方鋼管再生混凝土柱滯回性能試驗范文

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《地震工程與工程振動雜志》2016年第二期

摘要:

為研究方鋼管再生混凝土柱的滯回性能，以再生粗骨料取代率和軸壓比為設計參數，開展6個方鋼管再生混凝土柱試件的擬靜力試驗。觀察試件的破壞形態，實測試件的滯回曲線，探討設計參數對位移延性系數、強度、剛度和耗能系數等滯回性能指標的影響規律。研究結果表明:試件破壞形態與方鋼管普通混凝土柱相似，方鋼管底部鼓曲破壞，再生混凝土底部被壓碎;試件的滯回曲線比較飽滿，滯回曲線的形狀從梭形發展到弓形;基于滯回性能指標需求，方鋼管再生混凝土構件應用于工程承重結構之中是可行的;除剛度隨軸壓比的減小而減小外，其他滯回性能指標對現有的軸壓比變化范圍并不敏感。

關鍵詞:

方鋼管再生混凝土柱;擬靜力試驗;再生粗骨料取代率;軸壓比

方鋼管再生混凝土［1，2］是方鋼管普通混凝土結構和再生混凝土(RecycledAggregateConcrete，簡稱RAC)結構相結合而產生的一種新型組合結構，它不僅繼承了方鋼管普通混凝土結構的承載力高、抗震性能好、抗彎剛度大、節點連接方便等優點，而且能夠有效地解決建筑垃圾資源再利用的問題［3］。課題組前期研究表明［4－6］:基于靜力受壓強度需求，方RACFST柱用于工程承重結構之中是可行的。但基于抗震性能指標，方RACFST柱用是否可用于工程承重結構。目前，僅國內學者對此進行了研究［7－8］，結果表明:方RACFST柱的抗震性能與方鋼管普通混凝土柱相似，定性地說明了方RACFST柱應用于中、低軸壓比的情況是可行的。本文開展了6個方RACFST柱試件的抗震性能試驗，定量地全面分析了再生粗骨料取代率和軸壓比對各項抗震性能指標的影響規律，以推動方RACFST結構的應用和發展。

1試驗概況

1．1試件設計以再生粗骨料取代率(γ)和軸壓比(n)為變化參數，設計并制作了6個試件。試件具體設計參數見表1。其中，選取的軸壓比僅與RAC有關，即軸壓比n=N/fcAc，其中，N為試驗過程之中所施加的軸向力，fc為實測的RAC軸心抗壓強度;含鋼率α=As/Ac，As為外部方鋼管的截面面積，Ac為核心RAC的截面面積;套箍系數θ=Asfy/Acfc，fy為實測的方鋼管屈服強度;L表示試件的高度。試件幾何尺寸及構造如圖1所示。試驗所采用的材料為Q235級直焊縫方鋼管和C40RAC。RAC的配合比見表2。其中，再生粗骨料和天然粗骨料采用同一篩網篩分，最大粒徑為20mm，均為連續級配的碎石。

1．2加載裝置試件加載裝置如圖2所示。首先通過1500kN油壓千斤頂在柱頂施加恒定豎向荷載。水平加載采用力和位移聯合控制的方式，試件屈服前，采用荷載控制分級加載，直至試件達到屈服荷載Py，每級荷載循環1次;試件屈服后，采用位移控制，試取屈服位移Δy的倍數為級差進行控制加載，每級位移循環3次，直至荷載下降到峰值荷載的80%以下時停止試驗。

2宏觀破壞特征分析

(1)如圖3所示，試件的破壞形態與方鋼管普通混凝土柱相似，方鋼管底部出現鼓曲破壞，RAC底部被壓碎，RAC破壞范圍主要集中在距離試件根部20cm內。(2)試件破壞前，方鋼管與核心RAC黏結良好;試件破壞后，通過金屬錘子敲擊試件方鋼管表面，發現從試件底部出現了較為嚴重的脫黏現象，脫黏區高度不等，最高達64cm，最低達13cm。

3滯回曲線

試驗實測的P-Δ滯回曲線如圖4所示。其中，P表示水平荷載，Δ表示柱端水平位移，符號“□”表示試件屈服點，“○”表示試件峰值點，“△”表示試件破壞點。可見:所有試件的滯回曲線比較飽滿，滯回曲線的形狀從梭形發展到弓形，試件的滯回曲線捏縮現象不顯著，表現出了良好的穩定性。

4設計參數影響分析

本節將定量地討論設計參數對位移延性系數、特征點強度、特征點剛度和耗能系數等滯回性能指標的影響規律。其中，Strength表示強度，Stiffness表示剛度，Elasticstage、Yieldpoint、Peakpoint和Failurepoint分別表示彈性階段、屈服點、峰值點和破壞點。由于破壞點強度統一取為峰值點強度的85%，所以本文僅分析設計參數對屈服點和峰值點強度的影響。

