纤维增强材料-混凝土-钢组...心柱的低周往复荷载试验研究_王善章.pdf
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1、 .,.,工业建筑 年第 卷第 期纤维增强材料混凝土钢组合矩形空心柱的低周往复荷载试验研究王善章 张 冰,张千标 郑寰泽 高宇航(东北林业大学园林学院,哈尔滨;哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院,广东深圳;南京工业大学土木工程学院,南京)摘 要:纤维增强复材()混凝土钢管组合空心柱由 外管、钢内管和两者之间填充的混凝土组成,具有良好的抗震性能和耐腐蚀性能。现有研究主要集中在圆形截面组合空心柱和方形截面组合空心柱,而针对矩形截面组合空心柱的研究较少。矩形截面组合空心柱可根据工程需要,合理设计截面的长边与短边之比,以提供绕两对称轴不同的抗弯刚度。通过对 个矩形 混凝土钢组合空心柱在恒定轴压和
2、侧向往复荷载下的抗震性能试验,参数包括 厚度和水平侧向荷载的加载方向(即绕矩形截面的强轴或弱轴施加弯矩),该组合柱的长边和短边分别为 和 ,总高度为 ,研究表明:具有较厚 管的试件的承载力较高;绕强轴加载的试件的承载力和延性远高于绕弱轴加载的试件;基于 建立的数值模型对滞回曲线的预测略偏保守。关键词:约束混凝土;矩形截面;组合空心柱;抗震性能;滞回曲线 :.,(,;,(),;,):(),(,),;:;国家自然科学基金项目(,);深圳市高等学校稳定支持计划面上项目()。第一作者:王善章,男,年出生,硕士,工程师。通信作者:张冰,男,年出生,博士,副教授,。收稿日期:引 言纤维增强复材()具有轻质
3、高强、良好的耐腐蚀性能、可设计性强等优点。作为有别于传统土木工程材料(钢材、混凝土、木材等)的一种新材料,复合材料现已被广泛用于结构加固,并且在新建结构中也极具应用前景。混凝土钢组纤维增强材料混凝土钢组合矩形空心柱的低周往复荷载试验研究 王善章,等 合空心柱是一种用于新建结构的组合构件,由 外管、钢内管和两者之间填充的混凝土构成(图)。在该组合空心柱中,)管可保护内部钢管和混凝土免受外部腐蚀环境的侵蚀;)混凝土同时受到 管和钢管的约束作用,其强度和延性都得以提高;)混凝土可为钢管提供侧向支撑,避免或延缓钢管出现局部屈曲;)钢管为构件提供抗压承载力和抗弯承载力;)可采用较大的面积空心率(即试件中
4、混凝土截面空洞的面积与 管所包围的面积之比)以大幅降低构件质量;)管和钢管可作为浇筑混凝土的模板,进而简化施工过程。圆形空心柱;方形空心柱;矩形空心柱。图 混凝土钢组合空心柱 自发明 混凝土钢组合空心柱以来,大量学者对其进行了试验研究和理论分析,包括该组合空心柱的轴压性能、偏压性能、抗震性能、抗撞击性能等。等前期研究表明:在单调轴压荷载下,圆形截面的组合空心柱的轴压承载力远高于三种材料单独受压的承载力之和,具有优越的延性;在恒定轴压和侧向往复荷载下,圆形截面的组合空心柱在恒定轴压和侧向往复荷载下具有饱满的滞回曲线,展现出优越的耗能能力和抗震性能。除此之外,有些学者利用该组合空心构件优越的受压性
5、能进行了组合空心拱结构的试验和理论研究;有些学者对该组合空心构件的受弯性能进行了试验和理论研究。纤维增强复合材料建设工程应用技术规范对 混凝土钢组合空心柱的设计给出了计算式和具体建议。华南理工大学陈光明教授与其合作者积极地推动了 混凝土钢组合空心柱的工程应用,如广东省汕尾市海丰县大湾区生态康养体验景观示范带玻璃廊桥采用了 个圆形截面的 混凝土钢组合空心柱作为桥墩。该实际工程中,组合柱的截面外径 ;管内径 ,厚度 ;钢管外径 ,厚度;相比于同样截面直径的实心柱节约混凝土约。在众多国内外学者和工程师的努力下,混凝土钢组合空心构件的工程应用将会越来越多。现有研究主要集中在圆形截面组合空心柱(图)和方
