吳兆艷張愛(ài)社徐明東

(山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼管內(nèi)填充混凝土來(lái)承受外界荷載。鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼管和混凝土材料各自的優(yōu)點(diǎn)[1-3]，具有良好的抗壓和抗拉強(qiáng)度，彌補(bǔ)了鋼管和混凝土材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中的不足。鋼管混凝土構(gòu)件在承受相同外力作用下，其截面面積小，且具有較好的延性性能、施工工期短、施工方便的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用前景廣闊，學(xué)者們對(duì)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的性能研究也越來(lái)越深入[4-8]。李斌等[9]設(shè)計(jì)8根方鋼管高強(qiáng)混凝土柱進(jìn)行抗震試驗(yàn)，以軸壓比、含鋼率和長(zhǎng)細(xì)比為變量參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱滯回曲線飽滿，表明試件的耗能能力強(qiáng)，且達(dá)到極限荷載后具有良好的延性和較為穩(wěn)定的后期承載能力。吳誠(chéng)等[10]設(shè)計(jì)4根方鋼管超高性能混凝土短柱進(jìn)行抗震試驗(yàn)，以混凝土強(qiáng)度等級(jí)、軸壓比、含鋼率為參數(shù)，結(jié)果表明方鋼管超高性能混凝土短柱的破壞形態(tài)與方鋼管普通混凝土短柱相似，但是超高性能鋼纖維混凝土填充方鋼管柱表現(xiàn)出更好的延性、耗能能力。

學(xué)者們通過(guò)對(duì)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，得出被填充高強(qiáng)度混凝土的鋼管具有很強(qiáng)的延性?；钚苑勰┗炷?Reactive Powder Concrete，RPC)是20世紀(jì)90年代初由國(guó)外研究開(kāi)發(fā)的一種新型水泥基復(fù)合材料，其具有高強(qiáng)度、高耐久性及高韌性等性能[11-14]。許多學(xué)者研究了活性粉末混凝土構(gòu)件性能，在鋼管活性粉末混凝土柱性能研究方面主要集中在柱的軸壓性能。閆志剛等[15]采用全截面受壓方法進(jìn)行了圓鋼管RPC短柱軸心受壓試驗(yàn)，提出了鋼管RPC短柱的極限承載力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。楊駿[16]利用大型有限元軟件ABAQUS建立鋼管RPC長(zhǎng)柱模型進(jìn)行軸心受壓性能試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼管RPC長(zhǎng)柱后期強(qiáng)度提高較大，且延性較好。季文玉等[17]設(shè)計(jì)14根鋼管活性粉末混凝土長(zhǎng)柱進(jìn)行軸壓性能試驗(yàn)，研究鋼管RPC柱的長(zhǎng)細(xì)比及大長(zhǎng)細(xì)比下套箍系數(shù)對(duì)鋼管RPC柱軸壓性能的影響，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的極限承載力增大。牛志強(qiáng)等[18]通過(guò)設(shè)計(jì)方鋼管活性粉末混凝土軸壓柱試驗(yàn)，以長(zhǎng)細(xì)比、含鋼率為試驗(yàn)變量，研究了試件的破壞形態(tài)、荷載-位移和荷載-應(yīng)變曲線，并對(duì)比了試件承載力與普通鋼管混凝土柱的承載力。除了研究鋼管活性粉末混凝土柱的軸壓性能，學(xué)者們也研究了鋼管活性粉末混凝土柱在水平力作用下的性能變化。鄧宗才等[19]運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對(duì)RPC短柱進(jìn)行擬靜力水平作用試驗(yàn)，研究軸壓比、配箍率和縱筋配筋率對(duì)RPC短柱抗震性能的影響，表明了隨著軸壓比的增大，試件的延性逐漸降低，配箍率和縱筋配筋率的增大可以增強(qiáng)試件的抗震性能。

