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

.，.，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，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，管发出噼啪开裂的声音；同时在柱身的根部出现 管外鼓的现象。图 为试件 和试件 的破坏图，试件的变形与破坏主要集中在距基础顶面 的范围。在距基础顶面 的范围内 发生了环向纤维断裂，但断裂区域很小。管上的环向应变较小，即 管的抗拉强度没有得到充分利用。在移除 管之后发现内部混凝土产生了严重的压溃破碎，主要集中在距基础顶面 的范围；在移除混凝土后发现柱身底部的钢管有严重的局部屈曲。试件；试件。图 试件破坏示意 .滞回曲线在本试验加载过程中，试件的侧向位移导致试件轴力不再是竖向荷载，而是与垂直方向成一个倾斜角度，此时试件轴力的水平分量与水平侧向位移的方向相反（图）。试件的真实水平侧向荷载 等于试验中测得的水平侧向荷载 减去轴压荷载 在倾斜角度 下的水平分量（式（）。倾角 由式（）确定，为试件在水平荷载加载点的侧向位移，为柱高。经计算，试件的水平侧向位移对试件所受的垂直荷载 影响很小，可以忽略不计。（）其中 （）（）图 为试件的滞回曲线。在恒定轴压和侧向往复荷载下，矩形 混凝土钢组合空心柱的滞回曲线饱满，显示出优越的耗能能力。图 同时给出了滞回曲线的包络线，以及试件的屈服点、峰值荷载点和对应于 峰值荷载的残余荷载点。图 试件的水平侧向荷载 试件 比试件 的峰值荷载略大，但两者的延性接近，这是由于试验中 管的抗拉强度没有得到充分利用导致的（管上的环向应变较小）。对比试件 和试件 可知，绕强轴方向加载的试件承载力峰值和延性都要远大于绕弱轴方向加载的试件。试件 与 对比；试件 与 对比。屈服点；峰值荷载；残余荷载。图 滞回曲线 .曲率分布如图 所示，在试件根部布置了 对，其标距范围均为 ，测量范围分别为距离柱墩顶面 （和）、（和）和 （和）。由此，柱身根部范围的平均曲率可根据式（）进行计算。工业建筑 年第 卷第 期（）式中：为 标距范围内的平均曲率；和 为同一标距范围内的两个 的位移读数；为同一标距内两个位移计的水平距离；为位移计的标距长度（即 ）。图 为试件 和试件 的曲率分布。如图所示，试件距柱墩顶面 区域内的平均曲率要远大于 和 区域，即试件的损伤主要集中在柱身底部。由曲率分布可以看出，在距离柱墩顶面 和 区域内，两个加载方向的曲率基本相同，即试件两侧的损伤程度接近。对于距离柱墩顶面 区域内，由于 的读数都很小，由式（）计算得出的两个加载方向曲率并不对称。试件；试件。位移量纲为。图 沿柱高方向的平均曲率分布 数值模拟基于 对矩形 混凝土钢组合空心柱在恒定轴压和侧向往复荷载下的滞回曲线进行了数值模拟。如图 所示，试件底部为固支端，沿试件纵向划分 个“”单元，每个单元定义了 个 积分点。图 为试件 和 的截面纤维划分（两试件绕截面的强轴加载），图 为试件 的截面纤维划分（试件绕 截 面 的 弱 轴 加 载）。试 件 中 的 钢 管 采 用 中内嵌的“”模型；混凝土模型采用 中内嵌的“”模型，在该模型中根据 等关于矩形 混凝土钢组合空心柱的本构模型定义混凝土的极限应力和极限应变。研究中，管中的玻璃纤维是环向缠绕于试件柱身的，轴向刚度很小，可忽略其对承载力的直接贡献。图 为矩形 混凝土钢组合空心柱的试验结果与模型预测结果的对比。如图所示，本文的数值模型可以给出准确但偏于保守的预测结果。在定义“”模型的混凝土极限应力和极限应变时，采用了 等关于矩形 混凝土钢组合空心柱的本构模型，而该模型是偏于保守的，进而导致图 中的预测结果偏于保守。力学模型；、截面纤维划分；截面纤维划分。图 基于 的有限元模型 结束语针对 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，研究了 管厚度和水平力加载方向对其抗震性能的影响。）矩形 混凝土钢组合空心柱的滞回曲线饱满，具有优越的耗能能力。）试件的破坏主要集中在距柱墩顶面 区域内；此区域内 管有较多环形裂缝和外鼓现象，混凝土发生了压溃破坏，钢管有局部屈曲。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 试件；试件；试件。