高寒環境溫度下鋼管混凝土柱抗震性能試驗研究

摘要： 為探究高寒地區環境溫度對圓鋼管混凝土柱抗震性能的影響，開展4種不同溫度工況下鋼管混凝土柱的擬靜力試驗研究，分析不同環境溫度下各試件的破壞特征、承載力、滯回特性、剛度退化、延性及耗能能力，揭示環境溫度變化對鋼管混凝土柱抗震性能的影響規律。試驗結果表明：不同環境溫度下各試件滯回曲線均呈梭形，未產生明顯捏縮現象;試件典型破壞模式在不同溫度下基本一致，均為鋼管底部產生一圈貫通鼓曲波、核心混凝土被壓潰、鋼管撕裂，溫度越低，鋼管混凝土柱越早發生破壞，且破壞程度越嚴重;相較于常溫（20 ℃）工況，0 ℃、-20 ℃、-40 ℃溫度工況下，試驗鋼管混凝土柱水平承載力分別提高3.08%、6.15%、10.08%，初始剛度分別提高16.9%、30.3%、50.0%，而延性系數分別降低8.6%、14.6%、16.9%;環境溫度越低，剛度退化速率也越大。溫度變化對鋼管混凝土柱抗震性能影響顯著，高寒地區鋼管混凝土結構抗震設計時需考慮環境低溫對結構帶來的不利影響。

關鍵詞： 圓鋼管混凝土柱; 擬靜力試驗; 抗震性能; 溫度

中圖分類號： U444 文獻標志碼：A 文章編號： 1000-0844（2024）06-1251-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230827001

Experimental study on the seismic performance of concrete-filled steel tubular columns under ambient temperature in alpine regions

YU Lusong¹， WANG Geng¹， WANG Li^1，2， ZHOU Xiaofu³， GU Haowei¹， LI Ziqi¹

（1. School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， Gansu， China;

2. GHATG Construction Group， Lanzhou 730099， Gansu， China;

3. Sichuan Communication Surveying amp; Design Institute Co.， Ltd.， Chengdu 610017， Sichuan， China）

Abstract： To investigate the impact of environmental temperature in alpine regions on the seismic performance of circular concrete-filled steel tubular （CFST） columns， a series of quasi-static tests were conducted on circular CFST columns at four different temperature conditions. The failure characteristics， bearing capacity， hysteresis characteristics， stiffness degradation， ductility， and energy-dissipation capacity of each specimen were analyzed， and the influence of temperature on the seismic performance of CFST columns was revealed. The experimental results showed that the hysteresis curves of specimens under different temperature conditions all present a spindle shape without obvious pinching phenomenon. The typical failure modes of specimens are basically the same at different temperatures： a circle of bulging waves occurs at the bottom of the steel pipe， the core concrete is crushed， and the steel pipe is torn. The lower the temperature， the earlier and more severe the failure of CFST columns. Compared with the working condition at a normal temperature （20 ℃）， the horizontal bearing capacities of CFST columns at 0 ℃， -20 ℃， and -40 ℃ are increased by 3.08%， 6.15%， and 10.08%， and the initial stiffness are increased by 16.9%， 30.3%， and 50.0%， respectively， whereas the ductility coefficients are decreased by 8.6%， 14.6%， and 16.9%， respectively. The lower the environmental temperature， the faster the rate of stiffness degradation. Temperature change has a significant impact on the seismic performance of CFST columns， so the adverse effects of low environmental temperatures on the structure should be considered in the seismic design of CFST structures in alpine regions.

