钢管再生混凝土框架抗震性能试验研究

孟二从，伍小萍，杨　震，苏益声,3

(1.广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁530004； 2.西南大学工程技术学院， 重庆400715；3.广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室, 广西南宁530004)



钢管再生混凝土框架抗震性能试验研究

孟二从1,2，伍小萍1，杨震1，苏益声1,3

(1.广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁530004； 2.西南大学工程技术学院， 重庆400715；3.广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室, 广西南宁530004)

为了从结构层面对钢管再生混凝土框架结构的抗震性能进行研究，以梁截面高度为变化参数，设计制作了2榀100%取代率的方钢管再生混凝土柱—钢筋再生混凝土梁框架，并对其进行低周反复加载试验。结果表明：框架的滞回曲线呈现为饱满的梭形，试件破坏时的等效黏滞阻尼系数heu在0.22以上，表明该框架结构具有良好的耗能性能；试件破坏时的层间位移转角在1/39左右，表明该框架结构具有较好的抗倒塌能力。随着梁截面高度的增加，试件的承载能力及初始弹性刚度会逐渐上升，而其延性系数则会逐渐下降；峰值荷载之前，增加梁的截面高度可以提升框架的耗能性能，峰值荷载之后，增加梁的截面高度则会降低框架的耗能性能，而梁截面高度对框架在达到峰值荷载后的残余刚度影响则相对较小。

钢管再生混凝土框架；抗震性能；试验研究

再生混凝土(recycledaggregateconcrete，简称RAC)是指将废弃混凝土块经破碎、筛分、清洗后得到的再生骨料部分或全部替代天然骨料而制成的新混凝土[1]，它是解决建筑垃圾问题的有效途径之一，但再生骨料在破碎过程中会产生一定的原始损伤[2-3]，因此配制而成的RAC的力学性能会有一定的缺陷。如何弥补这些缺陷则是推广应用RAC技术的关键问题之一。

将RAC填充于钢管之中形成的钢管再生混凝土结构(recycledaggregateconcretefilledsteeltubestructure,简称RACFST结构)由于外部钢管的约束作用，可以有效提升钢管内核心RAC的承载能力及变形性能，从而可以有效弥补由再生骨料配制而成的RAC的相关性能缺陷，而RAC的存在又可有效限制钢管发生局部屈曲，进而可以充分发挥两种材料的力学性能，因而RACFST结构具有广阔地推广应用价值[4]。目前国内外已有不少学者对RACFST结构的相关力学性能进行了研究，但大多集中于构件的层面[5-12]，而在结构层面的研究还相对较少[13]。本课题组已在构件的层面对RACFST结构的相关力学性能进行了研究[14-16]，研究表明：钢管再生混凝土构件和钢管普通混凝土构件的相关力学性能相差不大，RAC可以填充于钢管之中形成RACFST结构，并且RACFST构件具有较好地抗震性能。本研究在此研究背景基础上，从结构的层面出发，设计制作了2榀100%取代率的钢管再生混凝土柱—钢筋再生混凝土梁框架，并对其进行低周反复加载试验，以对钢管再生混凝土框架的相关抗震性能进行试验研究，进而为钢管再生混凝土结构的进一步推广应用及理论研究提供参考。

1　试验概况

1.1试件设计

试验以不同的梁高为变化参数，设计制作了2榀方钢管再生混凝土柱—钢筋再生混凝土梁框架，其编号分别设为RACFST-1及RACFST-2，钢管采用截面尺寸为150mm×150mm，壁厚为6mm的Q235方钢管，钢管内及梁内均采用取代率为100%的再生混凝土，其设计强度等级均为C40，1m3再生混凝土配合比为水泥∶砂∶再生粗骨料∶水=500∶542∶1153∶205，RAC梁的的截面尺寸分别取为100mm×200mm(RACFST-1)及100mm×250mm(RACFST-2)，RAC梁内纵筋均为直径14mm的HRB400钢筋，箍筋采用Φ6@80mm，试件的梁柱节点采用开孔穿筋的连接方式，与此同时，为了保证“强节点弱构件”以及梁端剪力能够有效地传递到柱上，在内节点处焊接一块200mm×140mm×8mm的节点板。试件的相关设计参数如表1所示，其相关尺寸图如图1所示。

