圆钢管全再生粗骨料混凝土柱抗震性能试验研究

刘鸿伟，陈娟，李昊洋

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023)

对钢管再生混凝土组合结构的研究国外始于20世纪90年代[1]，在此期间国内外有大量学者对其进行了研究，但多侧重于再生骨料取代率对钢管再生混凝土柱的力学性能的影响，如Konno等[2]研究了钢管再生混凝土柱竖向承载力和变形能力；杨有福[3]研究了轴压短柱、纯弯构件和压弯构件的力学性能；肖建庄等[4]研究了再生粗骨料对圆钢管混凝土柱的轴压力学性能以及变形性能；黄一杰[5]对钢管再生混凝土柱在不同再生骨料取代率、混凝土强度的条件下进行低周反复加载试验，研究其对试件的抗震性能影响；Yang Y F等[6]研究了钢管混凝土柱和钢管再生混凝土柱在不同因素影响下的力学性能；陈娟等[7]研究了圆钢管高强再生混凝土柱的抗震性能；陈创[8]研究了圆钢管全再生粗骨料混凝土柱的抗震性能；还有很多国内研究学者对钢管再生混凝土构件本构关系的研究取得了一定成果[9～11]。但由于对钢管全再生混凝土柱的研究时间较短，研究成果相对较少，将再生骨料在钢管混凝土结构中最大化应用还需对钢管全再生骨料混凝土柱进行研究。下面笔者设计并制作了4个钢管全再生粗骨料混凝土柱和1个普通钢管混凝土柱试件，通过对这5个构件进行低周反复试验，研究轴压比和含钢率对圆钢管全再生粗骨料混凝土柱抗震性能的影响，通过观察5个构件的破坏过程，整理构件的试验数据，分别绘制滞回曲线、骨架曲线及等效黏滞系数曲线，分析各个因素对试件抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件的设计与制作

试验共设计制作了5个构件，试件尺寸如图1所示，试件基本参数如表1所示，其中L、t、D分别为构件的总长度、钢壁厚度和外径；fc为混凝土轴心抗压强度；fy为钢管的屈服强度；n为轴压比；N为试验过程中施加到试件上的纵向轴压力。

试验中钢管选用外径为133mm，壁厚分别为4.5mm和7mm的无缝钢管，壁厚为4.5mm的钢管屈服强度和抗拉强度分别为293MPa和465.3MPa，伸长率为24%；壁厚为7mm的钢管屈服强度和抗拉强度分别为307.7MPa和483MPa，伸长率为26%。试验采用32.5MPa的复合硅酸盐水泥、天然河砂、粒径为0～20mm连续级配的碎石。再生粗骨料为荆州市华升新型材料股份有限公司废弃混凝土试块通过人工和锤式破碎机破碎，再经筛分，洗净干燥后配成5～20mm连续级配的再生粗骨料。普通混凝土与全再生粗混凝土的配合比如表2所示，经测试的普通混凝土的轴心抗压强度为67.9MPa，全再生骨料混凝土的轴心抗压强度为61.1MPa。

图1 试件尺寸详图(单位：mm)

表1 试件基本参数

表2 试件的配合比

图2 加载装置

1.2 试验装置和加载制度

试验装置如图2所示，利用100t高精度推力千斤顶对试件施加竖向轴力，水平低周反复荷载由量程±150mm电液伺服作动器通过位移控制实现加载。最大加载能力为500kN，侧移率(侧移率用Δ/L表示，其中Δ为水平荷载加载点处水平方向位移。)为0.25%、0.5%和0.75%时水平荷载循环1次，侧移率为1%、2%、3%和4%时水平荷载循环3次。为便于数据采集，横向应变片以东南西北为顺序标记1～4，竖向应变片依照东北西南顺序编号依次编为5～8，试验中应变和位移读数由电脑采集。

试验时先将竖向荷载加至设计值，然后根据水平荷载的加载制度采用位移加载方式施加水平往复荷载，当水平荷载降低到峰值荷载的85%或者竖向荷载无法保持稳定时试验结束。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

圆钢管全再生粗骨料混凝土柱与普通圆钢管混凝土柱的破坏过程相似，在加载初期观察不到显著的变化，临近破坏时均在柱底加劲肋上方18～26mm范围内钢管出现局部屈曲，所有试件均在水平荷载降到峰值荷载的85%后停止试验。