Keywords： circular concrete-filled steel tubular column; pseudo-static test; seismic performance; temperature

0 引言

鋼管混凝土（Concrete Filled Steel Tube，CFST）是由鋼管與核心混凝土形成的一種組合材料。鋼管為核心混凝土提供圍壓應力，使其處于三向受壓狀態，核心混凝土則為鋼管起到支撐作用，延緩鋼管發生局部屈曲，因而鋼管混凝土具有承載力高、抗震性能好等優點，目前已被廣泛應用于高層建筑及大跨度橋梁結構中^［1-2］。

鋼管混凝土柱作為一種組合結構，環境溫度對其影響主要體現在兩方面：一是溫度對于鋼材^［3-4］和混凝土^［5-6］材料力學性能的影響;二是由于混凝土與鋼材兩種材料的線膨脹系數與導熱系數差異較大，容易在接觸界面發生脫黏滑移、脫空等行為，減弱了鋼管對于核心混凝土的約束效應，進而使整體的力學性能受到影響。國內外學者對于常溫下鋼管混凝土抗震性能已經開展了大量研究^［7-9］，并產生出大量的研究成果^［10］。目前，在溫度對鋼管混凝土柱力學性能影響方面，靳忠強^［11］、陳宗平等^［12］分別對低溫下和高溫后鋼管混凝土界面黏結強度進行了試驗研究，得出了溫度對界面黏結強度的影響規律。Yan等^［13-14］、虞廬松等^［15］對低溫環境下鋼管混凝土軸壓性能進行了試驗研究，討論了溫度對其豎向承載力、延性等力學性能的影響。Li等^［16］、曾翔^［17］對火災作用后鋼管混凝土滯回性能進行了試驗研究;張童^［18］對腐蝕及凍融循環作用后鋼管混凝土柱抗震性能進行了數值分析。

近年來，隨著西部大開發的不斷推進，川藏鐵路、蘭新鐵路等大型基礎項目在我國西部高原地區進行建設，鋼管混凝土因其良好的力學性能，被廣泛應用于這些區域的鐵路橋梁及站房中。這些地區具有溫度低、溫差大等特點，最低氣溫可達-60 ℃。鋼管混凝土結構在高寒高烈度區建設與運營階段易受極端溫度、地震等不利因素影響，研究表明極端溫度對橋梁結構地震響應影響顯著^［19-21］。目前關于高寒環境溫度下鋼管混凝土結構抗震性能的試驗研究報道較少。

本文擬在上述研究基礎上，開展-40～20 ℃環境溫度下鋼管混凝土柱擬靜力試驗研究，探究環境溫度對鋼管混凝土柱水平承載力、耗能能力、剛度退化、延性等力學性能的影響規律與作用機理，為高寒地區鋼管混凝土結構抗震設計提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計

為對不同環境溫度下鋼管混凝土柱抗震性能進行研究，設計并制作了4個圓鋼管混凝土柱，鋼管直徑D=140 mm，鋼管壁厚t=6 mm，柱高L=1 200 mm，實際加載高度h=1 000 mm。在試驗前進行了數值模擬，參照模擬結果與同類型常溫試驗結果，選取軸壓比為0.4。各個試件的設計參數列于表1，試件構造見圖1。

1.2 材性試驗

試驗鋼管采用有縫圓鋼管，鋼材牌號為Q235，按照《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法（GB/T 228.1—2021）》^［22］，對從鋼管上截取的標準試件進行拉伸試驗，試驗結果列于表1。混凝土采用C50自密實混凝土，由PO42.5普通硅酸鹽水泥、粒徑為5～20 mm連續級配碎石、砂、水，及Ⅰ級粉煤灰等材料配制，具體配合比如表2所列。澆筑試件的同時澆筑4組標準立方體試塊，與試件在同等條件下養護28 d。低溫試驗時首先將試塊放置在低溫試驗箱中降溫，達到目標溫度后恒溫48 h取出^［23］，依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準（GB/T 50081—2019）》^［24］進行試驗，試驗結果列于表1。鋼材與混凝土材性試驗加載現場如圖2所示。

1.3 試驗裝置與加載方案

本試驗在蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室完成，整個加載系統由水平向加載裝置與豎向加載裝置組成，如圖3所示。采用電液伺服作動器施加低周往復荷載，鋼管柱與作動器通過加載頭連接。為防止往復荷載作用下的松動滑移，兩處螺栓連接處螺桿上均加有彈簧墊片。在反力梁與千斤頂之間放置兩塊四氟乙烯板，確保加載過程中千斤頂與鋼管柱保持豎直。