表1　试件的设计参数Tab.1　Design parameter of specimens

单位：mm

(a)RACFST-1

图1试件尺寸图

Fig.1Figureofframesize

1.2材料性能

在浇筑钢管内及梁内的RAC时，预留了3个标准立方体试块，并与试件在同等条件下进行养护，按《普通混凝土力学性能试验方法标准》测得其立方体抗压强度为52.8MPa。

钢材的材料性能试验按《金属材料室温拉伸试验方法》进行，钢材的力学性能实测值见表2。

表2　钢材的力学性能实测值Tab.2　Measured value the mechanical behavior of steels

1.3加载装置及制度

试验的加载装置如图2所示。

1.反力墙；2.反力钢柱；3.反力梁；4.MTS伺服作动器；5.油压千斤顶；6.滚轮装置；7.拉杆；8.螺纹钢；9.槽钢；10、小钢梁；11、压梁；12. RACFST框架

试件安装完毕后，首先按照0.2的试验轴压比，通过两台油压千斤顶同步施加至预定的竖向荷载并保持恒定。试件的水平加载采用荷载—位移混合控制的加载制度：试件屈服前采用荷载控制，加载级数为10kN，每级荷载循环1次直至试件达到屈服荷载Py；试件屈服后，采用位移控制，取屈服位移Δy的倍数为级差进行位移加载，对应的每级位移循环3次，直到荷载下降至峰值荷载的85%左右时停止试验。

2　试验过程及破坏形态

在本试验中，规定水平荷载以推为正，以拉为负，靠近作动器的一侧记为左侧，另一侧为右侧。

从整个试验过程来看，RACFST-1的破坏过程及破坏形态与RACFST-2类似。对于RACFST-2，当水平荷载达到±90kN时，梁左端在距左柱约10cm处开始出现1条贯通梁上端的弯曲裂缝，裂缝高度在6cm左右；随着荷载的进一步增大，原有裂缝不断延伸、扩展，并不断有新的弯曲裂缝出现，新裂缝的位置逐渐远离梁端向跨中靠拢；当荷载达到±130kN时，竖向弯曲裂缝基本出齐，竖向裂缝的间距在9～15cm，此时在梁两端已经出现较为明显的斜裂缝；当荷载达到±150kN时，梁端已出现较为明显的交叉斜裂缝。直至力控加载结束，框架柱没有发生鼓曲现象，但实测钢管应变已达到屈服。

随后，采用位移控制的加载方式，Δy取为6mm。在±1Δy时，原先形成的交叉斜裂缝进一步扩展延伸，并且在梁端形成一些无规则的细小斜裂缝；当加载位移达到±2Δy时，梁两端的交叉斜裂缝迅速发展并开始向跨中靠扰，此时裂缝主要以斜裂缝的产生及发展为主，斜裂缝与梁轴线的夹角在35°～65°，RAC梁上部保护层位置处开始形成纵向劈裂裂缝；当加载位移达到±3Δy时，斜裂缝宽度明显扩大，并逐渐形成主交叉斜裂缝，粘贴在柱底的环氧树脂开始脱落；当加载位移达到±4Δy时，主斜裂缝区域的保护层被掀起，混凝土成块状脱落，部分区域的纵筋及箍筋外露，用手触摸柱底已有较为明显的鼓曲手感；当加载位移达到±6Δy时，试件已严重变形，柱底部的钢管鼓曲现象已经较为明显，此时正负向荷载均已下降到峰值荷载的85%，试验宣告结束。RACFST-2的破坏形态如图3所示。

(a) 梁

(b) 柱

(c) 整体

图3RACFST-2的破坏形态

Fig.3FailuremodeofRACFST-2

3　试验结果与分析

3.1滞回曲线

图4为RACFST-1及RACFST-2实测的荷载—位移滞回曲线。

由图4可知，RACFST框架的滞回曲线有如下特点：从整个加载过程来看，2榀RACFST框架的滞回曲线均没有发生明显的捏缩现象，总体上呈现为饱满的梭形，并且在试件的破坏阶段其滞回环仍呈饱满的梭形，表明该框架结构具有良好的耗能性能。