2.2 滞回曲线

构件的水平力-侧移(P-Δ)滞回曲线如图3所示。

图3 试件滞回曲线

由图3可知，普通圆钢管混凝土柱与圆钢管全再生粗骨料混凝土柱的滞回曲线都很饱满，未出现“捏拢”现象，这表明圆钢管全再生粗骨料混凝土柱具有良好的抗震性能；轴压比越大，构件的水平承载力越小，水平承载力的下降幅度随轴压比的增大而增大。含钢率不同时，圆钢管全再生粗骨料混凝土柱承受荷载的变形能力与普通圆钢管混凝土柱基本相同，但是构件的含钢率越大曲线越为饱满，达到峰值荷载后，下降幅度平缓。

2.3 骨架曲线

骨架曲线反映了各个试件在不同阶段下受力和变形的特性。由图4(a)可知，试件在加载阶段，屈服前骨架曲线均呈上升趋势，所有试件的曲线近似成一条直线，开始屈服后，曲线进入下降段，趋势较为平缓，说明圆钢管全再生粗骨料混凝土试件与普通圆钢管混凝土试件相比较，变形和耗能能力较好。对比图4(b)轴压比和含钢率均相同的普通圆钢管混凝土柱和圆钢管全再生粗骨料混凝土柱的骨架曲线可知，混凝土中粗骨料全部由再生骨料代替将会降低钢管再生混凝土柱的水平承载力，普通钢管混凝土柱的水平承载力比圆钢管全再生粗骨料混凝土柱高出7.5%。由图4(c)可知，随着轴压比不断增大，钢管全再生粗骨料混凝土柱的水平承载力不断增大，轴压比从0.3增大到0.5，试件的极限荷载分别增大了8.5%和14.06%，但变形能力不断降低，曲线的下降阶段逐渐陡峭。由4(d)可知，随着含钢率的增大，试件的极限承载力随之增大，C2试件的极限荷载高出C1试件5.6%。

图4 试件骨架曲线

2.4 延性

采用位移延性系数μ来评价结构的延性，μ=Δm/Δy，其中Δm为峰值荷载下降到85%时试件对应的位移；Δu为极限位移；Δy表示屈服位移。按照能量等值法计算的试验主要特征点如表3所示，表3中数据为2个方向的平均值。

表3 试件各关键点处荷载和位移

由表3可知，各个试件的位移延性系数的值均在3以上，而且普通圆钢管混凝土试件和圆钢管全再生粗骨料混凝土试件的μ基本相同，表明圆钢管全再生粗骨料混凝土试件的延性性能较好，粗骨料的循环利用几乎不影响钢管混凝土柱的屈服和破坏位移。当轴压比相同时，圆钢管全再生粗骨料混凝土试件的含钢率越高则延性性能越好；依次增大轴压比后，位移延性系数逐渐降低，因此圆钢管全再生粗骨料混凝土试件有良好的延性性能。

2.5 耗能

该试验中，用等效黏滞系数he作为评价试件耗能能力大小的标准，通过计算得出各试件等效粘滞系数he如表4所示。由表4可知，试件随着加载位移的增大，等效黏滞系数he也随之不断增大；尤其是达到峰值荷载后，等效黏滞系数he上升的幅度加快，表明试件的耗能随着位移的增大而增大。当轴压比和含钢率均相同的条件下，普通圆钢管混凝土柱试件破坏时的等效黏滞系数he为0.381，而圆钢管全再生粗骨料混凝土柱试件破坏时的等效黏滞系数he均大于0.381，说明粗骨料全部采用再生骨料并不会降低圆钢管混凝土柱的耗能能力，而且圆钢管全再生粗骨料混凝土柱随着轴压比的增大，相应的he逐渐增大，表明轴压比的增大对耗能有积极的影响，但含钢率增大则相反，即含钢率越大he越小。

表4 试件等效粘滞系数

3 结论

通过1个普通圆钢管混凝土柱和4个圆钢管全再生粗骨料混凝土柱试件的试验研究可得出以下结论：

1)普通圆钢管混凝土柱和圆钢管全再生粗骨料混凝土柱的破坏过程与模式基本相同，破坏时构件均在靠近柱脚处出现钢管屈曲的现象。

2)全再生粗骨料混凝土的使用对试件的延性、水平承载力和耗能性能影响不大，圆钢管全再生粗骨料混凝土柱具有良好的抗震性能。

3)全再生粗骨料混凝土柱在含钢率不同，轴压比相同情况下，试件的滞回曲线均饱满，随着含钢率的提高，对试件的水平承载力、延性具有较好的影响，试件的耗能稍有降低；在轴压比不同，含钢率相同情况下，试件的滞回曲线普遍饱满，轴压比增大对试件的耗能与水平承载力有积极的影响，但会降低试件的延性。