方、圆钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究与对比分析

王成刚,　柳炳康,　王静峰,　张亚军,　叶正林

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥　230009; 2.安徽鸿路钢结构(集团)股份有限公司，安徽 合肥　231100)



方、圆钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究与对比分析

王成刚1,柳炳康1,王静峰1,张亚军2,叶正林2

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥230009; 2.安徽鸿路钢结构(集团)股份有限公司，安徽 合肥231100)

文章对3个圆钢管和3个方钢管再生混凝土柱在定常轴力作用下进行了水平低周反复荷载试验,试验主要考虑再生骨料替代率、轴压比和钢管壁厚3个参数变化对柱抗震性能的影响。试验结果分析表明,随着再生骨料取代率的增大,钢管再生混凝土柱的水平承载力有所降低,延性和耗能能力略有下降;钢管壁越厚,水平承载力越大,延性和耗能能力也越高;随着轴压比的增大,水平承载力有所提高,延性和耗能能力降低。试验表明方、圆钢管再生混凝土柱都具有良好的抗震性能,对比分析发现,在截面面积和用钢量相近情况下,方钢管柱的水平承载力和刚度比圆钢管柱有较大提高,延性降低。

方钢管;圆钢管;再生混凝土柱;抗震性能

再生混凝土是指将废弃混凝土块经过破碎、清洗、分级后,按一定比例与级配混合,部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成的混凝土。研究表明,再生混凝土的受力和耐久性能均低于相同条件的普通混凝土,使得再生混凝土结构性能与普通混凝土相比有不同程度的降低,成为再生混凝土在结构工程中应用的一大障碍[1-2]。将再生混凝土浇筑于钢管中,钢管可为圆形、方形、矩形等截面形式,利用钢管的套箍作用使核心再生混凝土处于三向受压状态,改善了再生混凝土的性能。钢管再生混凝土能使钢材和再生混凝土2种不同性质的材料扬长避短,发挥各自特长,成为一种有效的结构形式。因此,研究钢管再生骨料混凝土构件的受力性能,对再生骨料混凝土在实际工程中的应用,以及实现建筑业绿色环保、可持续发展具有重要的意义[3-8]。

本文研究钢管再生混凝土柱在低周反复荷载作用下的抗震性能,以再生骨料取代率、壁厚(含钢率)和轴压比为主要参数,对3根方钢管再生混凝土柱和3根圆钢管再生混凝土柱进行抗震性能试验,分析不同参数变化对试件抗震性能的影响,并比较分析方、圆钢管再生混凝土柱抗震性能的差异。

1　试验概况

1.1试件设计及材料特性

试验以方、圆钢管再生混凝土悬臂柱部分,即框架柱反弯点至柱底之间部分为研究对象,试验时柱顶轴力保持不变,对构件施加水平向的低周反复荷载。设计和制作3个圆钢管、2个方钢管再生混凝土试件和1个方钢管普通混凝土试件进

行对比分析研究[9]。对于圆钢管试件,钢管外径D=219 mm,计算高度H=1 200 mm,试件混凝土立方强度fcu=33.6 MPa,取代率ρ=100%,其他参数见表1所列。对于方钢管试件,钢管边长B=200 mm,计算高度H=1 200 mm,钢材屈服强度fy=347 MPa,钢材极限强度fu=406 MPa,轴压比n=0.2,其他参数见表2所列。表1、表2中,t为实测壁厚。试件尺寸和构造详图如图1所示。

钢管构件由安徽鸿路钢结构集团股份有限公司加工制作,运至合肥工业大学结构试验室进行混凝土浇筑。混凝土从顶部分段灌入振捣,以保证混凝土浇筑密实,混凝土浇筑完成后,将柱顶钢管表面用抹刀抹平,敞口自然养护。

表1　圆钢管试件基本参数

表2　方钢管试件基本参数

图1　试件详图

1.2试验装置及加载制度

试验在合肥工业大学结构实验室进行,竖向轴力由液压千斤顶施加,水平荷载由固定于反力墙上的MTS电液伺服加载系统施加。现场试验加载装置图如图2所示。

试件上部加载端布置1个位移计,以测量柱上端的水平位移;在距离柱底150 mm高度范围内的钢管表面位置布置应变片。在进行试验时,由TDS303对位移计和应变片的读数进行采集和记录。

