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《地震工程與工程振動雜志》2016年第二期

摘要:

為研究方鋼管再生混凝土柱的滯回性能，以再生粗骨料取代率和軸壓比為設(shè)計(jì)參數(shù)，開展6個(gè)方鋼管再生混凝土柱試件的擬靜力試驗(yàn)。觀察試件的破壞形態(tài)，實(shí)測試件的滯回曲線，探討設(shè)計(jì)參數(shù)對位移延性系數(shù)、強(qiáng)度、剛度和耗能系數(shù)等滯回性能指標(biāo)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:試件破壞形態(tài)與方鋼管普通混凝土柱相似，方鋼管底部鼓曲破壞，再生混凝土底部被壓碎;試件的滯回曲線比較飽滿，滯回曲線的形狀從梭形發(fā)展到弓形;基于滯回性能指標(biāo)需求，方鋼管再生混凝土構(gòu)件應(yīng)用于工程承重結(jié)構(gòu)之中是可行的;除剛度隨軸壓比的減小而減小外，其他滯回性能指標(biāo)對現(xiàn)有的軸壓比變化范圍并不敏感。

關(guān)鍵詞:

方鋼管再生混凝土柱;擬靜力試驗(yàn);再生粗骨料取代率;軸壓比

方鋼管再生混凝土［1，2］是方鋼管普通混凝土結(jié)構(gòu)和再生混凝土(RecycledAggregateConcrete，簡稱RAC)結(jié)構(gòu)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型組合結(jié)構(gòu)，它不僅繼承了方鋼管普通混凝土結(jié)構(gòu)的承載力高、抗震性能好、抗彎剛度大、節(jié)點(diǎn)連接方便等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠有效地解決建筑垃圾資源再利用的問題［3］。課題組前期研究表明［4－6］:基于靜力受壓強(qiáng)度需求，方RACFST柱用于工程承重結(jié)構(gòu)之中是可行的。但基于抗震性能指標(biāo)，方RACFST柱用是否可用于工程承重結(jié)構(gòu)。目前，僅國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了研究［7－8］，結(jié)果表明:方RACFST柱的抗震性能與方鋼管普通混凝土柱相似，定性地說明了方RACFST柱應(yīng)用于中、低軸壓比的情況是可行的。本文開展了6個(gè)方RACFST柱試件的抗震性能試驗(yàn)，定量地全面分析了再生粗骨料取代率和軸壓比對各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)的影響規(guī)律，以推動方RACFST結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展。

1試驗(yàn)概況

1．1試件設(shè)計(jì)以再生粗骨料取代率(γ)和軸壓比(n)為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)并制作了6個(gè)試件。試件具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。其中，選取的軸壓比僅與RAC有關(guān)，即軸壓比n=N/fcAc，其中，N為試驗(yàn)過程之中所施加的軸向力，fc為實(shí)測的RAC軸心抗壓強(qiáng)度;含鋼率α=As/Ac，As為外部方鋼管的截面面積，Ac為核心RAC的截面面積;套箍系數(shù)θ=Asfy/Acfc，fy為實(shí)測的方鋼管屈服強(qiáng)度;L表示試件的高度。試件幾何尺寸及構(gòu)造如圖1所示。試驗(yàn)所采用的材料為Q235級直焊縫方鋼管和C40RAC。RAC的配合比見表2。其中，再生粗骨料和天然粗骨料采用同一篩網(wǎng)篩分，最大粒徑為20mm，均為連續(xù)級配的碎石。

1．2加載裝置試件加載裝置如圖2所示。首先通過1500kN油壓千斤頂在柱頂施加恒定豎向荷載。水平加載采用力和位移聯(lián)合控制的方式，試件屈服前，采用荷載控制分級加載，直至試件達(dá)到屈服荷載Py，每級荷載循環(huán)1次;試件屈服后，采用位移控制，試取屈服位移Δy的倍數(shù)為級差進(jìn)行控制加載，每級位移循環(huán)3次，直至荷載下降到峰值荷載的80%以下時(shí)停止試驗(yàn)。

2宏觀破壞特征分析

(1)如圖3所示，試件的破壞形態(tài)與方鋼管普通混凝土柱相似，方鋼管底部出現(xiàn)鼓曲破壞，RAC底部被壓碎，RAC破壞范圍主要集中在距離試件根部20cm內(nèi)。(2)試件破壞前，方鋼管與核心RAC黏結(jié)良好;試件破壞后，通過金屬錘子敲擊試件方鋼管表面，發(fā)現(xiàn)從試件底部出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的脫黏現(xiàn)象，脫黏區(qū)高度不等，最高達(dá)64cm，最低達(dá)13cm。

