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        高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱抗震性能試驗(yàn)

        2019-09-23 01:02:02
        關(guān)鍵詞:軸壓延性高強(qiáng)

        (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 湖北荊州434023)

        0 引言

        鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種由鋼管和混凝土組合的結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)中,兩種材料各自發(fā)揮各自的優(yōu)勢,相互作用從而使其性能得到很大的提升:塑性韌性良好、承載能力較高、抗震能力較強(qiáng)。眾多截面形式中,尤以方鋼管混凝土柱的應(yīng)用最為廣泛。隨著科技的進(jìn)步,冷彎形成的鋼管相對于熱軋焊接而成的鋼管,優(yōu)點(diǎn)更為明顯:焊縫較少、節(jié)省施工工期、殘余應(yīng)力和殘余變形較小。冷彎鋼管混凝土結(jié)構(gòu)憑借特殊成型方式、優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能、良好的抗震性能,在未來建設(shè)中的地位也將越來越重要。

        目前,在方形截面鋼管混凝土柱的擬靜力性能方面諸多研究者已進(jìn)行了相關(guān)研究并取得一定成果。呂西林等[1]、徐培蓁等[2]通過試驗(yàn),研究了不同參數(shù)對試件抗震性能的影響,得出方鋼管混凝土柱具有良好的耗能能力。王鐵成等[3-5]利用數(shù)值模擬的方法,研究了不同參數(shù)對方鋼管混凝土柱抗震性能的影響。聶瑞鋒等[6]通過實(shí)驗(yàn)和有限元模擬并分析不同參數(shù)得出:鋼管混凝土柱的耗能能力和塑性變形能力良好。汪夢甫等[7]提出端部帶肋方鋼管混凝土柱的概念并進(jìn)行相應(yīng)構(gòu)件的抗震實(shí)驗(yàn),提出在柱端部加肋可以明顯改善構(gòu)件抗震性能。以上是基于普通鋼管混凝土柱的研究,但到目前為止,對于高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱的抗震性能研究卻鮮有報道。HAJJAR等[8-9]在考慮冷彎管平板區(qū)和彎角區(qū)材料特性影響的基礎(chǔ)上確定了擬動力荷載作用下鋼材和混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型。PATEL等[10]開發(fā)了一種新的高效數(shù)值模型來預(yù)測循環(huán)加載下的鋼管混凝土的循環(huán)特性。張耀春等[11]以軸壓比和是否設(shè)置加勁肋為主要參數(shù)設(shè)計(jì)了9根帶肋薄壁方鋼管混凝土柱進(jìn)行低周實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:軸壓比對試件的滯回性能影響很大。

        為研究高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱的抗震性能,本文基于以前學(xué)者相關(guān)研究方法[12-17],設(shè)計(jì)了不同參數(shù)下的高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱擬靜力試驗(yàn)。研究在低周往復(fù)荷載作用下,高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱的破壞模式、變形承載能力、延性變化、耗能性能以及強(qiáng)度剛度退化。討論了冷彎矩形鋼管混凝土柱抗震性能在三個試驗(yàn)參數(shù)截面長寬比、鋼管寬厚比、軸壓比下的不同變化。

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

        采用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)并制作9根高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱,考慮截面長寬比、鋼管的寬厚比、軸壓比對其抗震性能的影響,具體采用的柱子尺寸以及參數(shù)如表1及圖1所示,鋼材力學(xué)性能指標(biāo)見表2,鋼管內(nèi)填混凝土采用《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2000規(guī)范設(shè)計(jì)混凝土配合比:水泥/水/砂(過篩5 mm)/石子(5~20 mm)/減水劑為1/0.42/1.42/3.15/0.01,標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強(qiáng)度平均值為38.5 MPa。

