配筋钢管自密实混凝土柱恢复力模型试验研究

杨一晨，龚田牛

(1.东方今典集团，河南 郑州 450000；2.湖北文理学院 土木工程与建筑学院，湖北 襄阳 441053)

配筋钢管混凝土结构是指在普通钢管混凝土中配置钢筋笼组合而成，是一种抗震性能优越的结构构件，钢筋抑制了核心混凝土的变形发展，防止在横向地震作用下出现整体的剪切破坏。箍筋和钢管对核心混凝土提供双重约束，有效地提高了试件的承载力和延性[1-5]。在进行地震分析时，需要输入构件的恢复力模型。国内外学者主要对普通钢管混凝土柱的恢复力性能进行了大量研究，提出了不同的恢复力模型[6-9]。其中，通过试验数据的拟合分析得到试件的恢复力模型是一种常用分析方法。马恺译[10]根据23根试件的试验结果，提出了方钢管混凝土柱的恢复力模型并与试验结果进行比较；张向冈[11]在拟静力试验的基础上建立了钢管再生混凝土框架三折线荷载-位移恢复力模型；张淑君[12]对3根钢管再生混凝土柱的滞回曲线进行分析，提出了适合于方钢管再生混凝土柱的“定点指向”三折线恢复力模型。为了推广配筋钢管混凝土柱的应用，有必要对其滞回性能进行研究，建立相应的恢复力模型。本文拟在试验研究的基础上，得到配筋钢管自密实混凝土柱的滞回曲线和骨架曲线，通过对试验数据的拟合，提出配筋钢管自密实混凝土柱的恢复力模型，为配筋钢管混凝土柱的抗震分析提供参考。

1 试验概况

1.1 试验设计

表1 试件参数

为得到配筋钢管混凝土柱的滞回试验数据，本研究开展了配筋钢管自密实混凝土柱的拟静力试验。试验共设计5根试件，试验参数为轴压比和纵筋配筋率。由于钢管直径较小，放置钢筋笼后导致混凝土浇筑困难，为此配置设计强度等级为C40的自密实混凝土。钢管采用圆形无缝钢管，外径均为273 mm，厚度为3 mm，屈服强度为356 MPa，极限强度为445 MPa。试件高度根据短柱对长细比的限制要求，取为850 mm(具体参数见表1)。在对试件进行编号时，S表示钢管，D表示纵筋，纵筋沿环向均匀布置6根，箍筋外边缘距离钢管内壁距离为40 mm，12、18、22表示纵筋直径毫米数；0.15、0.30、0.45表示试件的试验轴压比。t表示钢管壁厚，ρ表示纵筋配筋率，ξ表示套箍系数，n表示轴压比。低周反复荷载采用变幅位移控制加载法，即根据不同轴压比在柱顶施加竖向压力，此竖向压力在加载过程中保持恒定，横向荷载则由位移控制，每级荷载让柱顶产生相应幅度的横向位移并往返2次，直至试件破坏。试验装置如图1所示。

图1 拟静力试验装置

图2 试件典型破坏形态

1.2 试验现象

试验观察发现，在竖向压力和横向往复水平荷载的双重作用下，试件呈现出典型的压弯破坏特征。在水平荷载较小时，各应变片读数较小，试件处在弹性阶段，钢管外观无明显变化；当侧移率增大到0.75%左右时，钢管上纵向粘贴的应变片读数超过2000，钢管进入屈服阶段，但是钢筋上应变片读数未达到2000，此时钢筋仍处在弹性阶段；在侧移率达到2.5%左右时，距离试件底部约30 mm处的钢管向外鼓曲，随着反复拉压，鼓曲最终形成连通的环状；在侧移率达到4%时，试件的承载力降低到极限承载力的85%以下，试验终止，典型试件的破坏特征如图2所示。5根试件的钢管均未出现断裂，表现出良好的协同工作性能。

1.3 试验结果分析

试件的水平荷载(p)-侧移率(Δ)滞回曲线如图3所示。可以看出，配筋钢管自密实混凝土柱的滞回曲线饱满，没有明显的捏缩现象。由于配置了纵筋和箍筋，在钢管屈服后，钢筋仍具有一定的强度，导致试件的承载力下降缓慢，具有良好的耗能能力。

图3 水平荷载(p)-侧移率(Δ)滞回曲线

将每级循环加载下的极限峰值点相连，可得到试件的骨架曲线，不同试验参数下试件的骨架曲线如图4所示，根据加载过程中材料的应力变化，骨架曲线可以分为弹性上升段、弹塑性上升段和下降段。随着纵筋配筋率的增加，试件的极限承载力和延性均增大；随着轴压比的增大，试件的极限承载力增大，但是轴压比大的试件后期承载力下降较快，延性变差。

