鋼管纖維混凝土柱的抗震性能分析

羅松濤　丁前紳

(1.云南省設(shè)計院集團(tuán)，云南 昆明　650228；　2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新　123000)

基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施如鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等在荷載與環(huán)境因素的長期耦合作用下極易發(fā)生由于疲勞損傷誘發(fā)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，剛—混組合結(jié)構(gòu)一定程度上可以降低結(jié)構(gòu)疲勞損傷帶來的安全隱患。鋼管混凝土是典型的剛—混組合構(gòu)件，鋼管提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，而鋼管內(nèi)填充的混凝土則提高了鋼管的剛度。鋼管混凝土具有承載能力高、施工簡單等優(yōu)點，然而核心混凝土脆性較大，由于干燥收縮產(chǎn)生的開裂會影響鋼管混凝土的質(zhì)量，因此在鋼管混凝土的基礎(chǔ)之上研制了鋼管纖維混凝土，即將纖維增強(qiáng)混凝土作為核心混凝土，改善了延性、抗壓強(qiáng)度、抗裂性，顯著提高了構(gòu)件的性能。學(xué)者們在鋼管混凝土的疲勞特性和鋼管纖維混凝土的力學(xué)性質(zhì)方面開展了大量研究，Tao等[1]研究發(fā)現(xiàn)在核心混凝土中摻加鋼纖維可提髙試件的延性，能夠顯著提高薄壁方鋼管混凝土短柱的結(jié)構(gòu)性能。杜闖等[2]利用有限元模擬了往復(fù)荷載作用下鋼管混凝土柱的疲勞特性，結(jié)果表明鋼管混凝土抗震性能比鋼筋混凝土更佳。Serkan等[3]進(jìn)行了鋼管纖維混凝土的軸壓和偏壓試驗，研究表明：在核心混凝土中摻加鋼纖維顯著提高了鋼管混凝土的力學(xué)性能。陳娟等[4]研究了鋼纖維對鋼管混凝土短柱力學(xué)性能影響，得到摻加鋼纖維能夠有效提高混凝土短柱的抗壓強(qiáng)度和極限承載能力。本文主要針對鋼管纖維混凝土柱的抗震性能進(jìn)行試驗研究，繪制了在反復(fù)荷載作用下的試件的滯回曲線，探討了不同鋼材強(qiáng)度和不同鋼纖維強(qiáng)度在相同條件下對試件抗震性能的影響。

1　試驗概況

1.1　試樣制備

本文選擇三個組進(jìn)行試驗，三組的核心混凝土均選強(qiáng)度等級為C35的混凝土，A1組選用鋼材型號為Q215型鋼管，纖維編號為Ⅰ-300型，B1組選用的鋼材的型號為Q235型鋼管，纖維型號為Ⅰ-300型，A3組選用的鋼材型號為Q215型鋼管，纖維型號為Ⅱ-200型，兩種鋼管為原型無縫鋼管，截面尺寸為φ150×4 000 mm，壁厚2.0 mm，并按照試驗的設(shè)計要求切割成相同尺寸。選用長徑比50的普碳鋼纖維，型號為Ⅰ-300型和Ⅱ-200型，其中Ⅰ-300型號的鋼纖維的彈性模量均為2.45×105GPa,抗拉強(qiáng)度2 400 MPa，Ⅱ-200型號的鋼纖維彈性模量為2.40×105GPa，抗拉強(qiáng)度為2 115 MPa。在試件的制作過程中，每次灌注后都要進(jìn)行振搗，防止缺陷產(chǎn)生。

1.2　試驗方法

采用由龍門架、L形大梁和液壓伺服作動器等組成的多功能加載系統(tǒng)進(jìn)行試驗，加載裝置采用電控千斤頂進(jìn)行。在加載軸壓的條件下對試件進(jìn)行試驗，加載級數(shù)為5，分別為位移達(dá)到5 mm,10 mm,20 mm,30 mm,40 mm時，重復(fù)加載的次數(shù)為3次。同時在圓形鋼管表面共粘貼了8片電阻應(yīng)變片，其中縱向和橫向各4片。通過數(shù)字應(yīng)變采集箱來讀取應(yīng)變片的讀數(shù)，記錄圓形鋼管在試驗過程中的變形狀態(tài)。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1　滯回曲線

滯回曲線定義為在力往復(fù)作用下所得結(jié)構(gòu)的荷載—變形曲線，可以直觀反映在加載—卸載循環(huán)作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形和剛度的退化，又稱恢復(fù)力曲線。滯回曲線越飽滿其抵抗地震的能力越強(qiáng)。圖1為試件的滯回曲線圖。根據(jù)圖1對試驗現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在試驗的5個加載級中，試件滯回曲線的反映均相對比較飽滿，說明鋼管纖維混凝土柱有較高的抵抗水平往復(fù)荷載的能力。比較各級加載曲線，發(fā)現(xiàn)每級曲線的斜率幾乎恒定在同一水平線上，說明在本次試驗的加載過程中，剛度沒有明顯的退化現(xiàn)象，試件的承載力達(dá)到極限時并未出現(xiàn)脆性破壞，鋼管纖維混凝土在發(fā)生破壞時仍然能承擔(dān)一部分荷載的作用。

2.2　耗能分析

耗能分析是為了分析試件抗震能力，耗能能力以耗能系數(shù)作為評價指標(biāo)，耗能系數(shù)是利用滯回曲線中的面積比來確定，通過對本試驗中試樣的滯回曲線計算得到的每一個試樣的耗能系數(shù)如表1所示。

表1　構(gòu)件耗能系數(shù)計算結(jié)果表

根據(jù)圖1，表1可知，隨著加載位移的變大，試件的耗能系數(shù)越大，即試件能量消耗越大、抗震能力越好；對三個試件進(jìn)行對比分析，試件的耗能系數(shù)大小依次為：B1,A1,A3，說明提高鋼材和鋼纖維的強(qiáng)度能夠有效的提高試件的耗能能力。

3　結(jié)語

分析試驗結(jié)果，我們得到以下結(jié)論：

1)提高鋼管的屈服強(qiáng)度和鋼纖維的抗拉強(qiáng)度能夠有效地增加鋼管纖維混凝土的抵抗變形的能力，提高試件的耗能能力，延緩試件的剛度退化。

2)鋼管纖維混凝土試件最大耗能系數(shù)為2.3，抗震性能良好，鋼管纖維混凝土柱是一種可用于強(qiáng)震、強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的理想結(jié)構(gòu)。

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