        圖1 柱底尺寸Fig.1 Dimensions of column bottom

        試件編號柱高L/mm截面長H/mm截面寬B/mm管壁厚度t/mm長寬比寬厚比軸壓比總軸力Nu/kN軸壓力N/kNCFST11 30020010042500.2 773.768154.757CFST21 30020010052400.4870.078348.031CFST31 3002001006233.30.6965.708579.425CFST41 30020015041.3500.41 030.966412.368CFST51 30020015051.3400.61 143.803686.282CFST61 30020015061.333.30.21 255.978251.196CFST71 30020020041500.61 288.146772.888CFST81 30020020051400.21 417.528283.506CFST91 3002002006133.30.41 546.248618.499

        注:CFST1表示試件編號為1的高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱。

        表2 鋼材力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of steel

        注:t表示標(biāo)準(zhǔn)試件實(shí)測厚度,fy表示屈服強(qiáng)度,fu表示極限強(qiáng)度,Es表示彈性模量,δ表示伸長率

        1.2 試驗(yàn)介紹

        1.2.1 試驗(yàn)加載裝置

        圖2 加載裝置現(xiàn)場圖Fig.2 Photo of loading device

        試驗(yàn)采用擬靜力試驗(yàn)方法在長江大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行。加載裝置現(xiàn)場圖如圖2所示。將基礎(chǔ)底座用地錨螺栓固定;將柱子底部端板與基礎(chǔ)底座用高強(qiáng)螺栓固定,采用雙螺帽擰緊;柱頂采用2 000 kN的液壓千斤頂施加軸向力,千斤頂固定在裝有滾軸支座的橫梁上,連接板和拉桿與電液伺服系統(tǒng)(MTS)作動器500 kN連接后施加水平荷載,作動器固定在反力墻上。施加軸向力后,再次擰緊底板螺栓,確保后續(xù)加載不會出現(xiàn)滑移。正式加載前,在柱頂施加15 %預(yù)壓力,然后卸載。軸向壓力值按表1中計(jì)算值確定。

        1.2.2 加載制度及數(shù)據(jù)采集

        為方便描述,假定作動器向前推為正向加載,向后拉為負(fù)向加載。水平位移加載制度如表3。水平荷載和位移由MTS自帶系統(tǒng)采集。軸向荷載采用2 000 kN的液壓千斤頂施加軸向力,實(shí)驗(yàn)過程中時刻關(guān)注液壓千斤頂參數(shù),確保加載過程中軸壓比保持穩(wěn)定。

        在柱底距加勁肋上端20 mm外包鋼管處粘貼了12片電阻應(yīng)變片。其中,在構(gòu)件前、后側(cè)鋼管各粘貼4片應(yīng)變片,2片橫向2片豎向;左、右側(cè)鋼管各粘貼2片應(yīng)變片,試件四面示意圖如圖3,應(yīng)變片的現(xiàn)場布置情況如圖4所示。同時,在沿作動器高度方向布置一個位移計(jì)用于采集水平位移。鋼管表面應(yīng)變片的應(yīng)變讀數(shù)及位移計(jì)數(shù)據(jù)由DH3816進(jìn)行采集。

        表3 加載制度Tab.3 Loading system

        圖3 試件四面示意圖
        Fig.3 Diagram of specimen in all directions

        圖4 應(yīng)變片布置圖
        Fig.4 Layout of strain gauge

        2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

        通過對9根高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn),觀察到9個試件的整體破壞過程相似:在控制位移未達(dá)到18 mm(預(yù)估屈服位移),隨著控制位移的變化試件并未出現(xiàn)明顯現(xiàn)象,控制位移達(dá)到18 mm后,可以聽到鋼管內(nèi)部有細(xì)微響聲,此時并未發(fā)現(xiàn)鋼管有鼓曲,控制位移達(dá)到36 mm后,可以看到前側(cè)受壓處開始出現(xiàn)微小鼓曲,受拉處無明顯變化,反向加載時,后側(cè)受壓處鼓曲被拉平,受拉處開始出現(xiàn)鼓曲,隨著荷載繼續(xù)增大,前后側(cè)鼓曲越來越明顯,且左右側(cè)也出現(xiàn)鼓曲。當(dāng)控制位移到達(dá)54 mm時,受壓區(qū)鋼管迅速膨脹,且受拉區(qū)的鼓曲沒有被拉平,同時,鋼管內(nèi)部混凝土被壓碎的聲音很明顯,控制位移達(dá)到72 mm后,少數(shù)構(gòu)件可以看到底部鋼管裂開,試件已經(jīng)破壞,高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土試件的典型破壞現(xiàn)象如圖5。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 滯回曲線

