低周反复荷载下方钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究

孟二从，苏益声，2，陈朋朋，但 宇

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁530004;2.广西防灾减灾与工程安全重点试验室，广西 南宁530004)

再生混凝土［1］作为一种新型的环保材料，它所具有的经济效益和环境效益毋庸置疑。但是由于再生混凝土中的骨料来源于已拆除的废弃混凝土，并且在破碎的过程中进一步造成骨料内部出现大量微裂缝或裂纹，这都导致再生混凝土的承载能力、弹性模量等力学性能与普通混凝土相比存在着一定的差异性［2］。现在再生混凝土主要应用于非承重结构或承重较小的结构当中，如何把再生混凝土应用到承重结构中是一个具有重大意义的研究课题［3］。

钢管混凝土结构是指在钢管内部灌注混凝土形成的一种组合结构，由于钢管的约束作用，其内填混凝土处于三轴受压的状态，从而提高了混凝土的承载能力。钢管混凝土结构综合了钢材和混凝土两种材料的优点，具有承载能力高、延性好、耗能能力强等特点。

目前对于钢管再生混凝土［4］的研究主要集中在静力性能的方面，如陈梦成［5］、吴波［6］、肖建庄［7］、李佳彬［8］等研究了钢管再生混凝土柱的轴压力学性能，广西大学张向冈［9］、陈宗平［10］等研究了钢管再生混凝土轴压长柱及偏心受压长柱的力学性能;但对钢管再生混凝土结构抗震性能的研究则相对较少［11］。

为研究取代率对钢管再生混凝土柱抗震性能的影响，本文以取代率为变化参数，设计了4 根方钢管再生混凝土柱，采用低周反复的加载方式来研究其抗震性能，对其滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、刚度退化等力学性能进行研究分析，为其进一步的推广应用及理论分析提供依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验以取代率为变化参数，共设计了4 个试件，试件的轴压比均为0.25，试件在柱脚处通过高强螺栓锚固在地梁上，每侧焊有2 个100 mm 高的三角形加劲肋，试件的相关设计参数见表1。其中，B 代表方钢管外边长，t 代表钢管壁厚，L 代表计算长度。

表1 试件参数Tab.1 Parameters of specimens

1.2 试验材料

试验中，砂采用普通天然黄砂，水泥采用海螺牌P·O 42.5R 级水泥，拌合水为自来水，天然粗骨料为连续级配的卵石，再生粗骨料来源于广西大学附属小学某栋服役近50 年的教学楼混凝土，经人工破碎、筛分、清洗、晾晒后而得到，天然卵石粗骨料和再生卵石粗骨料采用同一筛网进行筛分，均为连续级配，根据《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》［12］，对预留的天然和再生粗骨料进行物理性能试验，粗骨料的基本性能见表2。

表2 粗骨料基本性能Tab.2 The basic performance of Coarse aggregate

钢管所用钢材为Q235 钢，把同材质的钢材做成标准试件，按国家标准《金属材料拉伸试验第1 部分:室温试验方法》［13］进行低碳钢拉伸试验，实际测得标准试件的屈服强度fy、极限强度fu、弹性模量Es如表3 所示。

在浇筑试件的同时，对不同取代率的混凝土各预留3 个标准立方体试块，并与试件在同等条件下进行养护，参照《普通混凝土力学性能试验方法》［14］进行抗压强度试验，实际测得0%、30%、70%、100%取代率混凝土立方体试块的抗压强度分别为49.02、51.46、50.35、47.89 MPa。

表3 钢材性能Tab.3 Steel products performance

1.3 加载装置及制度

1.3.1 加载装置

试件的竖向荷载由量程为500 kN 的油压千斤顶施加，首先按照预定的试验轴压比施加至预定的荷载，并保持竖向荷载在整个加载过程中的恒定，水平荷载由量程为250 kN 的MTS 电液伺服作动器施加，试件的加载装置如图1 所示。

图1 试件的加载装置图Fig.1 Test setup

1.3.2 加载制度

试验采用《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101—96)［15］中的荷载-位移混合控制的加载方法进行加载，首先采用力控加载，以预估破坏荷载的1/10 为增量，每级加载一次直至试件达到屈服;试件屈服后改用位移控制加载，以荷载控制阶段所得屈服位移为增量，每一级循环加载3 次直至试件承载力降至峰值承载力的85%以下。