4．1再生粗骨料取代率

4．1．1位移延性系數受影響分析位移延性系數μ=Δu/Δy。Δu為極限位移，取為峰值荷載Pm下降到85%時對應的位移值;Δy為屈服位移，由能量等值法求得。通過能量等值法確定初始屈服點的過程如圖5所示，作二折線OY-YU代替原有荷載(P)-位移(Δ)曲線，使得曲線OABM與折線OY-YM分別與Δ軸包圍的總面積相等，即面積OAB=面積BYM，則Δy即為所求的初始屈服位移。試件在不同取代率下的位移延性系數(μ)如圖6所示。可見，在不同再生粗骨料取代率下，試件的位移延性系數介于2．80～3．04之間，最大變化幅度為7．9%，取代率為30%的試件位移延性系數達到了最大3．04。隨著取代率的增加，試件S-1、S-2、S-3和S-4位移延性系數的變化幅度依次為2．01%、－7．89%和6.43%。位移延性系數隨取代率的增加并沒有表現出明顯的、統一的規律。試件S-2、S-3和S－4與試件S-1分別相差2．01%、－6．04%和0．00%。即與鋼管普通混凝土試件相比，再生粗骨料取代率的增加并沒有顯著降低試件的位移延性系數。基于位移延性系數滯回性能指標需求，方RACFST構件應用于工程承重結構之中是可行的。

4．1．2特征點強度受影響分析試件的特征點強度隨取代率的變化幅度如圖7所示。可見，隨著取代率的增加，試件S-1、S-2、S-3和S-4的屈服點強度變化幅度為2．34%、0．64%和0．83%;峰值強度變化幅度為－1．74%、5．49%和0．76%。總體上來講，特征點強度變化幅度不大，尤其是屈服點強度變化甚小。不同取代率下各試件的特征點強度較為穩定。原因如下:再生粗骨料對RAC強度影響的機理層面分析可從以下兩個方面考慮。一方面，再生粗骨料在機械破碎的過程之中，積累了較多原始損傷，由于骨料強度的降低，勢必會影響RAC材料強度的降低，材料強度的降低勢必會引起試件本身極限承載力的降低;另一方面，再生粗骨料吸水率明顯高于天然粗骨料，隨著RAC取代率的增加，再生粗骨料的吸水量逐漸加大，被吸收的這部分水分并不參與水泥的水化作用，由此便會引成實際水膠比的降低，RAC的材料強度得到提高，材料強度的提高勢必會引起試件本身極限承載力的提高。再生粗骨料的取代率越大，材料內部損傷越多，材料強度降低程度越大，但實際水膠比更低，由此而引起的材料強度的提高越大，在這兩方面因素的互相作用下，出現了上述現象。與試件S-1相比，試件S-2、S-3和S-4屈服點強度變化幅度分別為2．34%、3．00%和3．86%，峰值點強度變化幅度分別為－1．74%、3．66%和4．45%。所有的變化幅度絕對值均小于5%，從工程應用的角度上來講，其誤差能夠滿足工程精度的要求。換言之，基于強度滯回性能指標需求，方RACFST構件可以應用于工程承重結構之中。

4．1．3特征點剛度受影響分析試件特征點剛度隨取代率的變化幅度如圖8所示。可見，隨著取代率的增加，試件初始彈性剛度變化幅度分別為－7．00%、7．90%和－5．99%;屈服點剛度變化幅度分別為10．29%、0．96%和4．98%;峰值點剛度變化幅度分別為－1．69%、26．72%和25．51%;破壞點剛度變化幅度分別為3．88%、14．93%和－1．30%。峰值點與破壞點剛度變化較大。這主要是由于峰值點與破壞點剛度本身剛度較小，試件最大剛度不到4．0kN/mm，試驗結果容易受到加載與測量系統的影響。其他特征點剛度變化幅度較小，則隨著取代率的增加，初始彈性剛度和屈服點剛度并沒有發生顯著的改變。與試件S-1相比，試件S-2、S-3和S-4初始彈性剛度變化幅度分別為－7．00%、0．35%和－5．65%，屈服點剛度變化幅度分別為10．29%、11．35%和16．89%，峰值點剛度變化幅度分別為－1．69%、24．58%和56.36%;破壞點剛度變化幅度分別為3．88%、19．38%和17．83%;所有的變化幅度絕對值均較小，或者其他試件的特征點剛度明顯大于鋼管普通混凝土柱試件。從工程應用的角度上來講，基于剛度滯回性能指標需求，方RACFST構件可以應用于工程承重結構之中。

