钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架抗震性能及损伤演变_孟二从.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 20 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．20 2019 基金项目 国家自然科学基金 51468003 ; 中央高校基本业务费专项 XDJK2018C036 ; 中国博士后科学基金 2017M623302XB ; 重庆市项目博士后 Xm2017033 收稿日期 2018 －05 －08修改稿收到日期 2018 －07 －04 第一作者 孟二从 男， 博士后， 副教授， 1990 年生 通信作者 苏益声 男， 硕士， 教授， 博士生导师， 1956 年生 钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架抗震性能及损伤演变 孟二从1，余亚琳1，张旭1，苏益声2，陈宗平2 1． 西南大学工程技术学院，重庆 400715; 2． 广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004 摘 要 为研究钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架的抗震性能及损伤演变， 以取代率为变化参数， 设计制 作了 3 榀不同取代率试件， 对其进行低周反复加载试验， 并基于 Park- Ang 双参数损伤评估模型， 对其损伤演变进行分析。 主要研究表明 不同取代率钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架试件的破坏形态均为脆性的剪切破坏; 试件滞回曲 线呈饱满的梭形， 试验结束时试件的等效黏滞阻尼系数均达到 0． 3 以上， 表现出了良好的抗震耗能性能; 随着取代率上 升， 试件骨架曲线下降段有变陡趋势; 相比于取代率为 0 的试件， 50 及 100 取代率试件的平均屈服及峰值荷载波动 幅度均在5以内， 而延性系数则分别下降了9． 70及20; 试件屈服时的层间位移转角在1/107 ～1/95 之间， 可以满足 结构在正常使用阶段的舒适度要求， 破坏时的层间位移转角在 1/39 ～1/36 之间， 表现出了良好的抗倒塌能力; 取代率对 试件刚度退化影响较小， 不同取代率试件的刚度退化曲线近乎重合; 加载初期， 取代率对试件损伤演变影响不大， 但随着 加载位移增大， 试件损伤程度随取代率增加而呈逐渐增大的变化趋势。 关键词 钢管再生混凝土柱; 再生混凝土短梁; 框架; 抗震性能; 损伤演变 中图分类号 TU398; TU317文献标志码 ADOI10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 20． 027 Seismic behavior and damage evolution of RAC filled steel tube column versus RAC short beam frame MENG Ercong1，YU Yalin1，ZHANG Xu1，SU Yisheng2，CHEN Zongping2 1． College of Engineering and Technology，Southwest University，Chongqing 400715，China; 2． School of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China AbstractTo study the seismic perance and damage evolution of recycled aggregate concrete RAC filled steel tube column versus RAC short beam frame， three frame specimens with different replacement rates were designed and tested under cyclic reversed loading，and the damage evolution of specimens was analyzed based on a Park- Ang double