1、 收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目“高强钢管超高性能混凝土地震损伤机理及抗震性能调控研究方法”（）。第一作者杜国锋（），男，博士，教授，现主要从事钢与混凝土组合结构、智能材料与结构、工程结构抗震方面的教学和研究工作，。杜国锋，何学杰，袁洪强，等 不锈钢管超高性能混凝土柱抗震性能研究 长江大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：不锈钢管超高性能混凝土柱抗震性能研究杜国锋，何学杰，袁洪强，谢向东长江大学城市建设学院，湖北 荆州 摘要为探究不锈钢管超高性能混凝土柱（，）的抗震性能，研究长细比、轴压比、径厚比和内置钢骨参数的影响，对根 柱试件进行水平低周往复荷载作用下的拟静力试验，实测试件的
2、滞回曲线，观察试件破坏形态，分析各参数对试件滞回性能、刚度、延性和耗能能力的影响规律。试验结果表明：试件的破坏形态基本呈现为柱底灯笼状鼓曲破坏，并伴随钢管撕裂以及混凝土压溃。此外，在个单参数对比分析中，加入钢骨和减小径厚比能显著提高试件的延性和水平极限承载力；随着长细比的增加，试件延性得到一定提升，但水平极限承载力有所下降；在一定范围内，轴压比的增加会降低试件的水平极限承载力。关键词 ；不锈钢管；拟静力试验；抗震性能 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），：（），；，；，：；长江大学学报（自然科学版）年 第 卷 第期 （），DOI:10.16772/ki.1673-1409.2023.01.
3、005钢管混凝土结构具有良好的承载能力、延性和抗震性能，在工程中得到了越来越多的应用，。对于钢管混凝土结构，钢管为核心混凝土提供约束作用，提高结构的承载力，同时改善结构延性。混凝土的存在可以为钢管提供有效的支撑，延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲。钢管和混凝土的结合能充分发挥两种材料的优异性能。钢管混凝土结构的抗震性能一直是学者们研究的重点。为有效提升钢管混凝土柱的抗震性能，以及提高其在腐蚀环境中的服役能力，学者们尝试从组合结构的材料性能方面进行革新。目前，超高性能混凝土（，）因具有抗压强度高、弹性模量大和耐久性好等优点在工程中不断推广应用。然而钢管超高性能混凝土柱的研究多集中于静力性能的数值模
4、拟和试验研究 ，对其抗震性能的研究成果尚不丰富。不锈钢管混凝土结构不但具备了钢管混凝土良好的力学性能，同时兼具了不锈钢的耐腐蚀性和耐久性的优点，可有效降低其全寿命维修成本。近年来，国内外学者针对不锈钢管超高性能混凝土柱轴压，、偏压、纯弯、压弯 和抗震 的性能进行了研究。诸多研究成果表明，不锈钢管混凝土柱具有更高承载力、更好的延性和耗能能力。注：为试件高度，。图试件尺寸图 为进一步研究不锈钢管超高性能混凝土和内置钢骨对钢管混凝土柱抗震性能的影响，笔者选取不锈钢管超高性能混凝土柱为研究对象，综合考虑长细比、轴压比、径厚比和内置钢骨参数的影响，设计制作根不锈钢管超高性能混凝土柱（，）和根内置钢骨的
5、柱，并进行拟静力试验，观察了试件的破坏形态，研究了各参数对试件抗震性能的影响，以期为此类结构柱的工程应用提供参考。试验概况 试验设计本试验共设计如图所示的根无钢骨和根有钢骨 柱，采用的材料包括 奥氏体不锈钢圆管，焊接组合工字钢的钢骨，轴心抗压强度为 的。柱浇筑在钢筋混凝土基梁内，钢管埋入基梁 ，分层浇筑振捣密实，标准养护 天后用水泥砂浆封口，焊接顶板。各试件设计参数如表所示。材料性能 钢材在 奥氏体不锈钢管和工字钢上分别取材做标准拉伸试样，按国家标准 金属材料 拉伸试验 第部分：室温试验方法（）进行拉伸试验，测得不锈钢材和工字钢的物理力学性能指标如表所示。表试件设计参数 试件编号计算长度内置钢