根据文献[10]规定,试验加载采用荷载和位移混合控制方式进行。钢管屈服前采用荷载加载控制,钢管屈服后采用位移加载控制。当试验水平荷载下降到最大水平荷载的85%时,加载结束。

图2　试验装置图

2　试验结果及分析

2.1试验现象

试验加载初期,方、圆试件均处于弹性阶段,变形较小,试件顶部位移随着荷载的增加而成线性增大;随着荷载的继续加大,加载至最大荷载的70%～80%时,柱脚受压面钢管壁先发生局部微小鼓屈,且随着水平荷载的增大,加载至最大荷载的80%～90%时,侧面钢管壁也随后发生鼓曲;在卸载及反向加载过程中,鼓曲的钢管壁被逐渐拉平,同时另一受压面发生鼓曲。试件接近破坏时,鼓曲现象发展很快,柱根钢管截面最终形成一个向外凸起的灯笼状破坏形态。试件最终破坏模式如图3所示。

图3　试件最终破坏模式

圆钢管试件在距柱根顶面约50 mm处鼓屈(图3a～图3c),试件YDZA5-1和YDZA5-2在鼓曲处最终被拉裂,而试件YDZA2在根部完全被拉裂。

方钢管试件在距柱根顶面约100 mm处鼓曲(图3d～图3f),试件最终破坏时,壁厚较小的试件FDZA4局部鼓曲比壁厚较大的严重,且在四角部开裂,2个壁厚较大的试件FDZA5-1、 FDZA5-2四角部未开裂。

试验结束后,剖开钢管,观察内部核心混凝土的破坏情况,如图4所示。

钢管内核心再生混凝土柱在鼓曲处完全断裂,混凝土被压碎程度不同。由图4a可看出,试件YDZA2从根部完全断裂,混凝土基本没有被压碎;由图4b可看出,试件YDZA5在鼓屈处混凝土被压碎;由图4c、图4d可看出,方钢管柱在钢管屈曲部位的30～40 mm宽度范围内的混凝土全部被压碎。

比较发现,方钢管柱内混凝土压碎程度比圆钢管柱的要严重。

图4　试件内部破坏模式

2.2滞回曲线

6个试件的水平荷载-位移滞回曲线如图5所示,分析比较图5可知:

(1) 圆钢管和方钢管再生混凝土柱在荷载控

制加载阶段,荷载和位移均呈线性关系,残余变形和刚度退化很小;在位移控制加载阶段,随着水平位移的增大,滞回曲线的切线斜率逐渐减小,残余变形增大,刚度退化程度随加载循环次数的增加而增大。

(2) 圆钢管和方钢管再生混凝土柱的滞回曲线均呈梭形,滞回曲线形状都比较饱满,说明钢管再生混凝土柱具有良好的滞回性能。

(3) 圆钢管和方钢管柱随着壁厚的增加,正、反向的极限水平承载力均增加,滞回曲线的饱满程度均有所增加。

(4) 对比试件圆钢管试件YDZA5-1和YDZA5-2的滞回曲线,可见构件的水平承载力和弹性刚度随轴压比的增加有所提高,试件YDZA5-2在达到峰值荷载后的承载力下降较明显,试件YDZA5-1的极限位移变形大于试件YDZA5-2,说明试件轴压比越小,其延性和耗能能力越好。

(5) 对比试件FDZA5-1和FDZA5-2的滞回曲线,钢管再生骨料混凝土试件与钢管天然骨料混凝土试件相比,正、反向的极限水平承载力均有不同程度的减小,滞回曲线的饱满程度有所降低。

