方钢管混凝土柱低周反复荷载作用试验研究.pdf

第4 1 卷 第 9期 2 0 1 0年 5 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 41 No 9 Ma y， 2 01 0 文 章 编 号 ： 1 0 014 1 7 9( 2 01 0) 0 90 0 8 90 3 方钢管混凝土柱低周反复荷载作用试验研究 汪 洋 一， 索 小 永 ( 1 台州职 业技术 学院 土木 系， 浙江 台州 3 1 8 0 0 0 ； 2 郑州大学 土木工程学院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 0 1 ； 3 安徽 工程科技学院 机械工程 系， 安徽 芜湖 2 4 1 0 0 0 ) 摘要 ： 钢 管混凝 土结构在我 国得到 了广泛的应用 ， 国内外学者对钢 管混凝 土结构进行 了很 多研 究。通过 电液 伺服 系统进行 了方钢管混凝土柱常轴压 低周反 复荷载 作 用试 验 ， 分析其在 低周反 复水 平荷载 作用 下的延性 性 能 与 耗 能 能 力 ， 给 出位 移 随 反 复 荷 载 变 化 的 滞 回 曲 线 。 试 验 结 果 显 示 ， 整 个 加 载 过 程 所 得 到 的 2试 件 荷 载一 位移曲线呈“ 梭形” ， 表明方钢管混凝土结构具有 良好 的延性 和耗 能能力 ， 抗震 能力强。 关键词 ： 试验 ；滞回性能 ； 抗震性 能；方钢管混凝土 中 图 法分 类 号 ：T U 3 7 文 献 标 志 码 ：A 钢 管混 凝 土中 的钢材 和混 凝土是 2种 力学 性能 截 然不 同 的材料 。钢 材在 弹性 阶 段 时 ， 它 的 泊松 比变 化 小 ， 基 本保 持常数 ( 近 似为 0 2 8 3 ) ， 而混 凝土 的 ? 白 松 比 处在 低应 力水 平 时 约 为 0 1 6 7 ， 在 承 受 较 大 轴 心 压 力 作用 时 ， 由于核 心混凝 土 内部纵 向裂 缝 的开展 ， ? 白 松 比 将超 过 0 5 ， 当混凝 土 的泊松 比超 过 钢 材 的泊 松 比时 ， 钢管对 核心 混凝 土 产 生 约束 力 。 在钢 管 横 向约 束 下 ， 核心混 凝 土处于 3向受 压 状态 ， 其 强度 不 仅 得 到 了提 高 ， 且其 塑 性 和 延 性 也 得 到 改 善 。 同 时 ， 由 于核 心 混凝土 的存 在 ， 避 免 了管壁 局部压 曲的现象 ， 柱 的稳定 性 得到 了改 善 。由此可 见 ， 通过这 种组 合作 用 ， 钢管 和 混凝土 这两 种材料 互 相 弥 补 了 彼此 的缺 点 ， 可 以充 分 发挥彼 此 的长处 ， 从 而使 钢 管 混 凝 土具 有 的承 载 力 高 于其组成 材料 钢管 和 核 心混 凝 土单 独 承 载 力之 和 ， 表 现出非 常优越 的力 学性 能 。 国外 在早 期主 要对方 钢 管混凝 土进 行 了短期 加载 静力性能试验研究 ， 此后的研究范围进一步扩大 ， 不仅 深入研究 了方钢管混凝土 的轴压 、 纯压和压弯构件 的 静力 性能 ， 还针 对方 钢管混 凝 土双 向压弯 、 方 钢管 和混 凝 土之间 的粘结 、 薄 壁 方钢 管 混 凝 土 和方 钢管 高 强 混 凝土等 进行 了一 系列 试验 研 究 。国 内对钢 管混 凝 土构件 力 学性 能进 行 的研 究 ， 主要 包 括 方 形 截 面构 件 的双 向压 弯性 能 、 长 期荷 载作 用 的影 响 、 各种 截 面钢管 混凝 土轴 压短柱 基 本性 能 的连 续 性 、 方 钢 管 混凝 土压 弯构件 滞 回性 能 等 I 3 ， 但 是 缺 乏 对其 抗 震 性 能 的研 究 ， 反 复荷 载作 用下构 件 滞 回模 型 也 尚有 待 确定 。 本 文进 行 了 2根轴 压 方钢 管混凝 土柱 水平 低周 反 复荷 载 试验研 究 ， 分析 试件 在试 验过 程 中出现 的现 象 ， 给 出位 移随 反复 荷载 变 化 的 滞 回曲线 ， 对其 在 水 平 反 复荷 载作 用下 的 承载 能 力 、 变 形 能 力 、 刚 度 退 化 、 耗 能 能力 以及 结构 的破 坏机 理进 行 了研究 。 1 试验概况 1 1试 件 设 计 试验的构件为双层 、 单跨方钢管混凝土组合框架 ， 各层 高均 为 0 8 m， 跨 度为 1 1 m。