4．1．4特征點耗能系數受影響分析試件在不同取代率下的特征點耗能系數(he)如圖9所示。可見，隨著取代率的增加，試件屈服點耗能系數變化幅度分別為3．92%、11．95%和－18．54%;峰值點耗能系數變化幅度分別為0．00%、2．60%和－15．23%;破壞點耗能系數變化幅度為0．00%、－9．50%和－0．31%。屈服點與峰值點耗能系數變化較大，這可能是由于此時的耗能系數較小所導致。破壞點耗能系數變化較小，表明增加再生粗骨料的取代率對試件的破壞耗能性能影響不大。與試件S-1相比，試件S-2、S-3和S-4屈服點耗能系數變化幅度分別為3．92%、16．34%和－5．23%，峰值點耗能系數變化幅度分別為0．00%、2．60%和－13．02%，破壞點耗能系數變化幅度分別為0．00%、－9．50%和－9．78%。其他試件特征點耗能系數基本上大于鋼管普通混凝土柱試件，部分特征點耗能系數小于鋼管普通混凝土柱試件，但變化幅度不大。從工程應用的角度上來講，基于耗能能力滯回性能指標需求，方RACFST構件可以應用于工程承重結構之中。

4．2軸壓比

4．2．1位移延性系數受影響分析在不同軸壓比下試件的位移延性系數如圖10所示。可見，試件S-6、S-5和S-4的位移延性系數的變化幅度分別－0．32%和－2．93%，即隨著軸壓比的增加，試件位移延性系數僅略有降低。這主要是因為在加載前期試件的豎向荷載由外部方鋼管和核心RAC共同承擔;加載后期，隨著外部方鋼管的屈曲，大部分豎向荷載開始由核心RAC承擔，為了反映豎向荷載的最終傳力路徑，本文選取的試驗軸壓比只與核心RAC有關，但因此而施加的豎向力相對于三向受力狀態下核心RAC的承載能力小很多，使得所有試件的受力狀態相近，位移延性系數的變化幅度不大，均小于5%。在現有的軸壓比變化范圍內，位移延性系數受影響不大。

4．2．2特征點強度受影響分析試件在不同軸壓比下的特征點強度如圖11所示。可見，試件S-4、S-5和S-6屈服點強度變化幅度分別為－3．10%和－3．49%，峰值點強度變化幅度分別為－3．45%和－6．14%。隨著軸壓比的減小，試件特征點強度逐漸降低，但降幅不大。表明試驗選取的軸壓比僅與核心RAC相關時，特征點強度對現有的軸壓比變化范圍并不敏感。文獻［9］也曾有過類似的報道。

4．2．3特征點剛度受影響分析試件在不同軸壓比下的特征點剛度如圖12所示。可見，試件S-4、S-5和S-6彈性階段剛度變化幅度分別為－8．09%和－31．54%;屈服點剛度變化幅度分別為－6．55%和－15．22%;峰值點剛度變化幅度分別為－22．22%和－22．30%;破壞點剛度變化幅度分別為－9．21%和－16．67%。隨著軸壓比的減小，特征點剛度逐漸地減小，且降幅較為明顯，剛度對于軸壓比的變化較為敏感。

4．2．4特征點耗能系數受影響分析在不同軸壓比下試件的特征點耗能系數如圖13所示。可見，試件S-4、S-5和S-6屈服點耗能系數變化幅度依次為－5．52%和－8．03%;峰值點耗能系數變化幅度依次為5．39%和8．52%;破壞點耗能系數變化幅度依次為4．64%和6．51%。隨著軸壓比的減小，試件特征點耗能系數變化規律不明顯。總體上來講，特征點耗能系數對現有的軸壓比變化范圍并不敏感。

5結論

以再生粗骨料取代率和軸壓比為設計參數，通過6個方RACFST柱試件的滯回性能試驗和影響因素分析，主要得到以下結論:(1)試件破壞形態與鋼管普通混凝土柱相似，方鋼管底部出現鼓曲破壞，距離試件根部20cm范圍內的RAC被壓碎。(2)所有試件的滯回曲線比較飽滿，滯回曲線的形狀從梭形發展到弓形，且捏縮現象不顯著，表現出了良好的穩定性。(3)基于位移延性系數、強度、剛度以及耗能系數等滯回性能指標需求，方RACFST構件應用于工程承重結構之中是可行的。(4)當軸壓比分別為0．8、0．7和0．6時，隨著軸壓比的減小，方RACFST柱試件特征點剛度逐漸地減小，剛度對于軸壓比的變化較為敏感，而位移延性系數、特征點強度和耗能系數對現有的軸壓比變化范圍并不敏感。

作者：張向岡 陳宗平 薛建陽 單位：河南理工大學 土木工程學院 廣西大學 土木建筑工程學院