圆钢管再生混凝土柱抗震性能试验

董宏英，谢 翔，曹万林，郭晏利



圆钢管再生混凝土柱抗震性能试验

董宏英，谢 翔，曹万林，郭晏利

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

为研究圆钢管再生混凝土柱的抗震性能，考虑不同再生粗骨料取代率、剪跨比、轴压比等参数，设计了7个足尺试件，进行拟静力试验研究，对比分析了各试件的破坏特征、滞回曲线、承载力、延性、刚度退化、耗能能力等特性．试验结果表明：加载后期，所有试件均在钢管底部出现环状鼓曲，剪跨比小的部分试件受拉一侧发生断裂；各试件的滞回曲线基本呈梭形，比较饱满，延性较好；不同粗骨料取代率对试件的抗震性能影响不大；随着剪跨比的增大，试件的承载力降低，延性变好；轴压比大的试件延性较差；各试件抗震性能良好，满足抗震要求．通过我国相关规范和规程对本文及其他文献中圆钢管再生混凝土柱压弯承载力的计算分析发现，对于足尺圆钢管再生混凝土柱，我国规范的相关公式是偏于安全的．

圆钢管再生混凝土柱；足尺模型；拟静力试验；抗震性能；压弯承载力

随着我国经济的深入发展，各类建筑物和基础设施的拆迁、改建，产生了大量建筑垃圾，严重污染环境．将建筑垃圾中的废弃混凝土经过破碎、筛分、清洗后形成的再生骨料，可以部分或全部替代混凝土中的天然骨料，大量节省建筑材料[1]．由于再生混凝土具有上述优点，近年来世界各国都对其基本性能进行了一系列的研究[2-6]．早期，再生混凝土的应用局限于道路工程的垫层和基层等受力较小的结构中[7]．为了真正意义上在主体结构中推广使用再生混凝土，国内外学者提出在钢管内填充再生混凝土[8]，利用钢管对核心再生混凝土的约束作用，使再生混凝土处于三向受压状态，充分发挥钢管和再生混凝土的优势，二者协同工作，扬长避短[9]．目前国内学者陆续开展了对钢管再生混凝土柱的研究，主要集中在轴心受压和偏心受压性能，而对于其抗震性能的研究较少，特别是对足尺钢管试件抗震性能的研究还鲜见报道．我国处在两大地震带之间，地震多发，研究足尺钢管再生混凝土柱的抗震性能，对于其在实际工程中的推广使用，无疑具有重要意义．

目前，国内一批学者对圆钢管再生混凝土柱的抗震性能进行了初步的研究．黄一杰等[10]以再生粗骨料取代率、混凝土强度为试验变量，研究了6个钢管再生混凝土柱的抗震性能；吴波等[11]以取代率、钢管壁厚、轴压比为试验变量，研究了钢管再生混凝土柱的抗震性能，并进行了有限元分析；张向冈等[12]以再生粗骨料取代率、轴压比、长细比和含钢率为变量，设计了10根圆钢管柱进行低周反复试验，分析了其抗震性能，用各国规范进行了承载力计算．以上研究的主要结论是：圆钢管再生混凝土柱的抗震性能和普通钢管混凝土柱的性能相近或者稍弱，钢管再生混凝土柱有广阔的应用前景．但由于试验设备、试验环境等条件的影响，以上试验均采用的是缩尺模型，为了更好地模拟和探究钢管再生混凝土柱在实际工程中的抗震性能，在课题组前期钢管再生混凝土柱轴压和偏压性能研究的基础上[13-14]，笔者进行了7个足尺圆钢管再生混凝土柱的拟静力试验研究，以再生粗骨料取代率、剪跨比、轴压比为变化参数研究其抗震性能，为钢管再生混凝土柱在实际工程中的应用提供参考和依据．