目前，鋼管活性粉末混凝土柱的性能研究大多集中在試件的軸壓性能方面，而對(duì)水平力作用下的抗震性能研究仍然偏少。因此，亟需開(kāi)展鋼管活性粉末混凝土柱在水平力作用下的抗震性能研究。為此，文章設(shè)計(jì)了4根方鋼管活性粉末混凝土柱進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)[20]，研究試件在水平力作用下的受力機(jī)制和破壞形態(tài)，通過(guò)分析構(gòu)件的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線、延性系數(shù)等力學(xué)性能指標(biāo)，分析軸壓比和含鋼率對(duì)試件抗震性能的影響，進(jìn)而為方鋼管活性粉末混凝土柱的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 鋼管RPC柱試驗(yàn)概況

1.1 鋼管RPC柱試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)4根方鋼管活性粉末混凝土柱，試驗(yàn)變量包括軸壓比和含鋼率，分別由式(1)和(2)表示為

式中n為軸壓比；fc為活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度，MPa；A為試件截面面積，mm2；N為豎向荷載，MPa；α為含鋼率；B為試件截面寬度，mm；t為鋼管壁厚，mm。

試件的主要參數(shù)見(jiàn)表1，鋼管RPC柱高為1 250 mm。方鋼管截面尺寸為200 mm×200 mm，鋼管壁厚度分別為3和5 mm。方鋼管內(nèi)部填充活性粉末混凝土，采用Q235B的成品方鋼管，柱和底座的設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 鋼管RPC柱試件尺寸及配筋圖/mm

表1 鋼管RPC柱試件參數(shù)表

1.2 材料力學(xué)性能

1.2.1 活性粉末混凝土力學(xué)性能

活性粉末混凝土的組成材料如下:42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥、專用摻合料、細(xì)骨料、密度為170 kg/m3的鋼纖維、FDN型高效減水劑。

參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[21]，測(cè)得RPC試塊的立方體(邊長(zhǎng)為100 mm)抗壓強(qiáng)度為112.6 MPa。

1.2.2 方鋼管力學(xué)性能

鋼管的屈服強(qiáng)度為302.1 MPa，極限強(qiáng)度為365 MPa，彈性模量為200 GPa，伸長(zhǎng)率≥26%。

1.3 測(cè)試內(nèi)容與加載制度

測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2所示。選取試件的不同截面處貼應(yīng)變片收集試件應(yīng)變數(shù)據(jù)，分別為距離柱底端20、150、300 mm處，在每處截面上，試件前后兩側(cè)各設(shè)置2個(gè)應(yīng)變片，共計(jì)12個(gè)應(yīng)變片。位移計(jì)為精確測(cè)量試件絕對(duì)位移，需安放在試件支座處、柱計(jì)算長(zhǎng)度的中點(diǎn)以及水平作動(dòng)器作用中心。

圖2 應(yīng)變片位置圖

試件的加載方法采用JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》[22]。對(duì)試件施加豎向軸力的40%～50%，完成一次加卸載試驗(yàn)，目的是排除試件內(nèi)部組織不均勻性對(duì)試驗(yàn)影響；試驗(yàn)時(shí)，豎向軸力加載至滿載并一直保持到試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)采用施加位移方法控制加載，豎向荷載加載速度為1 kN/min。前4步的加載位移分別為2、4、6、8 mm，每級(jí)位移加載循環(huán)一次，從第5步開(kāi)始每級(jí)增加步長(zhǎng)變?yōu)? mm，加載位移分別為8、12、16 mm直至加載到方鋼管活性粉末混凝土柱屈服，每級(jí)位移循環(huán)一次。試件屈服后每級(jí)位移加載循環(huán)2次，每級(jí)增加步長(zhǎng)取8 mm，當(dāng)水平荷載下降至最大荷載的85%，認(rèn)為試件破壞即停止試驗(yàn)。每級(jí)荷載的加載間歇15 min使各儀表讀數(shù)趨于穩(wěn)定，以便讀取記錄數(shù)據(jù)。

圖3 作動(dòng)器加載位移圖

2 鋼管RPC柱試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過(guò)程及形態(tài)