        本試驗(yàn)以水平荷載P為縱坐標(biāo),冷彎矩形鋼管混凝土柱的頂端位移Δ為橫坐標(biāo),實(shí)測的冷彎矩形鋼管混凝土柱的P-Δ曲線如圖6所示。從圖中可以看出:內(nèi)部混凝土使得外部鋼管出現(xiàn)局部屈曲的時間延后從而使得鋼管的穩(wěn)定性得到了增強(qiáng),因此大部分試件的滯回曲線的形狀表現(xiàn)為飽滿的梭形,沒有明顯的捏縮現(xiàn)象,個別試件除外。下面具體就各個構(gòu)件的滯回曲線具體分析:

        ①CSFT1:滯回曲線整體表現(xiàn)飽滿,滯回環(huán)在加載初期基本呈現(xiàn)為梭形形狀,沒有明顯的捏縮現(xiàn)象。從圖中可以看出正反滯回環(huán)幾乎以原點(diǎn)為中心呈現(xiàn)出良好的對稱現(xiàn)象。荷載加大,試件承載能力卻減小,滯回環(huán)出現(xiàn)輕微捏縮,剛度強(qiáng)度退化明顯。

        ②CSFT2:滯回曲線飽滿,破壞時由梭形變?yōu)楣危蜃畲笏胶奢d大于負(fù)向水平荷載,可能是因?yàn)樨?fù)向加載時構(gòu)件內(nèi)部還有正向加載的殘余應(yīng)力,導(dǎo)致負(fù)向荷載達(dá)不到正向荷載的最大值,破壞后承載力迅速下降。

        ③CFST3:滯回環(huán)面積較大,表現(xiàn)出良好的耗能,整體呈現(xiàn)梭形,破壞時未見明顯捏縮,破壞后承載力下降較快,正負(fù)向比較對稱。

        ④CFST4:加載初期呈現(xiàn)良好的梭形,破壞后出現(xiàn)明顯捏縮現(xiàn)象,這是因?yàn)榈撞夸摪迓菟ū焕瓟?,底座滑移的影響,但滯回環(huán)面積又增加說明耗能性能好。

        ⑤CFST5:滯回曲線較飽滿,加載初期呈現(xiàn)良好梭形,破壞后荷載下降緩慢,承載力較好,但是加載后期負(fù)向承載力突然下降,由于負(fù)向拉回最大時,柱底正向與底座固定的螺栓被拉斷,導(dǎo)致負(fù)向承載力劇降。

        ⑥CFST6:滯回曲線整體呈現(xiàn)Z形,表明出現(xiàn)大量剪力和滑移,試件后期在原有柱底板上焊接了一快較大的鋼板,便于和底座固定,在加載過程中,焊縫被拉斷,導(dǎo)致大量滑移,滯回曲線受到明顯影響。

        ⑦CFST7:滯回曲線飽滿,滯回環(huán)呈梭形,正負(fù)向關(guān)于原點(diǎn)幾乎對稱,承載力較好,捏縮現(xiàn)象不明顯,耗能較好。

        ⑧CFST8:整體出現(xiàn)明顯捏縮現(xiàn)象,屈服后底座出現(xiàn)滑移,但承載力相對較高,下降較平穩(wěn),整體滯回性能較好。

        ⑨CFST9:滯回曲線整體比較飽滿,試驗(yàn)構(gòu)件在整個加載過程中滯回環(huán)表現(xiàn)為梭形,未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象,滯回性能穩(wěn)定,說明具有較好的耗能能力。

