方鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)及設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009 安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，安徽合肥230051) (長(zhǎng)江大學(xué)審計(jì)處，湖北 荊州 434023)

方鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)及設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

韓彰龔玉云

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009 安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，安徽合肥230051) (長(zhǎng)江大學(xué)審計(jì)處，湖北荊州434023)

為了定量分析不同因素對(duì)方鋼管再生混凝土柱在低周反復(fù)荷載下抗震性能指標(biāo)的影響，選擇再生骨料取代率、含鋼率和軸壓比為設(shè)計(jì)變化參數(shù)，開(kāi)展了4根框架柱的擬靜力試驗(yàn)。詳細(xì)觀測(cè)了框架柱破壞過(guò)程中及破壞后的形態(tài)，分析了實(shí)測(cè)滯回曲線，探究了設(shè)計(jì)變化參數(shù)對(duì)框架柱承載力、剛度、位移延性系數(shù)及耗能能力等抗震性能指標(biāo)的影響規(guī)律。研究表明，方鋼管再生混凝土柱的破壞形態(tài)同普通鋼管混凝土柱相類似，都是柱底部鋼管鼓曲、漆皮脫落及核心混凝土被壓碎；隨著再生骨料取代率的增大，柱的不同階段的承載力、剛度、延性性能及耗能能力均有所降低；含鋼率的增大對(duì)試件的位移延性系數(shù)、承載力、剛度、耗能能力起到有益作用；隨著軸壓比的提高，試件的延性性能及耗能能力有所降低，但其極限承載力、剛度卻有所增加。

方鋼管再生混凝土柱；再生骨料取代率；含鋼率；軸壓比；抗震性能

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度日益加快。房地產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)空前繁榮，城市化進(jìn)程也逐步加大，造就了我國(guó)每年需要拆除大量現(xiàn)有建筑，造成了大量建筑垃圾需要被處理。通常的處理方法是直接填埋法，但直接填埋法具有很多的缺點(diǎn)，不僅占用大量土地，而且破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，繼而影響當(dāng)?shù)鼐用竦氖孢m度。因此，如何合理有效地處理日益增多的建筑垃圾，使得垃圾變廢為寶，已成為一道擺在眾多科學(xué)工作者面前的難題[1～4]。

再生混凝土技術(shù)的快速發(fā)展和運(yùn)用為這一難題提供了一條有益的解決思路，該技術(shù)將廢棄混凝土破碎制作成再生骨料，重新配置成混凝土。為了使這一新技術(shù)得到更加廣泛的使用，相關(guān)學(xué)者提出了鋼管再生混凝土的概念并進(jìn)行了相關(guān)研究[5～8]，黃一杰等[9]、張向?qū)萚10]、孟二從等[11]對(duì)鋼管再生混凝土柱滯回性能進(jìn)行了較為深入細(xì)致的研究。

由于不同學(xué)者的再生混凝土來(lái)源各不相同，且各自研究的因素均不相同，故其研究成果僅僅具有初探性。因此，十分有必要進(jìn)一步研究不同影響因素對(duì)抗震性能指標(biāo)的影響程度。為此，筆者基于已進(jìn)行的4根方鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)[12]，定量分析了再生骨料替代率、含鋼率、軸壓比對(duì)試件各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)的影響程度，以期為鋼管再生混凝土的設(shè)計(jì)和推廣提供理論支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

選取再生骨料取代率、軸壓比、含鋼率(鋼管壁厚)為設(shè)計(jì)變化參數(shù)，制作了4根方鋼管柱縮尺模型，編號(hào)分別為Z-0、Z-1、Z-2、Z-3。柱腳選擇外露式柱腳，柱腳上四周用8個(gè)加勁肋焊接固定，以增加其穩(wěn)定性。其中，試件Z-0為鋼管普通混凝土柱，管內(nèi)填充C40等級(jí)混凝土，軸壓比為0.4，鋼管壁厚4mm；試件Z-1為再生骨料取代率為50%的再生鋼管混凝土柱，管內(nèi)填充C40等級(jí)混凝土，軸壓比為0.4，鋼管壁厚4mm；試件Z-2、Z-3再生骨料取代率及核心混凝土等級(jí)與試件Z-1相同，而試件Z-2鋼管壁厚為6mm，試件Z-3軸壓比為0.6。