正式加載前，首先施加軸向力至50%設計壓力值，若儀表運行正常，則逐漸加載至設計軸力值，并保持軸力恒定不變，然后施加水平往復荷載。整個加載過程由位移控制，在加載側移率為±0.25%、±0.5%及±0.75%時，試件處于線彈性階段，鋼管表面沒有明顯現象，每級加載循環一圈;在加載側移率為±1.0%～±4.0%之間時，每級加載循環三圈，其中，側移率在±1.0%～±2.0%之間時，加載位移步為5 mm，側移率在±2.0%～±4.0%之間時，加載位移步為10 mm;加載側移率在±5.0%及以后，每級加載循環兩圈，加載位移步為10 mm。加載制度如圖4所示，當水平荷載下降至峰值荷載的85%或當鋼管發生斷裂時停止加載，試驗結束。

1.4 溫控裝置

采用PT100溫度傳感器進行溫度采集，在混凝土澆筑之前，利用固定架將溫度傳感器固定于鋼管中心，確保試驗時所測溫度為核心混凝土中心溫度。開展低溫試驗時，首先將試件放置在高精度低溫冷柜中，待溫度降至目標溫度以下5 ℃時恒溫48 h后取出。試驗過程中外包3層保溫棉，避免試驗時溫度散失過快。低溫試驗時間為3月初，室溫在10 ℃以下，因此在試驗過程中可以確保溫度在目標溫度±2 ℃范圍內，低溫工況試驗加載如圖5所示。

2 試驗過程及現象

各試件在加載過程中均出現鋼管外表面油漆剝落、鋼管屈曲與撕裂、核心混凝土壓碎與外流等試驗現象。在試驗加載過程中，每個試件均經歷了彈性階段、彈塑性階段及破壞階段。各階段試驗現象如圖6所示。

（1） 彈性階段：試件表面無明顯現象，隨著加載側移率增大，溫度越低，荷載增長越快。

（2） 彈塑性階段：鋼管外表面的油漆開始剝落，鋼管外壁出現局部屈曲，屈曲位置位于加勁肋上方45～65 mm處;剛開始只能觀察到鋼管微微隆起，隨著側移增大，鼓曲逐漸由推拉方向加勁肋上方向兩側擴展;在鋼管底部產生環形鼓曲波，在相同加載側移率下，溫度越低，鼓曲越為明顯。

（3） 破壞階段：鋼管與混凝土均嚴重破壞，隨著加載側移率增大，水平荷載出現下降。20 ℃工況下，鋼管在加載側移率11.0%時斷裂;溫度越低，鋼管越早出現斷裂，-40 ℃與-20 ℃工況下，鋼管均在側移率為9.0%時斷裂;0 ℃工況下，鋼管在側移率為10.0%時斷裂。

在加載過程中，低溫試件較常溫試件早破壞，這是因為在低溫環境下，核心混凝土強度提高，塑性降低，較早發生脆性破壞，導致鋼管相比常溫下較早出現撕裂破壞。溫度越低，鋼管底部鼓曲長度越大，這說明溫度越低，核心混凝土變形能力越差。試驗結束后，切開外壁鋼管發現內部混凝土出現嚴重的壓潰現象，且溫度越低，核心混凝土被壓潰得越嚴重。沿著壓潰部位往上，核心混凝土表面在往復荷載作用下產生大量微裂縫（圖7）。

3 試驗結果分析

3.1 滯回曲線

對試件進行不同溫度工況下的擬靜力試驗，得到各試件滯回曲線，如圖8所示。

由圖8可知，加載初期，荷載與位移呈線性變化，滯回環狹長，耗能較小，沒有出現明顯的殘余變形，隨著加載次數的增加，滯回環逐漸變得飽滿，耗能能力增強。不同溫度工況下各試件的滯回環都呈梭形，形狀較為飽滿，未出現捏縮現象。水平荷載到達峰值點后，溫度越低，試件的承載力下降越快，鋼管越早斷裂，試件越早喪失承載能力，也即溫度越低，試件的延性越差。CFST2與CFST4在最后一級加載的滯回曲線出現異形，這是因為在該級加載的第一個循環，鋼管表面出現微裂縫，水平承載力出現下降，在第二個加載循環時鋼管被徹底撕裂，核心混凝土外流，水平承載力出現突降。

