黃 丹， 王成剛， 李祝情， 柳炳康

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

將再生混凝土澆筑于鋼管中，形成鋼管再生混凝土，利用鋼管的套箍作用使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)。鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)有效地結(jié)合了鋼管和再生混凝土這兩種材料的特點(diǎn)，改善了再生混凝土的性能，成為一種有效的結(jié)構(gòu)形式。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)鋼管再生混凝土構(gòu)件的研究主要集中在其受力性能方面，楊有福［1］、肖建莊［2］等對(duì)鋼管再生混凝土軸壓和偏壓柱的受力性能做了大量研究，Konn，K．［3］等對(duì)鋼管再生混凝土構(gòu)件的軸壓性能進(jìn)行了考察探究，研究結(jié)果均表明，鋼管再生混凝土柱在軸向壓力和偏心壓力作用下有足夠的承載能力，其荷載－位移關(guān)系曲線特性與鋼管普通混凝土構(gòu)件相似，鋼管再生混凝土柱的剛度和極限強(qiáng)度低于鋼管普通混凝土構(gòu)件，其大小與再生骨料取代率有關(guān)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始關(guān)注鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能［4－7］，為更好地了解鋼管再生混凝土壓彎構(gòu)件在低周反復(fù)荷載作用下的破壞形態(tài)和抗震特性，本文通過(guò)變化含鋼率和軸壓比兩個(gè)參數(shù)，對(duì)3個(gè)圓鋼管再生混凝土壓彎構(gòu)件進(jìn)行了水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到試件的延性系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)等抗震性能指標(biāo)，分析了不同參數(shù)下各個(gè)試件的延性性能和耗能能力，為鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1．1 試驗(yàn)材料

再生混凝土材料如下:42．5R普通硅酸鹽水泥，水為自來(lái)水，砂為普通中粗砂，再生粗骨料是拆除某建筑廢棄混凝土破碎而得，依據(jù)《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》（JGJ53－92），進(jìn)行了再生粗骨料含水率、篩分、針片狀和吸水率等試驗(yàn)。再生粗骨料最大粒徑為25mm，連續(xù)級(jí)配，粒徑2．5～16mm、16～25mm的粗骨料分別占粗骨料總質(zhì)量的73．8%、25．4%，測(cè)得粗骨料針片狀含量為4．17%，其余材性指標(biāo)見(jiàn)表1。混凝土配合比為:水:水泥:砂:粗骨料為1:2．05:2．43:5．17。試驗(yàn)測(cè)得再生混凝土立方體試塊28d抗壓強(qiáng)度平均值為33．6MPa，彈性模量Ec通過(guò)文獻(xiàn)［4］的建議公式計(jì)算得出，Ec＝27200 MPa，結(jié)果與再生混凝土材料性能吻合。

鋼管采用Q235B鋼，根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)》（GB／T228．1－2010），進(jìn)行了鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足要求。

1．2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以框架柱為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了3個(gè)試件，試件YDZA2和試件YDZA5－2含鋼率不同，軸壓比相同；試件YDZA5－1和試件YDZA5－2軸壓比不同，含鋼率相同。試件的再生粗骨料取代率均取100%，試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，試件加工圖如圖1所示。

表1 粗骨料基本性能指標(biāo)

表2 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 試件加工圖

1．3 試驗(yàn)加載裝置和加載方法

試驗(yàn)在合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ101－96）［8］采用擬靜力試驗(yàn)方法。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加載裝置見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)時(shí)先用千斤頂在柱頂施加豎向軸力至預(yù)定值，然后采用MTS電液伺服作動(dòng)器在試件頂部施加水平低周反復(fù)荷載模擬地震作用。試驗(yàn)前先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加反復(fù)荷載1次，預(yù)加荷載大小按照小于30%預(yù)估屈服荷載的原則取為15kN。采用荷載－位移雙控制的加載制度，鋼管屈服前采用荷載控制并分級(jí)加載，根據(jù)預(yù)先計(jì)算的試件屈服荷載大小取適量增幅，第一次加載循環(huán)取的屈服荷載的20%，以屈服荷載的10%為級(jí)差逐級(jí)遞增加載。試件進(jìn)入屈服后改用位移控制并分級(jí)加載，在屈服位移值的基礎(chǔ)上取5mm的增幅進(jìn)行位移控制加載，每級(jí)荷載均反復(fù)加載三次，加至試件破壞時(shí)停止試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 試驗(yàn)現(xiàn)象

加載初期，試件處于彈性階段，變形不明顯，試件應(yīng)變和位移值隨著荷載的增加而增大，隨著加載的進(jìn)行，鋼管底部受壓一側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)微小的屈曲外凸的“象腿”現(xiàn)象，構(gòu)件開(kāi)始進(jìn)入強(qiáng)化階段。隨著卸載和反向加載過(guò)程的進(jìn)行，鋼管另一側(cè)也開(kāi)始出現(xiàn)鼓曲。加載至接近破壞位移時(shí)，鼓曲部分急劇增長(zhǎng)，試件YDZA5－1和試件YDZA5－2鋼管底部鼓屈部分出現(xiàn)裂口，試件YDZA2試件腳底的焊縫被拉裂，試件的承載力迅速下降，構(gòu)件在豎向和水平荷載的共同作用下宣告破壞。鋼管外凸裂開(kāi)處有部分混凝土碎屑掉落，表明鋼管核心混凝土被壓碎。圖3所示為各試件柱根部的破壞狀態(tài)，3根試件均是柱底壓屈破壞。