1.2加載裝置及加載制度

加載裝置如圖1所示，首先通過(guò)1000kN油壓千斤頂施加豎向軸力，水平荷載采用電液伺服作動(dòng)器施加，采取荷載-位移雙控制的模式。試件屈服之前，采用荷載控制，屈服后采取位移控制。屈服前，循環(huán)加載1次，屈服后，循環(huán)加載3次。加載至試件極限荷載下降幅度在15%以上，方停止加載。加載制度如圖2所示。

圖1 加載裝置 圖2 加載制度

2 破壞特征分析

圖3 破壞形態(tài)

1)加載過(guò)程中，鼓曲部位剛開(kāi)始出現(xiàn)后還能恢復(fù)，之后鼓曲不能恢復(fù)，最后鼓曲程度不斷加大，直至破壞。

2)方鋼管再生混凝土柱破壞形態(tài)如圖3所示，其破壞形態(tài)和普通鋼管混凝土柱相類似，鋼管底部加勁肋上方40mm處出現(xiàn)鼓曲，鼓曲部位存在明顯的鼓曲波，而鋼管內(nèi)核心混凝土被壓碎，漆皮脫落較多。

3)未加載前，鋼管和核心混凝土黏結(jié)性能較好，敲擊時(shí)聲音沉悶，無(wú)空鼓聲。試件破壞后，發(fā)現(xiàn)鼓曲部位的鋼管和核心混凝土出現(xiàn)空鼓聲，表明其黏結(jié)性能變差，存在脫黏現(xiàn)象，且四周脫黏程度不同。在加載方向垂直的平面內(nèi)柱底部脫黏程度大，此時(shí)鼓曲程度也大，其余兩面鼓曲程度小，脫黏程度也小。

3 滯回曲線分析

試驗(yàn)測(cè)得的滯回曲線如圖4所示。由圖4可知，各試件滯回曲線均十分飽滿，從弓形逐漸發(fā)展到梭形，越到加載后期，滯回環(huán)越來(lái)越飽滿，表明其耗能能力越到加載后期變得越好。再生骨料取代率對(duì)試件滯回曲線形狀、極限承載力影響不大。鋼管壁厚越大，其極限承載力隨之增大，耗能能力及彈塑性變形能力也變好。軸壓比對(duì)試件極限承載力的提高有益，但極限荷載下骨架曲線下降較為顯著。

圖4 滯回曲線

4 設(shè)計(jì)變化參數(shù)影響分析

定量分析不同的設(shè)計(jì)變化參數(shù)對(duì)試件承載力、剛度、位移延性系數(shù)和耗能能力的影響程度。因破壞荷載均取的是極限荷載下降幅度為15%對(duì)應(yīng)的荷載，故僅分析屈服荷載和極限荷載的變化情況。

4.1再生骨料取代率

1)再生骨料取代率對(duì)位移延性系數(shù)的影響 再生骨料取代率對(duì)位移延性系數(shù)的影響如圖5所示。由圖5可知，試件Z-0是普通鋼管混凝土柱，再生骨料取代率為0%，而試件Z-1的再生骨料取代率為50%，兩者的位移延性系數(shù)分別為3.62、3.25。隨著再生骨料取代率從0%上升至50%，試件的位移延性系數(shù)卻降低了10.22%?？赡苁怯捎谠偕橇显谄扑榧庸み^(guò)程中存在微小損傷，導(dǎo)致其變形能力降低。2根試件的位移延性系數(shù)均高于3.0，滿足抗震性能指標(biāo)對(duì)于位移延性系數(shù)的要求，再生骨料取代率為50%時(shí)制作出的再生混凝土可以使用在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中。

2)再生骨料取代率對(duì)承載力的影響 再生骨料取代率對(duì)承載力的影響如圖6所示。由圖6可知，試件Z-0、Z-1在屈服時(shí)承載力為57.68、61.66kN，在極限點(diǎn)時(shí)承載力為98.91、93.60kN。隨著再生骨料取代率的增大，試件在屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)承載力分別提高了6.90%、-5.37%?？傮w看來(lái)，變化幅度較小，即再生骨料取代率為50%時(shí)，方鋼管再生混凝土柱特征點(diǎn)承載力較為穩(wěn)定。原因有以下2方面：一方面是再生骨料在制作過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)破碎，勢(shì)必會(huì)對(duì)骨料造成損傷，而用損傷的骨料配置出的再生混凝土，其材料強(qiáng)度必然比普通混凝土要低；另一方面是再生骨料表面附著有水泥基，其吸水量大于天然骨料，被吸收的水分會(huì)引起實(shí)際水膠比的降低，繼而造成再生混凝土強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，再生骨料取代率為50%，再生骨料和天然骨料各一半，兩者因素的互相共同作用，出現(xiàn)了以上現(xiàn)象?；诠こ讨袑?duì)承載力的需求，再生骨料取代率為50%的試件極限承載力較普通鋼管混凝土柱極限承載力僅下降了5.37%，略大于5%，基本能滿足工程精度的需求。所以說(shuō)，50%取代率下的再生混凝土可用于承重結(jié)構(gòu)中的方鋼管混凝土柱。