試件均發(fā)生局部鼓曲破壞，以試件RPC-Z1為例詳述其破壞過(guò)程如下:當(dāng)RPC-Z1受推位移達(dá)到Δ=26.2 mm時(shí)，其荷載達(dá)到125.5 kN，試件進(jìn)入屈服階段滯回曲線開(kāi)始下降；當(dāng)受拉位移Δ=20.5 mm時(shí)，其荷載達(dá)到99.4 kN，試件的滯回曲線也開(kāi)始下降(因制作與安裝的誤差導(dǎo)致試件受推力和拉力數(shù)據(jù)不對(duì)稱)取正負(fù)的平均值作為屈服荷載和屈服位移，即屈服荷載為112.5 kN，屈服位移Δ=23.4 mm；當(dāng)受推位移達(dá)到Δ=60 mm時(shí)，荷載達(dá)到165 kN，此時(shí)方鋼管活性粉末混凝土柱的左側(cè)底部出現(xiàn)了輕微鼓曲變形，當(dāng)受拉位移達(dá)到Δ=52 mm時(shí)，荷載達(dá)到了143 kN，此時(shí)方鋼管活性粉末混凝土柱的左側(cè)鼓曲消失，方鋼管活性粉末混凝土柱試件右側(cè)底部顯現(xiàn)鼓曲變形，如圖4所示；當(dāng)受推位移Δ=76 mm，其荷載為129kN，當(dāng)受拉位移Δ=74.5mm，其荷載為122 kN，方鋼管活性粉末混凝土柱受到的水平荷載均下降到峰值荷載的＜85%；繼續(xù)對(duì)方鋼管活性粉末混凝土柱進(jìn)行加載，柱底出現(xiàn)更大的鼓曲變形，方鋼管內(nèi)部的活性粉末混凝土被壓碎，試件破壞。

圖4 試件鼓曲變形圖

與RPC-Z1的破壞過(guò)程和形態(tài)類似，RPC-Z2、RPC-Z3、RPC-Z4均發(fā)生局部鼓曲破壞，只是試件破壞時(shí)的位移與荷載不同。這4個(gè)試件破壞過(guò)程中的荷載和位移見(jiàn)表2。

表2 鋼管RPC柱試件破壞特征點(diǎn)的平均值表

2.2 滯回曲線

從各試件荷載-位移數(shù)據(jù)中整理出試件的滯回曲線，其中水平加載推、拉分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)兩個(gè)方向，如圖5所示。由此可知:

(1)各試件的滯回曲線基本呈飽滿的梭性。荷載-位移滯回曲線在加載、卸載過(guò)程中基本是一條直線，殘余變形均較小，每級(jí)水平位移對(duì)應(yīng)的應(yīng)變很小，滯回環(huán)面積很小，其耗能比較弱，試件在屈服前基本處于彈性階段；試件屈服后，隨著加載位移的增加，其殘余變形逐步增大，承載力仍有提高，試件達(dá)到峰值荷載后，滯回環(huán)加載、卸載曲線趨于平緩，殘余變形明顯，滯回環(huán)面積增大，所消耗的能量增加。

(2)RPC-Z1、RPC-Z2、RPC-Z3的滯回曲線呈梭形，滯回環(huán)飽滿，說(shuō)明試件具有很好的耗能能力和塑性變形能力，RPC-Z4的滯回曲線呈弓形，說(shuō)明有輕微的捏縮現(xiàn)象存在，可能是試件制作及安裝中的初始偏心誤差造成的，RPC-Z4滯回環(huán)比較飽滿，說(shuō)明其具有良好的耗能能力和塑性變形能力。

(3)觀察圖5(a)～(c)，隨著試件軸壓比的增大，滯回環(huán)越來(lái)越飽滿，試件的承載力也越來(lái)越高，說(shuō)明軸壓比的增大，其耗能能力得到提高，增強(qiáng)了試件的承載力和剛度。隨著軸壓比的增大，RPC-Z2、RPC-Z3的峰值荷載相比RPC-Z1分別增加9.6%、24.8%；同時(shí)RPC-Z2、RPC-Z3的破壞位移相比RPC-Z1分別減小了21.9%、34.9%，說(shuō)明軸壓比的增大不利于試件的延性。