parameter damage assessment model． The results mainly show that the failure of RAC filled steel tube column versus RAC short beam frame with different replacement rate presents brittle shear failure． The hysteretic curves of specimens present plump shuttle shape， and all the he of specimens exceed 0． 3 when the experiment ends， which shows the structure having good energy dissipation ability． With the increase of replacement rate，the descending section of specimen skeleton curve presents the trend of being steeper． Compared with the specimen with 0 replacement rate，the average yield and peak load change amplitude of the specimens with 50 and 100 replacement rate are both within 5，and the ductility coefficient decreases 9． 70 and 20，respectively． The inter- story displacement angle of specimens is within 1/107 ～ 1/95 when yielded，and it can satisfy the comfortable requirement in normal service stage of the structure． The inter- story displacement angle of specimens is within 1/39 ～ 1/36 when destroyed，which shows good collapse resistance ability． Replacement rate has little effect on the specimen stiffness degradation，and the stiffness degradation curves of the specimens with different replacement rate are almost coinciding together． At the beginning of loading，replacement rate has little effect on the damage evolution of specimens， but with the increase of loading displacement， the damage degree of specimens gradually increases with replacement rate． Key words RAC filled steel tube column; RAC short beam; frame; seismic behavior; damage evolution ChaoXing 再生混凝土 Recycled Aggregate Concrete，RAC 是指将废弃的混凝土块进行破碎、 筛分、 清洗， 将其部 分或全部替代天然骨料配制而成的新型混凝土 ［1 －2 ］。 由于再生骨料表面附着水泥砂浆， 并且在骨料破碎过 程中， 骨料内部会产生大量的微裂缝， 因而再生骨料本 身会有一定的原始损伤， 从而由再生骨料配制出来的 混凝土也会存在一定的性能缺陷， 因而再生混凝土一 般常用于非承重结构之中， 这一缺陷严重影响了再生 混凝土的进一步发展及应用 ［3 ］， 如何解决和弥补这一 缺陷是摆在科研工作者面前的一个热点问题。 当混凝土处于三向受压状态时， 其力学性能及变 形能力会得到大幅度提升 ［4 ］， 由此想到将再生混凝土 填充于钢管中形成钢管再生混凝土结构， 利用钢管对 再生混凝土的约束作用， 从而达到改善再生混凝土力 学性能的目的。