方钢管再生混凝土中长柱的抗震损伤分析

王成刚, 余康康, 关朝江, 崔乐乐

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009; 3.安徽省建筑设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

0 引 言

工程结构在整个生命周期会受到来自各个方面的作用,包括自身重量、环境因素以及地震作用等,每种作用可能引起结构或构件微观或宏观上的变化,这种变化称为损伤,每一次损伤都使结构或构件离破坏状态更近一步。地震是一种随机的交替循环作用,地震交替循环作用一次,损伤就会累积一次,当损伤累积到一定程度时,结构或构件就会产生破坏。由此可见,工程结构经受过一次地震后,为了确定工程结构的可利用价值或者为工程结构加固修复提供科学依据,正确地评估结构或构件的损伤程度非常必要。结构或构件的损伤程度一般用损伤指标D来描述。目前,国内外学者提出了许多不同类型的地震损伤分析模型,包括基于刚度退化、变形和耗能的单参数地震损伤模型以及基于变形和耗能的双参数地震损伤模型。目前,对建筑结构损伤模型的研究主要集中在钢筋混凝土结构上,而对钢管混凝土地震损伤模型的研究相对较少,文献[1-5]对钢管混凝土柱或钢管再生混凝土柱进行了研究。

本文基于文献[6]通过对六方钢管再生混凝土中长柱进行水平低周反复加载试验数据,研究其累积损伤问题,采用部分损伤模型对试件在试验过程中各个阶段的损伤程度进行计算分析和比较研究,得出不同破坏阶段损伤量化指标,为基于性能的方钢管再生混凝土中长柱抗震设计提供一定依据。

1 试验概况

试件具体尺寸如图1所示,采用的材料有直焊缝方钢管、P42.5普通硅酸盐水泥、粉煤灰、普通河砂、自来水以及再生粗骨料。再生粗骨料由建筑物拆除废弃混凝土加工而成,本次试验均采用100%取代率的再生混凝土,试配强度为C30。试件中所有方钢管均采用Q235B钢材,边长均为160 mm,名义壁厚分别为4、5、6 mm。本文再生混凝土和钢材的强度试验方法以及实验值均参见文献[7]。本次试验以轴压比n、长细比λ和钢管名义壁厚(含钢率)为变化参数,设计制作6个构件,试件设计参数见表1所列。本试验采取荷载位移双控加载法,采用MTS液压伺服作动器对试件作用水平低周反复载荷。

图1 试件详图

表1 试件基本参数

2 试验现象及结果分析

2.1 试验过程及现象

试件从开始加载直至破坏的各个阶段典型照片如图2所示。图2中:Δ为柱顶水平加载位移;Δue为弹性极限位移。在力控制加载阶段,钢管无明显变化,试件处于弹性阶段。观察应变记录,在钢管壁应变达到钢材屈服应变时,改为位移加载。随着加载位移的逐渐增加,增加到弹性极限位移2倍时,试件受压面有局部微小鼓曲现象,但肉眼不易察觉,钢管表面的铁锈开始剥落(图2a)。加载位移继续增大,增加到弹性极限位移3倍左右时,水平推拉力逐渐达到峰值荷载,试件受压面有明显局部微凸曲,钢管表面的铁锈剥落明显,钢管两侧壁仍保持平直,在卸载及反向加载过程中,钢管受压面的局部凸曲能被逐渐拉平,卸载后残余变形较大(图2b)。加载位移继续增大,水平推拉力开始降低,钢管受压面局部鼓曲加剧,左右侧壁开始鼓曲并越来越明显,同时在卸载及反向加载过程中,钢管的局部凸曲不能再被拉平;卸载后,残余变形继续增大,试件进入破坏阶段(图2c)。再生混凝土的破坏形态如图3所示。

图2 方钢管再生混凝土柱典型破坏特征

图3 再生混凝土的破坏形态

从图3a可以看出,在钢管鼓曲处再生混凝土完全压馈再生混凝土柱完全断裂;从图3b可以看出,其他部位混凝土保持完整,在距柱底50～150 mm范围形成沿加载方向转动的塑性铰,属于典型的压弯破坏。

2.2 试验结果分析

2.2.1 试件承载力和变形能力分析

试件的屈服荷载Py、峰值荷载Pmax、破坏荷载Pu以及与之对应的屈服位移Δy、峰值位移Δmax、破坏位移Δu计算结果见表2所列,表2中加载方向正向为推,反向为拉,平均为正向以及反向加载后得出数值的平均值;屈服荷载采用能量等值法(等面积法)来确定,用位移延性系数(μ=Δu/Δy)来反映结构延性的大小。由表2可以看出:

