高钛重渣骨料高强混凝土柱抗震性能试验研究.pdf

第 43 卷 第 9 期 2013 年 5 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 9 May 2013 高钛重渣骨料高强混凝土柱抗震性能试验研究 * 李小伟 1，2， 陈 伟 2， 李学伟2 ( 1 西南交通大学地下工程系，成都 610031;2 攀枝花学院土木工程学院，攀枝花 617000) 摘要制作了 12 根高钛重渣骨料高强混凝土缩比模型柱， 进行了拟静力试验。试验轴压比分为 0. 3 和 0. 5 两 种; 考虑了矩形配箍、 十字拉筋复合箍和双矩形复合箍 3 种配箍方式， 其体积配箍率分别为 1. 38% ， 1. 56% 和 1. 42% ; 主筋的配筋率分为 2. 01% 和 2. 26% 两种; 高钛重渣骨料高强混凝土的强度等级分为 C52. 5 和 C68. 8 两种。 对高钛重渣骨料混凝土的滞回曲线、 骨架曲线、 耗能能力、 延性、 层间位移角、 刚度退化和强度退化进行了分析。研 究表明高钛重渣骨料高强混凝土柱的抗震性能与普通骨料高强混凝土柱基本相当。 关键词抗震性能;高钛重渣;高强混凝土 中图分类号: TU375. 4文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 09- 0096- 05 Experimental study on seismic performance of high strength concrete columns with high titanium heavy slag as coarse and fine aggregates Li Xiaowei1， 2，Chen Wei2，Li Xuewei2 ( 1 Department of Tunnel and Underground Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2 Department of Civil Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China) Abstract: Twelve scale model columns of high strength concrete with high titanium heavy slag as coarse and fine aggregates ( HSC-HTHSCFA)were made and tested under pseudo horizontal force Primary experimental parameters include that: axial load ratios are 0. 3 and 0. 5;volumetric ratios of transverse reinforcement for rectangle，cross tie and double rectangle configuration are 1. 38% ，1. 56% and 1. 41% respectively;longitudinal steel ratios are 2. 01% and 2. 26% ;strength grades of HSC-HTHSCFA model columns are C52. 5 and C68. 8 Lateral force-lateral displacement hysteretic curve and skeleton curve，energy absorption capacity，displacement ductility factor，story drift，stiffness and strength degradation for model columns were studied Test results show that the seismic performances of HSC-HTHSCFA model columns are roughly equal to that of usually used high strength reinforced concrete column Keywords: seismic performance;high titanium heavy slag;high strength concrete * 攀枝花市市级应用技术研究与开发资金项目( 2011TX- 14) 。 