图4 骨架曲线

2 恢复力模型

不同参数下试件的滞回曲线表现出不同的特征，但是无量纲化后则呈现一定的规律。无量纲化的方法即用P/Py表示纵坐标，Δ/Δy表示横坐标，Py、Δy分别表示试件屈服时对应的水平荷载的水平位移。Δy的计算方法采用混凝土结构常用的R.Park作图法取得。如图5所示，在P-Δ曲线上确定对应0.6Pmax的点I，连接原点O和I，延长与最大水平荷载水平线交于一点，过该点作垂线交于骨架曲线于B点，B点即为假定的屈服点。

2.1 骨架曲线

骨架曲线为每级加载峰值点的连线。本次试验试件的长细比、自密实混凝土强度、钢管厚度和强度均为定值，综合考虑轴压比和配筋率等因素，可以得出骨架曲线在第一象限的模型(如图6所示)。

1)从开始加载到钢管屈服的OA段，此阶段配筋钢管自密实混凝土柱的刚度和钢管、自密实与钢筋之间的比例，和各自的弹性模量有关。由于弹性阶段混凝土的横向应变小于钢管的横向应变，套箍作用还未产生，此阶段骨架曲线方程可用直线段表示：

2)侧移率超过Δy以后，钢管达到屈服强度，自密实混凝土横向变形超过钢管的横向变形，钢管和自密实混凝土之间产生套箍作用。此时试件的承载力仍能增大，但是增大的幅度小于OA段，直至达到极限承载力。取B点的坐标为(Pu/Py，Δp/Δy)，这样，AB段方程为：

分析数据发现，Δp/Δy主要和轴压比有关，经过对试验数据的拟合，关系式为：

3)试件达到极限承载力后，试件底部的钢管出现鼓曲，对核心自密实混凝土的约束减弱。在反复的拉压荷载下，混凝土的裂缝开展扩大，损伤不断累积，试件承载力和刚度降低。下降的斜率和套箍系数与轴压比有关，BC段方程为：

采用麦夸特算法进行回归分析，得出KT的表达式为：

2.2 滞回曲线

选取屈服点和极限点附近的滞回曲线，采用如上方法将坐标无量纲化，发现不同试验参数下试件的滞回曲线形状大致相同，屈服点附近的滞回曲线如图7(a)所示，极限点附近的滞回曲线如图7(b)所示。

图7 无量纲化滞回曲线

1)将5个试件的屈服点处试验数据无量纲化后绘在P/Py-Δ/Δy坐标上，可以用三折线模拟试件的滞回曲线：

A点的坐标为(-0.26，0.09)，B点的坐标为(0.93，1.11)，C点坐标为(1.35，1.15)，图形反对称。

2)将所有试件的极限点处试验数据无量纲化后绘在P/Pu-Δ/Δp坐标上，可以用三折线模拟试件的滞回曲线：

A点的坐标为(-0.4，0.1)，B点的坐标为(0.5，0.8)，C点坐标为(1，1)，图形反对称。

2.3 刚度退化

将屈服点和极限点附近的滞回环合并，可得出滞回环的钢骨退化规律。刚度的退化随侧移率的增大而加快，从屈服点到极限点刚度退化的绝对值为：

kt=kp+(ky+kp)(1-Δ/Δp)/(1-Δy/Δp)

式中，ky、kp—屈服滞回环和极限滞回环的刚度，则线段AB、BC、CD的ky、kp分别为：

3 结论

1)在竖向荷载和横向反复荷载的作用下，配筋钢管自密实混凝土柱柱脚附近钢管出现环状鼓曲，呈现典型的压弯破坏模式。

2)通过低周反复试验，得到不同轴压比和纵筋配筋率下配筋钢管自密实混凝土柱的滞回曲线和骨架曲线，试件的滞回曲线饱满，没有明显的捏缩现象，表现出良好的抗震性能。骨架曲线分为弹性上升段、弹塑性上升段和下降段，试件的延性和承载力随着纵筋配筋率的增大而增大，随着轴压比的增大，试件的承载力有所提高，但是延性降低。

3)将骨架曲线和滞回曲线无量纲化，根据试验数据拟合得到配筋钢管自密实混凝土柱的骨架曲线、滞回曲线和刚度退化恢复力模型，可为配筋钢管混凝土柱的时程分析提供参考。