        總體而言:高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱在低周往復(fù)荷載作用下的滯回性能較好,在正向加載時基本從同一點(diǎn)出發(fā)按照不同路徑到最大值,反向卸載時按照大體相同的斜率下降,滯回環(huán)所包圍的面積越來越大,耗能能力越來越好。

        (a) CFST1

        (b) CFST2

        (c) CFST3

        (d) CFST4

        (e) CFST5

        (f) CFST6

        (g) CFST7

        (h) CFST8

        (i) CFST9

        3.2 骨架曲線

        骨架曲線可以反映構(gòu)件整體的承載力變化趨勢,分析延性變化特征。圖7為試件的荷載—位移骨架曲線,根據(jù)不同參數(shù)變化下的各試件骨架曲線的對比,可以得出以下結(jié)論:

        ①整體而言:骨架曲線發(fā)展趨勢基本一致,加載初期,構(gòu)件處于彈性階段,曲線上升趨勢為直線。荷載繼續(xù)增加,構(gòu)件進(jìn)入屈服階段,曲線斜率表現(xiàn)為減小的形式,構(gòu)件承載力達(dá)到最大,加載后期下降緩慢,趨于平穩(wěn),說明具有良好的塑形。并且正向和負(fù)向的骨架曲線并不是完全對稱,這是因?yàn)檎蚣虞d后構(gòu)件內(nèi)部的具有一定的殘余變形,負(fù)向加載時構(gòu)件要抵消這部分殘余變形從而導(dǎo)致負(fù)向加載時的承載力普遍低于正向加載時的承載力。

        (a) 長寬比2

        (b) 長寬比1.3

        (c) 長寬比1

        (d) 寬厚比50

        (e) 寬厚比40

        (f) 寬厚比33.3

        (g) 軸壓比0.2

        (h) 軸壓比0.4

        (i) 軸壓比0.6

        圖7 高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱骨架曲線
        Fig.7 Skeleton curves of concrete-filled high strength cold-formed rectangular steel tubular columns

        ②對于長寬比相同的構(gòu)件,軸壓比越大,承載力越大,但下降趨于陡峭,說明延性差;隨著長寬比減小,軸壓比的影響變得不明顯,說明長寬比在一定范圍內(nèi),軸壓比越大,構(gòu)件承載力越好,延性越差。寬厚比的影響相對較小。

        ③對于寬厚比相同的構(gòu)件,長寬比越大,承載力越大,但上升段和下降段較陡峭,峰值點(diǎn)很高,軸壓比的影響相對較小。

        ④對于軸壓比相同的構(gòu)件,在一定范圍內(nèi),長寬比越小,承載力越大,寬厚比越小,加載后期曲線上升和下降越陡峭。

        3.3 延性與耗能分析

        各構(gòu)件的位移—荷載值在屈服點(diǎn),峰值點(diǎn),破壞點(diǎn)以及延性系數(shù)見表4。

        表4 各特征點(diǎn)下試件的荷載—位移值Tab.4 Measured load and displacement of specimen at characteristic points

        表4表現(xiàn)出各個構(gòu)件的位移延性系數(shù)都不一樣,并且同一構(gòu)件的位移延性系數(shù)在正向加載和反向加載時也表現(xiàn)不一致,這是因?yàn)檎蚣虞d后構(gòu)件存在殘余應(yīng)力。各構(gòu)件的位移延性系數(shù)均大于3,滿足規(guī)范要求,延性性能良好。采用方差分析和比較各個因素對位移延性系數(shù)的影響大小。位移延性系數(shù)分析結(jié)果見表5,K1、K2、K3分別為長寬比、寬厚比、軸壓比三個因素分別控制下的位移延性系數(shù)之和,以第一列計(jì)算過程為例,K1=4.31+3.87+3.5=11.68,K2=4.24+4.04+3.1=11.38,K3=3.61+3.54+3.26=10.41,極差R=max{11.68,11.38,10.41}- min{11.68,11.38,10.41}=1.27。

