薄壁圆钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究

李祝情,　肖景平，　王成刚,　柳炳康,　胡琼芳

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥　230009; 2.华汇工程设计集团股份有限公司,浙江 绍兴　312000)



薄壁圆钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究

李祝情1,肖景平2，王成刚1,柳炳康1,胡琼芳1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥230009; 2.华汇工程设计集团股份有限公司,浙江 绍兴312000)

摘要:文章通过对2根薄壁圆钢管再生混凝土柱在定常轴力和水平往复荷载作用下的拟静力试验,研究其破坏形态和滞回特性,分析其承载力、刚度退化、延性及耗能能力等抗震性能。试验结果表明:试件破坏时柱根部200 mm范围内钢管壁发生屈曲外鼓;低周反复荷载下滞回曲线较为饱满,延性系数在4.0左右,说明薄壁钢管再生混凝土柱具有良好的延性性能和耗能能力。

关键词:薄壁钢管;再生混凝土柱;滞回曲线;抗震性能

随着全球可持续发展战略的提出,各国都在研究和利用废弃可再生材料,以达到保护环境、节约天然资源等目的[1]。再生混凝土是指将废弃混凝土块经过破碎、清洗、分级后,按一定比例与级配混合,部分或全部代替砂石等天然骨料(主要是粗骨料)配制而成的新的混凝土。由于再生混凝土的承载能力、耐久性能等均低于普通混凝土,使得再生混凝土结构性能相比于普通混凝土结构有不同程度的降低,这成了再生混凝土在工程中应用的最大障碍。但是,将再生混凝土灌入钢管形成钢管再生混凝土之后,使再生混凝土处于钢管的约束和保护之下,两者的相互作用有利于提高再生混凝土的承载能力,改善再生混凝土耐久性能,也能够充分发挥2种材料的特点,扬长避短。

国内外学者对钢管再生混凝土柱的静力性能进行了研究。文献[2-3]对钢管再生混凝土构件的轴压性能进行了大量的试验研究，试验结果显示:钢管再生混凝土和普通钢管混凝土的破坏形态类似,当核心混凝土强度相同时,前者比后者的极限变形量大些,而极限承载力要小些。但是国内外对薄壁钢管再生混凝土抗震性能的研究却开展得较少[4-5]。本文通过2根薄壁圆钢管再生混凝土柱在水平往复荷载下的试验研究,分析试件的抗震性能,为薄壁钢管再生混凝土构件在工程中的应用提供理论依据。

1试验概况

1.1试验材料及试件制作

试验设计制作了2根圆钢管再生混凝土柱,分别为试件YDZB2-1、YDZB2-2,2根试件的再生骨料取代率均为100%。再生粗骨料为某建筑物拆除后的废弃混凝土加工破碎所得。试验中使用的水泥为安徽巢湖水泥厂生产的P42.5普通硅酸盐水泥,拌制水为普通自来水。制作试件时,混凝土由现场搅拌而成,为确保钢管内混凝土的密实性,混凝土浇筑过程中用插入式振捣棒进行振捣,浇筑完成后敞口自然养护。

钢管采用Q235B钢,根据《金属材料拉伸试验》[6]进行了钢材的相关性能检测,钢管加工详图如图1所示。钢管再生混凝土试件的基本参数见表1所列。

图1　试件加工详图

试件编号B/mmt/mmfy/MPafu/MPafcu/MPanN/kNYDZB2-12251.9343748733.60.2480YDZB2-22251.9043748733.60.2480

表1中，B为钢管外径；t为钢管实测壁厚；fy为钢管屈服强度；fu为钢管极限强度；fcu为混凝土立方强度；n为轴压比；N为竖向轴力。

1.2试验加载装置及加载方法

试验加载装置如图2所示,整个试验过程在合肥工业大学结构实验室完成。由液压千斤顶施加竖向轴力,水平荷载由固定于反力墙上的MTS电液伺服作动器施加。

图2　试验加载装置

试验时先施加竖向轴力,在轴向压力施加过程中,注意观察千斤顶油压的变化情况,使其变化范围控制在5%以内;然后再由MTS作动器施加水平荷载。水平荷载正式施加前,先预加载一个循环,以检查试验仪器和设备工作是否正常,预加值取为8 kN。试验采用荷载和位移混合控制的加载方法。正式加载时,先采用力控制,每级循环1次,屈服后改为位移控制,每级循环3次,加载至水平荷载下降到最大水平荷载的85%以下,承载力有明显下降时停止加载。试验过程中,荷载和位移的数据由MTS自动采集。