1 试验概况

1.1 材料性能

采用42.5R普通硅酸盐水泥、粒径为5～25,mm的连续级配再生粗骨料、山碎石、普通机制砂、水、粉煤灰和矿粉等材料配制试件所需混凝土．再生粗骨料采用北京市某建筑物拆除废弃混凝土，其物理性能见表1，参照已有的再生混凝土配合比的相关研  究[15]，经过多次验证和调整，本试验混凝土配合比见表2，表中表示再生粗骨料取代率．

钢管为无缝圆钢管，采用Q345钢材，实测钢管屈服强度y和极限抗拉强度u分别为405,MPa和459,MPa，弹性模量s为207,GPa．

表1 再生粗骨料物理性能

Tab.1 Physical properties of recycled coarse aggregate

表2 再生混凝土配合比

Tab.2 Mix proportion of recycled concrete

1.2 试件设计与制作

设计制作了7个圆钢管再生混凝土柱足尺试件，圆钢管截面尺寸一致，均为508,mm×9,mm，立面图见图1，试件设计以再生粗骨料取代率、剪跨比、轴压比为变化参数．柱身高度分别为762,mm与1,270,mm，试验仪器球铰高度为250,mm．计算剪跨比时，柱高取球铰高度与柱身高度之和．试件具体参数见表3，其中cu为预留混凝土试块28,d立方体抗压强度，c为混凝土弹性模量，为试验加载轴力．

表3 试件参数

Tab.3 Parameters of specimens

图1 试件立面图

1.3 试验方案及测点布置

试验采用北京工业大学结构试验中心4,000,t多功能电液伺服加载系统．进行悬臂式加载，柱顶铰接，通过水平作动器推动与基础连接的滑动小车进行加载．加载装置和测量仪器布置见图2．根据《建筑抗震试验方法规程》[16]，试验时，首先依据轴压比施加竖向轴力，并在整个试验过程中保持恒定；水平方向采用位移控制的加载方式，先进行位移角为0.125%,的预加载，再按每级位移角增量为0.25%,进行正式加载，每级循环2次；位移角到达2%,后，增量变为0.5%,，并且之后每级变为加载1次；位移角到达4%,后，增量变为1%,，加载制度见图3．由于仪器顶部球铰转动限制，试验加载的最大位移角为8%,．位移角＝/×100%,，其中为柱基础顶部至仪器球铰顶部距离，为加载点水平位移．

图2 试验装置

图3 加载制度

在加载点和基础底部分别布置位移计，来测量柱子的水平最大位移，并在沿柱身高度间隔254,mm处分别布置位移计，以测量柱身位移．在柱子两侧和前后面底部分别布置应变片和应变花来测量钢管应力变化．

2 试验结果及分析

2.1 破坏特征

钢管再生混凝土柱的破坏现象与普通钢管混凝土柱的类似，随着加载位移角的增大，钢管底部喷漆逐渐脱落，在试件屈服后钢管开始发生鼓曲，破坏时在距钢管底部约60～120,mm处形成一圈环状鼓曲波，应变片数据表明钢管早已屈服，并发生弹塑性变形．剪跨比为2的试件RCFST1、RCFST2，钢管在加载后期受拉一侧突然发生断裂，此时拉力已超过钢材的极限强度，钢管被拉断，试验后用锤子敲击钢管外部，声音并无明显变化，说明钢管与混凝土之间的黏结性能良好．试验现象如图4所示．

图4 试件破坏形态

2.2 滞回性能

试件的-滞回曲线如图5所示，其中，代表水平荷载．由滞回曲线可以看出：

(1) 加载初期，滞回曲线呈线性变化，试件的刚度基本不变，残余变形很小，试件处在弹性阶段；

(2) 随着加载位移角的增大，试件开始进入弹塑性阶段，到达屈服点后，试件的刚度开始减小，残余变形比较明显，到达峰值点后，刚度减小的程度加快，残余变形越来越大，滞回环越来越饱满，耗能能力逐渐变强；