圖5 再生骨料取代率對(duì)位移延性系數(shù)的影響 圖6 再生骨料取代率對(duì)承載力的影響

圖7 再生骨料取代率對(duì)剛度的影響

3)再生骨料取代率對(duì)剛度的影響 再生骨料取代率對(duì)剛度的影響如圖7所示。由圖7可知，較試件Z-0相比，隨著骨料取代率的提高，試件Z-1在彈性階段、屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)、破壞點(diǎn)的剛度變化幅度分別為-6.19%、-0.92%、-16.67%、-2.29%。試件在極值點(diǎn)時(shí)剛度變化幅度較大，這主要是因?yàn)樵撾A段的剛度本身就比較小，接近3.0kN/mm，結(jié)果易于受到加載系統(tǒng)的影響。除了極值點(diǎn)處的剛度變化幅度較大，其余階段的剛度變化幅度均不大。隨著再生骨料取代率的增加，試件在不同階段的剛度均有所降低，但降低幅度有限。

4)再生骨料取代率對(duì)耗能能力的影響 評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的耗能能力，一般會(huì)選擇等效黏滯阻尼系數(shù)he，滯回曲線越飽滿，滯回環(huán)包圍的面積越大，表示結(jié)構(gòu)的耗能能力越好。有時(shí)也會(huì)選擇滯回環(huán)每級(jí)循環(huán)包圍的面積之和來(lái)表示耗能能力，稱為總耗能Ep。因?yàn)槊總€(gè)試件加載過(guò)程中經(jīng)歷的歷程互不相同，故選擇這2種方法來(lái)評(píng)價(jià)各試件的耗能能力。再生骨料取代率對(duì)等效黏滯阻尼系數(shù)的影響如圖8所示，再生骨料取代率對(duì)總耗能的影響如圖9所示。

圖8 再生骨料取代率對(duì)等效黏滯阻尼系數(shù)的影響 圖9 再生骨料取代率對(duì)總耗能的影響

由圖8、圖9可知，隨著再生骨料取代率的增加，試件的等效黏滯阻尼系數(shù)與總耗能在不同階段均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。與試件Z-0相比，試件Z-1的等效黏滯阻尼系數(shù)在屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)、破壞點(diǎn)分別下降了10.16%、7.48%、2.86%，總耗能在屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)、破壞點(diǎn)分別下降了12.38%、5.67%、8.84%。到破壞階段時(shí)，試件的耗能能力變化幅度很小，其中，試件Z-0、Z-1的等效黏滯阻尼系數(shù)為0.35、0.34，均大于鋼筋混凝土柱和型鋼混凝土柱破壞時(shí)所達(dá)到的等效黏滯阻尼系數(shù)。

4.2含鋼率

1)含鋼率對(duì)位移延性系數(shù)的影響 含鋼率對(duì)位移延性系數(shù)的影響如圖10所示。由圖10可知，試件Z-1、Z-2的位移延性系數(shù)分別為3.25、3.81，對(duì)比鋼管壁厚4mm的試件Z-1，鋼管壁厚6mm的試件Z-2位移延性系數(shù)較之提高了17.23%。隨著鋼管壁厚增加，對(duì)位移延性系數(shù)的影響也會(huì)變大。這主要是由于鋼管壁厚越大，核心混凝土受更厚的鋼管約束后抗壓強(qiáng)度提高越多，故整體組合結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力更好，造成其位移延性系數(shù)提高較大。

2)含鋼率對(duì)承載力的影響 含鋼率對(duì)試件不同階段承載力的影響如圖11所示。由圖11可知，對(duì)比試件Z-1，試件Z-2在屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)的承載力分別提高了36.63%%、33.93%?？梢?jiàn)，鋼管壁厚的增加對(duì)試件不同階段承載力的提高具有顯著的效果，且鋼管厚度對(duì)屈服點(diǎn)的承載力提高程度更大。這主要是因?yàn)?，鋼管壁厚越大，初始剛度越大，故其屈服時(shí)承載力提高程度較大，但對(duì)極限點(diǎn)的承載力提高程度出現(xiàn)了降低。這是由于鋼管壁厚對(duì)核心混凝土的約束作用在鋼管鼓曲時(shí)出現(xiàn)了降低，也就是說(shuō)，6mm的鋼管壁厚對(duì)核心混凝土的約束作用在極值階段時(shí)要小于屈服階段鋼管未鼓曲時(shí)的約束作用，但其約束效果仍高于4mm壁厚鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用。

