高性能钢管混凝土柱在水平低周反复荷载作用下的试验研究.pdf

第 3卷第 1 期 2 0 0 6年 2月 铁道科学与工程学报 J OUR NAL OF RAl l f A Y SCI E NCE AND E NGI NE ERI NG V o 1 3 F e b N O 1 2 o ( 】 6 高性能钢管混凝土柱 在水平低周反复荷载作用下的试验研究 林松 ( 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 进行 了4根高性能钢管混凝土和 2 根 高性能钢筋混凝土柱在水平低周反复荷栽作用下的试验研究。试验结果表 明： 支座约束及钢管径厚比是影响高性能钢管混凝土柱抗震性能的主要因素， 高性能钢管混凝土柱的滞回特性、 位移延性 和极限相对位移受其影响显著； 钢管内埋于支座并配置一定数量的抗剪钢筋是一种有效的支座嵌固形式； 相同含钢率的钢 管混凝 土抗震性 能远较 钢筋混凝土试件的抗震性 能好 关键词： 钢管混凝土柱； 高性能混凝土； 抗震性能； 径厚比； 位移延性 中图分类号： T U 3 7 5 文献标识码： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 o 0 6 ) O l 一0 0 2 2 0 5 E x p e r i me n t a l s t u d i e s o n h o r i z o n t a l l o w - c y c l ic l o a d i n g o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e c o l u mn s f i l l e d s t e e l t u b u l a r L I N S o n g ( S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c tu r a l E n g i n e e r in g ， C e n t r al S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 。 C h in a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r p r e s e n t s e x p e r i me n t a l r e s u l t s o f 4 h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e c o l mn n s fi l l e d s t e e l t u b u l a r a n d 2 h i g hp e rf o r ma n c e rei n f o r c e d c o n c ret e c o l u mn s u n d e r h o r i z o n t a l l o wc y c l i c l o a d i n g T h e e ff e c t o f d i a me t e r t h i c k - n e s s r a t i o and res t r a i n t a t s u p p o r t s o n s e i s mi c b e h a v i o r ，e s p e c i a l l y o n h y s t e r e t i c b e h a v i o r ，d i s p l a c e me n t d u c t i l i t y and u l t i ma t e r e l a t i v e r o t a t i o n o f h i g hp e rf o r ma n c e c o n c ret e c alu ma s fi l l e d s t e e l t u b u l a r i s d i s c a s s e d T h e t e s t res u l t s s h o w t h a t s e t t i n g a n u mb e r o f s h e ar r e i n f o r c e me n t s i n t h e b u ri e d s t e e l p i p e s i s an e ff e c t i v e b u i l t i n s u p p o r t；a n d o n c o n d i - t i o n o f e q u al am o u n t o f s t e e l ，t h e a s e i s mi c b e h a v i o r o f a h i g h p e r f o rm a n c e c o n c ret e fi l l e d s t e e l t ub u l a r c o l u m n s i s mu c h bet t e r t h an t h a t o f a h i g hp e rf o r ma n c e rei n f o r c e d c o n c ret e c o l u mn s Ke y wo r d s ： c o n c ret e c o l u mn s fi l l e d s t e e l t u b u l ar；h ii 一p e rf o r ma n c e c o n c ret e ；a s e i s mi c beh a v i o r ；d i am e t e r t h i c k - h e s s rat i o ；d i s p l a c e me n t d u c t i l i t y 高性能钢管混凝土是在普通混凝土的基础上 ， 对其核心混凝土的受力性能加以改善， 获得具有高 流态、 高体积稳定性、 高强度、 高延性的受力构件， 是近年土木工程中集高性能混凝土技术和钢管混 凝土技术于一体的新技术。