钢管再生混凝土柱在低周反复荷载作用下的试验研究

黄 丹， 王成刚， 李祝情， 柳炳康

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

将再生混凝土浇筑于钢管中，形成钢管再生混凝土，利用钢管的套箍作用使核心混凝土处于三向受压状态。钢管再生混凝土结构有效地结合了钢管和再生混凝土这两种材料的特点，改善了再生混凝土的性能，成为一种有效的结构形式。

目前，国内外研究学者对钢管再生混凝土构件的研究主要集中在其受力性能方面，杨有福［1］、肖建庄［2］等对钢管再生混凝土轴压和偏压柱的受力性能做了大量研究，Konn，K．［3］等对钢管再生混凝土构件的轴压性能进行了考察探究，研究结果均表明，钢管再生混凝土柱在轴向压力和偏心压力作用下有足够的承载能力，其荷载－位移关系曲线特性与钢管普通混凝土构件相似，钢管再生混凝土柱的刚度和极限强度低于钢管普通混凝土构件，其大小与再生骨料取代率有关。

近年来，国内学者开始关注钢管再生混凝土结构抗震性能［4－7］，为更好地了解钢管再生混凝土压弯构件在低周反复荷载作用下的破坏形态和抗震特性，本文通过变化含钢率和轴压比两个参数，对3个圆钢管再生混凝土压弯构件进行了水平低周反复荷载试验，根据试验结果得到试件的延性系数和等效粘滞阻尼系数等抗震性能指标，分析了不同参数下各个试件的延性性能和耗能能力，为钢管再生混凝土结构抗震设计提供理论依据。

1 试验概况

1．1 试验材料

再生混凝土材料如下:42．5R普通硅酸盐水泥，水为自来水，砂为普通中粗砂，再生粗骨料是拆除某建筑废弃混凝土破碎而得，依据《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》（JGJ53－92），进行了再生粗骨料含水率、筛分、针片状和吸水率等试验。再生粗骨料最大粒径为25mm，连续级配，粒径2．5～16mm、16～25mm的粗骨料分别占粗骨料总质量的73．8%、25．4%，测得粗骨料针片状含量为4．17%，其余材性指标见表1。混凝土配合比为:水:水泥:砂:粗骨料为1:2．05:2．43:5．17。试验测得再生混凝土立方体试块28d抗压强度平均值为33．6MPa，弹性模量Ec通过文献［4］的建议公式计算得出，Ec＝27200 MPa，结果与再生混凝土材料性能吻合。

钢管采用Q235B钢，根据《金属材料拉伸试验》（GB／T228．1－2010），进行了钢材的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率检测试验，检测结果满足要求。

1．2 试件设计

试验以框架柱为研究对象，设计了3个试件，试件YDZA2和试件YDZA5－2含钢率不同，轴压比相同；试件YDZA5－1和试件YDZA5－2轴压比不同，含钢率相同。试件的再生粗骨料取代率均取100%，试件设计参数见表2，试件加工图如图1所示。

表1 粗骨料基本性能指标

表2 试件设计参数

图1 试件加工图

1．3 试验加载装置和加载方法

试验在合肥工业大学结构实验室进行，根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101－96）［8］采用拟静力试验方法。试验现场加载装置见图2。

试验时先用千斤顶在柱顶施加竖向轴力至预定值，然后采用MTS电液伺服作动器在试件顶部施加水平低周反复荷载模拟地震作用。试验前先进行预加载，预加反复荷载1次，预加荷载大小按照小于30%预估屈服荷载的原则取为15kN。采用荷载－位移双控制的加载制度，钢管屈服前采用荷载控制并分级加载，根据预先计算的试件屈服荷载大小取适量增幅，第一次加载循环取的屈服荷载的20%，以屈服荷载的10%为级差逐级递增加载。试件进入屈服后改用位移控制并分级加载，在屈服位移值的基础上取5mm的增幅进行位移控制加载，每级荷载均反复加载三次，加至试件破坏时停止试验。

图2 试验现场加载装置

2 试验结果及分析

2．1 试验现象

加载初期，试件处于弹性阶段，变形不明显，试件应变和位移值随着荷载的增加而增大，随着加载的进行，钢管底部受压一侧开始出现微小的屈曲外凸的“象腿”现象，构件开始进入强化阶段。随着卸载和反向加载过程的进行，钢管另一侧也开始出现鼓曲。加载至接近破坏位移时，鼓曲部分急剧增长，试件YDZA5－1和试件YDZA5－2钢管底部鼓屈部分出现裂口，试件YDZA2试件脚底的焊缝被拉裂，试件的承载力迅速下降，构件在竖向和水平荷载的共同作用下宣告破坏。钢管外凸裂开处有部分混凝土碎屑掉落，表明钢管核心混凝土被压碎。图3所示为各试件柱根部的破坏状态，3根试件均是柱底压屈破坏。