1) 试件的延性系数在2.61～3.46之间,表明方钢管再生混凝土中长柱的变形性能良好。

2) 随钢管壁厚的增加,延性呈增长趋势,试件的各个特征点处的承载力均有所提高。

3) 随长细比的增加,试件峰值位移和破坏位移明显增加,延性系数也明显增大,但是试件的承载力均明显降低。

4) 随轴压比的增加,试件各特征点处的位移均有所降低,延性系数减小,而特征点处的承载力均有所提高。

表2 特征荷载、特征位移和延性系数计算结果

2.2.2 刚度退化

在地震作用下,构件刚度的退化是抗震性能退化的主要原因之一。根据文献[7]建议,本文采用割线刚度来研究反复荷载作用下试件变形性能的变化。在低周反复荷载作用下,刚度退化的形式有2种。本文采用的刚度退化方法根据试件在每一级加载位移作用下,第1次循环的峰值荷载和峰值位移计算公式为:

(1)

其中:Ki为第i级加载的割线刚度;+Fi为第i级加载峰值点正向荷载值;-Fi为第i级加载峰值点负向荷载值;+Xi为第i级加载峰值点正向位移值;-Xi为第i级加载峰值点负向位移值。各个试件的刚度退化对比曲线如图4所示。

图4 刚度退化曲线对比

从图4可以看出,随着加载位移的增加,各个试件刚度退化趋势基本一致,前期快,后期慢,直到试件完全屈服,刚度退化曲线下降段逐渐趋于平缓。不同壁厚试件的刚度退化系数在峰值位移(30 mm左右)之前差别不明显,在加载位移超过峰值位移之后,壁厚较大试件的刚度退化系数较大,说明较厚的钢管壁可以增强核心再生混凝土的约束,减缓刚度退化。长细比较大的试件刚度退化系数较大,说明长细比大的试件刚度退化慢。在荷载未达到峰值之前,轴压比较大试件的刚度退化系数较小,说明轴压比大的试件前期刚度退化较快。

3 抗震损伤指标定量分析

本文在方钢管再生混凝土中长柱的抗震性能试验基础上,分别采用基于刚度退化、变形、耗能的单参数地震损伤评估模型和基于变形、耗能的双参数地震损伤评估模型,分析低周反复荷载作用下钢管再生混凝土试件地震损伤演化的全过程,并基于建筑结构抗震性能水准的分类和多个损伤评估模型得出的损伤指标,给出钢管再生混凝土中长柱在不同损伤状态下量化的损伤指标。

3.1 损伤指标的计算分析

3.1.1 基于刚度退化和变形的损伤分析模型

文献[8]提出结构的破坏与残余强度和刚度密切相关,结构或构件的损伤变量应该为构件残余刚度和弹性刚度的结合,给出了弯曲刚度的修正损伤指标,即

(2)

其中:D为损伤指标;Ky为屈服点刚度;Ku为极限点的割线刚度;Kr为任意一点的割线刚度。按此方法计算出的损伤指标D见表3所列。

文献[9]提出弹塑性变形是引起结构或构件损伤的主要原因,假设单调荷载作用下的极限变形与结构循环荷载作用下的极限变形相等,那么基于弹塑性变形的损伤评估模型为:

(3)

其中,Δc、Δy、Δu分别为结构或构件的弹塑性变形(计算值)、屈服变形、极限变形。该模型没有考虑反复荷载对损伤的影响,认为反复荷载作用下结构的损伤与单次荷载作用下结构的损伤相当,而且承载力和刚度的变化并没有体现出来。按此方法计算出的损伤指标D见表4所列。

表3 基于刚度退化损伤分析模型计算的损伤指标

表4 基于变形的损伤分析模型计算的损伤指标

3.1.2 基于耗能的损伤分析模型

在文献[10]线性累积损伤模型基础上,文献[11]认为结构或构件累积损伤模型应考虑疲劳损伤的影响,因此需要建立结构或构件的变形损伤与疲劳损伤的相互关系。

变量的计算表达式如下:

(4)

表5 基于耗能的损伤分析模型计算的损伤指标

3.1.3 基于变形和耗能的双参数损伤分析模型

文献[12]在进行了大量钢筋混凝土结构试验的基础上,提出了Park-Ang双参数损伤模型,此模型综合考虑了结构或构件的极限变形与滞回耗能,其表达式如下:

