适老化钢混结构抗震性能的建筑设计研究.pdf

2023Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol.45,No.3DOI:10.8412.2023.03.004.1021002-8412(2023)03-0023-09文章编号Earthquake Resistant Engineeringg and RetrofittingJun.220232023年6 月Vol.45,No.3工程抗震与加固改造第45卷第3期适老化钢混结构抗震性能的建筑设计研究于冬波，岳晓琳，黄祖群，郑晓莹？，王思瑶（1.吉林艺术学院，吉林长春137 10 0；2.吉林建筑科技学院，吉林长春130 114；3.吉林大学，吉林长春130 0 15）【提要】为了提升圆钢型钢再生混凝土组合结构的抗震性能，共设计了11组钢-再生混凝土组合柱试件，采用低周往复加载的方式考察了再生骨料取代率、钢管径厚比、配钢率、轴压比和型钢截面形式对钢-再生混凝土组合柱破坏形态、滞回曲线、骨架曲线等的影响。结果表明，11组钢-再生混凝土组合柱试件的破坏形式表现为钢-再生混凝土柱脚处钢管鼓曲、内部混凝土压碎，滞回曲线都较为饱满，整体呈现出“梭形”，体现出较好的变形和耗能能力；随着再生骨料取代率从0 增加至10 0%，组合柱试件的屈服荷载P，、峰值荷载Pmax、极限荷载P.变化很小，而延性系数平均值ave逐渐降低；随着径厚比从44增加至73.3，组合柱试件的P,、Pma x、P。和ave逐渐减小；随着配钢率从5.55%增加至8.52%，组合柱试件的P,、Pma x P。和ave逐渐增大；随着轴压比从0.2 增加至0.6,组合柱试件的ave逐渐减小；箱型组合柱试件的P,、Pma x、P.和ave会相对十字型和工字型组合柱试件更大，表现出相对更好的承载能力和变形能力。整体而言，再生骨料取代率对组合柱的抗震性能影响较小，增大径厚比、配钢率和采用箱型钢有助于提升钢-再生混凝土组合柱的抗震性能。关键词 圆圆钢管；型钢；再生混凝土；结构设计；抗震性能中图分类号TU398.2;TU352.11文献标识码 AResearch on building design for seismic performance of aging steel-concrete structureYu Dong-bo,Yue Xiao-lin,Huang Zu-qun,Zheng Xiao-ying,Wang Si-yao(1.Jilin University of Art,Changchun 137100,China;2.Jilin University of Architecture and Technology,Changchun 130114,China;3.Jilin University,Changchun 130015,China)Abstract:A total of 11 groups of steel recycled concrete composite columns are designed,the effects of recycled aggregate replacementrate,steel pipe diameter thickness ratio,steel ratio,axial compression ratio and section form of section steel on the failure morphology,hysteretic curve and bone frame curve of steel recycled concrete composite columns are investigated by low cycle reciprocating loading.The results show that the failure forms of ll groups of steel recycled concrete composite columns are as follows:The steel pipe at thesteel recycled concrete column base is bulging,the internal concrete is crushed,the hysteretic curves are full,and the whole presentsa shuttle shape,reflecting good deformation and energy dissipation capacity;As the replacement rate of recycled aggregate increasesfrom O to 100%,the yield