目前关于钢管再生混凝土结构的研究 正处于起步阶段， 并且大多集中于构件层面 ［5 －12 ］， 总的 研究表明 钢管再生混凝土结构具有良好的力学性能， 可推广应于实际工程之中。而从结构层面的研究还相 对较少， 除本课题组前期完成相关 100 取代率全再生 钢管混凝土柱 － 钢筋混凝土梁框架的探索性研究 外 ［13 －15 ］， 还未发现其它相关研究报道。 在实际工程中， 钢管混凝土柱 － 钢筋混凝土梁框 架结构是常见的一种组合结构形式， 在相关图集规范 如文献［ 16 －17］ 中已给出了该类结构的相关构造措施 及设计方法， 相对而言， 关于该类框架结构的研究已较 为成熟。而对于钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土梁框 架结构， 由于再生混凝土与普通混凝土力学性能上的 差异， 将钢管混凝土的相关设计理论直接应用于钢管 再生混凝土中显然是不合适的， 因此有必要对钢管再 生混凝土柱 － 再生混凝土梁框架结构进行深入研究。 与此同时， 在现代建筑中， 随着建筑功能要求的不 断增多， 常在某些部位形成短梁， 如纵向内走廊两侧布 置柱时出现的大量框架短梁、 消防疏散通道、 高层建筑 中的转换层等部位。短梁上剪应力与弯曲应力的比值 一般较高， 因而常常发生脆性的剪切破坏 ［18 ］， 一旦这些 部位出现损坏， 就极有可能出现不可挽回的人员财产 损失。与此同时， 课题组及相关研究人员关于再生混 凝土材料层面的研究均表明 对于受剪切破坏的试件， 再生混凝土与普通混凝土的破坏机理是存在差别的， 而将其拓展到结构层面， 这一差别对结构的影响程度 究竟如何还不清楚。为此， 本文在课题组的前期研究 基础之上， 设计了 3 榀不同取代率钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架在低周反复荷载作用下的抗震 性能试验， 以此来研究取代率对该类框架抗震性能及 损伤演变的影响， 旨在为钢管再生混凝土结构的进一 步理论研究及推广应用提供参考。 1试验概况 1． 1试件设计与制作 3 榀框架试件编号分别记为 KJ0、 KJ50 及 KJ100， 表示其再生粗骨料取代率分别为0、 50及100， 框 架梁及钢管内的 RAC 设计强度等级为 C40， 不同取代 率 RAC 配合比见表 1。 钢管采用 Q235B 的方钢管， 其壁厚为 6 mm， RAC 梁截面尺寸为 100 mm 200 mm， 净距为 1 000 mm， 梁 内纵筋采用 HRB400， 直径 14 mm 的钢筋， 箍筋采用 680 mm， 梁柱节点采用穿筋式连接， 为保证梁端传 递弯矩及梁端钢筋在节点处的锚固要求， 防止梁端钢 筋在节点部位的锚固失效， 参照文献［ 17］提出的穿筋 式连接节点构造形式， 试件节点处钢筋布置形式为钢 筋从一端穿越， 在另一端通过角钢与钢管壁焊接在一 起; 同时， 为保证“强节点弱构件” 的设计要求， 在内节 点焊接节点板， 框架的相关构造及几何尺寸见图 1， 节 点详图见图 2。 浇筑 RAC 前， 首先在钢管预定位置处机械开孔， 然后在钢管底部焊接一块 250 mm 250 mm 8 mm 的 底板， 并在距钢管底部 100 ～200 mm 处， 沿着加载方向 在钢管表面各焊接 1 根 I10 型钢， 工字钢的长度为 300 mm， 随后把绑扎好的钢筋骨架通过孔洞穿越钢管， 在另一端与角钢通过钢管壁按设计要求焊接， 以此来 固定两者之间的位置。框架中的混凝土分三次进行浇 筑， 首先在钢管中浇筑再生混凝土 立式浇筑 ， 其次浇 筑基座梁， 基座梁采用 C50 的商品混凝土卧式浇筑完 成， 最后浇筑再生混凝土梁; 本试验中， 再生混凝土均 采用自落式搅拌机进行人工搅拌， 先将 70 的水与水 泥、 砂搅拌 1 min， 搅拌均匀后再将剩余的水及粗骨料 投入搅拌 2 min， 随后测其坍落度， 并对每种再生混凝 土预留 3 组标准立方体试块。 表 1再生混凝土配合比 Tab． 1 Mix proportion of RAC RAC 强度 等级 取代率/水灰比 砂率/ 材料用量/ kgm －3 水水泥砂再生粗骨料天然粗骨料 C4000． 413220550054201153 500． 4132205500542576． 5576． 5 1000． 