外方内圆复合钢管高强混凝土柱的累积损伤性能试验研究

外方内圆复合钢管高强混凝土柱的累积损伤性能试验研究

钢筋混凝土柱和钢柱的累积损伤特性复合钢高混凝土柱（简称复合柱）是在方管强混凝土截面中间制备的新型钢-混凝土组合柱。已有试验研究表明,复合钢管高强混凝土短柱的轴心受压变形能力和剩余承载力大［1-2］,复合柱具有很好的抗震性能［3］。房屋建筑遭受罕遇地震作用时,结构构件经历往复弹塑性变形,产生累积损伤。目前,国内外对钢筋混凝土柱、钢柱的累积损伤已有一些试验研究与分析［4-11］,结果表明,经历的最大塑性位移与累积滞回耗能导致钢筋混凝土柱和钢柱的承载能力和极限变形能力降低,同一弹塑性位移往复加载多次对钢筋混凝土柱的承载能力退化影响明显。对于复合柱的累积损伤性能研究,国内外尚未见相关试验研究报道。本文通过6个复合柱试件的拟静力试验,研究并揭示其累积损伤性能,为工程设计提供试验依据。1试验总结1.1试件混凝土材料性能测定6个复合柱试件的编号为CSCFT2-1~CSCFT2-6。试件为倒T字形,由复合柱和钢筋混凝土地梁组成。柱的截面尺寸,即方钢管的截面外形尺寸为300mm×300mm,柱高1410mm;地梁高650mm,宽600mm。复合柱与地梁的连接构造以及地梁的配筋参见文献。试件几何尺寸见图1。试件混凝土强度等级设计要求为C70。由3个150mm立方体试块实测得到的混凝土立方体抗压强度平均值fcu，m列于表1。表1中,fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值,相当于混凝土强度等级;fc，m、fc，d分别为混凝土轴心抗压强度平均值(即试验值)与设计值。fcu，k=fcu，m(1-1.645δ),fc，m=(0.66+0.002fcu，k)×fcu，m≥0.76fcu，m［12］,混凝土强度变异系数δ由18个立方体试块的试验值确定,δ=0.039,fc，d根据fcu，k由《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)［13］得到。试件的方钢管和圆钢管都采用Q235级钢,其钢材强度实测值列于表2,为3个材性试件实测强度的平均值。试件主要变化参数为:轴压比,方钢管壁板厚度及其宽厚比,圆钢管直径与方钢管边长的比值即径宽比,圆钢管的直径及壁厚等。表3列出了试件的主要参数。1.2重力荷载效应与水平地震作用效应组合各试件施加的轴压力N、轴压比设计值nd和轴压比试验值nt见表3。由式(1)和式(2)计算试件的轴压比设计值:式中:Aco为方钢管与圆钢管之间的混凝土截面积;fs和fa分别为方钢管和圆钢管钢材屈服强度设计值,都取210MPa［14］;As为方钢管的截面积。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)［15］,重力荷载效应与水平地震作用效应组合时,分项系数分别取1.2和1.3;因此,计算试件的轴压比设计值时,轴压力近似取分项系数1.2。由表3可见,试件的轴压比设计值nd1略小于试件设计要求的值,轴压比设计值nd2略大于试件设计要求的值。试件的轴压比试验值nt也由式(1)和式(2)计算,但公式右端的1.2改为1.0,即取实际施加的轴压力计算轴压比,fc，d改为fc，m(见表1),fs和fa分别取方钢管和圆钢管钢材屈服强度实测值(见表2),钢管混凝土套箍指标取试验值θt(见表3)。用式(1)计算轴压比时,不考虑方钢管对混凝土的约束作用,但提供轴心受压承载力;考虑圆钢管对管内混凝土的约束作用,圆钢管混凝土的轴心受压承载力按《高层建筑混凝土结构技术规范》(JGJ3—2010)的规定计算。用式(2)计算轴压比时,不考虑方钢管和圆钢管对混凝土的约束作用,但都提供轴心受压承载力。1.3加载和水平加载试验加载装置与测点布置同文献。