3滯回曲線

試驗(yàn)實(shí)測的P-Δ滯回曲線如圖4所示。其中，P表示水平荷載，Δ表示柱端水平位移，符號“□”表示試件屈服點(diǎn)，“○”表示試件峰值點(diǎn)，“△”表示試件破壞點(diǎn)。可見:所有試件的滯回曲線比較飽滿，滯回曲線的形狀從梭形發(fā)展到弓形，試件的滯回曲線捏縮現(xiàn)象不顯著，表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。

4設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

本節(jié)將定量地討論設(shè)計(jì)參數(shù)對位移延性系數(shù)、特征點(diǎn)強(qiáng)度、特征點(diǎn)剛度和耗能系數(shù)等滯回性能指標(biāo)的影響規(guī)律。其中，Strength表示強(qiáng)度，Stiffness表示剛度，Elasticstage、Yieldpoint、Peakpoint和Failurepoint分別表示彈性階段、屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)和破壞點(diǎn)。由于破壞點(diǎn)強(qiáng)度統(tǒng)一取為峰值點(diǎn)強(qiáng)度的85%，所以本文僅分析設(shè)計(jì)參數(shù)對屈服點(diǎn)和峰值點(diǎn)強(qiáng)度的影響。

4．1再生粗骨料取代率

4．1．1位移延性系數(shù)受影響分析位移延性系數(shù)μ=Δu/Δy。Δu為極限位移，取為峰值荷載Pm下降到85%時(shí)對應(yīng)的位移值;Δy為屈服位移，由能量等值法求得。通過能量等值法確定初始屈服點(diǎn)的過程如圖5所示，作二折線OY-YU代替原有荷載(P)-位移(Δ)曲線，使得曲線OABM與折線OY-YM分別與Δ軸包圍的總面積相等，即面積OAB=面積BYM，則Δy即為所求的初始屈服位移。試件在不同取代率下的位移延性系數(shù)(μ)如圖6所示。可見，在不同再生粗骨料取代率下，試件的位移延性系數(shù)介于2．80～3．04之間，最大變化幅度為7．9%，取代率為30%的試件位移延性系數(shù)達(dá)到了最大3．04。隨著取代率的增加，試件S-1、S-2、S-3和S-4位移延性系數(shù)的變化幅度依次為2．01%、－7．89%和6.43%。位移延性系數(shù)隨取代率的增加并沒有表現(xiàn)出明顯的、統(tǒng)一的規(guī)律。試件S-2、S-3和S－4與試件S-1分別相差2．01%、－6．04%和0．00%。即與鋼管普通混凝土試件相比，再生粗骨料取代率的增加并沒有顯著降低試件的位移延性系數(shù)。基于位移延性系數(shù)滯回性能指標(biāo)需求，方RACFST構(gòu)件應(yīng)用于工程承重結(jié)構(gòu)之中是可行的。

4．1．2特征點(diǎn)強(qiáng)度受影響分析試件的特征點(diǎn)強(qiáng)度隨取代率的變化幅度如圖7所示。可見，隨著取代率的增加，試件S-1、S-2、S-3和S-4的屈服點(diǎn)強(qiáng)度變化幅度為2．34%、0．64%和0．83%;峰值強(qiáng)度變化幅度為－1．74%、5．49%和0．76%。總體上來講，特征點(diǎn)強(qiáng)度變化幅度不大，尤其是屈服點(diǎn)強(qiáng)度變化甚小。不同取代率下各試件的特征點(diǎn)強(qiáng)度較為穩(wěn)定。原因如下:再生粗骨料對RAC強(qiáng)度影響的機(jī)理層面分析可從以下兩個(gè)方面考慮。一方面，再生粗骨料在機(jī)械破碎的過程之中，積累了較多原始損傷，由于骨料強(qiáng)度的降低，勢必會影響RAC材料強(qiáng)度的降低，材料強(qiáng)度的降低勢必會引起試件本身極限承載力的降低;另一方面，再生粗骨料吸水率明顯高于天然粗骨料，隨著RAC取代率的增加，再生粗骨料的吸水量逐漸加大，被吸收的這部分水分并不參與水泥的水化作用，由此便會引成實(shí)際水膠比的降低，RAC的材料強(qiáng)度得到提高，材料強(qiáng)度的提高勢必會引起試件本身極限承載力的提高。再生粗骨料的取代率越大，材料內(nèi)部損傷越多，材料強(qiáng)度降低程度越大，但實(shí)際水膠比更低，由此而引起的材料強(qiáng)度的提高越大，在這兩方面因素的互相作用下，出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。與試件S-1相比，試件S-2、S-3和S-4屈服點(diǎn)強(qiáng)度變化幅度分別為2．34%、3．00%和3．86%，峰值點(diǎn)強(qiáng)度變化幅度分別為－1．74%、3．66%和4．45%。所有的變化幅度絕對值均小于5%，從工程應(yīng)用的角度上來講，其誤差能夠滿足工程精度的要求。換言之，基于強(qiáng)度滯回性能指標(biāo)需求，方RACFST構(gòu)件可以應(yīng)用于工程承重結(jié)構(gòu)之中。