413220550054211530 981第 20 期孟二从等 钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架抗震性能及损伤演变 ChaoXing 图 1框架构造及几何尺寸 mm Fig． 1 Frame construction and geometrical dimensions mm 图 2梁柱节点详图 Fig． 2 Details of specimen node 1． 2材料性能 再生混凝土设计强度等级为 C40， 按文献［ 19］ 测得 试验时同等条件养护下 0、 50、 100 取代率标准立 方体试块抗压强度值分别为54 MPa、 46 MPa 及 53 MPa; 28d 标准养护条件下0、 50、 100取代率标准立方体 试块抗压强度值分别为56 MPa、 48 MPa 及54 MPa。 表 2钢材实测性能 Tab． 2 Measured mechanical behavior of steels 钢材 fy/MPafu/MPaεy10 －3 νsEs/MPa 钢管3184351 5350． 312． 07 105 箍筋3545311 9020． 271． 86 105 纵筋4896192 4560． 301． 99 105 节点板3834511 9450． 281． 97 105 注 fy和 fu分别表示钢材的屈服强度和极限抗拉强度， ε y表 示钢材的屈服应变， νs表示泊松比， Es表示钢材的弹性模量 钢材材性试验按文献［ 20］进行， 钢材的力学性能 实测值见表 2。 1． 3加载装置及制度 试验加载装置如图 3 所示。试件就位后， 首先通 过油压千斤顶施加竖向荷载至预设值 轴压比为0． 2 ， 随后通过量程为 500 kN 的伺服作动器来施加水平荷 载， 其加载制度按文献［ 21］ 的相关规定， 屈服前采用荷 载控制， 加载增量为 10 kN， 每级循环一次直至屈服; 屈 服后， 采用位移控制， 以屈服位移 Δy 为加载增量 Δy 取 6 mm ， 每级位移循环 3 次， 直至荷载下降至峰值荷 载的 85左右时停止试验。 图 3加载装置图 Fig． 3 Diagrams of loading device 091振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 2试验结果 2． 1破坏过程及特征 从试件的破坏过程及特征来看， 3 榀试件基本相 似。在力控阶段， 当荷载达到 60 kN 左右时， 两侧梁 端在距柱 9 ～18 cm 处开始出现弯曲裂缝， 随着荷载的 增大， 原有裂缝不断地扩展， 并不断出现新的弯曲裂 缝; 当荷载达到 110 kN 左右时弯曲裂缝已基本出齐， 其间距在 8 ～ 15 cm 之间， 随着荷载的进一步增大， 弯 曲裂缝逐渐向斜裂缝演化， 当荷载达到 140 kN 左右 时， 梁端已出现较为明显的斜裂缝。直至力控加载结 束， 横梁以弯曲裂缝为主， 框架柱未见鼓曲的现象， 但 实测钢管应变已达到屈服。 在位控阶段， 当加载位移为 Δy 时， 原有的弯曲裂 缝继续扩展、 延伸， 并在梁端 1/10 ～ 1/5 跨处， 形成较 明显的交叉斜裂缝; 当加载位移达到 2Δy 时， 原有的 弯曲裂缝基本不再延伸发展， 此时主要以斜裂缝的产 生及发展为主， 斜裂缝与梁轴线的夹角在 30 ～ 70之 间， 此时梁端的再生混凝土开始出现被细微压酥的痕 迹， 同时浇筑混凝土时残留在底部钢管壁上已硬化的 水泥砂浆开始剥落; 当加载位移达到 3Δy 时， 梁保护 层位置处开始形成纵向的劈裂裂缝， 且斜裂缝逐渐形 成主交叉裂缝， 其宽度显著扩大; 当加载位移达到 4Δy时， 纵筋保护层处的混凝土开始剥离脱开， 同时 柱底的应变片也开始脱落; 当达到 5Δy 时， 主斜裂缝 区域的保护层被掀起， 柱底有较为明显的鼓曲手感; 当 达到 6Δy 时， 钢管柱底的鼓曲现象已较为明显，此时 正负向荷载均已下降到峰值荷载的 85， 停止加载。 加载结束后试件的典型破坏形态见图 4。 与课题组前期完成的 1 榀 100 取代率钢管再生 混凝土柱 － 再生混凝土梁框架 梁为一般浅梁 ［14 ］破 坏形态对比可知， 钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短 梁框架在破坏过程中， 梁的破坏形态并没有呈现出延 性的弯曲破坏特征， 而是呈剪切破坏特性， 梁上也未形 成明显的弯曲塑性铰。由此可知， 在钢管再生混凝土 框架结构中， 在形成短梁的部位， 要特别注意其安全保 护， 以防止其在强震下的突然剪切破坏。 