作者简介: 李小伟，博士，副教授，Email:lilixxxww 126 com。 0引言 攀钢是我国大型钢铁生产企业之一， 排放的炼 钢废渣中 TiO2含量较高( 通常为 20% 29% ) ， 称作 高钛重渣。高钛重渣的化学和物理性质与普通钢渣 不同， 普通钢渣在空气中很易水解崩裂为土状物， 具 有潜在水化活性， 可以用作水泥的外掺料; 高钛重渣 的水化活性低， 不适宜作为生产水泥的外掺料 1。 由于高钛重渣的综合利用水平较低， 常年有 5 500 万 t 的高钛重渣堆放于攀钢的弃渣场。目前， 攀钢 环业公司把高钛重渣经过破碎分选， 制成高钛渣碎 石和高钛渣砂， 作为土木工程建设的混凝土集料， 成 为快速消耗高钛废渣的重要途径。20 世纪 80 年代 以来， 攀钢环业公司等单位对高钛重渣混凝土基本 材料性能进行了大量的研究 2- 4， 其主要结论为: 高 钛重渣是非碱活性集料， 用其配制的混凝土不会发 生碱骨料反应; 高钛重渣是结构性质很稳定的石状 物， 攀钢高钛渣在弃渣场长期暴露十几年依然没有 发现水解现象; 高钛重渣满足建筑材料放射性元 素限量 ( GB 65662001) A 类产品要求， 满足建筑 用材料放射性要求; 高钛重渣的孔隙率波动范围为 11% 19% ; 高钛重渣的硅酸盐分解几天后就可以 稳定， 无石灰分解、 铁分解和锰分解现象; 高钛重渣 碎石满足建筑用卵石、 碎石 ( GB /T 146852001) 2 3 级碎石力学指标; 高钛重渣砂的压碎指标达到 混凝土用高炉重矿渣碎石技术条件 ( YBJ 205 84) 技术指标 I 类标准; 高钛重渣混凝土的耐久性满 足混凝土结构耐久性设计规范 ( GB /T 50476 2008) 的要求。 用高钛重渣碎石和高钛重渣砂分别替代天然碎 石和砂作为粗细骨料配制的混凝土叫高钛重渣骨料 混凝土。为了扩大高钛重渣骨料混凝土在建筑工程 中的大量使用， 本文根据普通骨料混凝土柱的抗震 性能的研究方法和成果 5， 6， 对 12 根高钛重渣骨料 高强混凝土柱的抗震性能进行了试验研究和理论 分析。 第 43 卷 第 9 期李小伟， 等 高钛重渣骨料高强混凝土柱抗震性能试验研究 1试验概况 如图 1 所示， 设计制作了 12 根高钛重渣骨料高 强混凝 土 柱 ( 缩 尺 比 为 1 4) ， 其 横 截 面 尺 寸 为 200mm 200mm， 长度为 1 600mm。在柱子中间设 置加载牛腿， 以方便加载， 从加载牛腿的边缘到柱两 端侧向支撑点之间的净距为 650mm， 在局部受力较 大部位( 柱子两端和加载牛腿) 提高配箍量， 以保证 在试验过程中这些部位完好。 图 1模型柱构造 高钛重渣高强混凝土柱的混凝土强度等级分为 C52. 5，C68. 8 两种， 配合比见表 1。模型柱的箍筋 配制方式分为矩形配箍( A 型) 、 十字拉筋复合箍( B 型) 和双矩形复合箍( C 型) 3 种， 箍筋均采用直径为 6. 5mm 的 HPB235 级 钢 筋;模 型 柱 的 主 筋 为 HRB335 级钢筋。高钛重渣高强混凝土柱的试验参 数见表 2。表 2 中强度等级为 C52. 5，C68. 8 的混 凝土试块的强度平均值分别为 52. 5，68. 8MPa， 为 150mm 立方体试块浇筑后 42d 抗压强度的平均值， 试块与模型柱同条件养护。 每立方米混凝土配合比表 1 强度等级C52. 5C68. 8 水泥 /kg305( 瑞丰 PC32. 5) 345( 瑞丰 PC42. 5) 粉煤灰 /kg120 95 矿渣砂 /kg945 918 矿渣石 /kg942 965 塑化剂 /kg8. 5 10. 