1.4 数据测量

本次试验数据的量测包括位移和应变，分别由位移计和应变片通过DH3815 采集系统来进行测量。其中，位移计放置在与柱脚焊接在一起的钢板处，以此来观察在试验过程中柱是否有相对钢底梁的水平位移。在柱前侧距柱底150、300、450、600、750 mm 处分别布置5 片纵向应变片，柱后侧距柱底高150 mm 处布置3 片纵向应变片，左右两侧距柱底150 mm 处各布置1 片纵向应变片，在柱的四边柱脚处分别布置1 片横向应变片测量环向应变，试件应变片的粘贴如图2 所示。

图2 应变片布置Fig.2 Arrangement of strain gauge

2 试验现象与分析

从整个试验过程来看，4 根试验柱的破坏过程及形态基本相似，试件的破坏均表现为柱脚部位的鼓曲破坏，割开钢管后发现内部核心混凝土被压碎而破坏。这主要是由于钢管在屈服之后，钢管与混凝土的表面逐渐分离，外部钢管的约束作用逐渐减小，原先由钢管承担的很大一部分轴力也转由核心混凝土来承担，从而使得核心混凝土逐渐被压碎;试件塑性铰出现的部位均为距加劲肋上方40 ～50 mm 的位置，塑性铰区域贯穿整个钢管横截面;随着正反向荷载的反复推拉，柱脚前后两侧的鼓曲现象越来越明显，贴在柱脚的应变片也逐渐从钢管表面脱离，左右两侧没有出现明显的鼓曲。图3 为各试件柱脚处的破坏形态。

图3 柱脚破坏图Fig.3 The destruction picture of zocle

3 试验数据分析

3.1 滞回曲线

试验实测各试件的荷载-位移滞回曲线如图4 所示。由图4 可知:

①力控阶段，所有试件的滞回曲线均呈狭长状，近似重合于一条直线，所包围的面积较小即耗能较少，力控阶段结束之后没有明显的残余变形，说明试件基本处于线弹性阶段。

②位控阶段，随着加载位移的增加，试件的刚度逐渐减小，与此同时，试件的残余变形则越来越大;在同一加载位移下，随着循环次数的增多，试件的承载力逐渐下降，说明了试件的损伤随着循环次数的增多而不断地累计，当达到峰值荷载后试件承载力开始逐渐下降，直到试件达到破坏。

③各试件的滞回曲线均呈现为饱满的梭形，没有出现明显的捏缩现象，说明方钢管再生混凝土柱具有良好的抗震耗能性能。

图4 滞回曲线Fig.4 Hysteresis curves

3.2 骨架曲线

各试件实测的骨架曲线如图5 所示。由图5 可知:

①各试件的骨架曲线均较为完整，有上升段、峰值段及下降段，后期下降段较为平滑，说明试件的变形能力较好。

②不同取代率试件的骨架曲线在弹性阶段基本重合，在峰值段有所分离，但在下降段又开始逐渐趋于重合，这表明取代率对钢管混凝土的初始弹性刚度没有明显的影响，并且对试件破坏阶段的行为也没有明显的影响。

③取代率为0%、30%、70%、100%试件的正负向平均极限承载力分别为59.43、57.15、59.28、53.38 kN。由此可知，随着取代率的增加，试件的极限承载力会有所降低。

3.3 承载力及位移延性系数

本文采用等能量法计算试件的屈服位移，等能量法的计算示意图如图6 所示:过骨架曲线峰值点做一平行于X 轴的直线，从O 点引一斜线于上述直线交于A 点。使图中A1和A2两部分的面积相等，从A点做一垂直于X 轴的直线于骨架曲线交于B 点，则B 点的位移和荷载即为屈服位移和屈服荷载。按此方法求得各试件的特征点参数及位移延性系数如表4 所示。其中，Py、Δy分别代表屈服荷载及屈服位移，Pu、Δu分别代表极限荷载及极限位移，Pm、Δm分别代表破坏荷载及破坏位移，uΔ代表位移延性系数。由表4 中数值可知:不同取代率试件的屈服位移及屈服荷载均比较接近;GHZ-1 的极限承载力最高，GHZ-4极限承载力最低，GHZ-2 及GHZ-3 承载力居中，这表明试件的极限承载力随着取代率的增加呈现出减小的变化趋势;此外，各试件正负向的平均位移延性系数均大于3，说明方钢管再生混凝土柱具有良好的抗震变形性能。