(4)觀察圖5(b)和(d)，隨著試件含鋼率的增大，滯回環(huán)的面積變大，增強(qiáng)了試件的承載力，同時(shí)也增強(qiáng)了其變形能力和耗能能力；試件水平位移的增加說(shuō)明試件的延性得到提高。隨著其含鋼率的增大，RPC-Z2相比RPC-Z4的峰值荷載增加了13.2%；RPC-Z2比RPC-Z4的破壞位移增加了34.2%，說(shuō)明試件含鋼率的提高可以增強(qiáng)其承載力和延性性能。

圖5 鋼管RPC柱的滯回曲線圖

2.3 骨架曲線

骨架曲線為試件滯回曲線的包絡(luò)線。骨架曲線反映試件在不同階段的受力特點(diǎn)(強(qiáng)度、剛度、延性、耗能能力等)，是確定恢復(fù)力模型特征點(diǎn)的重要依據(jù)。試驗(yàn)的荷載-位移骨架曲線如圖6所示。

圖6 鋼管RPC柱的骨架曲線圖

根據(jù)試件的骨架曲線可以得出以下規(guī)律:

(1)試件處于彈性階段時(shí)，其強(qiáng)度與位移同時(shí)增加；試件屈服之后，其剛度和強(qiáng)度出現(xiàn)退化。整體上來(lái)說(shuō)，在加載后期各試件的骨架曲線下降較為緩慢，表現(xiàn)出方鋼管活性粉末混凝土柱良好的塑性變形。這主要由于當(dāng)方鋼管被活性粉末混凝土填充時(shí)，有效提高鋼管的局部穩(wěn)定性，同時(shí)鋼管對(duì)活性粉末混凝土產(chǎn)生的約束作用，對(duì)活性粉末混凝土形成三相應(yīng)力作用，兩者的結(jié)合使鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)延性得到很大提升。

(2)隨著試件軸壓比增大，其承載力在彈性階段上升速率更快，且試件的峰值荷載更大；當(dāng)試件破壞時(shí)，軸壓比大的試件承載力下降速率也快，極限位移更小，變形能力降低。

(3)當(dāng)試件的含鋼率增大，試件的承載力也相應(yīng)的增大，且含鋼率大的試件在破壞后期，承載力下降比較緩慢，其極限位移也增大，說(shuō)明增加含鋼率有利于增強(qiáng)其變形能力。

2.4 剛度退化

剛度退化是指試驗(yàn)過(guò)程中隨位移和循環(huán)次數(shù)的增加試件剛度不斷下降的情況。剛度退化與試件材料、軸壓比、尺寸以及鋼管對(duì)內(nèi)部核心混凝土的約束情況有關(guān)。通過(guò)4根試件的剛度退化曲線可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律:

(1)試件屈服之前，試件剛度曲線為一條直線。試件屈服以后，因位移和循環(huán)次數(shù)的增加，屈服范圍逐漸加大，承載力不斷下降，其剛度也隨之降低，且下降的趨勢(shì)在試件破壞后期逐漸平緩。

(2)試件承載力到達(dá)屈服荷載與峰值荷載時(shí)，其剛度分別出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，表明試件累積損傷發(fā)展到一個(gè)新的階段，導(dǎo)致試件剛度突變。

(3)試件的軸壓比越大，其初始剛度越大，但整體剛度退化速率越快；從表2數(shù)據(jù)可以看出，試件的軸壓比越大，其破壞位移越小，進(jìn)一步說(shuō)明試件后期的剛度退化速率加快。

(4)含鋼率越大的試件，初始剛度越大，相同循環(huán)次數(shù)后試件的殘余剛度也越大；在加載后期，試件的剛度退化越緩慢。從表2中試件RPC-Z2、RPCZ4的破壞位移可知:在加載后期，含鋼率大的試件破壞位移比較長(zhǎng)，進(jìn)一步說(shuō)明增強(qiáng)試件含鋼率可以延緩試件的剛度退化。

