方钢管再生混凝土柱滞回性能试验范文

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《地震工程与工程振动杂志》2016年第二期

摘要:

为研究方钢管再生混凝土柱的滞回性能，以再生粗骨料取代率和轴压比为设计参数，开展6个方钢管再生混凝土柱试件的拟静力试验。观察试件的破坏形态，实测试件的滞回曲线，探讨设计参数对位移延性系数、强度、刚度和耗能系数等滞回性能指标的影响规律。研究结果表明:试件破坏形态与方钢管普通混凝土柱相似，方钢管底部鼓曲破坏，再生混凝土底部被压碎;试件的滞回曲线比较饱满，滞回曲线的形状从梭形发展到弓形;基于滞回性能指标需求，方钢管再生混凝土构件应用于工程承重结构之中是可行的;除刚度随轴压比的减小而减小外，其他滞回性能指标对现有的轴压比变化范围并不敏感。

关键词:

方钢管再生混凝土柱;拟静力试验;再生粗骨料取代率;轴压比

方钢管再生混凝土［1，2］是方钢管普通混凝土结构和再生混凝土(RecycledAggregateConcrete，简称RAC)结构相结合而产生的一种新型组合结构，它不仅继承了方钢管普通混凝土结构的承载力高、抗震性能好、抗弯刚度大、节点连接方便等优点，而且能够有效地解决建筑垃圾资源再利用的问题［3］。课题组前期研究表明［4－6］:基于静力受压强度需求，方RACFST柱用于工程承重结构之中是可行的。但基于抗震性能指标，方RACFST柱用是否可用于工程承重结构。目前，仅国内学者对此进行了研究［7－8］，结果表明:方RACFST柱的抗震性能与方钢管普通混凝土柱相似，定性地说明了方RACFST柱应用于中、低轴压比的情况是可行的。本文开展了6个方RACFST柱试件的抗震性能试验，定量地全面分析了再生粗骨料取代率和轴压比对各项抗震性能指标的影响规律，以推动方RACFST结构的应用和发展。

1试验概况

1．1试件设计以再生粗骨料取代率(γ)和轴压比(n)为变化参数，设计并制作了6个试件。试件具体设计参数见表1。其中，选取的轴压比仅与RAC有关，即轴压比n=N/fcAc，其中，N为试验过程之中所施加的轴向力，fc为实测的RAC轴心抗压强度;含钢率α=As/Ac，As为外部方钢管的截面面积，Ac为核心RAC的截面面积;套箍系数θ=Asfy/Acfc，fy为实测的方钢管屈服强度;L表示试件的高度。试件几何尺寸及构造如图1所示。试验所采用的材料为Q235级直焊缝方钢管和C40RAC。RAC的配合比见表2。其中，再生粗骨料和天然粗骨料采用同一筛网筛分，最大粒径为20mm，均为连续级配的碎石。

1．2加载装置试件加载装置如图2所示。首先通过1500kN油压千斤顶在柱顶施加恒定竖向荷载。水平加载采用力和位移联合控制的方式，试件屈服前，采用荷载控制分级加载，直至试件达到屈服荷载Py，每级荷载循环1次;试件屈服后，采用位移控制，试取屈服位移Δy的倍数为级差进行控制加载，每级位移循环3次，直至荷载下降到峰值荷载的80%以下时停止试验。

2宏观破坏特征分析

(1)如图3所示，试件的破坏形态与方钢管普通混凝土柱相似，方钢管底部出现鼓曲破坏，RAC底部被压碎，RAC破坏范围主要集中在距离试件根部20cm内。(2)试件破坏前，方钢管与核心RAC黏结良好;试件破坏后，通过金属锤子敲击试件方钢管表面，发现从试件底部出现了较为严重的脱黏现象，脱黏区高度不等，最高达64cm，最低达13cm。

3滞回曲线

试验实测的P-Δ滞回曲线如图4所示。其中，P表示水平荷载，Δ表示柱端水平位移，符号“□”表示试件屈服点，“○”表示试件峰值点，“△”表示试件破坏点。可见:所有试件的滞回曲线比较饱满，滞回曲线的形状从梭形发展到弓形，试件的滞回曲线捏缩现象不显著，表现出了良好的稳定性。

4设计参数影响分析

本节将定量地讨论设计参数对位移延性系数、特征点强度、特征点刚度和耗能系数等滞回性能指标的影响规律。其中，Strength表示强度，Stiffness表示刚度，Elasticstage、Yieldpoint、Peakpoint和Failurepoint分别表示弹性阶段、屈服点、峰值点和破坏点。由于破坏点强度统一取为峰值点强度的85%，所以本文仅分析设计参数对屈服点和峰值点强度的影响。