圖3 試件破壞模式

2．2 滯回曲線

試驗(yàn)過(guò)程中得到鋼管再生混凝土柱的水平荷載－位移滯回曲線（P－Δ曲線），如圖4所示。分析比較各試件滯回曲線可知:

（1）鋼管再生混凝土柱的滯回曲線形狀均呈梭形，加載過(guò)程中曲線的斜率在不斷減小，表明試件在反復(fù)荷載作用下剛度不斷退化。

（2）對(duì)比試件YDZA2和YDZA5－2的滯回曲線，構(gòu)件的水平承載力及塑性變形能力隨著鋼管壁厚的增加而提高，試件YDZA5－2的含鋼率高，耗能能力大，延性性能好；試件YDZA2的含鋼率低，承載能力和滯回性能均不如試件YDZA5－2。

（3）對(duì)比試件YDZA5－1和YDZA5－2的滯回曲線，構(gòu)件的水平承載力和彈性剛度隨軸壓比的增加有所提高，試件YDZA5－2在達(dá)到峰值荷載后的承載力下降較明顯，試件YDZA5－1的位移變形大于試件YDZA5－2，說(shuō)明試件軸壓比越小，其延性和耗能能力越好。

圖4 試件滯回曲線

2．3 骨架曲線

各試件的骨架曲線對(duì)比圖如圖5所示。在試件彈性工作階段，水平荷載與試件位移呈線性關(guān)系，隨著軸壓比和含鋼量的增加，構(gòu)件的彈性剛度及水平承載力均有明顯的提高，因?yàn)樵趶椥噪A段，構(gòu)件的變形小，P－Δ效應(yīng)影響不明顯。進(jìn)入彈塑性階段后，構(gòu)件水平承載力繼續(xù)隨軸壓比和含鋼量的增加而增大，軸壓比越大，構(gòu)件屈服后累積損傷的發(fā)展越快，故變形性能降低，至構(gòu)件的水平承載力達(dá)到峰值荷載的85%左右，試件進(jìn)入破壞階段，最終鋼管鼓屈或底部拉裂。

2．4 剛度退化曲線

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ101－96）計(jì)算試件剛度的建議，得到鋼管再生混凝土柱的剛度退化曲線如圖6示?？梢钥闯觯S壓比越大的構(gòu)件，曲線下降段越陡，承載力下降快，則剛度退化越快，在彈性階段內(nèi)，試件的剛度隨軸壓比的增加而有所提高。含鋼率小的試件，剛度退化較快，承載力低。

圖5 試件骨架曲線

2．5 延性和耗能能力

由滯回曲線及骨架曲線計(jì)算得到的各試件的結(jié)果試驗(yàn)值見(jiàn)表3。鋼管再生混凝土柱的延性系數(shù)在3．55～4．76之間，表明鋼管再生混凝土柱具有良好的變形性能。試件延性隨軸壓比的增加降低，隨含鋼率的增加而有所提高。試件YDZA2的等效粘滯阻尼系數(shù)接近0．1，隨著含鋼量的增加，另兩個(gè)試件的等效粘滯阻尼系數(shù)在0．12左右，且隨著軸壓比的增大而減小，試件耗能能力降低。

圖6 試件剛度退化曲線

表3 試件試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)3個(gè)鋼管再生混凝土柱的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論:

（1）含鋼率對(duì)試件的滯回性能影響較為明顯，在構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比、再生粗骨料取代率及軸壓比相同的條件下，試件的含鋼率越高，鋼管對(duì)核心混凝土的約束越強(qiáng)，核心混凝土變形性能得到明顯改善，柱的承載力及延性都得到提高。

（2）軸壓比影響試件的抗震性能［9］，隨軸壓比的增加，試件的承載力、延性和耗能能力均降低，故對(duì)鋼管再生混凝土柱的軸壓比需有限制在一定范圍。

（3）試驗(yàn)分析表明，圓鋼管再生混凝土柱的滯回曲線呈梭形，延性系數(shù)在3．55～4．76之間，等效粘滯阻尼系數(shù)在0．1左右，說(shuō)明鋼管再生混凝土具有良好的變形性能和耗能能力，能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求。

1 You－Fu Yang，Lin－Hai Han，Experimental behav－iour of recycled aggregate concrete filled steel tubular Columns［J］，Journal of Constructional Steel Research，2006，P:1310－1324．

2 肖建莊，楊 潔，黃一杰，等．鋼管約束再生混凝土軸壓試驗(yàn)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32（6）:92－98．

3 Konno K，Sato Y，Kakuta Y，et al．Property of recycled concrete column encased by steel tube subjected to axial compression［J］．Transactions of the Japan Concrete Institute，1997，19（2）:231－238．

4 張國(guó)強(qiáng)，尚守平，徐 峰．綠色結(jié)構(gòu)工程［M］．北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009．

5 韓林海，楊有福．現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007．

6 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），2012，40（11）:1596－1602．

7 聶瑞鋒，徐培蓁，閻 宇．方鋼管混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究和仿真分析［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，41（3）:330－335．

8 JGJ101－96．建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997:9－15．

9 GB50011－2010．建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．