低周反复荷载下方钢管再生混凝土框架柱损伤试验研究

2016-05-23吴孙武张震

长江大学学报(自科版) 2016年10期

关键词：损伤

吴孙武，张震

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022)

低周反复荷载下方钢管再生混凝土框架柱损伤试验研究

吴孙武，张震

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022)

[摘要]为了更加深入的了解地震作用下方钢管再生混凝土框架柱的损伤演化过程，设计制作了4根方钢管再生混凝土框架柱模型，通过改变加载制度、轴压比和含钢率进行了低周反复荷载试验。通过观察试件的破坏失效过程得到了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载力退化及耗能能力，并从损伤的角度出发分析了不同设计参数及加载制度对方钢管再生混凝土框架柱抗震性能的影响。研究结果表明，试件在地震作用下的损伤进程分为无损伤、损伤稳定发展及损伤急剧发展3个阶段；随着加载的持续进行，试件的损伤逐步加大，使得其承载力和刚度不断下降，从而导致试件的变形能力降低。该研究结果可供建立方钢管再生混凝土地震损伤模型作为参考，并为揭示损伤对方钢管再生混凝土柱力学性能的影响提供试验支撑。

[关键词]方钢管再生混凝土；框架柱；拟静力试验；损伤

钢-混组合结构中的一种主要结构形式是钢管混凝土结构，该结构具有承载力高和刚度大等众多优异的抗震性能已被广泛用于地震设防区及大跨重载建筑结构中[1，2]。众多的国内外震后调研资料都显示，框架柱在地震中受到的损伤往往较其他构件要严重，框架柱的破坏是导致整体结构坍塌的重要因素。再生混凝土[3]的引入则扩展了钢管混凝土柱的应用范围，因此，研究钢管再生混凝土结构及掌握地震作用下方钢管再生混凝土柱损伤演化过程就显得十分迫切。

国内外众多学者对钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱和钢管混凝土柱均进行过一些试验及理论研究[4～9]，研究均是基于普通混凝土柱的抗震性能而进行的，而对混凝土柱损伤进程的研究都没有涉及到，尤其是对钢管再生混凝土柱的损伤演化过程几乎未见报道。因此，为了更加深入的了解地震作用下方钢管再生混凝土柱的损伤演化过程，笔者设计并制作了4根方钢管再生混凝土柱模型，通过改变加载制度、轴压比和含钢率对试件进行了低周反复荷载试验。

1试验概况

1.1试件设计

表1　试件参数

试验共设计制作了4根方钢管再生混凝土柱试件模型，其截面尺寸均为180mm×180mm，柱有效高度为1200mm，钢管材质为Q235B，试件的含钢率分为9.5%、14.8%这2种；轴压比分为0.4、0.6这2种；再生混凝土取代率均为50%。加载制度不尽相同，再生混凝土的等级为C40，实测立方体抗压强度为40.2MPa，试件参数见表1，钢材力学性能值见表2。

表2　钢材性能值

1.2加载装置及加载制度

1) 试验加载装置试验采用悬臂柱式加载方式，首先在试件顶部施加1000kN液压千斤顶施加竖向荷载，然后通过固定在反力墙上的作动器施加往复或单调荷载，试验数据通过连接作动器的电脑实时同步采集，加载示意图如图1所示。

图1　加载示意图

2)加载制度各试件的加载制度不尽相同，试件C-1采用常幅加载，如图2中(a)所示，即幅值取屈服位移的2倍，直至试件破坏。试件C-2采用混合加载，即荷载-位移双控制，先用荷载进行加载，直至试件屈服后再用位移加载，直至试件破坏，试验加载制度见图2(b)。试件C-3、C-4采用变幅加载，试件屈服之前采用位移循环一次加载，每级位移的增加幅度为0.3Δy，待试件屈服以后，按屈服位移的倍数来进行加载，每级位移循环3次，直至试件破坏，试件加载制度见图2(c)。

图2　试件加载制度

2试件破坏特征与过程

试验中所有试件的破坏形态相似，均表现出弯曲破坏。试件C-2、C-3、C-4的破坏过程大体相似，加载初期，在柱根部荷载作用平面内受压侧先出现轻微鼓曲，随着荷载和加载位移的增加，鼓曲的程度和范围也逐步增加，并进一步向受压侧旁的两侧鼓曲。加载后期，鼓曲现象迅速急剧猛烈发展，最后柱根部截面钢管鼓曲严重，混凝土有碎裂声，水平承载力迅速降低，但由于钢管混凝土结构中钢与混凝土具有良好的约束作用，试件直到破坏时仍然能够具有良好的竖向和横向承载能力，表明钢管再生混凝土结构拥有良好的二次设防和变形能力。

