鋼管纖維混凝土柱的抗震性能分析

羅松濤　丁前紳

(1.云南省設計院集團，云南 昆明　650228；　2.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新　123000)

基礎建設設施如鋼結構、混凝土結構等在荷載與環(huán)境因素的長期耦合作用下極易發(fā)生由于疲勞損傷誘發(fā)的結構失穩(wěn)，剛—混組合結構一定程度上可以降低結構疲勞損傷帶來的安全隱患。鋼管混凝土是典型的剛—混組合構件，鋼管提高了混凝土的抗壓強度，而鋼管內填充的混凝土則提高了鋼管的剛度。鋼管混凝土具有承載能力高、施工簡單等優(yōu)點，然而核心混凝土脆性較大，由于干燥收縮產生的開裂會影響鋼管混凝土的質量，因此在鋼管混凝土的基礎之上研制了鋼管纖維混凝土，即將纖維增強混凝土作為核心混凝土，改善了延性、抗壓強度、抗裂性，顯著提高了構件的性能。學者們在鋼管混凝土的疲勞特性和鋼管纖維混凝土的力學性質方面開展了大量研究，Tao等[1]研究發(fā)現(xiàn)在核心混凝土中摻加鋼纖維可提髙試件的延性，能夠顯著提高薄壁方鋼管混凝土短柱的結構性能。杜闖等[2]利用有限元模擬了往復荷載作用下鋼管混凝土柱的疲勞特性，結果表明鋼管混凝土抗震性能比鋼筋混凝土更佳。Serkan等[3]進行了鋼管纖維混凝土的軸壓和偏壓試驗，研究表明：在核心混凝土中摻加鋼纖維顯著提高了鋼管混凝土的力學性能。陳娟等[4]研究了鋼纖維對鋼管混凝土短柱力學性能影響，得到摻加鋼纖維能夠有效提高混凝土短柱的抗壓強度和極限承載能力。本文主要針對鋼管纖維混凝土柱的抗震性能進行試驗研究，繪制了在反復荷載作用下的試件的滯回曲線，探討了不同鋼材強度和不同鋼纖維強度在相同條件下對試件抗震性能的影響。

1　試驗概況

1.1　試樣制備

本文選擇三個組進行試驗，三組的核心混凝土均選強度等級為C35的混凝土，A1組選用鋼材型號為Q215型鋼管，纖維編號為Ⅰ-300型，B1組選用的鋼材的型號為Q235型鋼管，纖維型號為Ⅰ-300型，A3組選用的鋼材型號為Q215型鋼管，纖維型號為Ⅱ-200型，兩種鋼管為原型無縫鋼管，截面尺寸為φ150×4 000 mm，壁厚2.0 mm，并按照試驗的設計要求切割成相同尺寸。選用長徑比50的普碳鋼纖維，型號為Ⅰ-300型和Ⅱ-200型，其中Ⅰ-300型號的鋼纖維的彈性模量均為2.45×105GPa,抗拉強度2 400 MPa，Ⅱ-200型號的鋼纖維彈性模量為2.40×105GPa，抗拉強度為2 115 MPa。在試件的制作過程中，每次灌注后都要進行振搗，防止缺陷產生。

1.2　試驗方法

采用由龍門架、L形大梁和液壓伺服作動器等組成的多功能加載系統(tǒng)進行試驗，加載裝置采用電控千斤頂進行。在加載軸壓的條件下對試件進行試驗，加載級數(shù)為5，分別為位移達到5 mm,10 mm,20 mm,30 mm,40 mm時，重復加載的次數(shù)為3次。同時在圓形鋼管表面共粘貼了8片電阻應變片，其中縱向和橫向各4片。通過數(shù)字應變采集箱來讀取應變片的讀數(shù)，記錄圓形鋼管在試驗過程中的變形狀態(tài)。

2　試驗結果及分析

2.1　滯回曲線

滯回曲線定義為在力往復作用下所得結構的荷載—變形曲線，可以直觀反映在加載—卸載循環(huán)作用下結構產生的變形和剛度的退化，又稱恢復力曲線。滯回曲線越飽滿其抵抗地震的能力越強。圖1為試件的滯回曲線圖。根據(jù)圖1對試驗現(xiàn)象進行分析，結果表明：在試驗的5個加載級中，試件滯回曲線的反映均相對比較飽滿，說明鋼管纖維混凝土柱有較高的抵抗水平往復荷載的能力。比較各級加載曲線，發(fā)現(xiàn)每級曲線的斜率幾乎恒定在同一水平線上，說明在本次試驗的加載過程中，剛度沒有明顯的退化現(xiàn)象，試件的承載力達到極限時并未出現(xiàn)脆性破壞，鋼管纖維混凝土在發(fā)生破壞時仍然能承擔一部分荷載的作用。

2.2　耗能分析

耗能分析是為了分析試件抗震能力，耗能能力以耗能系數(shù)作為評價指標，耗能系數(shù)是利用滯回曲線中的面積比來確定，通過對本試驗中試樣的滯回曲線計算得到的每一個試樣的耗能系數(shù)如表1所示。

表1　構件耗能系數(shù)計算結果表

根據(jù)圖1，表1可知，隨著加載位移的變大，試件的耗能系數(shù)越大，即試件能量消耗越大、抗震能力越好；對三個試件進行對比分析，試件的耗能系數(shù)大小依次為：B1,A1,A3，說明提高鋼材和鋼纖維的強度能夠有效的提高試件的耗能能力。

3　結語

分析試驗結果，我們得到以下結論：

1)提高鋼管的屈服強度和鋼纖維的抗拉強度能夠有效地增加鋼管纖維混凝土的抵抗變形的能力，提高試件的耗能能力，延緩試件的剛度退化。

2)鋼管纖維混凝土試件最大耗能系數(shù)為2.3，抗震性能良好，鋼管纖維混凝土柱是一種可用于強震、強風地區(qū)的理想結構。

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