这种结构具有承载能 力强 、 体积稳定性好 、 延性好 、 质量轻 、 施 工方便等 优点 2 l 。 2 O 世纪 9 0 年代初， 欧、 美、 13 等针对高强混凝 土延性、 韧性差， 破坏呈脆性等性能缺陷， 就如何提 高桥梁结构、 大跨度建筑结构、 高层建筑的抗震性 能进行了研究_ 3 。在此， 作者对高性能钢管混凝 土柱进行研究与分析， 探讨钢管柱套箍指标、 径厚 比及支承端嵌固形式对其抗震性能的影响， 为高性 能钢管混凝土技术的推广应用提供参考。 收稿 日期 ： 2 0 0 5 一1 0一l l 基金项目： 国家自然科学基金资助项目( 5 0 5 7 8 1 6 2 ) 作者简介： 林松( 1 9 6 9 一) ， 女 I t ) 1 1 成都人， 工程师， 从事钢管混凝土研究 维普资讯 http:/ 第 1 期 林松： 高性能钢管 昆 凝土柱在水平低周反复荷载作用下的试验研究 2 3 1 试验 本次试验共 6 个试件， 其中4 个为高性能钢管 混凝土柱( 记为 s C ) ， 2 个为高性能钢筋混凝土柱 ( 记为 C C ) 。试件形式均为倒“ rI ，形 ， 下端嵌固于试 验台座上 。 试验中试件的剪跨比基本一致 ， 主要探讨套箍 指标、 柱底嵌固形式等因素对高性能钢管混凝土柱 ( a ) 一s c试件尺寸； ( b ) 一 C C 试件尺寸 图 l 试件尺寸 F i g 1 D i me n s i o n o f t h e s p e c i me n s 承载力、 延性的影响， 并与含钢量相等的高性能钢 筋混凝土柱的受力性能加以比较。试件基本形式 如图 1 所示， 主要试验参数见表 1 。 高性能钢筋混凝土柱试件形式与加载方式与 高性能钢管混凝土柱的基本相同， 且体积含钢量 C C一1 和 c c一2 分别与试件 S C一1和 S C一3的相 同， 主要试验参数见表 2 。 试验加载： 竖向轴力采用无粘结预应力筋加 载， 试验之前先行张拉预应力筋， 通过锚具和预埋 钢板将预应力传递给柱； 柱顶水平低周反复荷载采 用佛力公司生产的电液伺服系统施 加。整个试验 均用位移控制加载。对钢管混凝土试件， 采用变幅 及等幅加载的混合分级加载制度， 钢管屈服前每一 循环位移幅反复 1 次， 屈服后每一循环位移幅反复 3 次， 以等幅位移增量控制循环反复加载， 直至试 件破坏。对钢筋混凝土试件， 采用变幅分级加载制 度， 以等幅位移控制， 进行单向循环反复加载， 每一 循环位移幅反复 1 次 ， 直至试件破坏 。试验中量测 柱顶水平荷载， 柱顶、 柱身及支座水平位移， 柱底部 的径向与环向应变等， 试验加载装置及测点布置如 图 2所示 。 表 1 高性能钢管混凝土柱试件 主要参数 T a b l e 1 P a r a me t e r s o f the h i g Il p e rf o r m a n c e c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l ar c o l u mn s 套箍指标： = ( A ) ； A 为钢管面积； 为钢管屈服强度； A 为混凝土面积； 为混凝土轴心抗压强度。 表2 高性能钢筋混凝土柱试件主要参数 T a b l e 2 P ar a m e t e r s o f the h i g Il p e rf o r m a n c e r e i n f o r c ed c o n c r e t e c o l u mn s l f l!-g a I 2一厦 霓 斤 圭 _j l 一 l 位移计布置 应变片布置 图 2 测量及加载装 置示意 图 F i g 2 E q u i p me n t f o r me a s u r i n g a n d l o a d i n g 化 维普资讯 http:/ 2 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 O O 6 年 2 月 2 试验结果与分析 2 1 试验现象描述 高性能钢管混凝土柱试件 s c 一1 s c 一 4 均是 柱脚起鼓的压屈破坏。试件在水平荷载达到屈服 荷载后约一个循环以内， 柱脚两边受压侧发生局部 微凸。随着柱顶水平位移的不断加大及反复循环 加载， 鼓凸的范围沿该截面越来越大， 最后相连， 形 成一个完整的外突环。试验最后因水平位移过大， 水平荷载无法继续施加而结束。