6 水 /kg 200200 高钛重渣骨料高强混凝土柱试验在攀枝花学院 土木工程结构实验中心完成， 试验装置如图 2 所示， 试验所用的电液伺服加载系统由美国 shore-western 公司生产， 主位移和水平力由电液伺服加载系统自 动采集， 其他的应变和位移用 TDS- 602 数据采集系 统自动控制数据采集。 根据建筑抗震试验方法规程 7( JGJ 101 96) 和 ATC- 248的建议， 采用位移控制加载。试验 开始前， 首先通过试件顶部的竖向千斤顶以 0. 5 倍 的预加竖向荷载加、 卸载一次， 来消除试验装置的初 始缺陷; 此后， 加载到预定竖向荷载， 持荷 2 3min， 然后通过作动器慢速施加水平往复荷载。试件屈服 前， 在位移达到屈服位移的 1 /4， 1 /2， 3 /4 时， 每次每 级荷载反复 1 次。试件屈服后， 每次位移增量为屈 服位移的 1 倍， 每级位移下往复 3 次， 直至试件 破坏。 高钛重渣骨料高强混凝土柱试验参数表 2 试件 编号 混凝强 度等级 所配 主筋 主筋配 筋率 /% 主筋屈服强度 /( N /mm2) 配箍 形式 试件 轴压比 H1C68. 84162. 01354A 型0. 3 H2C68. 84162. 01354A 型0. 5 H3C68. 88122. 26386B 型0. 3 H4C68. 88122. 26386B 型0. 5 H5C68. 88122. 26386C 型0. 3 H6C68. 88122. 26386C 型0. 5 H7C52. 54162. 01354A 型0. 3 H8C52. 54162. 01354A 型0. 5 H9C52. 58122. 26386B 型0. 3 H10C52. 58122. 26386B 型0. 5 H11C52. 58122. 26386C 型0. 3 H12C52. 58122. 26386C 型0. 5 注:A，B， C 型三种箍筋形式的体积配箍率分别为 1. 38% ， 1. 56% ， 1. 42% ， 屈服强度均为 250N /mm2。 2试验结果 2. 1 试验现象 根据建筑抗震设计规范 ( GB 500112010) ， 试验所采用的 3 种配箍方式都是普通配箍， 由于模 型柱的设计主筋配筋率、 箍筋体积配箍率相差不大， 因此主要根据试验轴压比和混凝土强度等级进行试 验现象描述。下文中初裂位移为垂直于柱轴线的水 平裂纹出现时的柱中点水平位移; 通裂位移为正、 反 方向水平裂纹连通时的柱中点水平位移。 图 2试验装置 图 3柱破坏形态 当试件初裂后， 水平位移继续增加时， 加载牛腿 两侧垂直于柱轴线的水平裂纹的宽度、 长度逐渐增 大。当试件通裂后( 基本对应于主筋屈服) ， 水平裂 纹的宽度迅速增大， 并向斜对角方向发展， 此时裂纹 已经从受弯水平裂纹发展为弯剪斜裂纹。当模型柱 79 建筑结构2013 年 的主筋屈服后， 塑性铰开始在模型柱中部的加载牛 腿两侧萌生并发展， 压碎区开始在塑性铰区的受压 部位萌生。模型柱主筋屈服后， 继续增加水平位移， 水平作动器力值增加速度明显减慢， 试件进入耗能 阶段。在模型柱达到峰值位移以后， 压碎区扩大很 快， 当压碎区保护层的混凝土剥落后， 模型柱受压区 的主筋压屈， 水平作动器的力值迅速下降， 模型柱达 到破坏状态( 图 3) 。模型柱的裂纹发展如表 3 所 示。当混凝土强度等级为 C68. 8， 轴压比为 0. 3 时， 模型柱的初裂位移为 1. 9 3. 0mm; 轴压比为 0. 5 时 的初裂位移为 1. 8 5. 0mm。当混凝土强度等级为 C52. 5， 轴压比为 0. 3 时， 模型柱的初裂位移为 1. 2 3. 0mm; 轴 压 比 为 0. 5 时 的 初 裂 位 移 为 1. 8 3. 6mm。当混凝土强度等级为 C68. 8 时， 初裂时， 与 加载牛腿相邻的塑性铰区的水平裂纹条数为 1 6 条不等， 裂纹宽度为 0. 01 0. 02mm， 裂纹长度为 20 70mm。当混凝土强度等级为 C52. 5 时， 初裂时， 与加载牛腿相邻的塑性铰区的水平裂纹条数为 1 6 条不等， 裂纹宽度为 0. 01 0. 03mm， 裂纹长度为 20 80mm。 当混凝土强度等级为 C68. 8， 轴压比为 0. 