钢管纤维混凝土柱的抗震性能分析

罗松涛　丁前绅

(1.云南省设计院集团，云南 昆明　650228；　2.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新　123000)

基础建设设施如钢结构、混凝土结构等在荷载与环境因素的长期耦合作用下极易发生由于疲劳损伤诱发的结构失稳，刚—混组合结构一定程度上可以降低结构疲劳损伤带来的安全隐患。钢管混凝土是典型的刚—混组合构件，钢管提高了混凝土的抗压强度，而钢管内填充的混凝土则提高了钢管的刚度。钢管混凝土具有承载能力高、施工简单等优点，然而核心混凝土脆性较大，由于干燥收缩产生的开裂会影响钢管混凝土的质量，因此在钢管混凝土的基础之上研制了钢管纤维混凝土，即将纤维增强混凝土作为核心混凝土，改善了延性、抗压强度、抗裂性，显著提高了构件的性能。学者们在钢管混凝土的疲劳特性和钢管纤维混凝土的力学性质方面开展了大量研究，Tao等[1]研究发现在核心混凝土中掺加钢纤维可提髙试件的延性，能够显著提高薄壁方钢管混凝土短柱的结构性能。杜闯等[2]利用有限元模拟了往复荷载作用下钢管混凝土柱的疲劳特性，结果表明钢管混凝土抗震性能比钢筋混凝土更佳。Serkan等[3]进行了钢管纤维混凝土的轴压和偏压试验，研究表明：在核心混凝土中掺加钢纤维显著提高了钢管混凝土的力学性能。陈娟等[4]研究了钢纤维对钢管混凝土短柱力学性能影响，得到掺加钢纤维能够有效提高混凝土短柱的抗压强度和极限承载能力。本文主要针对钢管纤维混凝土柱的抗震性能进行试验研究，绘制了在反复荷载作用下的试件的滞回曲线，探讨了不同钢材强度和不同钢纤维强度在相同条件下对试件抗震性能的影响。

1　试验概况

1.1　试样制备

本文选择三个组进行试验，三组的核心混凝土均选强度等级为C35的混凝土，A1组选用钢材型号为Q215型钢管，纤维编号为Ⅰ-300型，B1组选用的钢材的型号为Q235型钢管，纤维型号为Ⅰ-300型，A3组选用的钢材型号为Q215型钢管，纤维型号为Ⅱ-200型，两种钢管为原型无缝钢管，截面尺寸为φ150×4 000 mm，壁厚2.0 mm，并按照试验的设计要求切割成相同尺寸。选用长径比50的普碳钢纤维，型号为Ⅰ-300型和Ⅱ-200型，其中Ⅰ-300型号的钢纤维的弹性模量均为2.45×105GPa,抗拉强度2 400 MPa，Ⅱ-200型号的钢纤维弹性模量为2.40×105GPa，抗拉强度为2 115 MPa。在试件的制作过程中，每次灌注后都要进行振捣，防止缺陷产生。

1.2　试验方法

采用由龙门架、L形大梁和液压伺服作动器等组成的多功能加载系统进行试验，加载装置采用电控千斤顶进行。在加载轴压的条件下对试件进行试验，加载级数为5，分别为位移达到5 mm,10 mm,20 mm,30 mm,40 mm时，重复加载的次数为3次。同时在圆形钢管表面共粘贴了8片电阻应变片，其中纵向和横向各4片。通过数字应变采集箱来读取应变片的读数，记录圆形钢管在试验过程中的变形状态。

2　试验结果及分析

2.1　滞回曲线

滞回曲线定义为在力往复作用下所得结构的荷载—变形曲线，可以直观反映在加载—卸载循环作用下结构产生的变形和刚度的退化，又称恢复力曲线。滞回曲线越饱满其抵抗地震的能力越强。图1为试件的滞回曲线图。根据图1对试验现象进行分析，结果表明：在试验的5个加载级中，试件滞回曲线的反映均相对比较饱满，说明钢管纤维混凝土柱有较高的抵抗水平往复荷载的能力。比较各级加载曲线，发现每级曲线的斜率几乎恒定在同一水平线上，说明在本次试验的加载过程中，刚度没有明显的退化现象，试件的承载力达到极限时并未出现脆性破坏，钢管纤维混凝土在发生破坏时仍然能承担一部分荷载的作用。

2.2　耗能分析

耗能分析是为了分析试件抗震能力，耗能能力以耗能系数作为评价指标，耗能系数是利用滞回曲线中的面积比来确定，通过对本试验中试样的滞回曲线计算得到的每一个试样的耗能系数如表1所示。

表1　构件耗能系数计算结果表

根据图1，表1可知，随着加载位移的变大，试件的耗能系数越大，即试件能量消耗越大、抗震能力越好；对三个试件进行对比分析，试件的耗能系数大小依次为：B1,A1,A3，说明提高钢材和钢纤维的强度能够有效的提高试件的耗能能力。

3　结语

分析试验结果，我们得到以下结论：

1)提高钢管的屈服强度和钢纤维的抗拉强度能够有效地增加钢管纤维混凝土的抵抗变形的能力，提高试件的耗能能力，延缓试件的刚度退化。

2)钢管纤维混凝土试件最大耗能系数为2.3，抗震性能良好，钢管纤维混凝土柱是一种可用于强震、强风地区的理想结构。

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