load Py,peak load Pmax and ultimate load P.of the composite column specimens change little,while theaverage value of ductility coefficient ave decreases gradually;With the increase of diameter thickness ratio from 44 to 73.3,Py,P.maxP,and aveof the composite column specimens gradually decrease;With the increase of steel ratiofrom 5.55%to852%,P,PmxPand ave of composite column specimens gradually increase;As the axial compression ratio increases from 0.2 to 0.6,the ave of thecomposite column specimen decreases gradually;P,Pmax,P,and ave of box-type composite column specimens are larger than cross andI-shaped composite column specimens,showing relatively better bearing capacity and deformation capacity.On the whole,thereplacement rate of recycled aggregate has lttle effect on the seismic performance of composite columns.Increasing the diameter thicknessratio,steel ratio and the use of box-steel are helpful to improve the seismic performance of steel recycled concrete composite columns.Keywords:round steel pipe;section steel;recycled concrete;structural design;seismic performanceE-mail:zhengxiaoying60 收稿日期2022-01-17基金项目吉林省自然科学基金（2 0 19 0 10 12 6 3JC）2023Earthquake Resistant EngineeringgandRetrofittingJun.242023年6 月工程抗震与加固改造将建筑物解体后产生的废弃混凝土块进行破碎、清洗和分级处理后再加人水泥、水等形成的再生混凝土的利用 ，不仅可以缓解城镇化建设对混凝土需求带来的压力，还可以节省废旧混凝土的处理费用以及促进节能环保。尤其是随着近年来城市化建设的快速发展和适老化建筑的开发，作为新建建筑中钢混凝土结构重要原料的钢和混凝土的需求量也在明显增加，而实际应用过程中再生混凝土的基本力学性能（抗压强度、抗折强度等）与普通混凝土还有一定差距 2 ，需要将再生混凝土与钢管/型钢等组合起来进行结构设计，这样不仅可以充分发挥钢管/型钢和再生混凝土各自的性能优势，还可以促进钢管/型钢对再生混凝土的约束作用，进而提升适老化建筑中钢管/型钢再生混凝土组合柱的力学性能 3-6 。虽然目前国内外已有钢-再生混凝土组合结构的轴压和偏压性能方面的报道，且已证实钢筋再生混凝土、钢管再生混凝土和型钢再生混凝土中的钢材可以对再生混凝土起到较好的约束作用而提升其力学性能，但是对圆钢型钢再生混凝土组合结构在低周往复荷载作用下抗震性能的影响因素及其作用机理方面鲜有报道 7-9 。本文共设计了11组钢管型钢再生混凝土组合柱，考察了再生骨料取代率、钢管径厚比、配钢率、轴压比和型钢截面形式对钢-再生混凝土组合柱破坏形态、滞回曲线、骨架曲线等抗震指标的影响，研究结果有助于钢-再生混凝土组合柱的抗震结构设计及性能提升。1试验概况1.1试件设计共设计了11组钢-再生混凝土组合柱，设计参数如表1所示。其中，再生粗骨料取代率分别为0、50%和10 0%，钢管壁厚分别为3、4和5mm（直径为220mm），型钢截面包括十字形（配钢率为5.55%、7.02%和8.52%时翼缘尺寸分别为40 mm8mm、50mm8mm和6 0 mm8mm，腹板尺寸分别为7 0 mm6mm、9 0 m m 6 m m 和110 mm6mm，配钢率为7.02%时翼缘和腹板尺寸分别为50 mm8mm、9 0 m mx6mm，配钢率为5.55%时翼缘和腹板尺寸分别为40mm8mm、7 0 m m 6 m m）、工字型（翼缘和腹板尺寸分别为12 5mm8mm、10 7.5m m 6 m m）和箱型（翼缘和腹板尺寸分别为9 6.5mm8mm92mm6mm），设计轴压比分别为0.2、0.4和0.6。