3 时， 模型柱的裂纹发展表 3 试件 编号 加载 方向 初裂阶段通裂阶段 位移 /mm 条数 宽度 /mm 长度 /mm 位移 /mm 条数 宽度 /mm 长度 /mm H1 正2. 240. 01407. 570. 1120 负 2. 860. 0170 7. 360. 5110 H2 正530. 02708. 850. 1100 负 2. 450. 0140 4. 260. 180 H3 正320. 01307. 870. 2120 负 2. 720. 0150 760. 5110 H4 正3. 820. 01407. 570. 1110 负 2. 310. 0120 4. 740. 160 H5 正1. 910. 01407. 380. 2120 负 340. 0170 6. 840. 3110 H6 正3. 840. 01208. 850. 290 负 1. 830. 0130 6. 260. 480 H7 正1. 560. 01307. 870. 7140 负 350. 0260 5. 370. 280 H8 正3. 330. 01406. 970. 1120 负 2. 830. 0130 5. 770. 1100 H9 正2. 450. 0150880. 3120 负 2. 850. 0360 7. 580. 4100 H10 正1. 810. 01207. 350. 3110 负 3. 240. 0170 5. 570. 180 H11 正2. 320. 01407. 670. 3120 负 1. 210. 0130 4. 850. 280 H12 正3. 640. 02807. 760. 3120 负 2. 430. 0140 4. 950. 280 注 : “位移” 指加载牛腿中点的水平位移 ; “正” 指作动器伸长， “负” 指作动器缩短， 表 4 同。 模型柱的通裂位移为 6. 8 7. 8mm; 轴压比为 0. 5 时 的通裂位移为 4. 2 8. 8mm。当混凝土强度等级为 C52. 5， 模型柱轴压比为 0. 3 时的通裂位移为 4. 8 8mm; 轴压比为 0. 5 时的通裂位移为 4. 9 7. 7mm。 当混凝土强度等级为 C68. 8 时， 通裂时， 与加载牛 腿相邻的两个塑性铰区的水平裂纹条数为 4 8 条 不 等，裂 纹 宽 度 为 0. 1 0. 5mm、长 度 为 80 120mm。当混凝土强度等级为 C52. 5 时， 通裂时， 与 加载牛腿相邻的两个塑性铰区的水平裂纹条数为 5 8 条不等， 裂纹宽度为 0. 1 0. 7mm、 长度为 80 140mm。 2. 2 滞回曲线 模型柱 H11( 轴压比为 0. 3) 、 模型柱 H12( 轴压 比为 0. 5) 的滞回曲线如图 4 所示。由图可见， 在模 型柱的主筋屈服以前， 同一位移下的三次滞回环基 本重合， 强度退化系数处于 0. 94 0. 98 之间， 在模 型柱的主筋屈服以后， 强度退化系数处于 0. 79 0. 93 之间， 由于模型柱的强度退化不大， 说明其承 载能力稳定。高钛重渣骨料高强混凝土柱的滞回环 为耗能能力较强的弓形。 2. 3 骨架曲线 混凝土强度等级为 C68. 8 和 C52. 5 的模型柱 的骨架曲线如图 5 所示， 用 Park 法确定的骨架曲线 关键点如表 4 所示。 由表 4 可知， 当轴压比相同时， 随着混凝土强度 等级的提高， 模型柱的峰值荷载增大， 极限位移减 小， 平均层间屈服位移角、 平均层间极限位移角和平 均位移延性系数也减小;当混凝土强度等级相同 时， 随着轴压比增大， 模型柱的屈服位移、 峰值位移 图 4模型柱滞回曲线 图 5柱骨架曲线图 89 第 43 卷 第 9 期李小伟， 等 高钛重渣骨料高强混凝土柱抗震性能试验研究 骨架曲线关键点表 4 试件 编号 加载 方向 屈服状态峰值状态极限状态 屈服位移 y/mm 平均层间 屈服位移角 屈服荷载 Fy/kN 峰值位移 max/mm 峰值荷载 Fmax/kN 极限位移 u/mm 平均层间 极限位移角 极限荷载 Fu/kN 平均位移延 性系数 d H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 