图3 试件破坏模式

2．2 滞回曲线

试验过程中得到钢管再生混凝土柱的水平荷载－位移滞回曲线（P－Δ曲线），如图4所示。分析比较各试件滞回曲线可知:

（1）钢管再生混凝土柱的滞回曲线形状均呈梭形，加载过程中曲线的斜率在不断减小，表明试件在反复荷载作用下刚度不断退化。

（2）对比试件YDZA2和YDZA5－2的滞回曲线，构件的水平承载力及塑性变形能力随着钢管壁厚的增加而提高，试件YDZA5－2的含钢率高，耗能能力大，延性性能好；试件YDZA2的含钢率低，承载能力和滞回性能均不如试件YDZA5－2。

（3）对比试件YDZA5－1和YDZA5－2的滞回曲线，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。

图4 试件滞回曲线

2．3 骨架曲线

各试件的骨架曲线对比图如图5所示。在试件弹性工作阶段，水平荷载与试件位移呈线性关系，随着轴压比和含钢量的增加，构件的弹性刚度及水平承载力均有明显的提高，因为在弹性阶段，构件的变形小，P－Δ效应影响不明显。进入弹塑性阶段后，构件水平承载力继续随轴压比和含钢量的增加而增大，轴压比越大，构件屈服后累积损伤的发展越快，故变形性能降低，至构件的水平承载力达到峰值荷载的85%左右，试件进入破坏阶段，最终钢管鼓屈或底部拉裂。

2．4 刚度退化曲线

根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101－96）计算试件刚度的建议，得到钢管再生混凝土柱的刚度退化曲线如图6示。可以看出，轴压比越大的构件，曲线下降段越陡，承载力下降快，则刚度退化越快，在弹性阶段内，试件的刚度随轴压比的增加而有所提高。含钢率小的试件，刚度退化较快，承载力低。

图5 试件骨架曲线

2．5 延性和耗能能力

由滞回曲线及骨架曲线计算得到的各试件的结果试验值见表3。钢管再生混凝土柱的延性系数在3．55～4．76之间，表明钢管再生混凝土柱具有良好的变形性能。试件延性随轴压比的增加降低，随含钢率的增加而有所提高。试件YDZA2的等效粘滞阻尼系数接近0．1，随着含钢量的增加，另两个试件的等效粘滞阻尼系数在0．12左右，且随着轴压比的增大而减小，试件耗能能力降低。

图6 试件刚度退化曲线

表3 试件试验结果

3 结束语

通过3个钢管再生混凝土柱的低周反复荷载试验，可得出以下结论:

（1）含钢率对试件的滞回性能影响较为明显，在构件长细比、再生粗骨料取代率及轴压比相同的条件下，试件的含钢率越高，钢管对核心混凝土的约束越强，核心混凝土变形性能得到明显改善，柱的承载力及延性都得到提高。

（2）轴压比影响试件的抗震性能［9］，随轴压比的增加，试件的承载力、延性和耗能能力均降低，故对钢管再生混凝土柱的轴压比需有限制在一定范围。

（3）试验分析表明，圆钢管再生混凝土柱的滞回曲线呈梭形，延性系数在3．55～4．76之间，等效粘滞阻尼系数在0．1左右，说明钢管再生混凝土具有良好的变形性能和耗能能力，能满足结构抗震设计要求。

1 You－Fu Yang，Lin－Hai Han，Experimental behav－iour of recycled aggregate concrete filled steel tubular Columns［J］，Journal of Constructional Steel Research，2006，P:1310－1324．

2 肖建庄，杨 洁，黄一杰，等．钢管约束再生混凝土轴压试验研究［J］．建筑结构学报，2011，32（6）:92－98．

3 Konno K，Sato Y，Kakuta Y，et al．Property of recycled concrete column encased by steel tube subjected to axial compression［J］．Transactions of the Japan Concrete Institute，1997，19（2）:231－238．

4 张国强，尚守平，徐 峰．绿色结构工程［M］．北京，中国建筑工业出版社，2009．

5 韩林海，杨有福．现代钢管混凝土结构技术［M］．北京:中国建筑工业出版社，2007．

6 黄一杰，肖建庄．钢管再生混凝土柱抗震性能与损伤评价［J］．同济大学学报（自然科学版），2012，40（11）:1596－1602．

7 聂瑞锋，徐培蓁，阎 宇．方钢管混凝土柱抗震性能试验研究和仿真分析［J］．同济大学学报（自然科学版），2012，41（3）:330－335．

8 JGJ101－96．建筑抗震试验方法规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，1997:9－15．

9 GB50011－2010．建筑抗震设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．