3试验结果分析

3.1滞回曲线

图3给出了每个试件在不同加载制度下的荷载-位移滞回曲线。

1)从试件C-1、C-2、C-3滞回曲线可以看出，在加载初期，1Δy、2Δy位移控制加载循环下，滞回环出现轻微的捏缩现象，但在随后的加载过程中，该现象逐渐消失，滞回环呈现出良好的梭形。这是因为在加载初期的时候，钢管内的再生混凝土会出现裂缝，该裂缝随着加载的持续进行不断的封闭和张开，故造成了滞回曲线上的捏拢现象。随着循环位移的增加和荷载的加大，裂缝进一步延伸和发展，柱的损伤不断累积。直到混凝土出现较大损伤时外部的钢管对核心混凝土的约束作用开始显现，使其抗压变形能力显著增加，混凝土的存在也使得钢管不会发生过大的鼓曲变形，正因为这些因素的共同作用，才使得试件的滞回环变的较为饱满，表现出良好的耗能能力。

图3　试件荷载-位移曲线

2)混合加载和变幅加载对试件的损伤进程影响不大，都表现为在试件达到极限荷载后，其承载力和刚度不断退化，随着循环次数加大，其退化幅度也逐渐变大，试件的累积损伤程度不断加大，从而使得承载力和刚度退化越加明显。常幅加载过程中，试件的承载力随着循环次数的增加而逐步下降。承载力不断衰减，衰减幅度较小。试件破坏过程中的残余变形较小，刚度退化不明显，形成的塑性铰鼓曲程度不大。加载后期，随着试件损伤变大，钢管发生鼓曲，承载力和刚度均有一定程度的下降。

3)对比试件C-2和C-4滞回曲线可知，轴压比对框架柱在地震作用下的损伤影响十分明显。轴压比较低试件C-2的滞回环更加丰满，极限荷载之后，其承载力和刚度退化较慢，极限变形能力强，耗能较好。反之，轴压比较大的试件C-4，其能达到的极限荷载较高，极限荷载之后，滞回曲线的承载力和刚度退化较快，破坏荷载对应的破坏位移提前，延性较小。这主要是因为高轴压比下，随着加载位移的增大，框架柱所承受的荷载-位移效应加剧，因此造成了试件进一步损伤。

4)在试件其他因素相同的情况下，含钢率越大，滞回环越饱满，所能达到的极限荷载也越大，承载力和刚度退化更为缓慢，延性较好，累积耗能能力强。

3.2骨架曲线

图4　试件骨架曲线

骨架曲线是取滞回曲线每级循环第一圈形成的滞回环上的极值点连接而成，它能够宏观反映出试件在低周反复荷载下的损伤进程，通常被用来研究试件在地震作用下的弹塑性反应。选取试件C-1、C-2、C-3为研究对象，绘制出骨架曲线于图4，从图4可以看出：

1)方钢管再生混凝土框架柱的损伤是一个逐渐发展，逐步累积的过程，其损伤发展大致可以分为3个阶段：无损伤、损伤稳定发展及损伤急剧发展阶段，对应在骨架曲线就是弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段。

2)理想状况下的试件在经受低周反复荷载作用下形成的骨架曲线正负向完全对称，但笔者的研究中骨架曲线正负向并非完全对称，正向荷载值要小于负向荷载值。这是因为试件在加载初期是负向加载，反向加载时试件已经存在损伤，故正向所能达到的极限荷载值要小于未损伤时负向加载达到的极限荷载值。

3)试件C-2与C-4的轴压比不同，其余试件参数均相同。轴压比较大时，柱段约束大，故初始刚度大，试件达到的极限荷载也较大，但极限荷载过后承载力衰减速度加快，造成下降段曲线较为陡峭，表现出较差的延性。

图5　试件承载力衰减

4)试件C-2与C-3的含钢率不同，其余试件参数均相同。含钢率越大，试件的极限荷载越大，这主要得益于含钢率越大，柱根部的钢管越厚，钢管对核心区再生混凝土的约束也就越大，故能达到的极限荷载越大。含钢率越大的试件在达到极限荷载过后，承载力衰减缓慢，具有良好的弹塑性变形能力和耗能能力。