3.2 骨架曲線

分析提取試驗數據，得到各試件的骨架曲線如圖9所示。

由圖9分析可知：不同溫度工況下鋼管混凝土柱骨架曲線形狀大致呈“S”形。分析表3可知，低溫試件（CFST2、CFST3、CFST4）較常溫試件（CFST1）峰值荷載分別提高了3.08%、6.15%、10.09%。在低溫環境下，混凝土內部孔隙水結冰，疏松的孔隙被填充密實，整體強度得到提高，鋼材的屈服強度也增大，又因為二者線膨脹系數不同，在低溫下鋼管收縮大于混凝土，兩者之間的套箍效應增強，從而使低溫下鋼管混凝土試件峰值荷載提高。

3.3 延性指標

采用延性系數μ來反映試件的延性性能。位移延性系數計算公式為：

μ=Δ_u/Δ_y （1）

式中：Δ_y屈服位移;Δ_u為極限位移。

試件屈服點采用能量等值法計算，由于試件含鋼率較高，沒有明顯的下降段，因此取鋼管開裂時的位移作為極限位移Δ_u。試件位移延性系數列于表4，其中P與Δ取推拉方向平均值。

由表4可知，不同溫度工況下試件延性系數均大于2。相比CFST1，CFST2、CFST3及CFST4延性系數分別降低了8.6%、14.6%及16.9%。究其原因主要是在低溫工況下，鋼材延性隨著溫度降低逐漸降低，混凝土在低溫環境下強度提高，塑性降低，在壓彎組合作用下較早產生破壞。

3.4 剛度退化

采用割線剛度K來表示剛度退化，其含義為第i次加載中正反方向水平力的絕對值之和與水平位移絕對值之和的比值。其計算表達式為：

K=|+P_i|+|-P_i|/|+Δ_i|+|-Δ_i| （2）

各試件在不同溫度下剛度退化曲線如圖10所示。

由圖10可知：各試件的初始剛度存在一定差異，相比常溫試件（CFST1），低溫工況試件（CFST2、CFST3、CFST4）初始剛度分別提高了16.9%、30.3%、50.0%，這是因為隨著溫度降低，混凝土彈性模量逐漸增大，因此低溫工況下試件的初始剛度都有所提高。在加載側移率2.0%之前，剛度退化較為明顯，且溫度越低，剛度退化速率越大;加載側移率2.0%以后，剛度退化速率逐漸變小，不同溫度下的試件剛度退化軌跡基本一致。

3.5 耗能能力

通過滯回環面積來評價試件的耗能能力，選擇每級加載的第一個循環來計算累計耗能，各試件累計耗能如圖11所示。

由圖11可知：在初始加載循環下，溫度越低，水平荷載越大，滯回環面積越大，耗能越高。但由于溫度越低，鋼管越早斷裂，因此低溫工況下試件累計耗能低于常溫工況下。相較于常溫試件，0 ℃、-20 ℃及-40 ℃試件累計耗能分別降低21.9%、39.2%及34.5%。

4 結語

針對高原寒冷地區溫差大、氣溫低等氣候特點，圍繞鋼管與混凝土材料力學性能及界面黏結特性易受溫度影響等核心問題，對4個不同溫度工況下的鋼管混凝土柱進行擬靜力試驗研究，結論如下：

（1） 不同溫度工況下試件典型破壞模式基本一致，均為鋼管底部產生一圈貫通的鼓曲波、核心混凝土被壓潰、鋼管撕裂，溫度越低，鋼管混凝土柱越早發生破壞，且破壞程度越嚴重。

（2） 各溫度工況下滯回曲線均呈梭形，未產生明顯捏縮現象，在相同加載位移下，低溫試件耗能高于常溫試件，但由于溫度越低，試件越早斷裂，低溫試件累計耗能低于常溫試件。