图5　试件水平荷载-位移滞回曲线

2.3骨架曲线与刚度退化曲线

各试件的骨架曲线如图6所示。

由图6可知,在弹性工作阶段,水平荷载与试件位移呈线性关系,随着轴压比和钢管壁厚的增加,构件的弹性刚度及屈服水平承载力均有明显的提高。

进入弹塑性阶段后,构件水平承载力继续随轴压比和钢管壁厚的增加而增大,钢管壁厚越厚极限位移越大;轴压比越大,构件屈服后累积损伤的发展越快,故变形性能有所降低。

低周反复荷载作用下,刚度的退化直接导致了构件抗震性能退化。根据文献[10]计算试件刚度的方法,得到钢管再生混凝土柱的刚度退化曲线如图7所示。图7中k表示钢管再生混凝土柱等效刚度。由图7可知,含钢率对试件的初始刚度影响较大,含钢率较大的试件初始刚度也较大,但它们总的退化趋势是一致的。

从图7a中可以看出，在弹性阶段内,试件的刚度随轴压比的增加而有所提高,曲线下降段越陡,承载力下降越快,则刚度退化越快。

从图7b中可以看出，再生混凝土取代率对试件的初始刚度影响不大,刚度退化的趋势相同;取代率为0的方钢管普通混凝土柱刚度退化的速度比取代率为100%方钢管再生混凝土柱来得慢。

图6　试件骨架曲线

图7　试件刚度退化曲线

2.4延性和耗能能力

根据滞回曲线及骨架曲线计算得到的各试件的试验值见表3所列。Pu、Δu和θu计算时取正反2个方向绝对值的平均值;Δy取骨架曲线弹性段延线与过峰值点的切线交点处的位移。方、圆钢管再生混凝土柱的延性系数为3.55～4.76,表明方钢管和圆钢管再生混凝土柱均具有良好的变形性能;试件延性随含钢率的增加而增加,随轴压比的增加而有所降低,随着再生骨料替代率的增加有所降低。因为试件YDZA2壁厚太薄,变形和耗能能力较弱,其等效黏滞阻尼系数仍接近0.1,其他试件的等效阻尼系数为0.118～0.122,表明方、圆钢管再生混凝土柱具有较好的耗能能力,方、圆钢管再生混凝土柱的等效黏滞阻尼系数随着含钢量的增加而增加,且随着轴压比的增大而有所减小,随着再生骨料替代率的增加有所降低。由表3中极限位移和极限位移角可知,圆钢管再生混凝土柱变形能比方钢管再生混凝土柱强,说明圆钢管对内部混凝土的约束能力更好,套箍效应比方钢管的要好。

表3　由滞回曲线及骨架曲线得到的试验结果

3　抗震性能对比分析

根据低周反复静载试验数据,对圆钢管试件YDZA5-1和方钢管试件FDZA5-1进行抗震性能的对比分析,计算结果见表4所列。由表4计算结果可知,方钢管柱在面积只提高6.24%、含钢率提高2.7%的条件下,水平极限承载力提高了23.9%,按每承担1 kN水平荷载的用钢量比较时,方钢管柱比圆钢管柱降低12%,按构件截面每1 cm2承担的水平承载力计算比较可知,方钢管柱比圆钢管柱提高17%,同时方钢管柱弹性抗侧刚度也提高了18.1%,但是方钢管柱的极限位移比圆钢管柱的降低40.8%,延性系数也降低。由此可知,在柱截面面积和用钢量相近情况下,方钢管柱的承载力比圆钢管柱的水平承载力和刚度有较大提高,变形能力和延性相应降低。

表4　抗震性能对比计算结果

注:变化率为FDZA5-1相对于YDZA5-1的变化率;3EI/H3为弹性抗侧刚度。

4　结　　论

通过3个圆钢管再生混凝土柱、2个方钢管再生混凝土柱和1个方钢管普通混凝土柱的低周反复荷载试验,可得到如下结论:

(1) 低周反复荷载作用下,方、圆钢管再生骨料混凝土柱与钢管普通混凝土柱破坏过程和现象基本一致,首先柱处于弹性受力阶段,承载力随位移增加较快,在距柱根100 mm范围内钢管壁出现局部屈曲后,承载力随位移增加较慢,鼓屈部位内的混凝土被压碎。