4．1．3特征點(diǎn)剛度受影響分析試件特征點(diǎn)剛度隨取代率的變化幅度如圖8所示。可見，隨著取代率的增加，試件初始彈性剛度變化幅度分別為－7．00%、7．90%和－5．99%;屈服點(diǎn)剛度變化幅度分別為10．29%、0．96%和4．98%;峰值點(diǎn)剛度變化幅度分別為－1．69%、26．72%和25．51%;破壞點(diǎn)剛度變化幅度分別為3．88%、14．93%和－1．30%。峰值點(diǎn)與破壞點(diǎn)剛度變化較大。這主要是由于峰值點(diǎn)與破壞點(diǎn)剛度本身剛度較小，試件最大剛度不到4．0kN/mm，試驗(yàn)結(jié)果容易受到加載與測量系統(tǒng)的影響。其他特征點(diǎn)剛度變化幅度較小，則隨著取代率的增加，初始彈性剛度和屈服點(diǎn)剛度并沒有發(fā)生顯著的改變。與試件S-1相比，試件S-2、S-3和S-4初始彈性剛度變化幅度分別為－7．00%、0．35%和－5．65%，屈服點(diǎn)剛度變化幅度分別為10．29%、11．35%和16．89%，峰值點(diǎn)剛度變化幅度分別為－1．69%、24．58%和56.36%;破壞點(diǎn)剛度變化幅度分別為3．88%、19．38%和17．83%;所有的變化幅度絕對值均較小，或者其他試件的特征點(diǎn)剛度明顯大于鋼管普通混凝土柱試件。從工程應(yīng)用的角度上來講，基于剛度滯回性能指標(biāo)需求，方RACFST構(gòu)件可以應(yīng)用于工程承重結(jié)構(gòu)之中。

4．1．4特征點(diǎn)耗能系數(shù)受影響分析試件在不同取代率下的特征點(diǎn)耗能系數(shù)(he)如圖9所示。可見，隨著取代率的增加，試件屈服點(diǎn)耗能系數(shù)變化幅度分別為3．92%、11．95%和－18．54%;峰值點(diǎn)耗能系數(shù)變化幅度分別為0．00%、2．60%和－15．23%;破壞點(diǎn)耗能系數(shù)變化幅度為0．00%、－9．50%和－0．31%。屈服點(diǎn)與峰值點(diǎn)耗能系數(shù)變化較大，這可能是由于此時(shí)的耗能系數(shù)較小所導(dǎo)致。破壞點(diǎn)耗能系數(shù)變化較小，表明增加再生粗骨料的取代率對試件的破壞耗能性能影響不大。與試件S-1相比，試件S-2、S-3和S-4屈服點(diǎn)耗能系數(shù)變化幅度分別為3．92%、16．34%和－5．23%，峰值點(diǎn)耗能系數(shù)變化幅度分別為0．00%、2．60%和－13．02%，破壞點(diǎn)耗能系數(shù)變化幅度分別為0．00%、－9．50%和－9．78%。其他試件特征點(diǎn)耗能系數(shù)基本上大于鋼管普通混凝土柱試件，部分特征點(diǎn)耗能系數(shù)小于鋼管普通混凝土柱試件，但變化幅度不大。從工程應(yīng)用的角度上來講，基于耗能能力滯回性能指標(biāo)需求，方RACFST構(gòu)件可以應(yīng)用于工程承重結(jié)構(gòu)之中。