(a)RACFST-1

(b)RACFST-2

图4滞回曲线

Fig.4Hystereticcurve

3.2骨架曲线

试件的骨架曲线是指将荷载—位移滞回曲线的各级循环位级下第一循环的峰点所连成的包络线。它能够明确地反映出结构的强度以及变形性能等等。试件的骨架曲线如图5所示。

由图5可知，2榀框架的骨架曲线均较为完整，有明显的上升段、峰值段及下降段，由此说明RACFST框架经历了弹性工作阶段、弹塑性工作阶段及破坏阶段。与此同时，RACFST-1与RACFST-2在正向的骨架曲线相差较大，而在负向的骨架曲线相差则相对较小。出现这一现象的原因可能与加载过程中试件的传力过程有关，在正向推的过程中，框架两根柱之间的力通过整个RAC梁传递，而在反向拉的过程之中，框架两根柱之间的力主要通过RAC梁的受力纵筋及拉杆传递，从而出现了上述现象。总体而言，从整个骨架曲线的走势来看，增加梁的高度可以提升框架的初始刚度及承载能力。

图5　骨架曲线

3.3承载能力

表3为试件在各特征点处实测的特征值。其中，破坏荷载Pu取为峰值荷载Pm下降到85%时荷载；Δu则为与Pu相对应的破坏位移；屈服荷载Py采用等能量法进行计算，其计算模型如图6所示：过峰值点M作一平行于X轴的直线，然后从坐标原点O引一斜线与上述直线相交于Y点，使得曲线OABM与折线OY-YM下的总面积相等，即SOAB=SBYM，图中Δy即为所求的屈服位移，而与Δy相对应的荷载即为试件的屈服荷载Py。

由表3可知，相比于RACFST-1，RACFST-2的开裂荷载Pcr、屈服荷载Py、峰值荷载Pm均有了较大幅度的提升，RACFST-2在正负向的平均屈服荷载、平均峰值荷载分别提升了19.41%、10.95%。由此可知，增加RAC梁的截面高度可以有效提升RACFST框架的承载能力。

表3　实测特征点处数值Tab.3　Test results of characteristic points

图6等能量法计算示意图

Fig.6Energyequivalentmethodfigure

3.4延性系数及层间位移转角

在框架结构抗震性能研究中，延性及层间位移转角是研究结构变形性能的重要性能指标，位移延性系数μ=Δu/Δy，层间位移角θ=Δ/Η，其中,Δ指楼层的层间位移，Η指楼层层高。表4为试件在各特征点处实测的层间位移转角及位移延性系数。

表4　层间位移转角及延性系数Tab.4　Displacement angle and ductility coefficient of specimens

由表4可知：

①试件的延性系数在2.17～2.45，相比于RACFST-1，RACFST-2的延性系数降低了12.90%。由此可知，随着梁截面高度的增加，RACFST框架的延性会逐渐下降。

②我国《建筑抗震设计规范》[17]规定：在多遇(中震)地震下，结构的弹性层间位移转角应小于某一限制，以防止主体结构受到损坏，非结构构件发生过大破坏而导致人员的伤亡，以此来保证建筑的正常使用功能。对于钢筋混凝土框架，这一规定限值为1/550，对于多、高层钢结构，这一限值为1/250。2榀试验框架屈服时的层间位移转角在1/95～1/92，均远大于规定限值，表明试件在达到规范规定的限值条件时还未发生明显屈服，由此说明RACFST框架在弹性阶段的变形能力能够较好地满足规范要求。

③我国《建筑抗震设计规范》[17]规定：在罕遇(大震)地震作用下，结构的弹塑性层间位移转角应小于某一限值，以此来限制结构的最大变形，从而防止建筑结构的倒塌。对于钢筋混凝土框架及多、高层钢结构，这一限值为1/50。2榀试验框架破坏时的层间位移转角在1/39左右，远大于规定的限值，表明试件在达到规范规定的弹塑性层间位移转角限值时还未发生明显的倒塌现象，由此表明RACFST框架具有较强的抗倒塌能力。

3.5耗能性能

在研究工程结构的抗震性能时，等效黏滞阻尼系数的大小常被用来作为评判结构耗能能力的一个重要指标。本文采用等效粘滞阻尼系数he来评价RACFST框架的耗能能力。he的计算公式为：

