方钢管再生混凝土中长柱的抗震损伤分析.pdf
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1、第 卷 第期 年月合 肥 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)J OUR NA LO FHE F E IUN I V E R S I T YO FT E C HN O L O G Y(NA TUR A LS C I E N C E)V o l N o J u l 收稿日期:;修回日期:基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(J Z AK Z R );安徽省建设科学技术计划资助项目(Y F )作者简介:王成刚(),男,安徽巢湖人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师D O I:/j i s s n 方钢管再生混凝土中长柱的抗震损伤分析王成刚,余康康,关朝江,崔乐乐(合肥工业大学 土木与水利
2、工程学院,安徽 合肥 ;土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 ;安徽省建筑设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 )摘要:方钢管再生混凝土柱可以充分发挥钢材与再生混凝土的材料性能优势,不仅具有良好的力学性能和抗震性能,而且还科学地处理了建筑垃圾.为了探索方钢管再生混凝土中长柱在低周往复荷载作用下的损伤演化规律,文章根据根柱的低周往复加载试验,研究钢管壁厚、轴压比和长细比个参数对试件抗震损伤的影响,分析各试件的破坏形态和刚度退化规律,且采用种损伤分析模型对各试件进行损伤分析研究.基于不同损伤模型的计算结果,给出方钢管再生混凝土中长柱对应不同抗震性能水准的量化损伤指标.研究结果表明:对于不
3、同变化参数下的方钢管再生混凝土中长柱试件,不同损伤分析模型计算所得各个试件的损伤指标值都呈单调增加趋势;随着轴压比的增加,试件的承载力有所提高,变形能力减小,累积损伤加重;随着长细比的增加,试件的承载力降低,变形能力提高,累积损伤减轻;随着钢管壁厚的增加,试件的承载力和变形能力均提高,累积损伤有所减轻.关键词:方钢管;再生混凝土;中长柱;抗震损伤;损伤指标中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()S e i s m i cd a m a g ea n a l y s i so f s q u a r e s t e e l t u b u l a rm i d d l e l o n gc
4、 o l u m n s f i l l e dw i t hr e c y c l e dc o n c r e t eWANGC h e n g g a n g,YU K a n g k a n g,GUANC h a o j i a n g,C U IL e l e(S c h o o l o fC i v i l a n dH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H e f e i ,C h i n a;A n h u iK e yL a b o
5、r a t o r yo fC i v i lE n g i n e e r i n gS t r u c t u r e s a n dM a t e r i a l s,H e f e i ,C h i n a;A n h u i P r o v i n c i a lA r c h i t e c t u r a lD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t eC o,L t d,H e f e i ,C h i n a)A b s t r a c t:R e c y c l e dc o n c r e t e f i l l e ds
6、 q u a r es t e e l t u b u l a rc o l u m nc a ng i v ef u l lp l a yt ot h em a t e r i a lp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e so fs t e e la n dr e c y c l e dc o n c r e t e I tn o to n l yh a sg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds e i s m i cp e r f o r m a n c e,b u t a l s os
7、 c i e n t i f i c a l l yt r e a t sc o n s t r u c t i o nw a s t e I no r d e r t oe x p l o r et h ed a m a g ee v o l u t i o nl a wo fr e c y c l e dc o n c r e t e f i l l e ds q u a r es t e e lt u b u l a rm i d d l el o n gc o l u m n su n d e rl o wc y c l i cl o a d i n g,a c c o r d i n