6、骨面积 注：为钢管直径；为钢管壁厚；为径厚比；为长细比；为轴压比。长江大学学报（自然科学版）年月表不锈钢和工字钢材料性能 试样厚度弹性模量（）屈服强度 （）极限强度（）工 超高性能混凝土超高性能混凝土配合比如表所示，采用 级普通硅酸盐水泥；细骨料为石英砂，目 目和 目 目各占一半；掺合料包括优质微硅粉和 级矿粉；外加剂为聚羧酸高效减水剂；纤维采用如表所示的镀铜钢纤维。浇筑 和基梁时，每批次制作个 立方体试块，并在标准条件下养护 天，实测 和普通混凝土立方体轴心抗压强度平均值分别为 和 。表超高性能混凝土配合比 水泥微硅粉 级矿粉石英砂 目 目减水剂水钢纤维 表钢纤维物理参数 加载方案 加载装置
7、试验采用如图所示的加载装置，基梁通过锚杆和螺栓与试验台座连接。竖向轴力由量程为 图试件加载装置 第 卷 第期杜国锋 等：不锈钢管超高性能混凝土柱抗震性能研究的千斤顶施加，千斤顶通过螺栓与试件锚固；水平力由固定在反力墙上的作动器施加，并在加载板上安装一个位移计，用于测量柱顶位移。加载制度和测点布置按照 建筑抗震试验规程（）相关规定，试验采用如图所示的加载制度。试验开始前，先施加竖向轴力，取设计轴力的 对试件进行预加载；试验中，水平荷载采用位移控制，在试件未达到屈服强度前，每级循环加载一次，在试件到达屈服强度后，每级循环加载三次，试件水平承载力下降至峰值的 即认为构件失效，停止加载。为量测试件柱端
8、应变和柱顶位移，采用量程为 的位移计监测加载点的柱顶位移；采用电阻应变片测量柱端应变，在基梁上方、处分别布置一组应变片，每组应变片沿圆周每 布置个测点，每个测点由个横向应变片和个纵向应变片组成，测点布置如图所示。图试验加载制度图测点布置 试验结果与分析 破坏形态图试件的破坏形态 图展示了所有 柱的最终破坏形态：各试件柱底呈灯笼状鼓曲状破坏，同时伴随钢管撕裂和混凝土压溃。以 为 例 对 试验过 程 中 试 件 破 坏 过 程 进 行 阐述：在试验初期，试件处于弹性阶段，没有明显破坏现象；随着水平位移的增大，试件进入弹塑性阶段，当位移加载到 时，钢管内核心混凝土出现开裂，试件底部出现轻微鼓曲；位移
9、加载到 时，局部屈曲在往复循环作用下进一步发展，逐渐长江大学学报（自然科学版）年月形成塑性铰；试件破坏时，柱底如灯笼状向外鼓曲，钢管出现开裂。试验结束后选取典型试件，剖开下柱端外包不锈钢管，发现未内置钢骨的试件混凝土压碎较重，而有钢骨试件底部混凝土虽也有压碎，但整体性保持表现良好。滞回曲线和骨架曲线根据试验结果绘制试件滞回曲线如图所示，试件骨架曲线如图所示。由图和图可知，骨架曲线和滞回曲线都经历了弹性弹塑性破坏等个阶段。由图曲线形态可知，在试验加载初期，试件曲线保持线性增加，滞回环面积较小，基本无刚度退化，耗能也较小。随着加载位移的增加，在试件屈服后，残余变形不断变大，曲线呈非线性上升，试件滞
10、回环更加饱满，试件表现出明显的刚度退化。当进入破坏阶段时，由于试件底部钢管出现撕裂现象，致使在同级水平加载位移下，第二次加载位移所对应的的水平承载力明显低于第一次加载位移。图试件滞回曲线 结合图和表可知，不同参数对 抗震性能影响规律如下：）相比试件 （），（）的水平极限承载力下降了 ，延性也有略微下降，表明随着轴压比的增加，试件水平极限承载力明显降低，延性变差。）当 径厚 比 从 （）降到 （）时，极限 位 移 从 增加到 ，峰值荷载和延性系数提升了 和 ，可知随着径厚比的减小，钢管对核心混凝土的约束作用增强，水平极限承载力和延性均有显著的提升。）试件 （）和 （）的水平极限位移为 和 ，水平
11、极限承载力为 和 ，且在达到峰值后，对比试件 和试件 ，后者峰值荷载下降了 ，且下降段更为平缓，说明随着长细比的增加，试件的水平承载力有所降低，但表现出更好的延性。）对比无钢骨试件，试件 的水平极限承载力提升 ，且滞回曲线更加饱满，说明内置钢骨在一定范围内可以提升钢管混凝土柱的水平极限承载力，表现出更好的抗震性能。第 卷 第期杜国锋 等：不锈钢管超高性能混凝土柱抗震性能研究图试件骨架曲线 表试件骨架曲线特征值和延性系数 试件编号加载方向屈服点 峰值点 破坏点 珔 正向 负向 正向 负向 正向 负向 正向 负向 正向 负向 正向 负向 注：珔为平均延性系数。刚度退化本文采用式（）所示的平均刚度退