钢-再生混凝土组合柱的三维示意图、尺寸和截面形式如图1、图2所示，其中，组合柱下端为地梁（内置钢管焊接抗剪连接件）、上端为抱头、柱两端还设置有30 0 mm300mm10mm的端板。表1试件的设计参数Tab.1Design parameters of test piece编号轴压比再生粗骨料取代率（%）钢管壁厚（mm）径厚比配钢率（%）型钢截面C-10.404557.02十字形C-20.4504557.02十字形C-30.41004557.02十字形C-40.4100373.37.02十字形C-50.41005447.02十字形C-60.41004555.55十字形C-70.41004558.52十字形C-80.21004557.02十字形C-90.61004557.02十字形C-100.41004557.02工字形C-110.41004557.02箱形1.2试件制作钢-再生混凝土组合柱中的型钢在专业加工厂进行焊接，然后将焊接试件运送至实验室进行混凝土浇筑，用到的混凝土强度级别为C40、水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，浇筑过程中采用分层浇筑方法，每一层振捣密实后再进行下一层浇筑，每批混凝土另制作成10 0 mm林标准立方体试块并进行与试件相同条件的养护处理（2 8 d）101.3材料性能根据金属材料-拉伸试验第1部分-室温试验方法（GB/T228.1-2010）对钢材进行室温拉伸性能测试，根据混凝土物理力学性能试验方法（G B/T 50 0 8 1-2 0 19）对不同粗骨料取代率的再生混凝土进行力学性能测试 ，结果如表2 所示。Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.325干冬波钢混结构抗震性能的建筑设计研究第45卷第3期400加载端3003-3400400008工字形钢十字形钢00箱形钢1710080S90S9再生混凝土抗剪连接件220570地梁圆钢管14004500S90S9723001400端板(a)三维尺寸(b)型钢和圆钢管(）几何尺寸图1钢一再生混凝土组合柱的三维示意图Fig.1Three dimensional schematic diagram of steel recycled concrete composite column5050$1010004022$169000t0S9$16904060125$16906022工81684022OTT4004LOT82120410206司450(a)1-1(b)2-2(c)3-3图2 销钢一再生混凝土组合柱的截面形式Fig.2Section form of steel recycled concrete composite column表2材料的力学性能Tab.2Mechanical properties ofmaterials抗拉强度屈服强度立方体抗压强度轴心抗压强度弹性模量材料(mm)(MPa)(MPa)(MPa)(10 MPa)3mm厚钢管5404252.224mm厚钢管5104102.205mm厚钢管5254152.216mm厚型钢4302952.238mm厚型钢4052802.23再生骨料取代率0 的混凝土2.142.728.90.330再生骨料取代率50%的混凝土2.040.227.20.324再生骨料取代率10 0%的混凝土2.142.228.60.3281.4试件加载钢-再生混凝土柱的低周往复加载试验在2 50 tMTS高载荷伺服液压作动器上进行，加载装置示意图和加载制度如图3所示。其中，图3(a)中的1 8分别对应反力架、反力墙、油压千斤顶、MTS电液伺服作动器、试件、抱头、地梁和压梁，正式加载前预先施加10%荷载，荷载-位移联合控制的加载制度如图3（b）所示，试件屈服前采用荷载控制（级差20kN）、屈服后采用位移控制（级差3mm），直至试件承载力降低至0.8 5Pmax或者试件完全破坏停止试验12 。组合柱不同柱高位置设置4个方向的位移传感器、圆钢管和型钢上粘贴有电阻应变片，采用Jun.Earthquake Resistant Engineeringand Retrofitting2023262023年6 月工程抗震与加固改造荷载位移241.54,4PyPer0P,8(a）加载装置(b）加载制度图3钢再生混凝土组合柱的加载装置与加载制度Fig.3Loading device and loading system of steel recycled concrete composite columnDH3818Y静态应力应变测试分析系统采集试验数据。