圖10 含鋼率對(duì)位移延性系數(shù)的影響 圖11 含鋼率對(duì)承載力的影響

圖12 含鋼率對(duì)剛度的影響

3)含鋼率對(duì)剛度的影響 含鋼率對(duì)試件不同階段剛度的影響如圖12所示。由圖12可知，對(duì)比試件Z-1，試件Z-2在彈性階段、屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)的剛度分別提高了43.39%、54.70%、34.11%、16.24%。鋼管壁厚增加的優(yōu)勢(shì)在彈性階段得到了最為顯著的呈現(xiàn)，隨著加載的繼續(xù)，壁厚的優(yōu)勢(shì)對(duì)試件的剛度的提高程度逐步下降，直至破壞時(shí)提高程度僅16.24%。這主要得益于鋼管壁厚增大對(duì)核心混凝土的約束作用越強(qiáng)，彈性階段時(shí)鋼管不出現(xiàn)鼓曲，約束作用較強(qiáng)。隨著加載的持續(xù)，結(jié)合試件加載過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象可知，鋼管鼓曲后的凸出程度變大，繼而鋼管對(duì)混凝土的約束效果出現(xiàn)下降，此時(shí)鋼管壁厚的優(yōu)勢(shì)不明顯，故其剛度也逐步出現(xiàn)降低。

4)含鋼率對(duì)耗能能力的影響 含鋼率對(duì)等效黏滯阻尼系數(shù)的影響如圖13所示，含鋼率對(duì)總耗能的影響如圖14所示。由圖13、圖14可知，隨著含鋼率的增加，試件的等效黏滯阻尼系數(shù)與總耗能在不同階段均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。與試件Z-1相比，試件Z-2的等效黏滯阻尼系數(shù)在屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)、破壞點(diǎn)分別上升了14.78%、16.67%、23.53%，總耗能在屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)、破壞點(diǎn)分別上升了20.19%、24.06%、26.85%，且越到加載后期，其耗能能力提高程度越大。說(shuō)明鋼管壁厚越大，即含鋼率越高，對(duì)試件的耗能能力的提高越顯著。越到加載后期，壁厚越厚的試件彈塑性變形能力越好，加載形成的滯回環(huán)越飽滿，故其耗能能力提高程度越大。

圖13 含鋼率對(duì)等效黏滯阻尼系數(shù)的影響 圖14 含鋼率對(duì)總耗能的影響

4.3軸壓比

1)軸壓比對(duì)位移延性系數(shù)的影響 軸壓比對(duì)試件位移延性系數(shù)的影響如圖15所示。由圖15可知，試件Z-1、Z-3的位移延性系數(shù)分別為3.25、3.02，試件Z-3的位移延性系數(shù)較試件Z-1下降了7.08%，即隨著軸壓比的上升，其位移延性系數(shù)略有降低，但降低程度較小。這主要是因?yàn)樵诩虞d前期時(shí)，鋼管對(duì)核心混凝土約束作用較好，軸力由鋼管和核心混凝土共同承擔(dān)。加載后期，二階效應(yīng)更加明顯，造成了延性性能有所降低。

2)軸壓比對(duì)承載力的影響 軸壓比對(duì)試件不同階段承載力的影響如圖16所示。由圖16可知，對(duì)比試件Z-1，試件Z-3在屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)的承載力分別提高了23.70%、19.94%。表明隨著軸壓比的提升，試件極限承載力得到了提高，且在極值點(diǎn)的提高程度大于屈服點(diǎn)的。這還是因?yàn)榍c(diǎn)時(shí)鋼管和核心混凝土黏結(jié)性能較好，極值點(diǎn)時(shí)黏結(jié)性能減小，協(xié)同工作效果降低所造成的。

圖15 軸壓比對(duì)位移延性系數(shù)的影響 圖16 軸壓比對(duì)承載力的影響

圖17 軸壓比對(duì)剛度的影響

3)軸壓比對(duì)剛度的影響 軸壓比對(duì)試件不同階段剛度的影響如圖17所示。由圖17可知，對(duì)比試件Z-1，試件Z-3在彈性階段、屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)、破壞點(diǎn)的剛度分別提高了46.32%、35.01%%、20.57%、20.81%。隨著軸壓比的增大，試件不同階段剛度都隨之提高，提高率不盡相同，且隨著加載的持續(xù)，提高程度有所降低。尤其是在極值點(diǎn)及破壞點(diǎn)時(shí)，提高率大體相同，較為接近，說(shuō)明剛度對(duì)軸壓比的變化十分敏感。