为 了 固定构 件 ， 在 柱底设 计 高为 0 3 5 m 的变截 面箱 型底 座 ， 底 座长 2 4 4 m， 试 件结 构 如 图 1 、 2所 示 。 2个 方钢 管混凝 土 柱参 数 相 同 ： 柱截 面为 3 0 0 mm 3 0 0 m m， 钢管 壁 厚 为 1 2 mm( Q 2 3 5一B钢 ) ， 采 用 溶 收稿 日期 ： 2 0 0 9一l 11 6 基金项 目： 浙江省教 育厅 资助项 目( 大尺度钢结构建筑地震作用效应研究 Z C 2 0 0 8 0 6 0 8 8 ) 作者简介 ： 汪 洋， 男， 讲 师， 主要 从事结构工程方面的研 究。Em a i l ： w a n g y a n g 9 6 1 2 6 c o m 9 0 人 民 长 江 透 的对接焊 缝 ， 内部 浇 注 C 4 0混 凝 土 。在保 证 试 件 下 端 固定 、 上 端受 轴压力 的情 况 下 ， 对试 件顶 部施 加单 方 向水平 反复 荷 载 ， 见 图 3 。为 防 止 在 柱 顶部 加 载 时 发 生局 压破坏 ， 将柱 顶 ( 方钢 管 内) 进行 局部 加强 。 8 0 0 I 3 0 0 I 8 0 0 I 3 0 0 芦 图 1 构 件 正 立面 、 侧 立 面 ( 单位 ： mm) 图 2构 件 底 座 平 面 ( 单 位 ： mm) 图 3试件加载照片 试 件 钢 结 构 采 用 Q 2 3 5一B钢 ， 标 准 强 度 f =2 3 5 N m m ， 钢 管部分 采用 4块 钢板 焊接 而成 ， 钢板进 行 了 剖 口焊 。混 凝 土为 C 4 0级 ， 在 振捣 钢 管 内混 凝 土 的 同 时， 制作 3个标准混凝土试块 ， 并与试件在同等条件下 养护 2 8 d 。然 后 实测 混 凝 土 的立方 体 抗压 强 度 ， 取 混凝 土 的轴心 抗压 强度 为 ：0 8 8 X 0 7 60 9 9 。 材料 相关 性能 见表 1和表 2 。 表 1钢 板 的 力 学 指 标 1 2低 周 反 复 试 验 试 验过程 中 ， 先施 加轴 向力 ， 以轴 向压 力 5 0 0 k N 预加 卸 载 1 次 ， 以 消除试 件 内部 组织 的不 均匀性 ， 然 后 重 新加 载 至 1 0 0 0 k N并 一 直 保 持 到试 验 结 束 。在 轴 向压力 施加过 程 中 ， 注 意 观 察试 验 进 程 中压力 值 的变 化 ， 并将 其 变化 范 围控 制 在 5 之 内。水 平 荷 载 正 式 加载前 ， 先 预加反 复荷 载 1次 ， 以检 查加 载设 备和测 量 仪 器工 作是 否正 常 。整个 加 载 过 程 中 ， 按 照先 控 制 力 的加载 再控 制位 移 加 载 的程 序 进行 。实 际加 载 时 ， 先 按 2 0 、 4 0、 6 0 k N 逐 级 加 载 至 屈 服 ， 屈 服 后 按 位 移 控制 加载 。 2 试验 结果与分析 2 1 试验现象 试验过程中发现， 柱子为压弯破坏， 当荷载达到屈 服荷 载时 ， 钢管外 表 出现 滑 移 线 ， 再施 加 23倍 屈 服 位移 ， 出现滑 移 线 的部 位 增 多 ， 且 在 局 部 有 铁 皮 脱 落 ( 图 4 ) 。在柱 脚受 压侧 钢 板 发 生 局 部微 小 屈 曲 ， 但 在 随后卸载 和反 向加 载 过程 中 ， 屈 曲部 位 又被 重 新 拉平 并 在另 一侧产 生局 部 微 小屈 曲 ， 随着 屈 曲 范 围不 断加 大 ， 到试 件被破 坏 时 ， 柱底 整 个 截 面 向外 微 凸 ， 拉 裂下 部 角焊缝 ， 并 在焊缝 中发 现少 量混凝 土粉 末 ， 表明底部 混 凝土 已被 压碎 。 图 4滑移 线 在加 载过 程 中的 弹性 阶 段 ， 柱 顶 水平 位 移 变化 均 匀 ； 屈服后 由位 移控 制 加 载 ， 当 柱顶 加 载 位 移 l c m左 第 9期 汪 洋 ， 等： 方钢管混凝土柱低周反 复荷 载作 用试 验研究 9 1 右时 ， 其位移均匀缓慢增加， 而在卸载初始 阶段 ， 柱顶 位移骤 变 ， 并伴 有 “ 咔 咔 ” 的 声 音 ， 这 种 声 音 表 明构 件 已经屈 服破 坏 。整个 加 载 过 程 中 ， 试 件 屈 服后 仍 具 有 很大 刚度 ， 表现 出 良好 塑性 水平 荷 载不断 上升 ， 且 试件 承载力 没有 出 现 明显 下 降 段 ， 但 考 虑 到安 全 问题 没有继 续加 载 。 