(3) 所有试件的滞回环都比较饱满，形状基本呈梭形，没有明显的捏缩现象，峰值过后，试件水平承载力下降缓慢，延性较好，耗能性能优越；

(4) 试件RCFST1和RCFST2在加载后期承载力突然下降，原因是在加载过程中受拉一侧钢管发生断裂，钢管达到了极限强度被拉断；

(5) 再生粗骨料取代率的变化对试件的滞回曲线影响不大，其形状和变化规律基本一致；

(6) 剪跨比的变化对试件的滞回曲线有明显影响，剪跨比越大的试件，初始刚度越低，试件的承载力显著下降，滞回环更为饱满，耗能能力更强；

(7) 轴压比的变化对试件的滞回曲线影响不大，比较试件RCFST6和RCFST7，可以看出，轴压比较低的试件延性较好，承载能力更强．

图5 试件P-D滞回曲线

试件的骨架曲线如图6所示，分别以再生粗骨料取代率、剪跨比、轴压比为单变量参数进行对比，由骨架曲线可以看出以下3点．

(1) 再生粗骨料取代率的变化对试件的骨架曲线影响不大，除了粗骨料全取代的试件外，试件的初始刚度基本相同，骨架曲线轨迹基本一致，承载能力接近；而对于粗骨料全取代试件，试件承载能力稍差，刚度退化速率变快，延性稍差．其原因是试件全部采用了再生粗骨料，其表面附有破碎前混凝土的部分水泥砂浆，其孔隙率较大，在相同配合比下，用其配置的再生混凝土强度和弹性模量较低，表现为其承载力较低且下降较快；

(2) 剪跨比的变化对试件的骨架曲线有较大影响，剪跨比大的试件初始刚度明显减小，承载能力显著降低，峰值点后，承载力下降变慢，变形能力更好；

(3) 轴压比的变化对试件的骨架曲线影响不大，轴压比大的试件峰值承载能力略有下降，下降段变陡，承载能力下降加快．在较高轴压比下钢管再生混凝土柱仍有较好的承载能力．

图6 试件骨架曲线

2.3 承载力及延性

屈服位移y采用能量等值法确定．由于加载仪器球铰的影响，本试验加载最大位移角为8%,，试件承载力下降较慢，大部分试件在加载到最大位移角时，承载力仍然没有下降到峰值荷载的85%，为了比较各试件的延性，统一取下降段中峰值荷载m的90%,为破坏点u，其对应位移为破坏位移u，延性系数＝u/y，按本方法计算的延性，比按85%,峰值荷载计算的延性系数要低．通过计算求得屈服点、峰值点、破坏点的特征值如表4所示．

由表4可以看出，试件的平均延性系数都大于4，大部分都在5左右，试件的延性性能很好，粗骨料取代率对试件的承载力及延性影响不大，试件的各特征点接近，再生粗骨料取代率为100%,的试件峰值点和延性系数略有下降，原因是在相同配合比下，再生粗骨料配置的混凝土强度和弹性模量较低；剪跨比对试件的承载力及延性有明显影响，剪跨比为2的试件RCFST1和RCFST2在加载后期钢管底部受拉一侧被拉断，剪跨比大的试件，承载力明显下降，延性显著增强；轴压比对试件的承载力及延性影响较不大，轴压比低的试件，峰值荷载略有上升，其延性显著增强．在较高轴压比下，所有试件仍有较好的承载能力和延性．

2.4 刚度退化

通过骨架曲线，求得割线刚度，用以表示试件的刚度退化情况，其表达式为

表4 试件各特征点-实测值

Tab.4 P-D measured value of each feature point of specimens

(1)

其含义为试件第次加载的割线刚度等于试件第次加载中正反向水平承载力绝对值之和与水平位移绝对值之和的比值．

为了进行单变量参数刚度退化的对比，对试件刚度和位移进行了归一化处理，如图7所示，根据曲线可知以下3点．

(1) 粗骨料取代率的变化对试件的刚度退化影响较小，试件刚度退化曲线的轨迹基本一致，全再生粗骨料取代率的试件RCFST6退化速率稍快，再生粗骨料表面附有破碎前混凝土的部分水泥砂浆，降低了试件的弹性模量和初始刚度，加快了核心混凝土压碎和破坏的趋势．

