壓比增大會降低試件滯回性能。

（4） 在空心率不大于70%時，構(gòu)件承載力逐級遞增，大于70%時構(gòu)件承載力開始降低，甚至低于實心試件。各參數(shù)變化不會改變空心率對構(gòu)件承載力的影響規(guī)律。

（5） 混凝土強(qiáng)度、主管鋼材屈服強(qiáng)度和主管壁厚均與構(gòu)件承載力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，三者中主管鋼材屈服強(qiáng)度的影響最大，主管壁厚次之，混凝土強(qiáng)度影響最小。

（6） 鋼渣的使用大幅提高節(jié)點抗震性能，可廣泛應(yīng)用于T形、K形和X形等節(jié)點，在格構(gòu)式中空夾層鋼管混凝土墩柱裝配式結(jié)構(gòu)中大量推廣應(yīng)用，具有巨大經(jīng)濟(jì)價值與重要現(xiàn)實意義。

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Experimental and analytical studies on seismic performance of a steel slag CFDST T?joint

ZENG Wu?hua1，2， WANG Wei1，3， CHEN Qing?yi2， WANG Jun?fang1，2，

WU Ying?xiong4， ZHUO Wei?dong4

（1. School of Civil Engineering， Sanming University， Sanming 365004， China；2. Key Laboratory of Intelligent Construction and Monitoring of Engineering Structures in Fujian Province College，Sanming 365004， China； 3. State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University，Shanghai 200092， China； 4. College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China）

Abstract： Concrete filled double-skin tubular structures （CFDST） that reuse waste steel slag demonstrate advantages in sustainable resource use. The interaction and coordination between steel tube and concrete make CFDST an effective solution to the stability issues， considering the expansion characteristic of steel slag. The expansion performance of the steel slag concrete can enhance the bond between the steel tube and its sandwich concrete. This paper presents a series of tests on a steel slag CFDST T-Joint under pseudo-static loading conditions to investigate its seismic performance. Five specimens were tested， including one ordinary concrete test specimen and four steel slag concrete test specimens. The variables tested were concrete type， hollow ratio， diameter ratio， and axial compression ratio. The results show that while the bearing capacity of steel slag concrete specimens is slightly lower than that of ordinary concrete， the displacement ductility and energy dissipation capacity significantly increased， by 69.46% and 48.20% respectively. As the hollow ratio increases from 0.3 to 0.5， the displacement ductility coefficient of the specimen increases by 9.69%. When the diameter ratio of branch main increases from 0.40 to 0.68， the displacement ductility coefficient increases by 82.44%. However， when the axial compression ratio increases from 0.1 to 0.2， the displacement ductility coefficient of the specimen decreases by 17.98%. A finite element model was established to simulate the hysteretic properties of the specimen. The simulation results are in agreement with the test results， verifying the validity of the finite element model. Based on the verified finite model， the parameters of influencing factors on the bearing capacity of the specimen were analyzed， and the optimum hollow ratio of the specimen was found to be about 70%. The use of steel slag greatly improves the seismic performance of the CFDST T-joint and can be widely used in concrete-filled steel tube engineering structures.

Key words： seismic performance； CFDST； steel slag concrete； hysteretic characteristics； quasi-static test

作者簡介： 曾武華（1986―），男，博士，副教授。E?mail： zwhua@fjsmu.edu.cn。

通訊作者： 吳應(yīng)雄（1969―），男，博士，教授。E?mail： wyxfz2006@163.com。