圖7 不同影響因素下試件的剛度退化曲線圖

2.5 試件的延性

延性是試件或者結(jié)構(gòu)受到外力作用時(shí)的塑性變形能力，其是判斷結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，位移延性系數(shù)λ常用來(lái)表示延性的大小，其在很大程度上決定了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞形式。位移延性系數(shù)λ由式(3)表示為

式中Δu為破壞位移，mm；Δy為屈服位移，mm。

由表3可知:

表3 試件位移延性系數(shù)表

(1)方鋼管活性粉末混凝土試件的延性系數(shù)最小、最大系數(shù)分別為2.86、3.25，說(shuō)明方鋼管活性粉末混凝土柱在延性性能方面表現(xiàn)受軸壓比和含鋼率的影響；RPC-Z1和RPC-Z2，其延性系數(shù)＞3，說(shuō)明方鋼管活性粉末混凝土柱試件具有良好的延性性能。

(2)隨著試件軸壓比的增大，試件的位移延性系數(shù)逐漸變小，說(shuō)明試件軸壓比的增大，試件延性降低。主要原因?yàn)樵囼?yàn)加載后期，試件軸壓比越大，其側(cè)移較大，P-Δ效應(yīng)的影響越顯著，附加彎矩將加快強(qiáng)度衰減，導(dǎo)致試件延性變差。

(3)隨著試件含鋼率的增大，試件的位移延性系數(shù)增大，主要因?yàn)殇摴芎穸仍鰪?qiáng)對(duì)活性粉末混凝土的約束作用，從而提高試件的強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)試件的延性。

2.6 試件的耗能能力

試件的耗能能力指的是在地震作用下吸收能量的大小，吸收和消耗的能量反應(yīng)在P-Δ曲線中通過(guò)曲線所圍成的面積來(lái)表示的，如圖8所示。每施加一個(gè)荷載循環(huán)得到的滯回環(huán)所圍成的面積來(lái)表示試件消耗能量的大小，用能量耗散系數(shù)E進(jìn)行衡量，由式(4)表示為

圖8 能量耗散系數(shù)計(jì)算圖

式中E為能量耗散系數(shù)；SABCD為ABCD所包圍的面積，kN·mm；SΔODF為ΔODF所包圍的面積，kN·mm；SΔODF為ΔODF所包圍的面積，kN·mm。

從表4中可以看出，試件的能量耗散系數(shù)集中在0.8附近，RPC-Z1接近0.9，表明試件具有良好的耗能能力。RPC-Z1、RPC-Z2、RPC-Z3的能量耗散系數(shù)E逐漸下降，說(shuō)明增大軸壓比可以減弱試件的耗能能力；試件RPC-Z4、RPC-Z3能量耗散系數(shù)降低E逐漸增加，說(shuō)明試件的含鋼率增大有利于增強(qiáng)試件的耗能能力。

表4 能量耗散系數(shù)E表

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)4根方鋼管活性粉末混凝土柱進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了試件的軸壓比和含鋼率對(duì)方鋼管活性粉末混凝土柱抗震性能的影響，得出以下結(jié)論:

(1)試件的滯回曲線均較飽滿，基本沒(méi)有發(fā)生明顯的捏縮現(xiàn)象，滯回曲線面積越大，耗能能力越強(qiáng)，說(shuō)明方鋼管活性粉末混凝土具有良好的耗能性能。

(2)隨著試件軸壓比的增大，其延性變差、剛度退化速率加快，降低位移延性系數(shù)，不利于試件的耗能；隨著試件的含鋼率增大，延性增強(qiáng)、剛度退化速率變緩；提高位移延性系數(shù)，利于試件的耗能。

(3)試件的位移延性系數(shù)處于2.86～4.0之間，表明方鋼管活性粉末混凝土柱的延性性能較好；同時(shí)試件的能量耗散系數(shù)E處于0.792 4～0.897 6之間，表明試件具有良好的耗能能力。