4．2軸壓比

4．2．1位移延性系數(shù)受影響分析在不同軸壓比下試件的位移延性系數(shù)如圖10所示。可見，試件S-6、S-5和S-4的位移延性系數(shù)的變化幅度分別－0．32%和－2．93%，即隨著軸壓比的增加，試件位移延性系數(shù)僅略有降低。這主要是因?yàn)樵诩虞d前期試件的豎向荷載由外部方鋼管和核心RAC共同承擔(dān);加載后期，隨著外部方鋼管的屈曲，大部分豎向荷載開始由核心RAC承擔(dān)，為了反映豎向荷載的最終傳力路徑，本文選取的試驗(yàn)軸壓比只與核心RAC有關(guān)，但因此而施加的豎向力相對于三向受力狀態(tài)下核心RAC的承載能力小很多，使得所有試件的受力狀態(tài)相近，位移延性系數(shù)的變化幅度不大，均小于5%。在現(xiàn)有的軸壓比變化范圍內(nèi)，位移延性系數(shù)受影響不大。

4．2．2特征點(diǎn)強(qiáng)度受影響分析試件在不同軸壓比下的特征點(diǎn)強(qiáng)度如圖11所示。可見，試件S-4、S-5和S-6屈服點(diǎn)強(qiáng)度變化幅度分別為－3．10%和－3．49%，峰值點(diǎn)強(qiáng)度變化幅度分別為－3．45%和－6．14%。隨著軸壓比的減小，試件特征點(diǎn)強(qiáng)度逐漸降低，但降幅不大。表明試驗(yàn)選取的軸壓比僅與核心RAC相關(guān)時(shí)，特征點(diǎn)強(qiáng)度對現(xiàn)有的軸壓比變化范圍并不敏感。文獻(xiàn)［9］也曾有過類似的報(bào)道。

4．2．3特征點(diǎn)剛度受影響分析試件在不同軸壓比下的特征點(diǎn)剛度如圖12所示。可見，試件S-4、S-5和S-6彈性階段剛度變化幅度分別為－8．09%和－31．54%;屈服點(diǎn)剛度變化幅度分別為－6．55%和－15．22%;峰值點(diǎn)剛度變化幅度分別為－22．22%和－22．30%;破壞點(diǎn)剛度變化幅度分別為－9．21%和－16．67%。隨著軸壓比的減小，特征點(diǎn)剛度逐漸地減小，且降幅較為明顯，剛度對于軸壓比的變化較為敏感。

4．2．4特征點(diǎn)耗能系數(shù)受影響分析在不同軸壓比下試件的特征點(diǎn)耗能系數(shù)如圖13所示。可見，試件S-4、S-5和S-6屈服點(diǎn)耗能系數(shù)變化幅度依次為－5．52%和－8．03%;峰值點(diǎn)耗能系數(shù)變化幅度依次為5．39%和8．52%;破壞點(diǎn)耗能系數(shù)變化幅度依次為4．64%和6．51%。隨著軸壓比的減小，試件特征點(diǎn)耗能系數(shù)變化規(guī)律不明顯。總體上來講，特征點(diǎn)耗能系數(shù)對現(xiàn)有的軸壓比變化范圍并不敏感。

5結(jié)論

以再生粗骨料取代率和軸壓比為設(shè)計(jì)參數(shù)，通過6個(gè)方RACFST柱試件的滯回性能試驗(yàn)和影響因素分析，主要得到以下結(jié)論:(1)試件破壞形態(tài)與鋼管普通混凝土柱相似，方鋼管底部出現(xiàn)鼓曲破壞，距離試件根部20cm范圍內(nèi)的RAC被壓碎。(2)所有試件的滯回曲線比較飽滿，滯回曲線的形狀從梭形發(fā)展到弓形，且捏縮現(xiàn)象不顯著，表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。(3)基于位移延性系數(shù)、強(qiáng)度、剛度以及耗能系數(shù)等滯回性能指標(biāo)需求，方RACFST構(gòu)件應(yīng)用于工程承重結(jié)構(gòu)之中是可行的。(4)當(dāng)軸壓比分別為0．8、0．7和0．6時(shí)，隨著軸壓比的減小，方RACFST柱試件特征點(diǎn)剛度逐漸地減小，剛度對于軸壓比的變化較為敏感，而位移延性系數(shù)、特征點(diǎn)強(qiáng)度和耗能系數(shù)對現(xiàn)有的軸壓比變化范圍并不敏感。

作者：張向?qū)?陳宗平 薛建陽 單位：河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院