2 2 荷载 一位移 ( P 一 )关系 试 验得 到 的荷 载 一位移 滞 回 曲线 体 现 了试 件 承载 能力 、 刚度 和延性 等力 学特 征 ， 是 钢管 混凝 土柱 抗震 性 能 的集 中表 现 。图 5中试 件滞 回 曲线 呈 梭 形 ， 水 平 承 载力没 有 明显下 降 ， 表 现 出 良好 塑 性 和 耗 能 能 力 。 由 力控制 加载 到 P = 3 2 0 k N时 ， 柱底 部 钢管 壁 的应 变 已 超过钢材 的屈 服应 变 ， 加载 时力 不再增 加 ， 认为 此 时钢 管混凝 土柱屈 服 ， 相 应 屈 服位 移 ay =9 8 m m； 反 向 加 载到 屈 服 时 ， 水 平 力 P = 2 8 8 k N， 柱顶 端 水 平 屈 服 位 移 AY = 一 8 1 mm。2个方 向 的屈服位 移 不一 致 可 能是 由于初始 偏心 造 成 的 ， 取 上述 两 个 位 移 的平 均值 为屈服 位 移 。故 取 屈 服 荷 载 P =3 0 4 k N， 屈 服 位 移 aY=9 m m。继 续加 载到 6 ay以后停 止加 载 ， 此 时正 反 向位移 均值作 为 极 限位 移 au = 5 9 mm， 根据 位 移 延 性系数 计算 公式 ： U = Au aY=6 1 。 表 明试 验构 件延 性 良好 。 1 至 D 掌 。 f 2 o t 位 移 m m 委 如 I2 。 一 7 f 3 I 位 移 mm 图 5荷 载 与 位 移 关 系 曲线 图 5中滞 回曲线 不对 称 ， 是 由 于构 件 在 反 复循 环 荷 载作用 下 刚度退 化 而 引起 的 ， 但 刚度 退 化 缓 慢 。结 合滞 回曲线 ， 可 将 曲线分 为 以下 4个 阶段 ： ( 1 )O A阶段 ： 荷 载 与位 移 基 本呈 直 线 关 系 ， 此 时 钢管外 侧 开始屈 服 。 ( 2 )A B阶段 ： 荷载 与 位 移 关 系呈 曲线 ， 在 不 断 增 大 的水 平荷 载作 用下 ， 截 面塑性 区 的面积 不断 增大 ， 试 件的刚度也在不断下降 ， 此 阶段混凝 土和钢管之间将 产生不 断增 大 的紧箍力 。 ( 3 )B C阶 段 ： 荷 载 与 位 移 基 本 保 持 线 性 关 系 阶 段 ， 随着 水平 推力增 加 ， 混凝 土受 力 越 来 越 大 ， 导 致 横 向膨胀 力 的增 加 ， 当混 凝 土 的膨胀 力 超 出钢 管 所 能 提 供的紧箍力时， 混凝土中的裂缝会迅速增加 ， 但钢材的 强化可以抵消混凝土承载力 的下降 ， 构件 的水平承载 力并 未 降低 。 ( 4 )C D阶段 ： 卸 载时 P a 曲线 阶段 ， 此 时线形 基本 呈直 线关 系 ， 卸载 刚 度 与 第 一 阶段 的 刚度 基 本相 同 。至水 平荷 载为 零时 ， 由于轴 向力 的作用 下 ， 整个截 面均有应力存在， 钢材和混凝土都发生了塑性变形 ， 钢 材和混 凝 土会存 在 残余应 变 ， 并导 致残 余变 形 的产生 。 在 加 载初期 ， 钢 管屈 服之 前 ， 试 件 各次循 环 对应 的 骨架 曲线几 乎重 合 ， 表 明试 件 强 度 、 刚 度 退 化不 明显 ； 当钢管屈服以后 ， 随着位移增加其退化程度增大 ， 但亦 不 是很 明显 ， 主要 由于钢 管对 核心 混凝 土 的约束 作用 ， 使 混凝 土处 于复 杂 的应力 状态 下 ， 强度 得 以提高 ， 塑性 和韧性得到改善 。同时 ， 由于混凝土的存在 ， 可以延缓 或 避免 钢 管 过 早 发 生 局 部 屈 曲 ， 增 强 了钢 管 稳 定 性 。 整 体来 说 ， 加 载后 期 ， 试 件 表 现 出 较好 塑性 ， 耗 能能 力 良好 。 3结 论 ( 1 )在 未达 到屈 服 之 前 的 反 复加 载 过 程 中 ， 荷 载 一 位 移呈 直线 形 ， 循环 加载 的滞 回曲线重 合 ， 说 明此 时 试件 刚度 变化 小 ， 处于 弹性 阶段 ， 基本 满足 一般 理论 计 算所 采用 的平 面假 定 。 ( 2 )整个 加 载过程 所得 到 的 2试 件荷 载 一位移 曲 线呈 “ 梭形 ” ， 滞 回曲线 达 到 的最 大 位移 基 本 一致 。