8、 gt ot h el o wc y c l i cl o a d i n gt e s t so fs i xc o l u m n s,t h ee f f e c t so ft h r e ep a r a m e t e r so fs t e e l p i p ew a l l t h i c k n e s s,a x i a l c o m p r e s s i o nr a t i oa n ds l e n d e r n e s sr a t i oo nt h es e i s m i cd a m a g eo f t h es p e c i m e n sw
9、e r e s t u d i e d,a n d t h e f a i l u r em o d e a n ds t i f f n e s sd e g r a d a t i o n l a wo f e a c hs p e c i m e nw e r e a n a l y z e d F o u rd a m a g ea n a l y s i sm o d e l sw e r eu s e dt oa n a l y z e t h ed a m a g eo f e a c hs p e c i m e n B a s e do nt h ec a l c u l a
10、 t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n t d a m a g e a n a l y s i sm o d e l s,t h eq u a n t i t a t i v ed a m a g e i n d e xo f r e c y c l e dc o n c r e t e f i l l e ds q u a r es t e e l t u b u l a rm i d d l el o n gc o l u m n sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n ts e i s m i cp
11、 e r f o r m a n c el e v e l sw a sg i v e n T h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a t f o rt h es p e c i m e n so fr e c y c l e dc o n c r e t e f i l l e ds q u a r es t e e lt u b u l a rm i d d l e l o n gc o l u m n sw i t hd i f f e r e n t p a r a m e t e r s,t h ed a m a g e i n d e xv
12、a l u e so f e a c hs p e c i m e nc a l c u l a t e db yd i f f e r e n td a m a g ea n a l y s i sm o d e l ss h o w e dam o n o t o n i c i n c r e a s i n gt r e n d W i t ht h e i n c r e a s eo f a x i a l c o m p r e s s i o nr a t i o,t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es p e c i m e ni
13、 n c r e a s e d,t h ed e f o r m a t i o nc a p a c i t yd e c r e a s e d,a n dt h ec u m u l a t i v ed a m a g e i n c r e a s e d;w i t ht h e i n c r e a s eo fs l e n d e r n e s sr a t i o,t h eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h es p e c i m e nd e c r e a s e d,t h ed e f o r m a t i o nc
14、a p a c i t yi n c r e a s e d,a n dt h ec u m u l a t i v ed a m a g ed e c r e a s e d;w i t h t h e i n c r e a s eo f s t e e l p i p ew a l l t h i c k n e s s,t h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nc a p a c i t yo f t h es p e c i m e n i n c r e a s e d,a n dt h ec u m u