试验完成后， 割开 试件压凸部分的钢管， 可明显看出混凝土已被压 碎， 但由于钢管壁对核心混凝土的约束作用， 试件 在破坏时， 不会像钢筋混凝土构件一样出现混凝土 剥落的情况， 整个试件截面仍然保持完整。 钢管混凝土试件破坏形态与支座嵌固形式有 密切关系。试件 s c 一2 和 s c一4的钢管内埋于支 座， 且配置有足够的抗剪钢筋或型钢剪力销， 锚固 性能良好， 故试件破坏均为先压屈后拉裂。尽管钢 管局部压屈， 但因其局部变形有限， 对核心混凝土 仍有较好的约束作用， 因而试件的承载力并无明显 下降； 当柱底钢管变形过大或一旦拉裂时， 其水平 承载力立即开始下降。试件 S C一1 由于其钢管直 接焊接于钢垫板顶面， 锚固性能较差 ， 试验开始不 久首先出现钢垫板面与其下混凝土面粘结开裂， 试 验中锚固虽未完全失效， 但开裂引起柱顶水平位移 增大， 荷载达不到预期值。试件 s c一 3由于其柱底 与环形钢梁焊接， 钢梁具有足够的抗弯刚度， 故塑 性铰仍先在柱底部形成， 破坏以钢管底部压屈为标 一一 L -一 、0 高性能钢筋混凝土柱试件 c c一1 和 c c一 2的 柱脚呈剪压破坏。试件在水平荷载达到屈服荷载 后， 柱脚两边受拉侧出现水平裂缝。随着柱顶水平 位移增加， 试件左右两侧由下而上呈层状不断出现 裂缝。与此同时， 柱脚保护层混凝土开始起皮、 崩 落； 而柱脚最早出现的水平裂缝逐渐向上、 向下倾 斜延伸， 形成“ 形弯剪斜裂缝。一旦斜裂缝连通 后 ， 柱脚部分的混凝土很快脱落 ， 试件的承载能力 下降， 构件破坏。 2 2 荷载 一水平位移滞 回曲线 图3 所示为本次试验各试件的柱顶荷载 一 水 平位移滞回曲线( P一 3曲线) 。通过分析比较， 各 滞回曲线具有下列特征 ： 1 ) 支座嵌固形式对高性能钢管混凝土试件滞 回曲线有非常明显的影响。支座嵌固可靠的 s c一 2 s c一4 试件， 相应的滞回曲线呈梭形， 非常饱 满， 表明具有较大的耗能能力， 延性性能较好； 支座 嵌固较差的 S C 一1 试件， 相应的滞回曲线有明显的 捏拢现象， 耗能能力小， 延性稍差。 2 ) 所有高性能钢管混凝土试件在钢管屈服后 均有明显的刚度退化现象。无论是试件的水平承 载力还是加载刚度或卸载刚度均随位移循环次数 的增加而逐渐降低， 表现出明显的退化现象。 3 ) 钢筋混凝土试件c cl 和 c c 一 2 尽管每一 位移增量仅循环 1 次， 但其滞回曲线的捏缩现象较 明显， 其极限承载力和耗能能力远比含钢量相近的 s C一1 和 s C一3 试件低 。 ( b ) ( e ) n u n I 2 0 8 0 加 Z 定 。 -4 0 8 0 一 ( a ) 一S C一1 ； ( b ) 一S C一2 ； ( c ) 一S C一3 ； ( d ) 一S C一 4 ； ( e ) 一C C一1 ； ( f ) 一C C一2 图 3 P一滞回曲线 F i g 3 P 一h y s t e r e s i s c y c l e 维普资讯 http:/ 第 l 期 林松： 高性能钢管f 昆 凝土柱在水平低周反复荷载作用下的试验研究 2 5 2 3 荷载 一水平位移骨架曲线 图4所示为各试件荷载 一 水平位移滞回曲线 的骨架曲线， 从加载到试验结束， 高性能钢管混凝 土s C试件工作的全过程可分为 3 个工作阶段： 弹 性工作阶段， 弹塑性工作阶段和破坏阶段。 2 3 1 弹性工作阶段 从开始加载到钢管混凝土柱底受拉边缘钢管 初始屈服， 试件工作基本处于弹性工作阶段， 其加 载和卸载时的荷载 一水平位移关系基本呈线性变 化。试验结果表明， 支座嵌固约束形式和钢管套箍 指标对试件荷载 一水平位移骨架曲线的初始刚度 和相对屈服荷载影响很大， 初始刚度随支座嵌固约 束程度和钢管套箍指标的加大而增加。 2 3 2 弹塑性工作阶段 钢管屈服后继续加载， 其屈服区不断发展扩 大， 截面刚度明显降低， 变形迅速增加， 荷载 一 水平 位移关系曲线上出现明显的转折点。套箍指标越 高 ， 曲线越平缓 ， 延性越好。当荷载达到实测最大 荷载的 9 o 左右时 ， 截面几乎形成完全塑性铰。 2 3 3 破 坏 阶段 塑性铰形成后继续加载， 试件近似呈机构工作 状态， 变形不断发展， 荷载几乎保持不变或略有增 减。试件在同一位移增量下的第 2 和第 3 个循环 位移比第 1 个循环明显增大， 而荷载却略有降低， 表明存在一定 的刚度退化现象。试件最终破坏 以 钢管底部拉裂或局部压屈为标志。 S C- 2 ， 0 06 0 2 0 0 2 0 60 l 0 0 ram 高性能钢筋混凝土试件由于钢筋对混凝土的 约束性能较钢管差， 且钢筋骨架内核心混凝土面积 较小， 故 C C 一1 和 C C一2 斌件的刚度均比含钢率 相同的 s C一1 和 s C一 3试件低 ， 试件骨架曲线 明显 不如 s C试件平缓 ， 延性较差。 2 4 位移延性系数 位移延性系数也是描述结构或构件延性的一 个重要指数， 它反映构件或截面弹塑性变形。表 3 中列出了所有试件的屈服位移 ， 极限位移 和 位移延性系数 ( = ) 。套箍指标高、 径厚 比小的高性能钢管混凝土试件位移延性系数较高， 延性较好。而且， 高性能钢管混凝土试件的位移延 性比高性能钢筋混凝土试件的好。 2 5 极限层间相对位移角 极 限层间相对位移角是描述结构或构件延性 的一个重要指数。