试 验 中荷载 达到 屈服 荷 载后 ， 在 柱脚 处 钢 板 发 生 局部 微 小 的 屈 曲 ， 随着 水平 位移 的不 断增 大 ， 屈 曲范 围不 断增 大 ， 钢 板屈 曲处 混凝 土部 分 已压碎 。 ( 3 )屈服前钢管对混凝土 的约束作用不太 明显 ； 屈 服后 ， 约束 作 用增 大 ， 核 心 混 凝 土 呈 多 向受 压 状 态 ， 强度 提 高 ， 同时 由于混 凝 土 的存 在 ， 减少 了钢 管 的局部 失稳 ， 充分发挥出钢材受拉和混凝 土受压性能。表现 在试 件 屈服后 ， 承载能 力并 未 降低 ， 且 仍 随位 移呈线 性 缓慢 增 长 ， 极 限位 移与 屈服 位移 之 比为 6 1 ， 说 明钢 管 混凝 土组 合柱 具有 良好 的 耗 能 能力 ， 塑 性 、 延 性好 ， 抗 震能 力强 。 参考 文献 ： 1 周明 方钢管混凝土构件力 学性 能研 究( 硕 士学位论 文) D 哈 尔滨 ： 哈 尔滨工业大学 ， 2 0 0 0 2 吕西林 ， 李学平 方钢管混凝土结构应用技 术研 究 J 施工技术 ， 2 0 0 0， ( 3)： 4 85 4 3 柴迎春 方钢管混凝土柱的弹塑性 分析( 硕士 学位论 文) D 成 都 ： 西南交通大学 ， 2 0 0 5 4 索小永 方钢管混凝土柱低周反复试验 研究 与有限元分析 ( 硕士 学位 论文) D 郑 州： 郑 州大学， 2 0 0 9 5 尚瑞娟 方钢管混凝 土组合框 架受双 向地震作 用的试验研 究与有 限元 分析 ( 硕士 学位论文 ) D 郑州 ： 郑州大学， 2 0 0 8 (编 辑 ： 郑 毅 ) ( 下转 第 1 0 7页 ) 第 9期 张忠令 ， 等 ： 三板 溪水 电站坝基 渗透 压力监测与分析 1 0 7 基本 与库水 位 同步 。 3结 论 ( 1 )采用 统计 回归 方法对 坝基 渗透 压力 监测 资料 进行 分析 ， 结 合 渗 压 水 位 历 时过 程 线 资 料 ， 探 讨 了 水 位 、 降雨量 、 坝 基排水 以及 时效 等 因 素 对渗 压 的影 响 ， 研究 发现 ， 坝基 渗透 压力 受库水 位影 响较 为敏 感 ， 随库 水位 的升 高而 增大 。 ( 2 )坝基 渗透 压力 呈 现 两侧 靠 近 岸坡 断 面 大 ( 左 岸大于右岸) ， 中间河床断面小的特点。分析认为 ， 施 工期 渗透 压力 主要 受地 下 水 位 的影 响 ， 测值 变 化 都 比 较稳 定 ， 不 同高 程岩层 的 渗透 系数不 同 ， 渗 透压 力有 所 区别 ； 水库 蓄水 后随 着水 位 的上 升 两 岸 地下 水 得 到 补 给 ， 岸 坡侧 断面 因处 于两侧 山体 与大 坝交 界处 ， 渗透 压 力 增加 明显 。 ( 3 )中间河 床灌 浆帷 幕发 挥 了防渗 的作用 。位 于 中间河 床断 面 的各 渗 压 计 测值 过 程 线 平 缓 ， 水 库 蓄 水 后 渗透 压力 增加 缓慢 ， 库水 位 的变 化 对 各 渗压 计 测 值 影响相对较小 ； 特别是靠近上游 的测点渗透压力和库 水 位几 乎没 有相 关性 。 ( 4 )鉴 于坝 体变 形 尚未 稳 定 ， 坝 基 渗 透压 力 受 库 水 位影 响敏 感 ， 建议 密切关 注监 测量 的 变化 ， 特别是 渗 漏量的变化 ， 并结合巡查情况及时分析 ， 确保工程安全 运 行 。 参 考 文献 ： 1 梁国钱 ， 郑敏 生， 等 土石坝渗流观测资料分析模型及方法 J 水 利学报 ， 2 0 0 3， ( 2 ) ： 8 38 7 (编 辑 ： 赵风 超 ) Ana l y s i s a nd m o ni t o r i n g o f pe r m e a bi l i t y p r e s s u r e o f d a m f o un da t i o n o f S a nb a n x i Hy dr o p o we r St a t i o n ZHANG Zh o n g l i n g ， W ANG De y o n g ( 1 Wu l i n g El e c t r i c i t y C o ，L t d， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4， Ch i n a； 2 S c h o o l D 厂Na v a l A r c h i t e c t u r e ， Oc e a n a n d Ci v i l E n