图 4试件典型破坏形态 Fig． 4 Typical specimen failure mode 2． 2滞回曲线 图 5 为试件实测滞回曲线， 由图可知， 在整个加载 过程中， 3 榀不同取代率试件的滞回曲线均未发生明显 捏缩现象， 总体上均呈饱满的梭形， 表明钢管再生混凝 土柱 － 再生混凝土短梁框架依然具有良好的抗震耗能 性能， RAC 的存在并没有显著降低框架的耗能能力。 图 5试件滞回曲线 Fig． 5 Hysteretic curves of specimens 2． 3骨架曲线 试件的骨架曲线见图 6， 由图可知 不同取代率试 件骨架曲线形状较为相似， 试件的受力过程基本均可 划分为 3 个工作阶段， 即弹性工作阶段、 弹塑性工作阶 段、 快速破坏阶段。 在弹性阶段试件骨架曲线近乎重合， 说明取代率 对结构初始刚度影响不大。当达到峰值荷载后， 曲线 下降段存在着一些差别， 100 取代率试件的下降幅度 略大于 50取代率试件， 而两者的下降幅度要明显大 于取代率为 0的试件， 这主要是因为再生骨料在破碎 过程中产生了一定原始损伤， 使得其内部存在着一定 的细微裂缝， 此外由于再生骨料表面附着有部分水泥 砂浆等原因， 使得其强度要小于普通天然骨料， 相关 RAC 材料性能的试验研究表明 ［2 ］ 当 RAC 试件在多轴 191第 20 期孟二从等 钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架抗震性能及损伤演变 ChaoXing 应力下发生剪切破坏时， 其破坏面会出现在界面处或 沿着骨料被劈开， 而对于普通混凝土试件， 其破坏面处 的骨料均呈现粉碎性破坏; 在本试验中， 框架的破坏主 要从再生混凝土短梁发生剪切破坏开始， 而对于不同 取代率试件 50、 100 ， 其破坏过程存在着一定的 波动性， 从而导致 100取代率试件的下降幅度略微大 于 50取代率试件， 但两者的下降幅度均要明显大于 取代率为 0的试件。 与此同时， 从骨架曲线上看， KJ0 的正向承载能力 要高于其它两个再生混凝土试件， 而其反向承载能力 则要低于其它两个再生混凝土试件， 出现这一现象的 原因可能与试件在受力过程中的损伤演变有关 对于 普通钢管混凝土试件 KJ0， 由于其使用的混凝土材料不 像再生混凝土那样存在着一定的原始损伤， 从而使得 其正向加载的承载能力要高于其它两个再生混凝土试 件; 而当试件达到其正向承载能力之后， 试件内部的累积 损伤已经很大， 并且当其所受荷载越大， 其内部所累积的 损伤也会越大， 因而当达到正向峰值荷载时， 试件 KJ0 内 部的损伤程度要大于其它2 个试件; 同时， 因试件的加载 顺序是先正向后反向，从而使得 KJ0 在达到正向峰值荷 载后的下一循环反向加载作用下， 其承载能力要弱于其 它2 个内部损伤较小的试件， 从而出现了这一现象。 图 6试件骨架曲线 Fig． 6 Skeleton curves of specimens 2． 4特征点参数 表3 为试件在各特征点处的实测值， 其中， Py为试 件屈服荷载， 由等能量法确定， Pm为峰值荷载， Pu为破 坏荷载 取峰值荷载下降到 85 时对应的荷载值 ; Δy θ y 、 Δm θ m 、 Δu θ u 分别为各特征点荷载对应的位移 层间位移转角 ; u 为试件的位移延性系数， μ Δu /Δ y。 表 3特征点试验结果 Tab． 3 Test results of characteristic points 试件 编号 加载 方向 屈服点 Py/kNΔy/mmθy 峰值点 Pm/kNΔm/mmθm 破坏点 Pu/kNΔu/mmθu u平均 KJ0负向193． 510． 01/105226． 817． 91/59194． 736． 01/29 正向229． 39． 71/108275． 014． 41/73233． 722． 01/482． 94 平均211． 49． 91/107250． 916． 11/65214． 229． 01/36 KJ50负向220． 911． 741/89258． 324． 01/44223． 535． 91/29 正向206． 010． 01/105245． 915． 51/68209． 022． 21/472． 68 平均213． 410． 91/97252． 119． 71/53216． 329． 11/36 KJ100负向221． 511． 91/88273． 518． 01/58232． 532． 