在一般情况下， 极限层间相对位 移定义为水平荷载下降到最大值的9 0 时的实测 位移与柱高的比值。本次试验取钢筋压屈或拉裂 中的较小值进行计算， 计算结果见表 3 。可见， 极 限层问相对位移角均远大于现行规范所规定的 1 5 O 的限值。而且套箍指标越高、 径厚 比越小的试 件， 极限层问相对位移角越大， 表明其延性越好。 钢管混凝土试件与钢筋混凝土试件相 比， 相同含钢 率的 s C 试件极限层问相对位移角均大于 C C试件 的相对位移角， 说明其延性均好于钢筋混凝土试 件 。 。 ： ： 图 4 P一骨架线 F i g 4 P 一 s k e l e t o n c y c l e 表3 试验结果 T a b l e 3 T h e r e s u l t s o f e x p e r i me n t 2 0 0 6 0 2 0 0 2 o 6 0 l 0 0 A ram 维普资讯 http:/ 2 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 6年 2月 2 6 极限承载力 表 3 列出了全部试件的极 限水平承载力实测 值和计算值。表中计算值按 钢管混凝土结构设计 与施工规程 ( C E C S 2 8 ： 9 0 ) E 。 中计算公式计算， 并 按高强混凝土进行系数修正， 即 NH = l A ( 1 +1 _ 8 ) 。 ( 1 ) 可见， 除 S C一1 因柱底约束差 、 支座转动大而 管壁加工不均匀导致其极限承载力较计算值低外， 其余试件按式( 1 ) 计算的极限水平承载力与试验结 果非常接近 。 3 结论 1 ) 高性能钢管混凝土柱在水平低周反复荷载 作用下， 其工作过程可分为3个阶段， 即弹性阶段、 弹塑性阶段、 破坏阶段。其破坏形态一般为柱根局 部钢管压屈或拉裂。 2 ) 高性能钢管混凝土柱的抗震性能受支座嵌 固形式影响较显著。钢管内埋于支座， 并配置一定 的抗剪钢筋是比较有效的支座嵌固形式 。 3 ) 套箍指标、 径厚比是影响高性能钢管混凝 土柱抗震延性的主要因素。高性能钢管混凝土柱 极限层间相对位移角、 位移延性系数均随套箍指标 的增大、 径厚比的减小而增大。试验结果表明， 高 性能钢管混凝土柱具有 良好延性 ， 其极限层间相对 位移角远大于我国现行规范限值。 4 ) 高性能钢管混凝土柱的抗震性能比含相同 钢量的高性能钢筋混凝土柱好。其极限层间相对 位移较大 ， 滞 回曲线也较饱满。 参考文献 ： 1 游经团， 韩林海 钢管高性能混凝土压弯构件滞 回性 能试验研究 J 地震工程与工程振动， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 9 8 1 0 3 Y OU J i n g - t u a n ， HA N L i n h a i E x p e r i m e n t a l s t r a y o n h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn s e c t e d t O c y c l i c l o a d i n g l J J E a r t h q u a k e E n g i n e e ri n g a n d E n g i n e e r i n g V i b r a t i o n 2 0 0 5 ( 6 ) ： 9 8 1 0 3 2 林 松 高性能钢管混凝土柱受力性能的试验研究 D 长沙： 中南大学土木建筑学院， 2 0 0 0 I I N S o n g E x p e r i m e n t a l P s e a l h e s o n h h a v i o r o f hi ghp r f o r m a n c e c o n c r e t e c o l u m n s 6 U e d s t e e l t u b e D C h a n g s h a ： S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t mal E n g i n e e ri n g ， C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ， 2 O O O 3 韩林海 钢管( 高强) 混凝土轴压稳定承载力研究 J 哈尔滨建筑大学学报， 1 9 9 8 ( 3 ) ： 2 3 2 8 H AN L i n h a i R e s e a r c h e s f o r t h e s t a b i l i t y b e a r i n g c a p a c i t y of ( h i g hs t r e n g t h )c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r m e m b e r s s ub j e c t e d t o a x i a l c o m p r e s s i o n l J J o u r n al of H ar b in U n i v e r s i ty of A r c h i t e c t u r e a n d