试验方法为在恒定轴向压力作用下施加往复水平力的拟静力试验。首先施加轴向压力,试验过程中轴向压力保持不变,然后施加往复水平力。水平力加载点距柱底截面1200mm,试件剪跨比为4.0。水平加载采用位移控制,位移角为1/1000、1/500和1/300时,各往复加载1次;位移角为1/200时,往复3次;位移角1/150、1/100、1/75、1/50和1/33时,各往复加载10次;位移角为1/25时,往复加载2次。加载历程如图2所示。2试验结果与分析2.1方钢管壁板鼓曲分析各试件的破坏过程基本相同,描述如下:①位移角不大于1/300时,方钢管没有可见变化;②位移角1/200时,与水平力作用方向垂直的方钢管壁板(以下称翼缘)底部有外鼓迹象;③位移角1/150时,肉眼能见方钢管底部翼缘外鼓,反向加载时,鼓曲部分拉平,无残余变形,往复加载10次后,方钢管翼缘外鼓无明显发展;④1/100时,方钢管底部翼缘鼓曲明显,反向加载时鼓曲部分不能完全拉平,已有残余变形,且随着往复加载次数增多,外鼓范围扩大,此时,方钢管底部腹板有外鼓迹象;⑤位移角1/75时,接近试件的峰值承载力,方钢管翼缘鼓曲加大,且有较大的残余鼓曲变形,同时,方钢管腹壁也明显鼓曲;⑥位移角1/50时,方钢管翼缘鼓曲增大,同时,方钢管角部向外鼓曲,角部铁锈掉落;⑦位移角1/33时,方钢管壁鼓曲部位颜色加深,翼缘和腹板鼓曲部分在角部连通,形成腰鼓形。试件CSCFT2-1(为简便略去轴压比0.8,后文类似)在1/33第4次往复加载时,方钢管角部开裂,其余试件在1/33的第6~10次往复加载时钢管角部开裂,由于有圆钢管,复合柱试件仍能承担轴压力。试件破坏发生在底部约300mm高度范围内。图3为试件CSCFT2-2破坏形态的照片,其他试件的破坏形态基本相同,均为方钢管壁板呈半波形鼓曲,角部开裂,方钢管与圆钢管之间的混凝土局部压碎,以及圆钢管壁显著外鼓。试验结束后,量测方钢管壁板鼓曲峰点的高度a以及鼓曲峰点与柱底之间的距离h1,见表4。表4可见:①方钢管壁板鼓曲峰点的高度在柱根部以上50~150mm的范围内;②轴压比较小的试件CSCFT2-3与CSCFT2-4,壁板鼓曲峰点的高度a小于其他试件;③轴压比相同的试件,方钢管壁板厚的试件CSCFT2-6,其鼓曲峰点高度a略小于其他试件,且峰点距柱底的高度h1也小于其他试件。2.2能耗能力测试图4为各试件的顶点水平力-位移(位移角)(P-Δ,P-θ)滞回曲线,位移测点距柱底的高度为1200mm。各试件的滞回曲线比较饱满,没有明显的捏拢,表明复合柱具有较好的耗能能力。6个试件的P-Δ骨架线如图5所示。骨架线大致可分为3段:①水平力不大于约250kN时,各试件P-Δ的骨架线为直线,且基本重合,试件为弹性;②水平力250kN至峰值时,骨架线为非线性,试件处于弹塑性状态;③峰值后,骨架线近似为直线,各试件水平力下降速度不同,试件CSCFT2-1下降较快,轴压比较小的试件CSCFT2-3与试件CSCFT2-4的水平力下降相对慢。2.3水平位移延性系数试件名义屈服、峰值、极限时对应的顶点水平位移Δ和位移角θ,以及顶点水平位移延性系数μΔ列于表5。位移角为水平位移与其测点高度1200mm的比值。采用作图法［16］由试件顶点水平力-位移(P-Δ)骨架线确定其名义屈服点,对应的水平力和水平位移即为名义屈服水平力Py和名义屈服水平位移Δy;定义水平力下降至峰值水平力85%对应的点为极限点,其水平位移即为极限水平位移Δu。水平位移延性系数μΔ=Δu/Δy。结果表明:(1)试件名义屈服时,其位移角在1/154~1/124之间,显著大于钢筋混凝土柱的名义屈服位移角1/360~1/215［17］;达到峰值水平力时,各试件的位移角都大于1/80。