图 试验结果与预测结果的对比 ）试件的 管越厚，试件的侧向承载力峰值越大；绕强轴方向加载的试件承载力峰值和延性都要远大于绕弱轴方向加载的试件。）提出的 模型可以对 混凝土钢组合空心柱的滞回曲线给出准确但偏于保守的预测结果。参考文献 滕锦光 新材料组合结构 土木工程学报，（）：叶列平，冯鹏 在工程结构中的应用与发展 土木工程学报，（）：吴智深，汪昕，吴刚 面向重大工程应用 若干核心研究问题 第七届全国建设工程 应用学术交流会论文集 杭州：滕锦光，余涛，黄玉龙，等 管混凝土钢管组合柱力学性能的试验研究和理论分析 建筑钢结构进展，（）：，：，（）：，：，：.（）.，：，（）：钱稼茹，刘明学 混凝土钢双壁空心管长柱轴心受压试验 混凝土，（）：许平，姚谏，卢哲刚 纤维增强复合材料管混凝土钢管组合长柱偏心受压试验研究 工业建筑，（）：，（）：，：，（）（）：，：刘烨，王蕊，李志刚 混凝土钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应 爆炸与冲击，（）：，（）：（）：，（）：，（）：（）（下转第 页）工业建筑 年第 卷第 期续墙成槽施工，且须避免使用冲击钻成孔。结束语为评估地下连续墙成槽机械施工对邻近古建筑物的影响并选取合理的施工机械，对距离冲击钻、铣槽机、旋挖钻三种施工机械不同距离的各个测点的振动频率以及最大峰值速度进行了测量，总结了施工振动的衰减规律，进而应用到某古塔动力响应的计算中。基于以上的研究内容，得出以下主要结论：）对于各种施工机械，施工机械引起的振动集中于竖直方向，其振动幅值显著大于水平方向的振速，且其振动频率显著小于水平方向，表明各类成槽机械竖向冲击劈裂的破岩过程是引起振动的主要诱因。）在水平方向上，平行于地下连续墙方向的峰值振速总体上略微大于垂直于地下连续墙方向的振速峰值振速。这可能是因为机械开挖的方向通常都顺着地下连续墙的走向破岩。而具体到每一种施工机械，旋挖钻的开挖方式以旋转为主，因此其在平行和垂直地下连续墙方向上的振速更多地表现为各向同性。）振速随着距振动源距离的衰减关系基本符合萨道夫斯基经验算式。冲击钻的衰减参数 为.，铣槽机的衰减参数 为.，旋挖钻的衰减参数 为.，说明振动波的特性介于表面波与体波之间。）从施工机械振源处的初始振速来评估施工引起的振动，在竖直方向上，旋挖钻最大，铣槽机次之，冲击钻最小。在水平方向上，旋挖钻最大，冲击钻次之，铣槽机最小。但由于冲击钻的频率较低，衰减较慢，与其他两种机械相比，在传播距离较大的情况仍可能保持较大的振速，需要特别注意。）将工程实测数据用于典型石塔结构的响应计算中，若须保证古塔的振速不大于.的要求，在临近古塔施工时，安全距离，冲击钻最大、旋挖钻次之、铣槽机最小。建议采用铣槽机结合旋挖钻进行地下连续墙成槽施工，须避免使用冲击钻成孔。参考文献 王海涛，金慧，贾金青，等地铁隧道钻爆法施工对邻近埋地管道影响的模型试验研究岩石力学与工程学报，（增刊）：于建新，刘希亮，郭佳奇，等大跨隧道爆破振动响应特性研究现代隧道技术，（增刊）：胡守云，周传波，蒋楠，等 波作用下机场跑道的爆破安全振动速度研究华南理工大学学报（自然科学版），（）：王栋，何历超，王凯钻爆法施工对邻近埋地管道影响的现场实测与数值模拟分析土木工程学报，（增刊）：黄俊，张波，刘璐砂卵石地层盾构施工振动环境影响测试分析施工技术，（）：郭飞，黄俊，苏艺，等盾构施工过程诱发振动振源特性北京工业大学学报，（）：陶连金，郭飞，黄俊，等砂卵石地层盾构施工诱发振动环境影响试验研究振动与冲击，（）：陶连金，马红红，郭飞，等盾构施工中地表振动的传播与衰减特性黑龙江科技大学学报，（）：刘庆杰，胡孟达，雷晓燕，等地铁地下连续墙施工诱发的环境振动实测与分析噪声与振动控制，（）：杨峻，吴世明，蔡袁强 饱和土中弹性波的传播特性 振动工程学报，（）：刘婷婷，李建春，李海波，等接触面积对波传播规律及节理力学特性影响岩石力学与工程学报，（）：娄云雷 爆破震动中萨道夫斯基公式及其修正公式的对比研究 第一届全国青年地质大会论文集北京：地质学报编辑部，（上接第 页）中华人民共和国住房和城乡建设部 纤维增强复合材料建设工程应用技术规范：北京：中国计划出版社，：，：（），：，：（），中国国家标准化管理委员会 金属材料 拉伸试验 第 部分：室温试验方法：.北京：中国国家标准化管理委员会，.