E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 8 ( 3 ) ： 2 3 2 8 4 李志钧， 阎善章钢管混凝土框架梁柱刚性抗震节点 的试验研究 J 工业建筑， 1 9 9 4 ( 2 ) ： 8 1 5 L I Z h i j an ， Y A N S h a n - z h a n g T h e e x peri m e n ta l r e sea r c h o n ri gi d a s e i s m a t i c bea m o o l u l n n i o i n t o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t abu l ar f r a me J I n d u s t ri a l C o n s t r u c ti o n ， 1 9 9 4 ( 2 ) ： 8 1 5 5 黄襄运 ， 周福霖， 徐忠根钢管混凝土结构抗震性能的 比较研究 J ， 世界地震工程 ， 2 O O l ， 1 7 ( 2 ) ： 8 6 8 9 H U AN G Xi a n g - y u n， Z HO U F u l i n， X U Z h o n g g e n C o mp a r a t i v e s t u d y o n t h e e a r t h q u a k e beh a v i o r of c o n c ret e fi l l e d s t e e l t u b ul ar s t r u c t u r e s J Wo r l d I n f o r ma t i o n o n E a r th q u a k e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 1 。 1 7 ( 2 ) ： 8 6 8 9 6 谭克锋， 蒲心诚 钢管超高强混凝土长柱及偏压柱的性 能与极限承载能力的研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 0 ( 4 ) ： l 2一 l 9 T A N K e - f e n g ， P U Xi n - c h e r t g S t u d y o n beh a v i o r a n d l o a d be a r i n g c a p a c i t y o f s l e n d e r s t e e l t u b ular c o l u mn s a n d e c c e n- - t r i c al l y l o a d e d s t e e l t u b ul ar c o l u m n s fi l l e d w i t h e x tr a hi gh s t r e n gt h c o n c r e t e J J o u r n a l of B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 2 O O O ( 4 ) ： 1 21 9 7 张春梅， 阴毅 ， 周 云 高强钢管混凝土柱抗震试验 分析 J 建筑技术开发 ， 2 o 0 4 ( 9 ) ： 5 25 3 Z H AN G C h u n m e i ， YI N Yi ， Z HOU Yu n As e i s mi c e x pe r i me n - t al s t u d y o n h i g h s tr e n g t h c o n c ret e fi l l e d s t e e l t u b u l ar c o l u mn s J J B u i l d i n g T e c h n i q u e D e v e l o p m e n t ， 2 0 0 4 ( 9 ) ： 5 2 5 3 8 李斌， 薛刚 ， 张园 钢管混凝土框架结构抗震性 能试验研究 J 地震工程与工程振动， 2 0 0 2 ( 1 0 ) ： 5 3 5 6 U Bi n ， XU E G a n g ， Z HA NG Yu an E x pe r i me n t a l s l u d y o n be h a v i o r s of c o n c ret e fi l l e d s t e e l t ubu l ar f r a me J E a r t h qua k e E n g i n e e ri n g a n d E n g i n eeri ng V i b r a t i o n ， 2 0 0 2 ( 1 0 ) ： 5 3 5 6 9 C E C S 2 8 ： 9 0 ， 钢管混凝土结构设计与施工规程 S C EC S 2 8： 9 0 S pec i fi c a t i o n f o r d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f con c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u lar s t r u c t u r e s S J 维普资讯 http:/