41/32 正向207． 810． 31/102243． 618． 01/58207． 021． 91/482． 45 平均214． 611． 11/95258． 618． 01/58219． 827． 21/39 3抗震性能指标分析 3． 1承载能力 图 7 为试件在屈服及峰值点处正负向荷载平均 值。由图可知， 不同取代率试件的屈服荷载、 峰值荷载 均相差不大， 相比于取代率为0的试件， 50及100 试件的屈服荷载、 峰值荷载波动幅度均在 5 以内， 说 明外部钢管可以有效约束 RAC 的相关性能缺陷， 使得 RAC 与普通混凝土达到了相近的力学性能， 从而使得 各试件承载能力的变化不大。这与文献［ 11］ 从构件层 面的研究结论相一致， 这也进一步说明了取代率对钢 管再生混凝土结构抗震承载能力的影响相对较小。由 此可知 在钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架 结构之中， 取代率对其承载能力影响不大。 图 7试件在屈服及峰值点处正负向荷载平均值 Fig． 7 Average load of specimens at yield and peak point 291振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 3． 2层间位移转角 试件屈服时的层间位移转角 θy在 1/107 ～1/95 之 间， 均远大于规定的限值 对于多、 高层钢结构与钢筋 混凝土框架结构， 这一规定限值分别为 1/250 与 1/550［22 ］ ， 表明钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁 框架在弹性阶段的变形能力能够较好的满足要求， 可 以保证其在正常使用阶段的舒适度要求; 试件破坏时 的层间位移转角 θu 在1/39 ～1/36 之间， 均远大于规定 限值 钢筋混凝土框架与多、 高层钢结构均为 1/50 ， 表明在罕遇地震下， 该结构具有较强的抗倒塌能力。 3． 3延性系数 图 8 为不同试件的延性系数。由图可知， 3 榀试件 的平均延性系数均未达到 3， 这主要是因为框架梁是短 梁， 而短梁主要发生的是剪切脆性破坏， 从而导致了该 结构的延性相对较差; 此外， 相对于 KJ0， KJ50 和 KJ100 在正负向的平均延性系数分别下降了 9． 70 和 20， 说明在钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架中， 随着取代率的增加， 其延性会逐渐变差。 图 8试件延性系数 Fig． 8 Ductility coefficients of specimens 课题组前期研究成果表明， 对于钢管再生混凝土 柱 － 再生混凝土梁框架 梁为一般浅梁 ， 其延性系数 大于 3， 由此可知， 当钢管再生混凝土框架结构存在再 生混凝土短梁时， 其延性较一般的钢管再生混凝土 柱 － 再生混凝土梁框架会变差。 3． 4耗能性能 表 4 为每级循环位移下第一次循环的等效黏滞阻 尼系数 he［15 ］实测值， 图 9 为各级循环位移下试件的 he 变化情况。 由表 4 及图 9 可知 试件的 he均随着加载位移的 增大而增大， 说明随着加载位移的增加， 试件的滞回环 越来越饱满， 耗散的能量也越来越多， 试验结束时试件 的 he值均达到了 0． 3 以上， 表现出了良好的抗震耗能 性能; 随着取代率增加， 试件在各加载位移处的 he并没 有呈现明显变小的变化规律， 甚至在 4Δ 后， 呈现出变 大的变化趋势。由此说明， 相比于普通钢管混凝土框 架， 钢管再生混凝土框架的抗震耗能性能并没有出现 明显的削弱趋势。 表 4各试件实测的等效黏滞阻尼系数 h e Tab． 4 Measured he at various level displacement 试件 编号 he Δy 2Δ y 3Δ y 4Δ y 5Δ y 6Δ y KJ00． 0620． 1060． 1600． 1710． 2340． 318 KJ500． 0510． 1130． 1540． 1860． 2510． 323 KJ1000． 0590． 0930． 1560． 2200． 2710． 326 图 9各级循环位移下试件的 h e Fig． 9 The heof specimens at each cyclic displacement 3． 