(1)

式中，S(ABC+CDA)表示滞回环面积，S(OBE+ODF)表示滞回环峰值点对应的三角形面积，其计算模型如图7所示。按此公式计算的试件在各加载位移处的he值如表5所示。试件的he随着加载位移的变化如图8所示。

由表5及图8可知，RACFST框架的等效黏滞阻尼系数he随着加载位移的增加而不断增大；试件破坏时的等效黏滞阻尼系数heu均在0.22以上，表现出良好的抗震耗能性能；与此同时，在±3Δ及其加载级之前(峰值荷载之前)，在各加载位移下，RACFST-2的he均大于RACFST-1的，而在±4Δ之后(峰值荷载之后)，在各加载位移下，RACFST-2的he反而均小于RACFST-1的。由此说明，在达到峰值荷载之前，增加RAC梁的截面高度可以提升RACFST框架的耗能性能，达到峰值荷载之后，增加RAC梁的截面高度则会降低RACFST框架的耗能性能。

表5　试件实测heTab.5　Measured he of specimen

图7荷载—位移滞回环

Fig.7Loading-displacementhystereticloop

图8试件he变化情况图

Fig.8Figureofspecimenshe

3.6刚度退化

刚度退化是指在反复荷载作用下结构的刚度随着加载位移的增加而不断减小的现象。本文采用割线刚度来研究RACFST框架的刚度退化现象，其相关计算公式为：

(2)

式中，+Fj1和-Fj1表示试件在第j加载级第1循环下正、负向的最大荷载值，+Δj1、-Δj1则为与+Fj1、-Fj1相对应的位移，K则表示试件在正负方向上的平均割线刚度值。图9为按上述计算方法进行计算而得到的试件刚度退化情况图。

由图9可知,随着加载位移的增加，RACFST框架的刚度退化速率呈现出先快后慢的变化趋势；增加RAC梁的截面高度可以有效提升RACFST框架的初始弹性刚度，而当加载位移达到±3Δ之后(峰值荷载之后)，两榀框架的刚度变化曲线基本重合。由此可知，梁截面高度对RACFST框架在达到峰值荷载后的残余刚度影响较小。

图9　试件刚度退化

4　结　论

①RACFST框架的滞回曲线呈现为饱满的梭形，在试件的破坏阶段,其滞回环仍呈饱满的梭形，与此同时，试件破坏时的等效黏滞阻尼系数heu在0.22以上，表明该框架结构具有良好的耗能性能。

②随着RAC梁截面高度的增加，RACFST框架的承载能力及初始弹性刚度会逐渐上升，而其延性系数则会逐渐下降。

③试件屈服时的层间位移转角在1/95～1/92，表明RACFST框架在弹性阶段的变形能力能够较好地满足规范要求；破坏时的层间位移转角在1/39左右，表明RACFST框架具有较好的抗倒塌能力。

④峰值荷载之前，增加RAC梁的截面高度可以提升RACFST框架的耗能性能，而峰值荷载之后，增加RAC梁的截面高度则会降低RACFST框架的耗能性能；与此同时，梁截面高度对RACFST框架在达到峰值荷载后的残余刚度影响较小。

[1]苏益声,孟二从,陈宗平,等.高温后再生混凝土三轴受压本构关系[J]. 建筑材料学报,2015,18(6): 946-952.

[2]苏益声,孟二从,陈宗平,等.高温后再生卵石混凝土抗压性能试验研究[J]. 混凝土,2014(8): 78-81.

[3]苏益声,孟二从,陈宗平,等.常温下再生混凝土三轴受力性能试验研究[J]. 混凝土,2015(3): 46-49.

[4]陈梦成,刘京剑,黄宏.方钢管再生混凝土轴压短柱研究[J]. 广西大学学报(自然科学版),2014,39(4):693-700.

[5]李卫宁,徐金俊,陈宗平,等.方钢管再生混凝土粘结滑移性能试验研究[J]. 广西大学学报(自然科学版),2012, 37(1): 68-74.

[6]张向冈，陈宗平，薛建阳，等.钢管再生混凝土轴压长柱试验研究及力学性能分析[J]. 土木工程学报,2012,33(9):12-20.