H11 H12 正6 负 5 4 正6 1 负 4 7 正5 9 负 4 5 正4 4 负 4 3 正5 2 负 5 2 正5 负 4 5 正4 4 负 5 2 正4 9 负 4 9 正5 7 负 5 1 正4 3 负 4 2 正5 4 负 5 9 正4 4 负 4 6 1 /115 1 /122 1 /128 1 /149 1 /124 1 /137 1 /136 1 /133 1 /120 1 /152 1 /115 1 /144 1927 521813 1 173 10 1 197 15 3 2057 723411 7 209 6 5 239 7 8 17610 520813 3 174 7 196 15 6 1837 521510 7 192 4 7 207 9 1 1861021512 1 185 9 5 208 14 2 2157 52578 7 236 6 2 267 9 3 1337 815217 2 171 8 190 18 157718610 174 8 2 199 11 14710 916917 6 168 10 1 191 15 3 1787 31929 7 160 5 5 185 9 7 1557 717816 3 164 9 189 13 9 1637 719610 8 173 7 6 186 10 4 1 /46 1 /69 1 /45 1 /66 1 /50 1 /72 1 /37 1 /62 1 /40 1 /67 1 /43 1 /62 185 168 199 203 177 167 183 176 183 177 218 227 130 162 158 169 144 163 163 157 151 161 166 158 2 5 1 8 2 9 2 3 2 5 1 9 3 7 2 2 3 0 2 3 2 7 2 3 注: 平均层间屈服位移角为正向屈服位移与负向屈服位移的绝对值的平均值除以侧向支撑点到加载牛腿边缘的距离( 650mm) ; 平均层间 极限位移角为正向极限位移与负向极限位移的绝对值的平均值除以侧向支撑点到加载牛腿边缘的距离( 650mm) ; 平均位移延性系数 d为骨 架曲线的正向极限位移与负向极限位移的绝对值的平均值与正向屈服位移与负向屈服位移的绝对值的平均值的比值， 它反映了结构变形超过 弹性范围后， 在承载力没有明显减小的情况下， 结构所能承受的弹塑性变形能力。 和极限位移减小， 平均层间屈服位移角、 平均层间极 限位移角和平均位移延性系数也减小; 其初始水平 屈服承载力、 峰值承载力和极限承载力增大。由表 4 也可知， 当体积配箍率相当， 其他参数相同时， 本次 试验采用的 3 种配箍方式对平均位移延性系数的影 响基本相当。 本次试验模型柱的混凝土强度等级、 主筋配筋 率、 配箍方式和保护层厚度与文献 5普通骨料高 强混凝土柱试件基本一致， 体积配箍率比文献 5 稍小。本次试验所测得的平均层间屈服位移角、 平 均极限层间位移角和平均位移延性系数与文献 5 相应数据基本相符。由此说明高钛重渣骨料高强混 凝土柱的抗倾覆能力和延性与普通集料高强混凝土 基本相当。 应当指出， 本次试验的试件平均位移延性系数 是较低的， 主要原因是采用缩比试件模型时， 混凝土 保护层厚度必须满足混凝土柱的最小保护层厚度， 以保证钢筋与混凝土的可靠粘结。本次试验原型柱 的混凝土保护层厚度为 25mm， 按照 1 4的缩尺比， 模型柱试件的混凝土保护层厚度应取 6mm， 这显然 不能满足混凝土柱最小保护层厚度的要求。根据 混凝土结构设计规范 ( GB 500102010) ， 模型柱 试件的混凝土保护层厚度取 20mm， 这样造成模型 柱的箍筋有效约束区仅为理想缩尺比模型的 0. 72 倍， 由于保护层部分混凝土不能被有效约束， 当保护 层脱落后， 试件抵抗侧向力的能力迅速下降到 0. 8 倍峰值荷载以下， 钢筋骨架有效约束区的抗力不能 有效发挥， 导致其平均位移延性系数相对较小。如 果采用原型柱作为试件， 其钢筋骨架有效约束区相 对较大， 当混凝土保护层脱落后试件抵抗侧向力的 能力下降不多， 可以依靠骨架有效约束区来抵抗侧 向力， 这样可以得到较大的平均位移延性系数。 