外方内圆复合钢管高强混凝土柱的累积损伤性能试验研究.docx

外方内圆复合钢管高强混凝土柱的累积损伤性能试验研究 钢筋混凝土柱和钢柱的累积损伤特性 复合钢高混凝土柱（简称复合柱）是在方管强混凝土截面中间制备的新型钢-混凝土组合柱。已有试验研究表明, 复合钢管高强混凝土短柱的轴心受压变形能力和剩余承载力大［1-2］, 复合柱具有很好的抗震性能［3］。 房屋建筑遭受罕遇地震作用时, 结构构件经历往复弹塑性变形, 产生累积损伤。目前, 国内外对钢筋混凝土柱、钢柱的累积损伤已有一些试验研究与分析［4-11］, 结果表明, 经历的最大塑性位移与累积滞回耗能导致钢筋混凝土柱和钢柱的承载能力和极限变形能力降低, 同一弹塑性位移往复加载多次对钢筋混凝土柱的承载能力退化影响明显。对于复合柱的累积损伤性能研究, 国内外尚未见相关试验研究报道。本文通过6 个复合柱试件的拟静力试验, 研究并揭示其累积损伤性能, 为工程设计提供试验依据。 1 试验总结 1.1 试件混凝土材料性能测定 6 个复合柱试件的编号为CSCFT2-1 ~ CSCFT2-6。试件为倒T字形, 由复合柱和钢筋混凝土地梁组成。柱的截面尺寸, 即方钢管的截面外形尺寸为300mm ×300mm, 柱高1410mm; 地梁高650mm, 宽600mm。复合柱与地梁的连接构造以及地梁的配筋参见文献。试件几何尺寸见图1。 试件混凝土强度等级设计要求为C70。由3 个150mm立方体试块实测得到的混凝土立方体抗压强度平均值fcu，m列于表1。表1 中, fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值, 相当于混凝土强度等级; fc，m、fc，d分别为混凝土轴心抗压强度平均值 ( 即试验值) 与设计值。fcu，k= fcu，m( 1 -1. 645δ) , fc，m= ( 0. 66 + 0. 002fcu，k) ×fcu，m≥0.76fcu，m［12］, 混凝土强度变异系数 δ 由18 个立方体试块的试验值确定, δ = 0. 039, fc，d根据fcu，k由《混凝土结构设计规范》 ( GB 50010—2010)［13］得到。 试件的方钢管和圆钢管都采用Q235 级钢, 其钢材强度实测值列于表2, 为3 个材性试件实测强度的平均值。 试件主要变化参数为: 轴压比, 方钢管壁板厚度及其宽厚比, 圆钢管直径与方钢管边长的比值即径宽比, 圆钢管的直径及壁厚等。表3 列出了试件的主要参数。 1.2 重力荷载效应与水平地震作用效应组合 各试件施加的轴压力N、轴压比设计值nd和轴压比试验值nt见表3。由式 ( 1) 和式 ( 2) 计算试件的轴压比设计值: 式中: Aco为方钢管与圆钢管之间的混凝土截面积; fs和fa分别为方钢管和圆钢管钢材屈服强度设计值, 都取210MPa［14］; As为方钢管的截面积。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 ( JGJ 3—2010)［15］, 重力荷载效应与水平地震作用效应组合时, 分项系数分别取1. 2和1. 3; 因此, 计算试件的轴压比设计值时, 轴压力近似取分项系数1. 2。由表3 可见, 试件的轴压比设计值nd1略小于试件设计要求的值, 轴压比设计值nd2略大于试件设计要求的值。 试件的轴压比试验值nt也由式 ( 1) 和式 ( 2) 计算, 但公式右端的1. 2 改为1. 0, 即取实际施加的轴压力计算轴压比, fc，d改为fc，m( 见表1) , fs和fa分别取方钢管和圆钢管钢材屈服强度实测值 ( 见表2) , 钢管混凝土套箍指标取试验值 θt( 见表3) 。 用式 ( 1) 计算轴压比时, 不考虑方钢管对混凝土的约束作用, 但提供轴心受压承载力; 考虑圆钢管对管内混凝土的约束作用, 圆钢管混凝土的轴心受压承载力按《高层建筑混凝土结构技术规范》 ( JGJ 3—2010) 的规定计算。用式 ( 2) 计算轴压比时, 不考虑方钢管和圆钢管对混凝土的约束作用, 但都提供轴心受压承载力。 1.3 加载和水平加载试验 加载装置与测点布置同文献。试验方法为在恒定轴向压力作用下施加往复水平力的拟静力试验。首先施加轴向压力, 试验过程中轴向压力保持不变, 然后施加往复水平力。水平力加载点距柱底截面1200mm, 试件剪跨比为4. 0。水平加载采用位移控制, 位移角为1/1000、1/500 和1/300 时, 各往复加载1次; 位移角为1/200 时, 往复3 次; 位移角1/150、1 /100、1 /75、1 /50 和1 /33 时, 各往复加载10 次; 位移角为1/25 时, 往复加载2 次。加载历程如图2 所示。 2 试验结果与分析 2.1 方钢管壁板鼓曲分析 各试件的破坏过程基本相同, 描述如下: ①位移角不大于1/300 时, 方钢管没有可见变化; ②位移角1 /200 时, 与水平力作用方向垂直的方钢管壁板 (