5刚度退化 图 11 为试件在加载过程中的割线刚度退化曲线， 其中 Kj1为试件在第 j 加载级第 1 循环时的割线刚度， 其计算公式为试件在第 j 加载级第 1 循环的正负向最 大荷载 Fj1和 － Fj1 的绝对值之和与相应的位移 Δj1和 － Δj1 绝对值之和的比值， 即 Kj1 Fj1 － Fj1 Δ j1 － Δ j1 1 由图 11 可知， 试件的刚度退化呈现如下规律 1 试件的刚度退化速率均呈先快后慢的趋势， 是 因为在加载初期， 随着再生混凝土梁不断出现裂缝以 及钢管内部再生混凝土不断开裂损伤等原因， 使得试 件的割线刚度快速退化; 随后， 当试件屈服后， 再生混 凝土梁的裂缝基本出齐， 柱底塑性铰逐渐形成等原因， 使得试件的刚度退化速率逐渐变缓。 图 10各级循环位移下试件刚度退化 Fig． 10 Stiffness degradation at each cyclic displacement 391第 20 期孟二从等 钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架抗震性能及损伤演变 ChaoXing 2 不同取代率试件的刚度退化曲线近乎重合， 这 主要是因为外部钢管的存在可以有效弥补再生混凝土 的相关性能缺陷， 从而使得不同取代率试件的刚度退 化曲线近乎重合， 这与文献［ 11］ 从构件层面的研究结 论相一致， 这也进一步说明了取代率对钢管再生混凝 土结构刚度退化的影响不是很大。由此可知， 在钢管 再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架结构之中， 取代 率对其刚度退化的影响相对较少。 4损伤演变分析 作为一种新型组合结构形式， 对其在地震作用下 的损伤演变进行分析是必不可少的过程， 目前从结构 层面对钢管再生混凝土结构在地震作用下损伤演变的 研究还近乎空白。与此同时， 国内外对结构进行损伤 评估的模型不止一种 ［23 ］， 本文则基于 Park- Ang 双参数 损伤评估模型 ［24 ］对钢管再生混凝土柱再生混凝土短 梁框架在地震作用下的损伤演变进行分析， 该模型表 达式为 D δm δu β ∫dE Pyδu 2 式中 D 为试件的累积损伤指标， δm为地震作用下结构 或的构件最大变形， δu为单调荷载作用下结构或构件 的极限变形; ∫ dE 为试件的累积滞回耗能， 即试件在各 加载位移下滞回环所包络面积的叠加; Py为结构或构 件的屈服强度; β 为结构或构件的耗能因子。 该模型综合考虑了累积滞回耗能和最大变形对结 构或构件损伤的影响， 因而应用较为广泛。在该模型 中， 由于累积损伤的存在， δu必然大于 δm， 参考文献 ［ 25］ 的研究成果， 取 δm0． 62δu; 对于一般钢筋混凝土 结构， 其耗能因子 β 可按式 3 进行计算 β － 0．447 0．073λ 0．24n0 0．314ρt 0．7ρv 3 式中 λ 为剪跨比， n0为轴压比， ρt为纵筋配筋率， ρv为 箍筋体积配箍率， 因该计算公式是基于大量钢筋混凝 土构件的试验实测结果经回归分析而得， 因而将该公 式直接应用于钢管再生混凝土框架结构之中显然是不 合适的， 故在本文中， 采用对耗能因子 β 进行反推的计 算方法， 即令试件在破坏时 D 1， 从而反推计算得 β 值， 按此方法， 计算得 KJ0、 KJ50 及 KJ100 的耗能因子 β 值分别为 0． 069 7、 0． 065 7 及 0． 067 7。 将计算所得 β 值代入式 2 ， 可求出各级循环位移 下试件在第3 次循环时的累积损伤指标 D， 其结果如图 13 所示。 由图可知， 随着加载位移增加， 试件累积损伤指标 D 表现出先慢后快的增加趋势; 在加载初期， 取代率对 试件损伤演变的影响不是很大， 在相同位移下， 不同取 代率试件的损伤指标 D 近乎重合; 但随着加载位移的 增加， 试件的损伤程度随着取代率增加而呈逐渐增大 的变化趋势， 当加载位移达到5Δy 时， 相比于 KJ0， KJ50 及 KJ100 的损伤指标 D 分别增加了3． 16及10． 39。 这主要是因为在加载初期， 外部钢管对 RAC 有着良好 的约束作用， 使得再生骨料的相关性能缺陷及初始损 伤对结构带来的影响没有表现出来， 但随着加载位移 的增加， RAC 梁逐渐破坏， 外部钢管逐渐鼓曲， 使得再 生骨料的相关性能缺陷及初始损伤带来的影响逐渐突 显出来， 从而表现出随着加载位移的增加， 试件的损伤 程度随着取代率增加而呈逐渐增大的变化趋势。 