        表5 延性系數(shù)極差分析結(jié)果Tab.5 Results of range analysis of μ

        方差計(jì)算結(jié)果見表6,可以得出以下結(jié)論:

        ①長寬比和寬厚比對試件的屈服位移影響顯著,軸壓比的影響不明顯,長寬比的影響最大。

        ②長寬比、寬厚比和軸壓比對破壞位移的影響均不明顯,但就三個因素下的F值比較而言,長寬比的影響大于寬厚比且大于軸壓比。

        ③長寬比、寬厚比和軸壓比對位移延性系數(shù)沒有顯著影響。比較分析各不同參數(shù)下的F值,可以得出以下結(jié)論:長寬比、寬厚比和軸壓比對位移延性系數(shù)的影響因素的大小關(guān)系為軸壓比<長寬比<寬厚比。

        表6 屈服位移、破壞位移、延性系數(shù)方差分析結(jié)果Tab.6 Results of variance analysis of Δy, Δu and μ

        圖8 he-Δ曲線圖Fig.8 Curves of he versus Δ

        圖8為各個試件在第一次加載循環(huán)下的荷載—位移滯回曲線的等效粘滯系數(shù)。由圖8可知,構(gòu)件在屈服之前處于彈性階段,耗能沒有太大波動,處于相同水平,位移達(dá)到18 mm(預(yù)估屈服位移)后,隨著加載位移逐漸增大,試件進(jìn)入塑形階段,耗能能力逐漸增強(qiáng)。各試件不同階段耗能見表7,由表可得,當(dāng)試件進(jìn)入屈服狀態(tài)后,能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼系數(shù)he都隨荷載位移的增大而增大,能量耗散系數(shù)E最大達(dá)到3.593 0。

        表7 各構(gòu)件在不同階段耗能Tab.7 Energy dissipation at different stages

        3.4 強(qiáng)度退化

        本試驗(yàn)采用第三次循環(huán)時的最大水平荷載P3與第1次循環(huán)的時的最大水平荷載P1之比P3/P1來表示構(gòu)件的強(qiáng)度退化。圖9給出了各個構(gòu)件強(qiáng)度退化與加載等級的關(guān)系。

        (a) CFST1

        (b) CFST2

        (c) CFST3

        (d) CFST4

        (e) CFST5

        (f) CFST6

        (g) CFST7

        (h) CFST8

        (i) CFST9

        從圖9可以看出,構(gòu)件的強(qiáng)度退化越來越嚴(yán)重,隨著位移荷載的增大而增大,這是因?yàn)楹诵幕炷恋膿p傷不斷積累,混凝土的裂縫逐漸增多直至碎裂,鋼板與混凝土之間的滑移等影響。試件的正負(fù)向強(qiáng)度退化并不一致,這是因?yàn)檎蚣虞d后構(gòu)件內(nèi)部的具有一定的殘余變形,所以負(fù)向加載時構(gòu)件要抵消這部分殘余變形,并且外部鋼管因?yàn)閮?nèi)部核心混凝土的存在局部屈曲可以得到延緩甚至被避免發(fā)生,從而增強(qiáng)了鋼管的穩(wěn)定性。

        4 結(jié)論

        ①高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為壓彎破壞,柱底鋼管破壞形態(tài)表現(xiàn)為鼓曲破壞。

        ②高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱在低周往復(fù)荷載作用下的滯回曲線大部分呈現(xiàn)為飽滿的梭形,捏縮現(xiàn)象不明顯。表現(xiàn)出的滯回性能優(yōu)良。隨著水平位移增加,滯回環(huán)所包圍的面積越來越大,耗能性能越來越好。各構(gòu)件的位移延性系數(shù)均大于3,滿足規(guī)范要求,延性性能良好。

        ③截面長寬比和鋼管寬厚比對高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱的屈服位移影響顯著,對位移延性系數(shù)沒有顯著影響,但各因素對位移延性系數(shù)的影響主次關(guān)系為鋼管寬厚比>截面長寬比>軸壓比。

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