(5)

由于本文是基于方钢管再生混凝土柱的试验数据,Park-Ang双参数损伤模型中的参数值不可直接套用,因此本文根据试件破坏时D取1,反算出方钢管再生混凝土柱的组合参数值β,得出的β值见表6所列。按此方法计算出的损伤指标D见表7所列。

表6 试件的组合参数

表7 基于变形耗能损伤分析模型计算的损伤指标

3.1.4 基于不同损伤模型计算结果的分析

由表3～表5、表7可知,随着循环加载位移的增加,所有试件的损伤都呈近单调增加,趋势是一致的,在超过屈服位移而未达到峰值位移时,试件的累积损伤都较小,在达到峰值位移时,试件的累积损伤基本不超过0.4,超过峰值位移后,试件的累积损伤增加较快。在相同循环位移下,轴压比较大试件的累积损伤较轴压比小的大,而且增长得快;长细比较大试件的累积损伤较长细比小的小,而且增长得慢;壁厚较厚试件的累积损伤较壁厚薄的小些,但是影响不明显。

3.2 方钢管再生混凝土中长柱损伤量化指标

根据文献[14]将建筑结构的抗震性能水准划分为基本完好(包括完好)、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌,采用层间位移作为量化指标,具体划分见表8所列。

表8 建筑结构抗震性能水准的分类

根据本次试验数据,可以得到各个试件在加载特征点处的位移值与弹性极限位移之比,见表9所列。

由表9可知,根据试件在加载特征点处的位移值与弹性极限位移之比,可将试件分为4种状态:试件顶端位移小于弹性极限位移时,试件处于弹性状态,属于基本完好状态;试件顶端位移达到屈服位移时,峰值位移与弹性极限位移比值在1.5～2.0之间,属于轻微损坏状态;试件顶端位移到达峰值位移时,峰值位移与弹性极限位移比值在2.8～3.2之间,属于中等破坏状态;试件顶端位移达到破坏位移时,试件处于塑性状态,破坏位移与弹性极限位移比值在5.1～5.9之间,属于严重破坏状态。

表9 试件加载特征点处的位移与弹性位移之比

根据6个试件在不同循环加载位移下基于不同损伤分析模型计算出的损伤指标值,得出各个试件在不同Δ/Δue比值下损伤指标的平均值如图5所示。由图5可知:Δ/Δue不大于1时,试件损伤指标值不超过0.1;Δ/Δue不大于2时,试件损伤指标值不超过0.2;Δ/Δue不大于4时,试件损伤指标值不超过0.6;Δ/Δue不大于5时,试件损伤指标值不超过0.9。通过对各个试件累积损伤指标值的综合分析,给出了方钢管再生混凝土中长柱基于抗震性能的损伤量化指标,见表10所列。

图5 不同Δ/Δue比值的损伤指标平均值

表10 方钢管再生混凝土中长柱基于抗震性能的量化损伤指标

4 结 论

1) 钢管再生混凝土中长柱在低周反复荷载作用下,在距柱底一定范围形成沿加载方向转动的塑性铰,属于典型的压弯破坏,且变形性能良好。随着循环加载位移的增大,前期各个试件刚度退化系数逐渐减小,刚度退化加快,后期刚度退化系数有所增大,刚度退化变慢。

2) 根据不同损伤模型计算分析可知,随着加载位移的增加,所有钢管再生混凝土试件的损伤都呈近单调增加,在达到峰值位移之前,累积损伤指标值基本不超过0.4,试件损伤较小,超过峰值位移后,试件的累积损伤增加较快。

3) 随着轴压比的增加,钢管再生混凝土试件的承载力有所提高,但是变形能力减小,刚度退化加快,累积损伤加重;随着长细比的增加,钢管再生混凝土试件的承载力降低,但是变形能力提高,刚度退化变慢,累积损伤减轻;随着钢管壁厚的增加,钢管再生混凝土试件的承载力和变形能力均提高,达到峰值荷载之后刚度退化变慢,累积损伤有所减轻。

4) 通过综合分析各种累积损伤分析模型得出的损伤指标值,并结合试验过程中试件破坏形态,本文给出了方钢管再生混凝土中长柱对应不同抗震性能水准的损伤量化指标,对方钢管再生混凝土中长柱的设计具有一定的指导意义。