（3） 環境溫度對試件承載力和延性有不同程度的影響，相較于常溫（20 ℃）試件，溫度為0 ℃、-20 ℃及-40 ℃的試件水平承載力分別提高了3.08%、6.15%及10.08%，延性系數分別降低了8.6%、14.6%及16.9%，對抗震不利。

（4） 環境溫度對試件初始剛度影響顯著，相比常溫（20 ℃）試件，溫度為0 ℃、-20 ℃及-40 ℃的試件初始剛度分別提高了16.9%、30.3%及50.0%;在加載過程中，溫度越低，剛度退化速率越大。

參考文獻（References）

［1］韓林海，牟廷敏，王法承，等.鋼管混凝土混合結構設計原理及其在橋梁工程中的應用［J］.土木工程學報，2020，53（5）：1-24.

HAN Linhai，MU Tingmin，WANG Facheng，et al.Design theory of CFST （Concrete-Filled Steel Tubular） mixed structures and its applications in bridge engineering［J］.China Civil Engineering Journal，2020，53（5）：1-24.

［2］劉永健，孫立鵬，周緒紅，等.鋼管混凝土橋塔工程應用與研究進展［J］.中國公路學報，2022，35（6）：1-21.

LIU Yongjian，SUN Lipeng，ZHOU Xuhong，et al.Progress in the application of research on concrete-filled steel tubular bridge towers［J］.China Journal of Highway and Transport，2022，35（6）：1-21.

［3］XIE J，XI R，TONG C L，et al.Mechanical properties of Q235-Q460 mild steels at low temperatures［J］.Construction and Building Materials，2023，363：129850.

［4］廖小偉，王元清，石永久，等.低溫環境下橋梁鋼Q345qD疲勞裂紋擴展行為研究［J］.工程力學，2018，35（10）：85-91.

LIAO Xiaowei，WANG Yuanqing，SHI Yongjiu，et al.Experimental study on the fatigue crack growth behavior of bridge steel Q345qD at low temperatures［J］.Engineering Mechanics，2018，35（10）：85-91.

［5］LIN H W，HAN Y F，LIANG S M，et al.Effects of low temperatures and cryogenic freeze-thaw cycles on concrete mechanical properties：a literature review［J］.Construction and Building Materials，2022，345：128287.

［6］謝劍，劉洋，嚴加寶，等.極地低溫環境下混凝土斷裂性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2021，42（增刊1）：341-350.

XIE Jian，LIU Yang，YAN Jiabao，et al.Experimental study on fracture behavior of concrete in polar low temperature environment［J］.Journal of Building Structures，2021，42（Suppl01）：341-350.

［7］YANG Z M，CHEN J，WANG F Y，et al.Seismic performance of circular concrete-filled steel tube columns reinforced with inner latticed steel angles［J］.Journal of Constructional Steel Research，2023，205：107908.

［8］LI W，JIANG H M，LI L F，et al.Seismic behavior of hybrid fiber cement-based composites encased CFST columns［J］.Journal of Building Engineering，2023，74：106625.

［9］DONG H Y，QIN J，CAO W L，et al.Seismic behavior of circular CFST columns with different internal constructions［J］.Engineering Structures，2022，260：114262.

［10］韓林海.鋼管混凝土結構：理論與實踐［M］.3版.北京：科學出版社，2016.

HAN Linhai.Concrete filled steel tubular structures［M］.3rd ed.Beijing：Science Press，2016.

［11］靳忠強.低溫下矩形鋼管混凝土界面粘結強度試驗研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2017.

JIN Zhongqiang.Experimental Study on interface bond strength of rectangular concrete filled steel tube at low temperature［D］.Yangling：Northwest A amp; F University，2017.

［12］陳宗平，劉祥，周文祥.高溫后圓鋼管高強混凝土界面黏結性能試驗研究［J］.工程力學，2018，35（8）：192-200，256.