3.3承载力退化

结构或构件在低周反复荷载作用下承载力会随着损伤程度的加深而逐渐退化，导致承载力退化的根本原因是试件损伤的发展。损伤主要体现在核心区混凝土裂缝不断发展，钢管屈服与鼓曲，钢管与混凝土产生黏结滑移等，图5给出了各试件承载力随循环次数的变化规律，从图5可知：

图6　滞回耗能与半循环次数的定义

1)常幅加载中，试件的承载力一直处于衰减过程中，加载过程中衰减幅度趋于平缓。变幅加载和混合加载过程中，试件在达到峰值荷载前承载力退化不明显，超过峰值荷载后承载力即出现明显的衰减，且随着循环次数的上升，衰减程度也随之加大。

图7　滞回耗能与半循环次数的变化曲线

2)轴压比和含钢率对试件承载力的衰减都有一定影响。轴压比为0.4时，随着加载的持续进行，试件承载力衰减逐渐增加，变化十分平稳；轴压比为0.6时，试件在加载后期时其承载力衰减程度有所增加。含钢率越大，同级位移加载次数下，试件承载力衰减幅度越小，且加载后期下降段较为平缓。

3.4滞回耗能

构件的耗能能力可以评价试件在低周反复荷载下抵抗损伤累积的能力，可以反映出构件抗震性能的好坏。定义滞回曲线上2个0加载点之间的间隔部分为1个半循环，如图6所示，曲线OAB表示第1个半循环，其包围的面积称为滞回耗能E1；曲线BNM表示第2个半循环，其包围的面积称为滞回耗能E2。图7给出了试件在第i个半循环中的滞回耗能Ei随半循环次数的变化曲线，从图7中可以看出：

1)不同的加载制度对试件的耗能能力影响不同。常幅加载下，其滞回曲线的形状随着加载次数的增多变化不大，即试件的耗能能力基本保持不变。混合加载和变幅加载情况下，随着加载次数的增多，试件的耗能能力不断提高，反映在滞回曲线上就是越到加载后期形成的滞回环与坐标轴包围的面积越大，即耗能越好。因随着加载持续进行，柱的塑性铰不断吸收和释放能量，造成柱的累积损伤逐步加大，故其承载力在加载后期下降明显，但耗能能力还是有一定程度的增加。

2)轴压比和含钢率对试件耗能能力有一定的影响，主要影响试件在加载后期的耗能能力。加载初期时，不同轴压比试件的耗能能力大体相同，相差不大。越到加载后期，轴压比小的试件耗能能力增加明显，反之，轴压比大的试件耗能能力增长缓慢。而含钢率越大的试件在加载后期的耗能能力不断提升，因此，工程中可适当提高含钢率来提升试件的耗能能力。

4结论

1)所有试件的破坏形态均为压弯破坏，滞回曲线都呈现出饱满的梭形，说明方钢管再生混凝土框架柱具有优异的变形能力和耗能能力；框架柱在地震作用下的损伤进程分为3个阶段：无损伤、损伤稳定发展及损伤急剧发展阶段。

2)随着加载的持续进行，试件的损伤逐步加大，使得其承载力和刚度不断下降，从而导致试件的变形能力降低。

3)轴压比越大，框架柱的承载力衰减幅度越大，耗能能力较小，表现出较差的延性；含钢率越大，框架柱的极限荷载越大，加载后期的承载力衰减减缓，表现出更好的耗能能力。

[参考文献]

[1]张向冈，陈宗平，薛建阳，等.方钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2014，35(9)：11～19.

[2] 吴波，刘伟，刘琼祥，等.薄壁刚再生混合短柱轴压力学性能试验研究[J].建筑结构学报，2010，31(8)：22～28.

[3] 肖建庄.再生混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4] 顾祥林，黄庆华，吴周偲.钢筋混凝土柱考虑损伤累积的反复荷载-位移关系分析[J].地震工程与工程振动，2006，26(4)：68～74.

[5] 顾祥林，蔡茂，林峰.地震作用下钢筋混凝土柱受力性能研究[J].工程力学，2010，27(11)：160～165.

[6] 蒋东红，王连广，刘之洋.高强钢骨混凝土框架柱的抗震性能[J].东北大学学报，2002，23(1)：67～70.

[7] 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.