15、l a t i v ed a m a g ed e c r e a s e d K e yw o r d s:s q u a r es t e e l t u b e;r e c y c l e dc o n c r e t e;m i d d l e l o n gc o l u m n;s e i s m i cd a m a g e;d a m a g e i n d e x引言工程结构在整个生命周期会受到来自各个方面的作用,包括自身重量、环境因素以及地震作用等,每种作用可能引起结构或构件微观或宏观上的变化,这种变化称为损伤,每一次损伤都使结构或构件离破坏状态更近一步.地震是一种随机的交
16、替循环作用,地震交替循环作用一次,损伤就会累积一次,当损伤累积到一定程度时,结构或构件就会产生破坏.由此可见,工程结构经受过一次地震后,为了确定工程结构的可利用价值或者为工程结构加固修复提供科学依据,正确地评估结构或构件的损伤程度非常必要.结构或构件的损伤程度一般用损伤指标D来描述.目前,国内外学者提出了许多不同类型的地震损伤分析模型,包括基于刚度退化、变形和耗能的单参数地震损伤模型以及基于变形和耗能的双参数地震损伤模型.目前,对建筑结构损伤模型的研究主要集中在钢筋混凝土结构上,而对钢管混凝土地震损伤模型的研究相对较少,文献 对钢管混凝土柱或钢管再生混凝土柱进行了研究.本文基于文献 通过对六方
17、钢管再生混凝土中长柱进行水平低周反复加载试验数据,研究其累积损伤问题,采用部分损伤模型对试件在试验过程中各个阶段的损伤程度进行计算分析和比较研究,得出不同破坏阶段损伤量化指标,为基于性能的方钢管再生混凝土中长柱抗震设计提供一定依据.试验概况试件具体尺寸如图所示,采用的材料有直焊缝方钢管、P 普通硅酸盐水泥、粉煤灰、普通河砂、自来水以及再生粗骨料.再生粗骨料由建筑物拆除废弃混凝土加工而成,本次试验均采用 取代率的再生混凝土,试配强度为C .试件中所有方钢管均采用Q B钢材,边长均为 mm,名义壁厚分别为、mm.本文再生混凝土和钢材的强度试验方法以及实验值均参见文献.本次试验以轴压比n、长细比和钢
18、管名义壁厚(含钢率)为变化参数,设计制作个构件,试件设计参数见表所列.本试验采取荷载位移双控加载法,采用MT S液压伺服作动器对试件作用水平低周反复载荷.图试件详图表试件基本参数试件编号柱有效高度H/mm长细比实测壁厚t/mm套箍系数宽厚比B/t轴压比nA A A B A A 试验现象及结果分析 试验过程及现象试件从开始加载直至破坏的各个阶段典型照片如图所示.图中:为柱顶水平加载位移;u e为弹性极限位移.在力控制加载阶段,钢管无明显变化,试件处于弹性阶段.观察应变记录,在钢管壁应变达到钢材屈服应变时,改为位移加载.随着加载位移的逐渐增加,增加到弹性极限位移倍时,试件受压面有局部微小鼓曲现象,
19、但肉眼不易察觉,钢管表面的铁锈开始剥落(图 a).加载位移继续增大,增加到弹性极限位移倍左右时,水平推拉力逐渐达到峰值荷载,试件受压面有合肥工业大学学报(自然科学版)第 卷明显局部微凸曲,钢管表面的铁锈剥落明显,钢管两侧壁仍保持平直,在卸载及反向加载过程中,钢管受压面的局部凸曲能被逐渐拉平,卸载后残余变形较大(图 b).加载位移继续增大,水平推拉力开始降低,钢管受压面局部鼓曲加剧,左右侧壁开始鼓曲并越来越明显,同时在卸载及反向加载过程中,钢管的局部凸曲不能再被拉平;卸载后,残余变形继续增大,试件进入破坏阶段(图 c).再生混凝土的破坏形态如图所示.图方钢管再生混凝土柱典型破坏特征图再生混凝土的
20、破坏形态从图 a可以看出,在钢管鼓曲处再生混凝土完全压馈再生混凝土柱完全断裂;从图 b可以看出,其他部位混凝土保持完整,在距柱底 mm范围形成沿加载方向转动的塑性铰,属于典型的压弯破坏.试验结果分析 试件承载力和变形能力分析试件的屈服荷载Py、峰值荷载Pm a x、破坏荷载Pu以及与之对应的屈服位移y、峰值位移m a x、破坏位移u计算结果见表所列,表中加载方向正向为推,反向为拉,平均为正向以及反向加载后得出数值的平均值;屈服荷载采用能量等值法(等面积法)来确定,用位移延性系数(u/y)来 反 映 结 构 延 性 的 大 小.由 表可 以看出:)试件的延性系数在 之间,表明方钢管再生混凝土中长
21、柱的变形性能良好.)随钢管壁厚的增加,延性呈增长趋势,试件的各个特征点处的承载力均有所提高.)随长细比的增加,试件峰值位移和破坏位移明显增加,延性系数也明显增大,但是试件的承载力均明显降低.)随轴压比的增加,试件各特征点处的位移均有所降低,延性系数减小,而特征点处的承载力均有所提高.表特征荷载、特征位移和延性系数计算结果试件加载方向y/mmPy/k Nm a x/mmPm a x/k Nu/mmPu/k NA 正向反向平均 A 正向反向平均 A 正向反向平均 B 正向反向平均 A 正向反向平均 A 正向反向平均 第期王成刚,等:方钢管再生混凝土中长柱的抗震损伤分析 刚度退化在地震作用下,构件刚
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