g i n e e r i n g， S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，C h i n a ) Abs t r a c t ： W e us e r e g r e s s i o n a na l y s i s me t h o d t o a na l y z e t he p e r me a b i l i t y p r e s s ur e mo ni t o r i n g da t a o f da m u n da t i o n o f Sa n b a n x i Hy d r o p o we r St a t i o n Co mb i n i ng wi t h di a c h r o n i c c ur v e s o f pe r me a bi l i t y pr e s s ur e l e v e l ，we d i s c u s s i nflu e n t i a l f a c t o r s o f pe r me a bi l i t y pr e s s ur e s uc h a s wa t e r l e v e l ，pr e c i p i t a t i o n，d r a i n a g e i n d a m f o u n da t i o n a nd a gi n gThe c ha ng i n g r e g u l a r i t y a n d d e v e l o p me n t s o f pe r m e a bi l i t y pr e s s ur e a t da m f o un d a t i o n a r e e x p l o r e d t o e v a l ua t e t h e pe r m e a b i l i t y p r e s s u r e c o n di t i o n c o r r e c t l y an d C O B pr e h e n s i v e l y Th e r e s ul t s s ho w t h a t t h e pe r m e a bi l i t y pr e s s u r e i s s e ns i t i v e t o wa t e r l e v e l o f r e s e r v o i r，a nd i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e - m e n t o f t he wa t e r l e v e l a t e v e r y m e a s u r i ng po i n t Th e p e r m e a bi l i t y p r e s s u r e s a r e l a r g e r i n c r o s s s e c t i o ns n e a r t he s l o p e p r o f i l e a n d s ma l l e r i n t h e m i d dl e c r o s s s e c t i o n s o f r i v e r be d Ke y wo r ds：d a m f o u nd a t i o n； p e r me a b i l i t y p r e s s u r e； mo n i t o r i n g da t a； r e g r e s s i o n a n a l y s i s；Sa nb a n x i Hy d r o po we r S t a t i o n ， - 0 t， - 0 ， 】 o】 0 】 】 ( 上 接 第 9 1页 】 Ex pe r i m e nt a l s t u di e s o n c o nc r e t e fil i e d s q ua r e s t e e l t u be p i l e u nd e r l o w f r e qu e n c y r e v e r s e d l o a di n g W ANG Ya n g 一， S UO Xi a o y o n g ( 1 D e p a r t me n t C i v i l En g i n e e r i n g，T a i z