(2)试件CSCFT2-2与试件CSCFT2-6相比,二者仅方钢管壁板的宽厚比不同(分别为50.1和37.2),极限位移角分别为1/55和1/48。可见,减小方钢管壁板的宽厚比,可增大复合柱的弹塑性变形能力。(3)试件CSCFT2-2与试件CSCFT2-3、试件CSCFT2-4与试件CSCFT2-5相比,增大轴压比,引起复合柱的弹塑性变形能力降低。(4)轴压比接近、圆钢管直径相同的试件CSCFT2-2和试件CSCFT2-5、试件CSCFT2-3和试件CSCFT2-4相比,增大圆钢管的壁厚,即增大圆钢管混凝土的套箍指标,使复合柱的极限位移角即弹塑性变形能力增大。(5)试件CSCFT2-1与试件CSCFT2-2相比,径宽比由0.60增大到0.73,但圆钢管混凝土套箍指标设计值由0.82降低到0.71,二者变形能力基本相同。(6)大部分试件的位移延性比小于或略大于3,这是因为名义屈服水平位移大,并不表明复合柱的表形能力差。2.4能源能源2.4.1滞回能耗及位移角图6为试件的累积滞回耗能E与往复加载总次数CN的关系曲线,各试件共进行了58次往复加载,包括弹性阶段加载。试件某一位移角的累积耗能为该位移角及小于该位移角的P-Δ滞回曲线所包围的面积之和。各试件的累积滞回耗能分别为:951.1kN·m、1054.8kN·m、949.7kN·m、1088.0kN·m、1041.2kN·m和1086.2kN·m,除试件CSCFT2-1、试件CSCFT2-3的累积滞回耗能略小外,其余试件相差不大。图7为试件平均滞回耗能-位移角(E1-θ)关系曲线。平均滞回耗能是指:同一水平位移角加载时,滞回耗能的总和除以该位移角往复加载的次数,即往复加载一次滞回耗能的平均值(后文“平均等效阻尼系数”、“平均割线刚度”的含义类似)。从图7可看出:①试件CSCFT2-1与试件CSCFT2-3的平均滞回耗能略小于其他试件;②相同轴压比的试件,增大圆钢管混凝土的套箍指标或方钢管的壁板厚度,均能增大复合柱的平均滞回耗能。2.4.2调值的修正图8为各试件的平均等效阻尼系数-位移角(ηe1-θ)关系曲线。取6个试件的平均值,位移角不大于1/75时,ηe1近似为0.2;位移角为1/50和1/33时,ηe1分别近似为0.4和0.6。2.4.3复加载的滞回能耗试件屈服后,同一水平位移往复加载时,随加载次数增多,达到该水平位移时,滞回耗能(还包括等效阻尼系数,最大水平力,割线刚度等)可能降低,若降低幅度大,则累积损伤影响大。图9为试件CSCFT2-2同一水平位移加载时,第cn次(cn为1到10)往复加载的滞回耗能E,即E-cn关系曲线。其他试件E-cn关系的规律与图9所示相似。从图9可看出,位移角为1/150~1/50时,各次往复加载的滞回耗能基本相同,说明试件累积损伤不严重,累积损伤对试件的滞回耗能影响不大;位移角为1/33时,随往复次数的增加,水平位移往复一次的滞回耗能有一定下降,但下降幅度不超过15%。图10所示为试件CSCFT2-2同一水平位移加载时,第cn次往复加载的等效阻尼系数ηe,即ηe-cn关系曲线。其他试件ηe-cn关系的规律与图10所示相似。从图10可看出:①位移角为1/150~1/75时,随水平位移往复次数增加,ηe基本不变,没有出现下降现象;②位移角1/50时,ηe随水平位移往复次数增加而略有增大;③位移角1/33时,ηe略有波动,但波动幅度不大。总体上,表明试件的累积损伤不严重,对其等效阻尼系数影响不大。2.5承载石2.5.1复合柱水平承载力各试件名义屈服水平力Py及峰值水平力Pp试验实测值列于表6,表中数值为正、反向加载的平均值。结果表明:①试件名义屈服水平力为峰值水平力的0.79~0.86倍,其平均值为0.82;②试件CSCFT2-6的峰值水平力显著大于其他试件,表明增大方钢管壁厚能有效提高其承载力。