2试件破坏形态

试验过程中发现2个试件的破坏形态基本相同，即加载初期,试件处于弹性受力状态,外形上没有明显的变化。当加载至2～3倍屈服位移时,在距离钢管底部200 mm范围内的受压区发生了微小的鼓曲现象,但是随着卸载和反向加载的进行,鼓曲的部位重新被拉平,且另一边相同的位置处也发生微小的屈曲。

当加载至4～6倍屈服位移时,钢管壁进入强化阶段,钢管的底部受压区出现明显的“象腿”现象,产生的塑性变形也随之逐渐增大。当试件位移加至接近破坏时,钢管根部的鼓曲部位产生水平裂口,导致承载力快速下降。最终钢管根部拉裂,可见管内混凝土局部压溃,试件典型的破坏状态如图3所示。

图3　试件破坏状态

3抗震性能分析

3.1P-Δ滞回曲线

试验得到的钢管再生混凝土柱YDZB2-1和YDZB2-2的P-Δ滞回曲线如图4所示,分析图4可得如下结论:

(1) 2个试件的滞回曲线形状大致相同,虽然钢管壁厚只有2 mm左右,但滞回曲线饱满性较好,说明了薄壁钢管再生混凝土柱具有较好的延性性能和耗能能力[7]。

(2) 试件在屈服之前,力与位移基本呈线性关系,P-Δ滞回曲线在加载和卸载阶段所包围的范围狭长,表示试件耗能较少;试件在屈服之后,随着加载位移增大,滞回曲线逐渐倒向水平轴,滞回曲线所包围的面积较丰满。随着循环次数增加,钢管再生混凝土柱的耗能能力不断增强。

(3) 在位移控制加载时,每一阶段有3个循环,第1次循环所达到的荷载略高于后面2次,加载曲线也略高于后2次循环,说明在同一位移加载循环下,构件承载力和刚度随循环次数的增加有所降低。

图4　P-Δ滞回曲线

3.2P-Δ骨架曲线及延性

图5所示为试件YDZB2-1和YDZB2-2的P-Δ骨架曲线图。

根据试验结果得出的试件的峰值荷载和峰值位移、破坏荷载和极限位移及屈服荷载和屈服位移等参数见表2所列。

图5　骨架曲线对比图

对比图5及表2可得如下结论:

(1) 2个试件的骨架曲线均基本反向对称,正反向的峰值荷载和峰值位移基本相等。

(2) 试件YDZB2-1和YDZB2-2的延性系数均在4.0左右,表明薄壁钢管再生混凝土柱具有良好的变形性能和延性指标。

(3) 试件YDZB2-1和YDZB2-2的极限位移角均在1/25.7～1/26.4之间,均大于《建筑抗震设计规范》[8]关于框架结构弹塑性层间位移角限值1/50的规定。试件的轴压比为0.2,表明钢管再生混凝土柱在较小的轴压比条件下,具有良好的弹塑性变形性能[9]。

表2　试件的特征荷载和特征位移

3.3刚度退化曲线

试件YDZB2-1和YDZB2-2的刚度退化曲线如图6所示。其中,k为钢管再生混凝土柱的等效刚度,等于原点与某次循环的荷载峰值连线的斜率值。

由图6可以看出,钢管再生混凝土柱的刚度退化主要发生在1Δy、2Δy、3Δy级的循环加载中,之后随着变形的增大,刚度退化慢慢趋于平缓,退化的幅度也越来越小。

图6　刚度退化曲线对比图

3.4耗能能力

耗能能力是衡量结构抗震性能的重要指标,常用总耗能I和能量耗散系数E来判断试件的耗能能力。在低周反复荷载作用下,每级循环中各个滞回环所包围的区域的面积SABCDA代表了荷载循环1次时所吸收的能量,加载全过程的总耗能I按(1)式计算:

(1)

能量耗散系数E按(2)式计算:

(2)

其中,Ei为第i次加载时的能量耗散系数;S(ABC+CDA)为第i次加载时滞回环与位移轴所围成的总面积;S(OBE+ODF)为第i次加载时滞回环的峰值点与位移轴所围成的三角形的总面积。耗能系数计算示意图如图7所示。

图7　耗能系数计算示意图

结构耗能能力还可以用等效黏滞阻尼系数ξeq表示,按(3)式计算。

(3)

本文选择极限位移所对应循环的滞回环来计算2个试件的能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数ξeq。2个试件的总耗能I、能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数ξeq见表3所列。由表3可知试件的等效黏滞阻尼系数在0.269～0.352之间,而普通钢管混凝土柱的等效黏滞阻尼系数一般在0.1～0.2之间[10-11],说明钢管再生混凝土柱的耗能能力并不比普通钢管混凝土柱差,即使钢管的壁厚很薄,也有较好的耗能能力。

表3　各试件耗能能力

4结论

(1) 钢管再生混凝土柱与普通钢管混凝土柱相比,破坏过程和破坏模式大致相同,都是弹性—屈服—极限—破坏4个阶段,试件破坏时根部钢管壁发生明显的鼓曲变形,钢管根部拉裂,管内混凝土局部压溃。薄壁钢管再生混凝土柱与普通钢管混凝土柱破坏形态基本相同。

(2) 试件屈服前,钢管对内部核心混凝土的约束作用不明显,而屈服后,钢管对混凝土的约束作用明显,混凝土处于三向受力状态,与此同时,由于内部核心混凝土的存在,减弱了钢管的局部失稳状态,充分发挥了混凝土材料受压和钢材受拉性能。薄壁钢管对于核心区混凝土具有良好的约束作用。

(3) 2个试件的滞回曲线饱满、延性系数在4.0左右,等效黏滞阻尼系数在0.269～0.352之间，表明了薄壁钢管再生混凝土结构具有良好的滞回性能、变形性能和耗能能力,用于抗震设防地区。

[参考文献]

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[6]GB/T 228.1-2010,金属材料拉伸试验[S].

[7]金雪峰,张学文,蔡健.方形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能的研究[J]. 合肥工业大学学报:自然科学版,2007,30(7):885-887.

[8]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[9]吴波,张金锁,赵新宇.薄壁方钢管再生混合柱抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2012,33(9):6-7.

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[11]李俊华, 王新堂, 薛建阳,等. 低周反复荷载下型钢高强混凝土柱受力性能试验研究[J]. 土木工程学报,2007,40(7):11-18.

(责任编辑张镅)

Experimental research on seismic behavior of circular thin-walled steel tubular columns filled with recycled aggregate concrete

LI Zhu-qing1,XIAO Jing-ping2,WANG Cheng-gang1, LIU Bing-kang1, HU Qiong-fang1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Huahui Engineering Design Group Co., Ltd., Shaoxing 312000, China)

Abstract:Quasi-static experiment of two circular thin-walled steel tubular columns filled with recycled aggregate concrete under axial load and cyclic lateral load was conducted. The failure pattern and hysteresis performance of the columns were studied, and their seismic behavior, such as bearing capacity, stiffness degradation, ductility, energy dissipation capacity and so on, was analyzed. The experimental results show that the steel tube wall which is less than 200 mm away from the roots of the columns is buckling when the specimens are destroyed. The hysteresis curves of the specimens are plump in shapes under low cyclic load, and the ductility coefficient is around 4.0. These results illustrate that the circular thin-walled steel tubular column has good ductility and energy dissipation capacity.

Key words:thin-walled steel tube; recycled aggregate concrete-filled column; hysteresis curve; seismic behavior

中图分类号:TU398.2

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)03-0364-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.016

作者简介：李祝情(1990-),女,安徽太湖人,合肥工业大学硕士生;柳炳康(1952-),男,安徽凤阳人,合肥工业大学教授,博士生导师.

基金项目：住房与城乡建设部科学技术计划资助项目(2013-K4-46)

收稿日期：2015-01-08；修回日期：2015-03-06