(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) (長江大學(xué)審計處，湖北 荊州 434023)

方鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗及設(shè)計參數(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) (長江大學(xué)審計處，湖北荊州434023)

為了定量分析不同因素對方鋼管再生混凝土柱在低周反復(fù)荷載下抗震性能指標的影響，選擇再生骨料取代率、含鋼率和軸壓比為設(shè)計變化參數(shù)，開展了4根框架柱的擬靜力試驗。詳細觀測了框架柱破壞過程中及破壞后的形態(tài)，分析了實測滯回曲線，探究了設(shè)計變化參數(shù)對框架柱承載力、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

自改革開放以來，我國經(jīng)濟發(fā)展速度日益加快。房地產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)空前繁榮，城市化進程也逐步加大，造就了我國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，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]對鋼管再生混凝土柱滯回性能進行了較為深入細致的研究。

由于不同學(xué)者的再生混凝土來源各不相同，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，十分有必要進一步研究不同影響因素對抗震性能指標的影響程度。為此，筆者基于已進行的4根方鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗[12]，定量分析了再生骨料替代率、含鋼率、軸壓比對試件各項抗震性能指標的影響程度，以期為鋼管再生混凝土的設(shè)計和推廣提供理論支撐。

1 試驗概況

1.1試件設(shè)計

選取再生骨料取代率、軸壓比、含鋼率(鋼管壁厚)為設(shè)計變化參數(shù)，制作了4根方鋼管柱縮尺模型，編號分別為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1000kN油壓千斤頂施加豎向軸力，水平荷載采用電液伺服作動器施加，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)加載過程中，鼓曲部位剛開始出現(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，敲擊時聲音沉悶，無空鼓聲。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

試驗測得的滯回曲線如圖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)計變化參數(shù)影響分析

定量分析不同的設(shè)計變化參數(shù)對試件承載力、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)再生骨料取代率對位移延性系數(shù)的影響 再生骨料取代率對位移延性系數(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^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，滿足抗震性能指標對于位移延性系數(shù)的要求，再生骨料取代率為50%時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)再生骨料取代率對承載力的影響 再生骨料取代率對承載力的影響如圖6所示。由圖6可知，試件Z-0、Z-1在屈服時承載力為57.68、61.66kN，在極限點時承載力為98.91、93.60kN。隨著再生骨料取代率的增大，試件在屈服點、極值點承載力分別提高了6.90%、-5.37%?？傮w看來，變化幅度較小，即再生骨料取代率為50%時，方鋼管再生混凝土柱特征點承載力較為穩(wěn)定。原因有以下2方面：一方面是再生骨料在制作過程中會經(jīng)過破碎，勢必會對骨料造成損傷，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，被吸收的水分會引起實際水膠比的降低，繼而造成再生混凝土強度會增強，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。基于工程中對承載力的需求，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，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 再生骨料取代率對位移延性系數(shù)的影響 圖6 再生骨料取代率對承載力的影響

圖7 再生骨料取代率對剛度的影響

3)再生骨料取代率對剛度的影響 再生骨料取代率對剛度的影響如圖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、極值點、破壞點的剛度變化幅度分別為-6.19%、-0.92%、-16.67%、-2.29%。試件在極值點時剛度變化幅度較大，這主要是因為該階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)再生骨料取代率對耗能能力的影響 評價結(jié)構(gòu)的耗能能力，一般會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。有時也會選擇滯回環(huán)每級循環(huán)包圍的面積之和來表示耗能能力，稱為總耗能Ep。因為每個試件加載過程中經(jīng)歷的歷程互不相同，故選擇這2種方法來評價各試件的耗能能力。再生骨料取代率對等效黏滯阻尼系數(shù)的影響如圖8所示，再生骨料取代率對總耗能的影響如圖9所示。

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

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。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、極值點、破壞點分別下降了10.16%、7.48%、2.86%，總耗能在屈服點、極值點、破壞點分別下降了12.38%、5.67%、8.84%。到破壞階段時，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所達到的等效黏滯阻尼系數(shù)。

4.2含鋼率

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

圖10 含鋼率對位移延性系數(shù)的影響 圖11 含鋼率對承載力的影響

圖12 含鋼率對剛度的影響

3)含鋼率對剛度的影響 含鋼率對試件不同階段剛度的影響如圖12所示。由圖12可知，對比試件Z-1，試件Z-2在彈性階段、屈服點、極值點的剛度分別提高了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)勢對試件的剛度的提高程度逐步下降，直至破壞時提高程度僅16.24%。這主要得益于鋼管壁厚增大對核心混凝土的約束作用越強，彈性階段時鋼管不出現(xiàn)鼓曲，約束作用較強。隨著加載的持續(xù)，結(jié)合試件加載過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象可知，鋼管鼓曲后的凸出程度變大，繼而鋼管對混凝土的約束效果出現(xiàn)下降，此時鋼管壁厚的優(yōu)勢不明顯，故其剛度也逐步出現(xiàn)降低。

4)含鋼率對耗能能力的影響 含鋼率對等效黏滯阻尼系數(shù)的影響如圖13所示，含鋼率對總耗能的影響如圖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。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、極值點、破壞點分別上升了14.78%、16.67%、23.53%，總耗能在屈服點、極值點、破壞點分別上升了20.19%、24.06%、26.85%，且越到加載后期，其耗能能力提高程度越大。說明鋼管壁厚越大，即含鋼率越高，對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 含鋼率對等效黏滯阻尼系數(shù)的影響 圖14 含鋼率對總耗能的影響

4.3軸壓比

1)軸壓比對位移延性系數(shù)的影響 軸壓比對試件位移延性系數(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。這主要是因為在加載前期時，鋼管對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)軸壓比對承載力的影響 軸壓比對試件不同階段承載力的影響如圖16所示。由圖16可知，對比試件Z-1，試件Z-3在屈服點、極值點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，且在極值點的提高程度大于屈服點的。這還是因為屈服點時鋼管和核心混凝土黏結(jié)性能較好，極值點時黏結(jié)性能減小，協(xié)同工作效果降低所造成的。

圖15 軸壓比對位移延性系數(shù)的影響 圖16 軸壓比對承載力的影響

圖17 軸壓比對剛度的影響

3)軸壓比對剛度的影響 軸壓比對試件不同階段剛度的影響如圖17所示。由圖17可知，對比試件Z-1，試件Z-3在彈性階段、屈服點、極值點、破壞點的剛度分別提高了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。尤其是在極值點及破壞點時，提高率大體相同，較為接近，說明剛度對軸壓比的變化十分敏感。

4)軸壓比對耗能能力的影響 軸壓比對等效黏滯阻尼系數(shù)的影響如圖18所示，對總耗能的影響如圖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、極值點、破壞點分別降低了29.57%、15.15%、5.88%，總耗能在屈服點、極值點、破壞點分別降低了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?；趯嶋H工程中對結(jié)構(gòu)耗能的要求，再生混凝土可用于實際工程的方鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)中。

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

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。

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[編輯]計飛翔

2017-06-30

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計劃項目(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及設(shè)計參數(shù)影響分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017,14(21)：54～60.

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