12、化系数来反映试件的刚度退化：（）长江大学学报（自然科学版）年月式中：为第级加载位移下的平均刚度值，；为第级加载位移下第次（、）循环的峰值位移，；为 对应的水平峰值荷载，。根据试验结果绘制试件刚度退化曲线如图所示，由图可知，由于试件底部局部屈曲和核心混凝土损伤累积，试件均有明显的刚度退化。对于轴压比单参数变化试件，较大的轴压比加快了试件的刚度退化；相较而言，随着长细比的增加，试件刚度退化趋势明显减缓。对比试件 （）和 （），前者的刚度退化趋势更快，主要原因是径厚比大的试件钢管壁厚较薄，钢管更容易发生局部屈曲，削弱钢管对混凝土的约束。对比无钢骨试件，有钢骨试件的初始刚度有所增加，从曲线中能看出钢骨
13、能有效减缓试件刚度退化趋势。图试件刚度退化曲线 延性性能采用延性系数来定义延性：（）式中：为极限位移，是试件加载过程中水平承载力下降至极限承载力的 时，即破坏时荷载所对应的加载位移，；为屈服位移，结合骨架曲线，采用如图所示的几何作图法，以峰值荷载 和峰值位移 为基点，通过几何关系得到 为试件屈服位移，结果如表所示。由表可知，同等条件下，轴压比 （）和 （）试件的平均延性系数为 和 ，延性有所下降；而对于径厚比单参数变化试件，当径厚比从（）降为（）时，试件平均延性系数增加了 ；随着长细比的增加，试件 平均第 卷 第期杜国锋 等：不锈钢管超高性能混凝土柱抗震性能研究图几何作图法 延性系数增加了 ，
14、提升不显著。耗能能力能量耗散系数和等效黏滞阻尼系数是评价试件抗震性能的两个重要指标，试件耗能能力和滞回环面积相关，本文选取加载至极限荷载的第一个滞回环，如图 所示。对能量耗散系数和等效黏滞阻尼系数按式（）和式（）计算，结果如表所示。（）（）由表可知，随着长细比的减小，和分别提高了 和 ；随着径厚比从（）变为 图 耗能系数计算示意 （），和分别提高了 和 ，而内置钢骨的试件则分别增加了 和 。总体而言，径厚比的减小，内置钢骨对试件耗能能力提升显著，但减小长细比对其耗能能力的提升影响不大。结论本文对根无钢骨 柱和根有钢骨 柱进行拟静力试验，通过对试件破坏形态和试验结果分析，得到以下结论：）柱的破坏
15、形态基本一致，均呈现为下柱端鼓曲破坏，并伴随钢管撕裂以及混凝土压碎；相较无钢骨试件，内置钢骨的试件虽然底部混凝土也有压碎，但整体性保持良好。表能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数计算结果 试件编号屈服荷载 极限荷载 ）柱滞回曲线比较饱满，在试件未屈服前，荷载位移关系呈线性变化，没有明显的捏缩现象；试件屈服后，曲线下降段较平缓，试件具有较好的延性和耗能能力，较好地满足结构在低周反复作用下的抗震耗能需求。）分析了相关参数对试件延性、刚度退化、耗能的影响，结果表明，减小径厚比和内置钢骨，试件刚度退化趋势减缓，延性和水平极限承载力提升显著，耗能能力增强；增加长细比，试件延性有所提升，但水平极限承载力下降明显
16、；增大轴压比，试件水平极限承载力下降，刚度退化速度加快。参考文献韩林海钢管混凝土结构 理论与实践 版北京：科学出版社，：，蔡绍怀现代钢管混凝土结构 修订版北京：人民交通出版社，：，董宏英，陈学鹏，曹万林不同构造圆钢管混凝土的黏结性能 建筑结构，（）：，长江大学学报（自然科学版）年月 ，（）：，韩林海，游经团，杨有福，等往复荷载作用下矩形钢管混凝土构件力学性能的研究 土木工程学报，（）：，（）：，别雪梦，李召，管文强，等方钢管混凝土柱钢梁外环板式节点抗剪性能 中南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：查昕峰，卢梦潇，杨炳，等低周反复荷载作用下外包钢套加固方钢管混凝土柱试验研究 长江大学学报（自科版），（）：，（），（）：，（）：，（）：吴永魁，姚一鸣 超高性能混凝土（）动态损伤机理综述 混凝土与水泥制品，（）：，（）：，曾彦钦，徐礼华，吴方红，等钢管含粗骨料超高性能混凝土短柱轴压性能研究 工程力学，（）：，（）：韦建刚，罗霞，欧智菁，等圆高强钢管超高性能混凝土短柱轴压性能试验研究 建筑结构学报，（）：，（）：颜燕祥，徐礼华，蔡恒，等高强方钢管超高性能混凝土短柱轴压承载力计算方法研究