[7]肖建庄,杨洁,黄一杰,等.钢管约束再生混凝土轴压试验研究[J]. 建筑结构学报,2011,32(6):92-98.

[8]YANGYF，HANLH.Experimentalbehaviorofrecycledaggregateconcretefilledsteeltubularcolumns[J].JournalofConstructionSteelResearch，2006，62(12)：1310-1324.

[9]KONNOK,SATOY,KAKUTAY,etal.Propertyofrecycledconcretecolumnencasedbysteeltubesubjectedtoaxialcompression[J].TransactionsoftheJapanConcreteInstitute, 1997, 19 (2): 231-238.

[10]KONNOK,SATOY,UEDOT.Mechanicalpropertyofrecycledconcreteunderlateralconfinement[J].TransactionsoftheJapanConcreteInstitute, 1998, 20 (3): 287-292.

[11]YANGYF,HANLH,ZHULT.Experimentalperformanceofrecycledaggregateconcrete-filledcircularsteeltubularcolumnssubjectedtocyclicflexuralloadings[J].AdvancesinStructuralEngineering, 2009, 12(2): 183-194.

[12]YANGYF,ZHULT.RecycledaggregateconcretefilledsteelSHSbeam-columnssubjectedtocyclicloading[J].SteelandCompositeStructures, 2009, 9(1):19-38.

[13]陈宗平,张向冈,薛建阳,等.钢管再生混凝土柱—钢筋再生混凝土梁框架抗震性能试验研究[J]. 土木工程学报,2014,47(10):22-31.

[14]孟二从,苏益声,陈朋朋,等.低周反复荷载下方钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究[J]. 广西大学学报(自然科学版),2015,40(4):790-797.

[15]陆鹏.方钢管再生混凝土柱—再生混梁土梁节点抗震性能研究[D]. 南宁:广西大学,2015.

[16]曾文祥.方钢管再生混凝土柱—钢梁节点抗震性能研究[D]. 南宁:广西大学,2015.

[17]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

(责任编辑唐汉民裴润梅)

Experimental study on seismic behavior of RACFST fram

MENG Er-cong1,2, WU Xiao-ping1, YANG Zhen1, SU Yi-sheng1,3

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;2.CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China;3.GuangxiKeyLaboratoryofDisasterPreventionandEngineeringSafety,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

Tostudytheseismicbehaviorofrecycledaggregateconcretefilledsteeltube(RACFST)framefromthestructurallevel,twoframeswithRACFSTcolumnandRACbeamandareplacementratioof100%weredesignedandsubjectedtolow-cyclicreversedloadingunderdifferentbeamheights.Theresultsshowthatthehystereticcurvesoftheframesareplumpshuttleshaped.Theequivalentviscousdampingcoefficientheuwasover0.22whenthespecimensdestructed,whichindicatesthattheframeshavegoodenergydissipationperformance.Theinter-storydisplacementanglewasabout1/39whenthespecimensdestructed,whichshowsthattheframestructureshavegoodcollapsecapacity.Withtheincreaseofthebeamheight,thebearingcapacityandinitialelasticstiffnessofthespecimensincreasegradually,buttheductilitycoefficientofthespecimensdeclineregularly.Beforethepeakloading,increasingthesectionheightofthebeamcanimprovetheenergydissipationabilityoftheframe.Andafterpeakloading,increasingthesectionheightofthebeamwilldecreasetheenergydissipationabilityoftheframe.Thesectionheightofthebeamhaslittleeffectontheresidualstiffnessafterpeakloadingoftheframe.

recycledaggregateconcretefilledsteeltubeframe;seismicbehavior;experimentalstudy

2016-06-08；

2016-06-19

国家自然科学基金资助项目(51468003)；高等学校博士学科点专项科研基金联合资助项目(20134501110001)；广西科学研究与技术开发项目(桂科转14124005-1-2)

苏益声(1956—)，男，湖南醴陵人，广西大学教授，博士生导师；E-mail:suyisheng@sina.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0964

TU391

A

1001-7445(2016)04-0964-09

引文格式：孟二从，伍小萍，杨震，等.钢管再生混凝土框架抗震性能试验研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：964-972.