CHEN Zongping，LIU Xiang，ZHOU Wenxiang.Interface bond behavior between circle steel tube and high strength concrete after high temperatures［J］.Engineering Mechanics，2018，35（8）：192-200，256.

［13］YAN J B，WANG T，DONG X.Compressive behaviours of circular concrete-filled steel tubes exposed to low-temperature environment［J］.Construction and Building Materials，2020，245：118460.

［14］YAN J B，DONG X，ZHU J S.Compressive behaviours of CFST stub columns at low temperatures relevant to the Arctic environment［J］.Construction and Building Materials，2019，223：503-519.

［15］虞廬松，劉彪，王力，等.高寒環境溫度下圓鋼管混凝土短柱軸壓性能試驗研究［J］.土木工程學報，2023，56（10）：20-31.

YU Lusong，LIU Biao，WANG Li，et al.Experimental study on axial compression performance of CFST stub columns under very-cold ambient temperature［J］.China Civil Engineering Journal，2023，56（10）：20-31.

［16］LI W，WANG T，HAN L H.Seismic performance of concrete-filled double-skin steel tubes after exposure to fire：experiments［J］.Journal of Constructional Steel Research，2019，154：209-223.

［17］曾翔.火災全過程作用后鋼管混凝土柱滯回性能試驗研究［D］.長沙：湖南大學，2009.

ZENG Xiang.Experimental research on cyclic behavior of concrete-filled steel tubular columns with sustained axial load after exposure to fire［D］.Changsha：Hunan University，2009.

［18］張童.腐蝕與凍融環境下鋼管混凝土墩柱靜力及結構抗震性能研究［D］.阜新：遼寧工程技術大學，2021.

ZHANG Tong.Study on static and seismic performance of concrete filled steel tubular pier in corrosive and freeze thaw environment［D］.Fuxin：Liaoning Technical University，2021.

［19］王力，虞廬松，劉世忠，等.極端溫度對高寒高烈度區連續梁橋地震響應的影響［J］.橋梁建設，2022，52（2）：89-96.

WANG Li，YU Lusong，LIU Shizhong，et al.Effect of extreme temperatures on seismic response of continuous girder bridge in cold and high-seismicity area［J］.Bridge Construction，2022，52（2）：89-96.

［20］杜新龍，虞廬松，王力，等.極端溫度對板式橡膠支座連續梁橋地震響應影響研究［J］.中國安全生產科學技術，2022，18（10）：210-215.

DU Xinlong，YU Lusong，WANG Li，et al.Study on influence of extreme temperature on seismic response of continuous girder bridge with laminated rubber bearing［J］.Journal of Safety Science and Technology，2022，18（10）：210-215.

［21］李於錢，王力，杜新龍，等.極端溫度對鋼管混凝土格構式高墩抗震性能影響研究［J］.中國安全生產科學技術，2023，19（5）：123-129.

LI Yuqian，WANG Li，DU Xinlong，et al.Study on influence of extreme temperature on seismic performance of concrete-filled steel tube lattice high pier［J］.Journal of Safety Science and Technology，2023，19（5）：123-129.

［22］國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法：GB/T 228.1—2010［S］.北京：中國標準出版社，2011.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，Standardization Administration of the People's Republic of China.Metallic materials-tensile testing-part 1：method of test at room temperature：GB/T 228.1—2010［S］.Beijing：Standards Press of China，2011.

［23］中華人民共和國住房和城鄉建設部.低溫環境混凝土應用技術規范：GB 51081—2015［S］.北京：中國計劃出版社，2015.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.Technical code for application of concrete under cryogenic circumstance：GB 51081—2015［S］.Beijing：China Planning Press，2015.

［24］中華人民共和國住房和城鄉建設部，國家市場監督管理總局.混凝土物理力學性能試驗方法標準：GB/T 50081—2019［S］.北京：中國建筑工業出版社，2019.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China，State Administration for Market Regulation.Standard for test methods of concrete physical and mechanical properties：GB/T 50081—2019［S］.Beijing：China Architecture amp; Building Press，2019.

（本文編輯：張向紅）