2. 4 刚度退化 刚度退化一般用同一目标位移下的割线刚度来 表示: Kj= n i = 1 Fij/ n i = 1 uij( 1) 式中: Kj为割线刚度; Fj i 为目标位移 = j 时第 i 次 循环的峰值荷载; uj i为目标位移 = j 时第 i 次循环 的峰值位移; n 为循环次数。 99 建筑结构2013 年 图 6 是试件的刚度退化曲线， 从图中可以看出， 当相对位移 /y小于 2 时， 高轴压比模型柱的侧向 刚度大于低轴压比模型柱的侧向刚度， 低轴压比模 型柱的侧向刚度退化较快; 当相对位移 /y大于 2 时， 轴压比对柱的侧向刚度影响不大。 图 6刚度退化曲线 2. 5 耗能能力 图 7滞回环 结构构件的耗能性能是以其荷载-位移滞回曲 线所包围的面积来衡量( 图 7) ， 滞回曲线所包围的 面积反映了结构弹塑性耗能的大小。滞回环越饱 满， 所包面积越大， 其耗散的能量就越多， 结构的耗 能性能就越好。能量耗散系数 E 为: E = Sabc+ Scda Sobe+ Sodf ( 2) 式中: Sabc为曲线 abc 与横轴所包的面积; Scda为曲线 cda 与横轴所包的面积; Sobe为三角形 obe 的面积; Sodf为三角形 odf 的面积。 模型柱的耗能曲线如图 8 所示， 高钛重渣骨料 高强混凝土柱的最大能量耗散系数 E( 图中每条曲 线的最大值) 的范围为 0. 93 1. 32， 普通混凝土结 构的最大能量耗散系数 E 通常大于 0. 65， 可见高钛 重渣骨料高强混凝土试件的耗能能力与普通混凝土 相当。由图 8 可知， 当相对位移/y小于 0. 3 时， 试 件处于弹性状态， 耗能能力很低; 当相对位移 /y 在 0. 3 1 之间时， 高钛重渣骨料混凝土柱试件已经 发生弹塑性变形， 耗能能力有所增加， 此时， 轴压比 对试件的耗能能力影响很小; 当相对位移 /y位于 1 2 之间时， 试件的耗 能曲线出现拐点， 试件 的耗能能力迅速增强， 其耗能能力随着轴压比 增加而增强。 3结论 ( 1) 高钛重渣骨料 高强混凝土柱的滞回环 图 8耗能曲线 为耗能能力较强的弓形。 ( 2) 在本文考虑的轴压比范围内， 随着混凝土 强度等级和轴压比的增大， 模型柱的峰值位移和极 限位移减小， 峰值承载力和极限承载力增大。 ( 3) 当相对位移位于 1 2 之间时， 高钛重渣骨 料高强混凝土试件的耗能曲线出现拐点， 试件的耗 能能力性能迅速增强， 其耗能能力随着轴压比增加 而增强。 ( 4) 在所 考 虑 的 轴 压 比 范 围 内， 当 相 对 位 移 /y小于 2 时， 高轴压比模型柱的侧向刚度大于低 轴压比模型柱的侧向刚度， 低轴压比模型柱的侧向 刚度退化较快。 ( 5) 本次试验所测得的屈服位移、 峰值位移、 极 限位移、 屈服承载力、 峰值承载力、 极限承载力、 平均 层间屈服位移角、 平均极限层间位移角和平均位移 延性系数等与文献 5对应数据基本相符， 说明高 钛重渣骨料高强混凝土柱与普通集料高强混凝土柱 抗震性能基本相当。 参考文献 1 肖斐 钛渣混凝土性能的研究D 重庆:重庆大学， 2004 2 江海民 高钛重矿渣集料制备高性能混凝土的研究与 应用D 武汉:武汉理工大学，2011 3 何小龙 全高钛重渣混凝土的研究与应用D 重庆: 重庆大学，2006 4 孙金坤 全高钛重渣混凝土应用基础研究D 重庆: 重庆大学，2006 5 李立仁，支运芳，陈永庆，等 高强约束混凝土框架 柱抗震性能的研究J 重庆建筑大学学报，2002，25 ( 5) :38- 45 6 郭子雄，吕西林 低周反复荷载下高轴压比 RC 框架 柱的研究J 建筑结构，1999， 29( 4) :19- 22 7 JGJ 10196 建筑抗震试验方法规程 S 北京:中国 建筑工业出版社，1997 8 ATC- 24 Guidelines for cyclic seismic testing of components ofsteelstructuresSRedwoodCity: Applied Technology Council，1992 001