图 11基于 Park- Ang 损伤模型下试件累积损伤指标 D Fig． 11 Acumulated damage index D of specimens based on Park- Ang damage model 文献［ 23］利用 Park- Ang 损伤评估模型从构件的 层面对钢管再生混凝土柱的损伤演变进行了分析， 其 研究表明， 对于方钢管再生混凝土柱， 在同一加载位移 下， 随着取代率的增加， 试件损伤指标 D 呈逐渐增大的 变化趋势， 这与本文从结构层面的研究结论相一致， 这 也进一步验证了本文分析的准确性。由此说明， 随着 加载位移的增加， 方钢管再生混凝土结构在地震作用 下的损伤程度随取代率的增加而呈逐渐增大的趋势。 5结论 1 不同取代率试件的受力过程基本均可划分为 3 个工作阶段， 即弹性工作阶段、 弹塑性工作阶段、 快速 破坏阶段。 2 相比于钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土浅梁 框架， 钢管再生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架试件 的破坏模式并非延性的弯曲破坏， 而是呈脆性的剪切 破坏特性， 其延性性能也要差于浅梁框架试件。 3 试件滞回曲线呈现为饱满的梭形， 表明钢管再 生混凝土柱 － 再生混凝土短梁框架具有良好的抗震耗 能性能; 其在正常使用阶段的变形能够保证舒适度的 要求， 在罕遇地震作用下也表现出了良好的抗倒塌 能力。 4 取代率对试件破坏过程及形态、 承载能力、 初 491振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 始弹性刚度及刚度退化影响较小， 但对骨架曲线下降 段、 延性性能有一定影响， 表现为随着取代率的增加， 试件下降段有变陡趋势， 而其延性则逐渐变差。 5 试件刚度退化速率呈先快后慢的变化趋势， 累 积损伤指标 D 则呈先慢后快的增加趋势， 在加载初期， 取代率对试件损伤程度影响不是很大， 随着加载位移 的增大， 试件的损伤程度随着取代率增加而呈逐渐变 大的趋势。 参 考 文 献 ［1］ 滕骁，卢玉斌，陈兴， 等． 再生混凝土动态直接拉伸的试 验研究［ J］ ． 振动与冲击， 2016， 35 9 43 －51． TENG Xiao，LU Yubin，CHEN Xing，et al．Tests for dynamic direct tensile of recycled aggregate concrete［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2016， 35 9 43 －51． ［2］ 杨海峰， 孟少平， 邓志恒． 高强再生混凝土常规三轴受压 本构曲线试验［ J］ ． 江苏大学学报 自然科学版 ，2011， 32 5 597 －601 YANG Haifeng，MENG Shaoping，DENG Zhiheng． Stress- strain curves of high- perance recycled concrete under conventional triaxial compression ［J］ ．Journal of Jiangsu University Natural Science Edition ，2011，32 5 597 －601． ［3］ 肖建庄． 再生混凝土［M］ ． 北京 中国建筑工业出版社， 2008 1 －10． ［4］ 过镇海， 时旭东． 钢筋混凝土原理和分析［M］ ． 北京， 清华 大学出版社， 2003 90 －94． ［5］ YANG Y F， HAN L H， ZHU L T． Experimental Perance of recycled aggregate concrete- filled circular steel tubular columns subjected to cyclic flexural loadings［ J］ ． Advances in Structural Engineering， 2009， 12 2 183 －194． ［6］ YANG Y F，ZHU L T． Recycled aggregate concrete filled steel SHS beam- columns subjected to cyclic loading［J］ ． Steel and Composite Structu