(2) 剪跨比的变化对试件的刚度退化有较大影响，剪跨比大的试件其刚度退化速率更快．

(3) 轴压比的变化对试件的刚度退化影响不大，试件刚度退化曲线的轨迹基本一致，轴压比大的试件刚度退化速率略快．

图7 试件刚度-位移归一化分析

2.5 耗 能

本文选择每级循环滞回环第1圈的面积来计算累积耗能，表示试件耗能能力的等效黏滞阻尼系数e按下式计算：

 (2)

式中表示面积，计算简图如图8所示．各试件的累计耗能和黏滞阻尼系数对比见图9，图中代表累积耗能值．

由图9可知：再生粗骨料取代试件的累积耗能和黏滞阻尼系数曲线与普通混凝土试件都比较接近，取代率对其耗能性能影响不大，全粗骨料取代试件的耗能能力略低；剪跨比对试件累积耗能有较大影响，在加载前期相同位移下，由于水平承载力更大，剪跨比低的试件累积耗能更大，但由于其最大位移较小，总耗能能力小于剪跨比大的试件；轴压比对试件耗能性能有一定影响，轴压比大的试件等效黏滞阻尼系数有所增大，耗能能力增强．所有试件的黏滞阻尼系数在试件破坏时均在0.4以上，远远高于圆截面钢筋混凝土柱，与普通圆钢管混凝土柱破坏时的黏滞阻尼系数0.4～0.5接近[17]，说明圆钢管再生混凝土柱具有较好的耗能能力．

图8 变形滞回环

图9 试件耗能能力对比

3 承载力计算

目前对于圆钢管再生混凝土柱的研究较少，没有相关的规范规程，由于其受力性能与普通圆钢管混凝土柱相似，我国现行计算钢管混凝土承载力的主要依据有GB 50936—2014[18]规范和DBJ/T13-51—2010[19]规程等，本文分别用以上两种规范和规程计算了在复杂受力状态下圆钢管再生混凝土柱的水平承载力，并与试验结果进行对比分析．

GB 50936—2014规范考虑压、弯、剪共同作用时，按下列公式计算：

 (3)

 (4)

 (5)

福建省地方规程DBJ/T13-51—2010与前一个规范计算方法类似，公式如下：

 (6)

 (7)

 (8)

 (9)

通过计算可得出试验值与计算值，其对比结果见表5，可以看出，两种规范的计算结果都比较保守，试验值和理论计算值的比值在1.5左右．为了分析产生此种现象的原因，笔者对黄一杰等[10]、吴波等[11]、张向冈等[12]的共30根圆钢管再生混凝土柱的水平承载力的试验结果分别用以上两种规范进行计算，得到的试验值与计算值的对比结果如表6所示．可以看出，两者的比值的均值分别为1.01和1.28，试验值与理论值比较接近．进行小尺寸圆钢管再生混凝土柱承载力计算时，公式较为吻合．实际上，目前的规范或规程中给出的圆钢管混凝土水平承载力计算公式是在国内外大量的试验基础上提出的，主要的试验数据来源于缩尺试件，试件直径集中在100～300,mm，尺寸较小，而对于足尺试件的相关研究较少，在推导公式时没有考虑尺寸效应，所以在计算足尺圆钢管再生混凝土柱承载力时，我国的相关规范规程的计算公式偏于安全，较为保守．范重等[17]对于普通钢管混凝土柱的承载力研究也有类似结论．因足尺圆钢管再生混凝土试验成本较高，试验样本偏少，但根据笔者此次试验与计算结果的对比，建议采用规范GB 50936—2014和规程DBJ/T13-51—2010计算低周反复荷载下圆钢管再生混凝土柱压弯承载力时，可以对水平承载力乘以1.10的扩大系数．

表5 试验值与计算值结果对比

Tab.5 Contrast results between experimental data and calculated values

表6 参考文献试验值与计算值结果对比

Tab.6 Contrast results between experimental data and calculated values of the references

注：试件编号1～10来自文献[12]，编号11～15来自文献[10]，编号16～30来自文献[11].