6、形截面组合空心柱(图),而针对矩形截面组合空心柱(图)的研究较少。矩形截面组合柱可根据工程需要,合理设计截面的长边与短边之比,以提供绕两对称轴不同的抗弯刚度。本研究对 个矩形 混凝土钢组合空心柱开展了在恒定轴压和侧向往复荷载下的抗震性能试验,研究参数包括 厚度和水平侧向荷载的加载方向(即绕矩形截面的强轴或弱轴加载)。试验概况.试件设计制作对 个矩形 混凝土钢组合空心柱开展了在恒定轴压和侧向往复荷载下的抗震性能试验,研究参数主要包括 厚度和水平侧向荷载的加载方向(即绕矩形截面的强轴或弱轴施加弯矩)。如图,组合柱的矩形截面长、短边之比为.(混凝土截面的长边尺寸 ,短边尺寸 ,圆弧倒角半径为 );组
7、合柱的钢管为矩形截面,长、短边之比为.(长边尺寸 ,短边尺寸,圆弧倒角半径为 )。该矩形截面的面积空心率为.,即相比于同样截面尺寸的实心柱可节省约 的混凝土。如图,试件包括混凝土柱墩和矩形 混凝土钢组合空心柱身两部分,总高度为 。混凝土柱墩的尺寸为长、宽 、高 ;柱 身 的 高 度 为 。试件中的钢管采用同批次钢板焊接而成,钢管壁厚.。为了增加混凝土柱墩对钢管的嵌固作用,在钢管底部焊接一块钢板作为底板(长 、宽 、厚 );嵌入柱墩部分的钢管上焊接 个纵向加劲肋(高 、宽、厚 )。在试件制作过程中,混凝土分两次浇筑,首先浇筑混凝土柱墩,待柱墩混凝土硬化后再支模浇筑柱身。在柱身混凝土养护完成后,采
8、用湿粘法,将浸润树脂的玻璃纤维单向纤维布包裹于柱身,以形成玻璃纤维缠绕管(即 管)。纤维方向为沿柱身的环向缠绕,管沿环向的搭接长度为 ,布置于矩形截面的长边一侧。本研究采用了 单向玻璃纤维布(名义厚度为.)和 树脂,均购于南京海拓复合材料有限公司。试件的主要参数如表 所示,试件编号中 和 分别代表 中的纤维层数;和 分别代表水平侧向荷载的加载方向为绕椭圆形截面的强轴或弱轴。工业建筑 年第 卷第 期横截面;试件示意。图 矩形 混凝土钢组合空心柱 表 试件参数 试件编号混凝土截面钢管截面层数 厚度加载方向.绕强轴.绕强轴.绕弱轴.材料属性本试验中矩形 混凝土钢组合空心柱采用了 管。根据 标准测得,
9、基于名义厚度(每层 为.,不计入树脂层的厚度)得到 的抗拉刚度为.,极限抗 拉 强 度 为 .,极 限 断 裂 应 变 为.。本试验中所有试件的柱身采用同批次混凝土,并预留了 个直径 、高 的混凝土强度试件。根据 标准,试件的柱身混凝土轴心抗压强度为.,峰值应变为.。根据 .标准对制作钢管的钢板进行了材性试验,其屈服强度为.,极限抗拉强度为.、弹性模量为.。.加载方案及测点布置如图 所示,在试件柱身上的 个横截面上布置了应变片(横截面位置为沿柱身纵向向上,距离柱墩顶面为,的截面上)。每个布置应变片的横截面上,管外表面上布置了 对双向应变片,钢管外表面上布置了 对双向应变片。在柱身底部布置了 对
10、线性位移传感 器()以测量试件的局部变形(即 )。对 的标距均为,测量范围分别为距离柱墩顶面 (和)、(和)和 (和)。在水平力加载点布置了水平方向的(即)以测量试件的侧向位移。为了监测加载过程中柱墩可能出现的转动,在柱墩两侧布置了 和。试件由水平力加载点到柱墩顶面的垂直距离为 。纵向应变片;环向应变片。图 位移计及应变片布置 如图 所示,加载装置由加载横梁、千斤顶、水平作动器、锚杆、单向铰等组成。水平往复荷载采用 液压伺服作动器施加,并采用位移控制加载。当试件的侧向水平承载力下降到小于 峰值承载力时停止加载。所有试件的轴压比均采用了.。如前文所述,管中的纤维为沿试件环向缠绕以对混凝土提供充分
11、的约束作用,因此根据轴压比计算轴力时未考虑 管的轴向刚度。试件轴力根据式()进行计算。因各试件的钢管和混凝土均相同,试件施加的轴力均为.。()()式中:为轴压比;为混凝土抗压强度;为钢管屈服强度;为混凝土截面面积;为钢管截面面积。图 试件加载布置 试验结果.试验现象试验中 个试件的破坏现象相似。在施加轴力之后,试件的纵向应变片有明显读数,而环向应变片读数很小。在施加水平侧向荷载的初期,试件没有明显的破坏现象;当侧向位移超过 时可明显看到试件底部的 管产生环向裂缝,此裂缝是由于 管中树脂沿纵向断裂而造成的。随着侧向纤维增强材料混凝土钢组合矩形空心柱的低周往复荷载试验研究 王善章,等 位移的增加,
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