(2) 方钢管和圆钢管再生混凝土柱水平承载力随钢管壁厚和轴压比的增加而增大,钢管再生骨料混凝土试件与钢管天然骨料混凝土试件相比,其水平承载力有所减小。

(3) 方钢管和圆钢管再生混凝土柱均具有良好的变形性能;试件延性随含钢率的增加而增加,随轴压比和再生骨料替代率的增加有所降低。

(4) 方、圆钢管再生混凝土柱均具有较好的耗能能力,钢管再生混凝土柱的等效黏滞阻尼系数随着含钢量的增加而增加,且随着轴压比和再生骨料替代率的增加有所降低。

(5) 对比分析方钢管和圆钢管再生混凝土柱的抗震性能可知,在柱截面面积和用钢量相近的情况下,方钢管柱的水平承载力和刚度比圆钢管柱的有较大提高,延性有所降低。

[1]SAGOE-CRENTSIL K K,BROWN T,TAYOR A H.Performance of concrete made with commercially produced coarse recycled concrete aggregate [J].Cement and Concrete Research,2001,31(5):707-712.

[2]肖建庄.再生混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3]吕西林,陆伟东.反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2000,21(2):2-11,27.

[4]韩林海,游经团,杨有福,等.往复荷载作用下矩形钢管混凝土构件力学性能的研究[J].土木工程学报,2004,37(11):11-22,77.

[5]吴波,张金锁,赵新宇.薄壁方钢管再生混合柱抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2012,33(9):38-48.

[6]吴波,赵新宇,张金锁.薄壁圆钢管再生混合柱的抗震性能试验研究[J].土木工程学报,2012,45(11):1-12.

[7]尹海鹏,曹万林,张亚齐,等.不同再生骨料取代率再生混凝土柱抗震试验研究[J].世界地震工程,2010,26(1):57-63.

[8]YANG Y F,HAN L H.Experimental behaviour of recycled aggregate concrete filled steel tubular columns[J].Journal of Constructional Steel Research,2006,62(12):1310-1324.

[9]张锐,王成刚,张传兵,等.方钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2015,38(3): 369-372.

[10]中国建筑科学研究院.建筑抗震试验方法规程:JGJ 101—1996[S].北京:中国建筑工业出版社,1997:13.

(责任编辑张淑艳)

Experimental study and comparative analysis of seismic behavior of recycled aggregate concrete filled square and circular steel tube columns

WANG Chenggang1,LIU Bingkang1,WANG Jingfeng1,ZHANG Yajun2,YE Zhenglin2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Honglu Steel Structure Group Co., Ltd., Hefei 231100, China)

Tests of three circular steel tube columns and three square steel tube columns filled with recycled aggregate concrete under constant axial load and cyclic lateral load were conducted, and the effect of some parameters including the replacement ratio of recycled aggregate, axial compression ratio and thickness of steel tube on the seismic behavior of the members was investigated. The results show that the horizontal bearing capacity, ductility and energy dissipation capacity reduce slightly with the increase of replacement ratio of recycled aggregate. With the increase of thickness of steel tube, the horizontal bearing capacity increases considerably, and the ductility and energy dissipation capacity increase. But the horizontal bearing capacity increases limitedly with the increase of the axial compression ratio, on the contrary, the ductility and energy dissipation capacity decrease. The results show that both circular steel tube and square steel tube columns filled with recycled aggregate concrete have excellent seismic behavior. When the cross section and steel weight of square steel tube column are similar to those of circular steel tube column, the horizontal bearing capacity and stiffness of the former increase greatly compared with those of the latter along with the reduction of the ductility.

square steel tube; circular steel tube; recycled aggregate concrete filled column; seismic behavior

2015-03-18；

2015-05-20

住房与城乡建设部科学技术计划资助项目(2013-K4-46);安徽鸿路钢结构股份有限公司科研资金资助项目(12-521)

王成刚(1974-),男,安徽巢湖人,博士生,合肥工业大学副教授,硕士生导师;

柳炳康(1952-),男,安徽凤阳人,合肥工业大学教授,博士生导师;

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.017

TU398.9

A

1003-5060(2016)07-0949-06

王静峰(1976-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.