4 结 论

通过7个足尺圆钢管再生混凝土柱的抗震性能试验研究和分析，可以得出以下结论：

(1) 试件的破坏形态与普通圆钢管混凝土柱相似，主要表现为在钢管底部形成一圈完整连续的鼓曲波，剪跨比为2的部分钢管受拉一侧被拉断；

(2) 所有试件的滞回曲线都呈梭形，比较饱满，捏缩现象不明显，所有试件破坏时的等效黏滞阻尼系数均在0.4以上，远远高于普通钢筋混凝土柱的0.1～0.2，表明圆钢管再生混凝土柱具有良好的耗能能力；

(3) 再生粗骨料取代率对试件的抗震性能影响不大，其各项抗震性能随着取代率升高基本保持一致或略有下降，剪跨比对试件的抗震性能有较大影响，剪跨比大的试件承载力明显下降，延性变好，轴压比对试件的抗震性能影响不大，轴压比大的试件承载力略有下降，延性较差，在较高轴压比下，试件的各项抗震性能良好；

(4) 所有试件的平均延性系数均大于4，大部分在5左右，表明圆钢管再生混凝土柱有良好的抗震变形能力；

(5) 对于足尺圆钢管再生混凝土柱，在压弯受力状态下时，我国的相关规范和规程用于承载力计算时结果偏于安全，并给出了不同规范下计算足尺圆钢管再生混凝土柱压弯承载力的修正系数．

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(责任编辑：樊素英)

Experiment on Seismic Performance of Recycled Aggregate Concrete Filled Circular Steel Tube Columns

Dong Hongying，Xie Xiang， Cao Wanlin，Guo Yanli

(College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

In order to investigate the seismic performance of recycled aggregate concrete filled circular steel tube columns，seven full-scale specimens with different replacement ratio of recycled coarse aggregate，shear span ratio，and axial compression ratio were designed，and their pseudo static test studies were carried out．The failure characteristics，hysteretic curves，bearing capacity，ductility，stiffness degradation and energy dissipation capacity of specimens were compared and analyzed．Test results showed that at the later loading stage all the specimens were found to have bulged outward on the bottom of steel tubes，and some of the ones with smaller shear span ratio had a fracture on the tensile side at the bottom．The hysteresis curves of the specimens basically presented the spindle shape and were relatively plump．The ductility of all the specimens was good as well．Different replacement ratios of coarse aggregate had little influence on the seismic performance of specimens．With the increase of shear span ratio，the bearing capacity of the specimens decreased while ductility increased．As the axial compression ratio increased，the ductility of specimens decreased．The seismic performance of specimens was good enough to meet the seismic requirements．Based on two relevant codes in China，the compression bending capacity of recycled aggregate concrete filled circular steel tube columns from this article and other documents was calculated and compared．It was found that the relevant formula in the codes of China were safe for full-scale recycled aggregate concrete filled circular steel tube columns.

recycled aggregate concrete filled circular steel tube columns；full-scale model；pseudo-static test；seismic performance；compression bending capacity

10.11784/tdxbz201802015

TU375

A

0493-2137(2018)10-1096-11

2018-02-06；

2018-03-18.

董宏英（1966—  ），女，博士，教授，donghy@bjut.edu.cn

曹万林，wlcao@bjut.edu.cn

国家重点研发计划资助项目(2017YFC0703304)；国家自然科学基金重点资助项目(51438007).

National Key Research and Development Plan(No.,2017YFC0703304)and the Key Program of the National Natural Science Foundation of China(No.,51438007).