4．1再生粗骨料取代率

4．1．1位移延性系数受影响分析位移延性系数μ=Δu/Δy。Δu为极限位移，取为峰值荷载Pm下降到85%时对应的位移值;Δy为屈服位移，由能量等值法求得。通过能量等值法确定初始屈服点的过程如图5所示，作二折线OY-YU代替原有荷载(P)-位移(Δ)曲线，使得曲线OABM与折线OY-YM分别与Δ轴包围的总面积相等，即面积OAB=面积BYM，则Δy即为所求的初始屈服位移。试件在不同取代率下的位移延性系数(μ)如图6所示。可见，在不同再生粗骨料取代率下，试件的位移延性系数介于2．80～3．04之间，最大变化幅度为7．9%，取代率为30%的试件位移延性系数达到了最大3．04。随着取代率的增加，试件S-1、S-2、S-3和S-4位移延性系数的变化幅度依次为2．01%、－7．89%和6.43%。位移延性系数随取代率的增加并没有表现出明显的、统一的规律。试件S-2、S-3和S－4与试件S-1分别相差2．01%、－6．04%和0．00%。即与钢管普通混凝土试件相比，再生粗骨料取代率的增加并没有显著降低试件的位移延性系数。基于位移延性系数滞回性能指标需求，方RACFST构件应用于工程承重结构之中是可行的。

4．1．2特征点强度受影响分析试件的特征点强度随取代率的变化幅度如图7所示。可见，随着取代率的增加，试件S-1、S-2、S-3和S-4的屈服点强度变化幅度为2．34%、0．64%和0．83%;峰值强度变化幅度为－1．74%、5．49%和0．76%。总体上来讲，特征点强度变化幅度不大，尤其是屈服点强度变化甚小。不同取代率下各试件的特征点强度较为稳定。原因如下:再生粗骨料对RAC强度影响的机理层面分析可从以下两个方面考虑。一方面，再生粗骨料在机械破碎的过程之中，积累了较多原始损伤，由于骨料强度的降低，势必会影响RAC材料强度的降低，材料强度的降低势必会引起试件本身极限承载力的降低;另一方面，再生粗骨料吸水率明显高于天然粗骨料，随着RAC取代率的增加，再生粗骨料的吸水量逐渐加大，被吸收的这部分水分并不参与水泥的水化作用，由此便会引成实际水胶比的降低，RAC的材料强度得到提高，材料强度的提高势必会引起试件本身极限承载力的提高。再生粗骨料的取代率越大，材料内部损伤越多，材料强度降低程度越大，但实际水胶比更低，由此而引起的材料强度的提高越大，在这两方面因素的互相作用下，出现了上述现象。与试件S-1相比，试件S-2、S-3和S-4屈服点强度变化幅度分别为2．34%、3．00%和3．86%，峰值点强度变化幅度分别为－1．74%、3．66%和4．45%。所有的变化幅度绝对值均小于5%，从工程应用的角度上来讲，其误差能够满足工程精度的要求。换言之，基于强度滞回性能指标需求，方RACFST构件可以应用于工程承重结构之中。

4．1．3特征点刚度受影响分析试件特征点刚度随取代率的变化幅度如图8所示。可见，随着取代率的增加，试件初始弹性刚度变化幅度分别为－7．00%、7．90%和－5．99%;屈服点刚度变化幅度分别为10．29%、0．96%和4．98%;峰值点刚度变化幅度分别为－1．69%、26．72%和25．51%;破坏点刚度变化幅度分别为3．88%、14．93%和－1．30%。峰值点与破坏点刚度变化较大。这主要是由于峰值点与破坏点刚度本身刚度较小，试件最大刚度不到4．0kN/mm，试验结果容易受到加载与测量系统的影响。其他特征点刚度变化幅度较小，则随着取代率的增加，初始弹性刚度和屈服点刚度并没有发生显著的改变。与试件S-1相比，试件S-2、S-3和S-4初始弹性刚度变化幅度分别为－7．00%、0．35%和－5．65%，屈服点刚度变化幅度分别为10．29%、11．35%和16．89%，峰值点刚度变化幅度分别为－1．69%、24．58%和56.36%;破坏点刚度变化幅度分别为3．88%、19．38%和17．83%;所有的变化幅度绝对值均较小，或者其他试件的特征点刚度明显大于钢管普通混凝土柱试件。从工程应用的角度上来讲，基于刚度滞回性能指标需求，方RACFST构件可以应用于工程承重结构之中。