采用文献介绍的叠加法计算复合柱试件在轴向压力作用下的正截面受弯承载力,除以水平力加载位置的高度1200mm,可得试件的水平承载力Pc,结果列于表6,Pc，1和Pc，2分别为按核心钢管混凝土考虑约束和不考虑约束计算其分配的竖向轴力的计算结果,ω为计算结果的相对误差,ω=(Pc-Pp)/Pp。总体上,叠加法的计算结果与试验值符合较好,且计算结果略偏于安全。2.5.2位移角对承载能力的影响采用同一水平位移往复加载时,第3、10次往复加载的最大水平力P3、P10与第1次往复加载的最大水平力P1比,即P3/P1、P10/P1,考察累积损伤引起的试件承载能力的下降。不同位移角时的P3/P1及P10/P1列于表7。由表7可知:(1)位移角为1/150及1/100时,由于试件尚未名义屈服或水平力尚未达到峰值,承载能力下降不明显,P3/P1与P10/P1为1.0左右(其中不排除有试验误差),试件基本没有累积损伤。(2)位移角为1/75及1/50时,第3次往复加载,试件的承载能力下降不到10%(个别试件略大于10%),第10次往复加载,大部分试件的承载能力下降超过10%,最大为25.3%,试件的累积损伤对承载能力下降有影响,但不严重。(3)位移角为1/33时,承载能力下降规律与位移角为1/75及1/50时相同,但下降的最大百分比略大。(4)增大方钢管壁厚或圆钢管壁厚,使累积损伤引起的试件承载能力退化的幅度减小。2.6割断刚性2.6.1角的关系曲线图11为各试件平均割线刚度K1与位移角的关系曲线。从图11可见,随着位移角θ的增大,平均割线刚度近似线性下降,各试件平均割线刚度退化规律相似。2.6.2割线刚度的比较同一水平位移加载时,各试件的K3/K1及K10/K1列于表8,K1、K3、K10分别为第1、3、10次往复加载对应的割线刚度,割线刚度取推拉两个方向最大水平力之和与对应位移之和的比值,即取两个方向割线刚度的平均值。表8结果表明:(1)位移角为1/150和1/100时,第3次往复加载和第10次往复加载割线刚度下降的幅度在5%以内,试件基本没有累积损伤。(2)位移角为1/75、1/50和1/33时,第3次往复加载割线刚度下降的幅度在10%以内,第10次往复加载割线刚度下降的幅度,大部分试件大于10%,最大为30%,累积损伤对试件的割线刚度有影响,但不严重。3复合柱试件试件CSCFT2-1、试件CSCFT2-2、试件CSCFT2-5、试件CSCFT2-6四个复合柱试件(以下称为第2组试件),与文献中序号相同的复合柱试件(以下称为第1组试件)的参数基本相同,仅混凝土强度略有不同。第1组试件位移角等于、大于1/200时各往复加载3次。通过比较两组试件的主要试验结果,讨论往复加载10次的累积损伤与往复加载3次的累积损伤,对复合柱抗震性能的影响。3.1钢管角部开裂试验件第1组试件仅轴压比最大的试件CSCFT1-3的方钢管角部开裂,第2组全部试件的方钢管角部开裂;第2组试件钢管之间的混凝土破坏范围大,圆钢管外鼓显著,破坏程度比第1组试件严重一些。3.2试件与试件骨架线制作图12为两组试件的水平力-位移骨架曲线对比。结果表明,试件CSCFT1-1和试件CSCFT2-1峰值前骨架线基本重合;试件CSCFT1-5~6和试件CSCFT2-5~6峰值前、后骨架线都基本重合;试件CSCFT1-2和试件CSCFT2-2弹性段骨架线基本重合,下降段骨架线基本平行。与往复加载3次相比,往复加载10次的累积损伤,对复合柱的水平力-位移骨架线基本没有影响。3.3个试件的承载力两组试件峰值水平力(即承载力)、极限位移角的比较列于表9。由表9可见,第2组1个试件的承载力较大,2个试件的承载力略大,1个试件的承载力略小;两组序号相同的2个试件极限位移角相同或几乎相同。3.3累积滞回能耗比较两组试件位移角为1/150~1/25的累积滞回耗能E的比较列于表9,第2组试件位移角1/150~1/33