试验结果与分析图4为钢-再生混凝土组合柱的破坏形态。在对钢-再生混凝土柱进行低周往复加载过程中，11组试件都经历了加载初期的弹性阶段，加载到一定阶段发生钢管变形的弹塑性阶段，以及钢管鼓曲、承载力降低的破坏阶段，最终的破坏形式表现为钢-再生混凝土柱脚处钢管鼓曲、内部混凝土压碎。在弹性阶段，加载初期较小的荷载并没有使钢管发生明显变形，只是柱脚处在加载至组合柱屈服荷载时会发生局部鼓曲及出现微裂缝；在弹塑性变形阶段，此时的位移持续增大会使得柱脚处鼓曲愈发严重、局部出现漆皮掉落，并在位移增加至4Ay及以上时，钢管角部竖向裂纹开始增多，柱脚处4个方向都出现鼓曲，试件即将达到峰值荷载并过渡到破坏阶段；在破坏阶段，柱脚处鼓曲会随着位移增加而愈发明显，伴随着漆皮掉落以及裂纹扩展，钢管变形程度也愈发明显，在位移增加至6 Ay及以上时，部分组合柱脚部已经出现宏观可见的明显鼓曲，且C-4、C-7、C-8 和C-10试件的柱脚处还出现了水平裂纹，C-11试件同时出现水平和竖向裂纹，内部再生混凝土已经压碎，此时组合柱试件的承载力已经降低至0.8 5Pmax以下，试验停止。图5为钢-再生混凝土组合柱的滞回曲线，其中P和分别表示水平荷载和加载点的水平位移，滞回曲线越饱满则表示试件的强度和刚度退化越慢，在加载过程中具有更好的变形能力和耗能能力，相应的抗震性能会更好13141。对比分析可知,11组钢-再生混凝土组合柱试件的滞回曲线（恢复力特征曲线）都较为饱满，整体呈现出“梭形”，体现出较好的变形和耗能能力。对于不同再生骨料取代率试件（C-1、C-2 和C-3），再生骨料取代率对滞回曲线的影响较小，峰值荷载和极限位移都较为接近；对于不同钢管径厚比的试件（C-3、C-4和C-5）,C-3和C-5试件的滞回曲线相对C-4试件更为饱满，且C-5试件的峰值荷载相对较小；对于不同配钢率的试件（C-3、C-6 和C-7）,3种不同配钢率组合柱试件的滞回曲线都较为饱满，C-7试件的极限荷载相对较大；对于不同轴压比的试件（C-3、C-8 和C-9）,轴压比更大的试件的刚度退化愈发明显；对于不同截面形式的试件（C-3、C-10 和C-11）,箱型组合柱试件C-11的滞回曲线相对十字型C-3和工字型C-10试件的滞回曲线更加饱满，且极限荷载也相对更大。图6 分别列出了不同再生混凝土取代率、钢管径厚比、配钢率、轴压比和截面形式的钢-再生混凝土组合柱骨架曲线。对于不同再生骨料取代率试件（C-1、C-2 和C-3）,在加载初期C-1、C-2 和C-3试件的骨架曲线基本重合，当钢管发生鼓曲变形后骨架曲线开始有所差异，再生骨料取代率越大则峰值荷载相对略小、峰值荷载后的荷载降低速率更大，表明再生骨料取代率的增加会使得组合柱试件的变形能力有所降低15，但是承载力差别不大；对于不同钢管径厚比的试件（C-3、C-4和C-5），径厚比越小则试件的刚度退化越慢，在峰值荷载后径厚比最小的C-5试件的承载力下降速率最小，体现出相对较好的延性16 ;对于不同配钢率的试件（C-3、C-6和C-7），随着配钢率从5.55%增加至8.52%，组合柱试件的刚度退化差异不大，但是试件的承载力有所增加，变形能力有所改善；对于不同轴压比的试件（C-3、C-8 和C-9），当轴压比从0.2 增加至0.6，Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.327干冬波等化钢混结构抗震性能的建筑设计研究第45卷第3期(a)C-1(b)C-2(c)C-3(d)C-4(e)C-5(f)C-6(g)C-7(h)C-8(i)C-9(i)C-10(k)C-11图4钢一再生混凝土组合柱的柱体破坏形态Fig.4Failure morphology of steel recycled concrete composite column峰值荷载后的曲线下降斜率更大，表明轴压比的增加会降低组合柱试件的变形能力17 ；对于不同截面形式的试件（C-3、C-10 和C-11）,峰值荷载从高至低顺序为箱型 工字型 十字型，且十字型组合柱试件的刚度退化最快，而箱型组合柱试件的刚度退化最慢，这主要与箱型组合柱试件的双腹板结构可以有助于提升试件刚度有关18 。图7 为钢-再生混凝土组合柱试件的骨架曲线特征点示意图。其中，屈服点D通过屈服弯矩法确定，对应的荷载为屈服荷载P，对应的位移为屈服位移,;Pmax表示峰值荷载、对应的峰值位移用m表示，荷载下降至0.8 5Pmax时的荷载作为极限荷载（P.）、对应的极限位移用.表示，并通过延性系数=./,来表征钢-再生混凝土试件的变形能力19 。