图5 骨架曲线Fig.5 Skeleto curves of specimens

图6 能量等值法确定屈服位移Fig.6 The energy equivalence method

表4 试件骨架曲线主要特征点试验值Tab.4 Test results of characteristic points for specimens

3.4 耗能分析

本文采用等效粘滞阻尼系数he来衡量试件的耗能能力，he的计算如式(1)所示:

其中，S(ABC+CDA)表示滞回环面积，S(OBE+ODF)表示滞回环峰值点对应的三角形面积，如图7 所示。

表5 为试件在每级加载位移第一循环下的等效粘滞阻尼系数he的实测值。由表5 可知:试件屈服时的he介于0.102 0 ～0.133 3，峰值时介于0.287 ～0.326，破坏时介于0.646 ～0.796，随着循环位移的增加，试件的he也在不断增大，并且在后期也表现出了良好的耗能能力，破坏时试件的he都达到了0.646 以上;随着取代率的增加，试件的he有一定的波动，但波动幅度较小，说明取代率对试件的耗能能力没有明显的影响。

图7 荷载－位移滞回环Fig.7 Loading-displacement hysteretic loop

表5 等效粘滞阻尼系数heTab.5 The measure value of he

3.5 刚度退化

在循环往复荷载的作用下，当峰值荷载保持不变时，峰值位移随着循环次数的增加而增加的现象称为刚度退化，它反映了构件在加载过程中的累积损伤，是结构动力性能的重要特点之一。构件的刚度退化借助割线刚度来描述，其计算式如式(2)所示:

式中，Kij为第i 加载级的第j 次循环的割线刚度;+Qij、-Qij分别为第i 加载级的第j 次循环的正负峰值荷载;+Δij、-Δij分别为与+Qij、-Qij对应的变形值。将各试件在每一加载级第一循环下的实测割线刚度进行汇总，如图8 所示，以得到不同取代率试件的刚度退化规律。由图8 可知:在加载前期，刚度退化较快，达到峰值荷载之后刚度退化逐渐放缓;各试件的刚度退化曲线基本重合，各试件的初始刚度及破坏时的刚度并无显著的差异，这表明取代率对试件的刚度退化没有明显的影响。

图8 刚度退化规律Fig.8 Stiffness degradation curves

4 结 论

①钢管再生混凝土柱与钢管普通混凝土柱的破坏形态相似，均为柱脚鼓曲破坏;试件塑性铰的出现部位均为距加劲肋上方40 ～50mm 的位置。

②试件的平均延性系数均大于3，说明方钢管再生混凝土柱具有良好的变形能力。

③试件在屈服荷载时的he介于0.102 ～0.1333，在峰值荷载时的he介于0.287 ～0.326，在破坏荷载时的he介于0.646 ～0.796，说明方钢管再生混凝土柱具有良好的抗震耗能能力。

④取代率对试件的位移延性、耗能性能、初始刚度及刚度退化均没有明显的影响，随着取代率的增大，试件的极限承载力会有一定幅度的下降，但下降幅度较小。由此可知，由再生混凝土填充到方钢管中形成的方钢管再生混凝土柱可以推广应用于实际工程之中。

［1］ 肖建庄.再生混凝土［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008:1-9.

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［12］中华人民共和国建设部.JCJ 53-1992 普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法［S］.北京:中国建筑工业出版社，1993.

［13］中国国家标准化管理委员会.GB/T228-2010 金属材料拉伸试验第1 部分:室温试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2010.

［14］中华人民共和国建设部.GB 50081-2002 普通混凝土力学性能试验方法［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［15］中华人民共和国建设部.JGJ 101-1996 建筑抗震试验方法规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，1997.