4)軸壓比對(duì)耗能能力的影響 軸壓比對(duì)等效黏滯阻尼系數(shù)的影響如圖18所示，對(duì)總耗能的影響如圖19所示。由圖18、圖19可知，隨著軸壓比的增大，試件的等效黏滯阻尼系數(shù)和總耗能隨之減小。與試件Z-1相比，試件Z-3的等效黏滯阻尼系數(shù)在屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)、破壞點(diǎn)分別降低了29.57%、15.15%、5.88%，總耗能在屈服點(diǎn)、極值點(diǎn)、破壞點(diǎn)分別降低了36.89%、17.16%、6.79%，且越到加載后期，其耗能能力下降程度逐漸減小。這是由于軸壓比越大，二階效應(yīng)越明顯，加載形成的滯回環(huán)越小，故其面積越小。越到加載后期，形成的滯回環(huán)越大，造成耗能能力降低程度減小?；趯?shí)際工程中對(duì)結(jié)構(gòu)耗能的要求，再生混凝土可用于實(shí)際工程的方鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)中。

圖18 軸壓比對(duì)等效黏滯阻尼系數(shù)的影響 圖19 軸壓比對(duì)總耗能的影響

5 結(jié)論

1)方鋼管再生混凝土柱的破壞形態(tài)同普通鋼管混凝土柱相類似，都是柱底部鋼管鼓曲、漆皮脫落及核心混凝土被壓碎。

2)隨著再生骨料取代率的增大，方鋼管再生混凝土柱在不同階段的承載力、剛度、延性性能及耗能能力均有所降低。

3)含鋼率的增大，即鋼管壁厚加大對(duì)位移延性系數(shù)、承載力、剛度、耗能能力均有有益作用。

4)隨著軸壓比的提高，試件的延性性能及耗能能力有所降低，但其極限承載力和剛度卻有所增加。

[1]肖建莊.再生混凝土[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] Liu Xuping.Recycling and reuse of waste concrete in China Part II.Structural behavior of recycled aggregate concrete and engineering applications [J].Resourses, Conservation and Recycling, 2009, 53(3): 107～112.

[3] Moreno F, Rubio M C, Martinez-Echevarria M J.Stress-strain relationship in axial conpression for concrete using recycled saturated coarse aggragate [J].Construction and Building Materials, 2011, 25(1): 2335～2342.

[4] 肖建莊，李佳彬，蘭陽(yáng).再生混凝土技術(shù)研究最新進(jìn)展與評(píng)述[J].混凝土，2003(10)：17～20.

[5] Yang Youfu, Han Linhai.Experimental behanior of recycled aggregate concrete filled steel tubular columns [J].Jounal of Constructional Steel Research, 2006, 62(12): 1310～1324.

[6] 吳波，劉偉，劉瓊祥，等.薄壁鋼管再生混合短柱軸壓性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31(8)：22～28.

[7] 陳宗平，張士前，王妮，等.鋼管再生混凝土軸壓短柱受力性能的試驗(yàn)與理論分析[J].工程力學(xué)，2013，30(4)：107～114.

[8] Yang Y F.Behaviour of recycled aggregate concrete filled steel tubular columns under long-term sustained loads [J].Advances in Structural Engineering, 2011, 14(2): 189～206.

[9] 黃一杰，肖建莊.鋼管再生混凝土柱抗震性能與損傷評(píng)價(jià)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，41(3)：330～335.

[10] 張向?qū)?，陳宗平，薛建?yáng)，等.方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35(9)：11～19.

[11] 孟二從，蘇益聲，陳朋朋，等.低周反復(fù)荷載下方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，40(4)：790～797.

[12] 張震，吳江，李加樂(lè)，等.往復(fù)水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016，13(4)：39～43，55.

[編輯]計(jì)飛翔

2017-06-30

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014-K2-021)。

韓彰(1981-)男，碩士，講師，現(xiàn)主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震方面的研究工作。

龔玉云(1990-)，女，碩士，現(xiàn)主要從事工程與項(xiàng)目管理方面的研究工作，1090894559@qq.com。

引著格式韓彰,龔玉云.方鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)及設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(21)：54～60.

TU398 9

A

1673?1409(2017)21?0054?07