h o u V o c a t i o n a l & T e c h n i c a l C o l l e g e ，T a iz h o u 3 1 8 0 0 0，C h i n a； 2 C o l l e g e D 厂C i v i l En g i n e e r i n g，Zh e n g z h o u Un i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ，C h i n a ； 3 De p a r t me n t o fMe c h a n i c a l En gi n e e r i n g， A n h u i Un i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y a n d S c i e n c e ，Wu h u 2 4 1 0 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ： C o n c r e t efi l l e d s t e e l t u b e( C F S T)s t r u c t u r e s h a s b e e n e x t e n s i v e l y a p p l i e d i n e n g i n e e r i n g i n C h i n a a n d t h e s c h o l a r s a t ho me a nd a b r o a d h a v e c a r r i e d o u t a l a r g e n u mb e r o f r e s e a r c he s o n c o n c r e t efil l e d s t e e l t ub e s t r uc t ur es Th e pr o pe r t i e s o f c o n c r e t ef i l l e d s q u a r e s t e e l t u b e( i n c l u d i n g d u c t i l i t y b e h a v i o r a n d e n e r g y d i s s i p a t i o n )a r e s t u d i e d u n d e r n o r ma l a x i a l p r e s s u r e a n d l o w f r e q ue n c y l o a d i n g by e l e c t r o h y dr a ul i c s e r v o s y s t e m a nd t h e hy s t e r e t i c c ur v e s o f d i s p l a c e m e n t c h a n g i n g wi t h pe r i o d i c l o a d s a r e o b t a i n e dTh e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t i n t he l o a d i n g p r o c e s s，t h e l o a dd i s pl a c e me n t c u r v e s o f t h e t wo e x pe r i me n t a l me mb e r s h a v e a s hu t t l e s ha pe，wh i c h me a ns t ha t c o n c r e t e f i l l e d s qu a r e s t e e l t u bep i l e h a s g o o d du c t i l i t y，e ne r g y d i s s i pa t i o n c a p a c i t y a n d a n t i s e i s m i c p r o p e r t y K e y wor ds： e x pe r i me n t ； hy s t e r e t i c b e h a v i o r ； a n t is e i s mi c pr o pe r t y： c o nc r e t e fil l e d s qu a r e s t e e l t u b e p i l e