表3为钢-再生混凝土组合柱的特征参数统计结果,其中,延性系数平均值ave为钢-再生混凝土柱正向和负向加载时延性系数的平均值，用来表示钢-再生混凝土组合柱试件在低周往复加载过程Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting20232023年6 月工程抗震与加固改造200200200150150150100100100-505050(NXd(NX)(N)00-50-50-50-100-100-100-150-150-150-200-200-200-250-5040-30-20-101020304050-50-40-30-20-10102030 4050-5040-30-20-101020 3040504(mm)4(mm)4(mm)(a)C-1(b)C-2(c)C-3200200250-150-200-1150-150100100100-5050(Nd(N)d50(NXd0-50-50-50-100-100-100-.-150-150-150-2001-200-200-250-5040-30-20-101020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1010203040504(mm)4(mm)4(mm)(d)C-4(e)C-5(f)C-6250200200-200-150150150-100100100505050(Nd(Nd(N)d00-50-50-50-100-100-150-100-200-150-150-250-200一1-200-5040-30-20-10010 20 3040 50-50-40-30-20-1001020304050-5040-30-20-100102030 40504(mm)4(mm)4(mm)(g)C-7(h)C-8()C-9250200200-1501501001005050(N)d0-50-100-100-150-150-200-250-2001一-300-5040-30-20-1010 20 30405C-50-40-30-20-100102030 40504(mm)4(mm)(i)C-10(k)C-11图5钢一再生混凝土组合柱的滞回曲线Fig.5Hysteretic curves of steel recycled concrete composite column中的延性系数2 0 O表3为钢-再生混凝土组合柱骨架曲线的特征参数统计结果。对于不同再生骨料取代率试件（C-1、C-2 和C-3）,随着再生骨料取代率从0 增加至10 0%，组合柱试件的P，、Pma x、P.变化很小，而ave逐渐降低，表明再生骨料取代率的增加不会对组合柱试件的承载力造成明显影响，但变形能力略有降低；对于不同钢管径厚比的试件（C-3、C-4和C-5）随着径厚比从44增加至7 3.3，组合柱试件的P,、Pma x、P.和ave逐渐减小，表明钢管壁厚的减小不利于组合柱试件的承载力和变形能力；对于不同配钢率的试件（C-3、C-6 和C-7）,随着配钢率从Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.329.干冬波钢混结构抗震性能的建筑设计研究第45卷第3期250250250200200200150150150100100100505050(Nd(NXd(N)000-50-50-50-100-100-100C-1(r-0)C-3(t=4mm)C-3(om7.02%)-150-150-150C-2(r=50%)C-4(t=3mm)C-6(c=5.55%)-200-200-200C-3(r=100%)一-C-5(t=5mm)C-7(=8.52%)-250-250-250-50-40-30-20-1001020304050-5040-30-20-1001020304050-50-40-30-20-10010203040504(mm)4(mm)4(mm)(a）再生混凝土取代率(b)钢管径厚比(c)配钢率2502502002001501501001005050(Nd(Nd00-50-50-100-100C-3(n=0.4)-C-3(十字型钢）-150-150C-4(n=0.2)一C-10(十字型钢）-200-200C-5(n=0.6)C-11(十字型钢）-250-250-5040-30-20-100102030405C-50-40-30-20-101020 30 40504(mm)4(mm)(d)轴压比(e)截面形式图6钢一再生混凝土组合柱的骨架曲线Fig.6Skeleton curves of steel recycled concrete composite columnABPmax0.85P,maxDC04y44图7钢一再生混凝土组合柱试件的骨架曲线特征点示意图Fig.7Skeleton curve characteristic points of steel recycledconcretecomposite column specimen5.55%增加至8.52%，组合柱试件的P、Pma x、Pu 和ave逐渐增大，表明配钢率的增加会在一定程度上提高组合柱试件的承载力和变形能力；对于不同轴压比的试件（C-3、C-8 和C-9），随着轴压比从0.2增加至0.6,组合柱试件的ave逐渐减小，表明轴压比的增加会降低组合柱试件的变形能力；对于不同截面形式的试件（C-3、C-10 和C-11）,在其他条件相同时,箱型组合柱试件的P,、Pma x、P.