4．1．4特征点耗能系数受影响分析试件在不同取代率下的特征点耗能系数(he)如图9所示。可见，随着取代率的增加，试件屈服点耗能系数变化幅度分别为3．92%、11．95%和－18．54%;峰值点耗能系数变化幅度分别为0．00%、2．60%和－15．23%;破坏点耗能系数变化幅度为0．00%、－9．50%和－0．31%。屈服点与峰值点耗能系数变化较大，这可能是由于此时的耗能系数较小所导致。破坏点耗能系数变化较小，表明增加再生粗骨料的取代率对试件的破坏耗能性能影响不大。与试件S-1相比，试件S-2、S-3和S-4屈服点耗能系数变化幅度分别为3．92%、16．34%和－5．23%，峰值点耗能系数变化幅度分别为0．00%、2．60%和－13．02%，破坏点耗能系数变化幅度分别为0．00%、－9．50%和－9．78%。其他试件特征点耗能系数基本上大于钢管普通混凝土柱试件，部分特征点耗能系数小于钢管普通混凝土柱试件，但变化幅度不大。从工程应用的角度上来讲，基于耗能能力滞回性能指标需求，方RACFST构件可以应用于工程承重结构之中。

4．2轴压比

4．2．1位移延性系数受影响分析在不同轴压比下试件的位移延性系数如图10所示。可见，试件S-6、S-5和S-4的位移延性系数的变化幅度分别－0．32%和－2．93%，即随着轴压比的增加，试件位移延性系数仅略有降低。这主要是因为在加载前期试件的竖向荷载由外部方钢管和核心RAC共同承担;加载后期，随着外部方钢管的屈曲，大部分竖向荷载开始由核心RAC承担，为了反映竖向荷载的最终传力路径，本文选取的试验轴压比只与核心RAC有关，但因此而施加的竖向力相对于三向受力状态下核心RAC的承载能力小很多，使得所有试件的受力状态相近，位移延性系数的变化幅度不大，均小于5%。在现有的轴压比变化范围内，位移延性系数受影响不大。

4．2．2特征点强度受影响分析试件在不同轴压比下的特征点强度如图11所示。可见，试件S-4、S-5和S-6屈服点强度变化幅度分别为－3．10%和－3．49%，峰值点强度变化幅度分别为－3．45%和－6．14%。随着轴压比的减小，试件特征点强度逐渐降低，但降幅不大。表明试验选取的轴压比仅与核心RAC相关时，特征点强度对现有的轴压比变化范围并不敏感。文献［9］也曾有过类似的报道。

4．2．3特征点刚度受影响分析试件在不同轴压比下的特征点刚度如图12所示。可见，试件S-4、S-5和S-6弹性阶段刚度变化幅度分别为－8．09%和－31．54%;屈服点刚度变化幅度分别为－6．55%和－15．22%;峰值点刚度变化幅度分别为－22．22%和－22．30%;破坏点刚度变化幅度分别为－9．21%和－16．67%。随着轴压比的减小，特征点刚度逐渐地减小，且降幅较为明显，刚度对于轴压比的变化较为敏感。

4．2．4特征点耗能系数受影响分析在不同轴压比下试件的特征点耗能系数如图13所示。可见，试件S-4、S-5和S-6屈服点耗能系数变化幅度依次为－5．52%和－8．03%;峰值点耗能系数变化幅度依次为5．39%和8．52%;破坏点耗能系数变化幅度依次为4．64%和6．51%。随着轴压比的减小，试件特征点耗能系数变化规律不明显。总体上来讲，特征点耗能系数对现有的轴压比变化范围并不敏感。

5结论

以再生粗骨料取代率和轴压比为设计参数，通过6个方RACFST柱试件的滞回性能试验和影响因素分析，主要得到以下结论:(1)试件破坏形态与钢管普通混凝土柱相似，方钢管底部出现鼓曲破坏，距离试件根部20cm范围内的RAC被压碎。(2)所有试件的滞回曲线比较饱满，滞回曲线的形状从梭形发展到弓形，且捏缩现象不显著，表现出了良好的稳定性。(3)基于位移延性系数、强度、刚度以及耗能系数等滞回性能指标需求，方RACFST构件应用于工程承重结构之中是可行的。(4)当轴压比分别为0．8、0．7和0．6时，随着轴压比的减小，方RACFST柱试件特征点刚度逐渐地减小，刚度对于轴压比的变化较为敏感，而位移延性系数、特征点强度和耗能系数对现有的轴压比变化范围并不敏感。

作者：张向冈 陈宗平 薛建阳 单位：河南理工大学 土木工程学院 广西大学 土木建筑工程学院