和ave会相对更大，表现出相对更好的承载能力和变形能力2 1,抗震性能相对工字型和十字型组合柱试件更好。3结论（1)11组试件在低周往复加载过程中都经历了加载初期的弹性阶段，加载到一定阶段发生钢管变形的弹塑性阶段，以及钢管鼓曲、承载力降低的破坏阶段，最终的破坏形式表现为钢-再生混凝土柱脚处钢管鼓曲、内部混凝土压碎。（2)11组钢-再生混凝土组合柱试件的滞回曲线（恢复力特征曲线）都较为饱满，整体呈现出“梭形”，体现出较好的变形和耗能能力。再生骨料取代率对滞回曲线的影响较小，较小轴压比以及箱型组合柱试件的滞回曲线相对更加饱满。（3）随着再生骨料取代率从0 增加至10 0%，组合柱试件的P,、Pmx、P.变化很小，而ave逐渐降低；随着径厚比从44增加至7 3.3，组合柱试件的P，、Pmax、P.和av。逐渐减小；随着配钢率从5.55%增加至8.52%，组合柱试件的P,、Pma x、P.和ave逐渐增大；随着轴压比从0.2 增加至0.6，组合柱试件的ave逐渐减小；箱型组合柱试件的P,、Pma x、P.和ave会相对十字型和工字型组合柱试件更大，表现出相对更好的承载能力和变形能力。Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingJun.202330：2023年6 月工程抗震与加固改造表3钢-再生混凝土组合柱骨架曲线的特征参数统计结果Tab.3Characteristic parameters of steel recycled concrete composite columns试件加载方向P,(kN)4,(mm)Pmax(kN)4m(mm)Pu(kN)4.(mm)Mave+149.6710.12183.2021.11158.4136.113.71C-14.01一-141.05-10.11-186.89-27.11183.59-42.124.31+145.8510.12175.5021.11142.6639.124.01C-23.62一-164.58-12.61-188.49-21.12-156.84-39.123.23+144.1110.11167.2318.11138.3933.123.41C-33.44一-182.10-12.62-201.06-18.12-186.81-42.143.47+155.3212.61174.3918.11145.8233.122.75C-43.11一-153.74-12.61-172.23-24.12-150.92-42.123.47+186.6110.12227.3521.11191.5839.114.01C-53.74一-178.95-12.62-209.65-21.12-211.50-42.123.47+155.429.11164.7912.62138.8533.133.78C-63.30一-153.19-10.12-183.36-21.12-142.1327.132.81+-164.739.11197.0615.12166.6730.123.44C-73.58-189.01-10.12-217.31-18.12-184.36-36.133.71+140.459.11159.1018.11123.6039.114.44C-84.44一-145.65-9.12-168.30-18.12-137.80-39.134.44+142.839.12157.5012.62130.1324.122.78C-93.14一-143.76-8.11-165.50-12.62-139.53-27.123.49+165.0010.12188.3815.13157.9227.132.81C-102.81一-166.02-10.12-189.64-15.12-159.66-27.132.81+182.289.13210.7012.53176.6436.134.10C-114.21一-197.28-10.12-240.61-18.13-208.01-42.124.31参考文献(References):1谭丁，陈健钢管再生混凝土柱的力学性能研究现状分析J.建筑技术开发.2 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