活性粉末混凝土预制管组合柱抗震性能试验研究

单波 单宇 刘福财 佟广权

摘要：活性粉末混凝土預制管组合柱（Concretefilled RPC tube，简称CFRT）将活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC）的力学性能和箍筋的约束效应有效结合了起来，是一种基于超高性能水泥基套管的新型约束组合柱。对4个CFRT柱和1个箍筋约束混凝土柱开展了恒定轴力下的低周反复荷载试验，获取了组合柱的破坏形态、滞回曲线和钢筋的应变等数据，并对相关抗震指标及试验参数进行了分析。结果表明：CFRT柱在低周反复荷载作用下表现出典型的弯曲破坏特征，在RPC管表面出现大量细而密的裂缝，但没有明显的剥落现象;CFRT柱的滞回曲线较饱满，其抗震性能显著优于普通箍筋约束混凝土柱;在试验条件下，CFRT柱的极限侧移率在0.042～0.075之间，高于中国抗震设计规范关于罕遇地震下结构柱极限塑性侧移率不低于0.02的要求;从抗震性能来看，在RPC管内部填充高强混凝土，对于CFRT是可以接受的组合方式。

关键词：活性粉末混凝土;组合柱;反复荷载;抗震性能

中图分类号：TU398 文献标志码：A 文章编号：20966717（2020）04009411

收稿日期：20191122

基金项目：国家重点研发计划（2018YFC0705400）;国家自然科学基金 （51678228）

作者简介：单波（1976 ），男，博士，副教授，博士生导师，主要从事组合结构和竹木结构研究，Email：supershanb@163.com。

Received：20191122

Foundation items：National Key R & D Program of China （2018YFC0705400）; National Natural Science Foundation of China （51678228）

Author brief：Shan Bo （1976 ）， PhD，associate professor， doctorial supervisor， main research interests：
composite structures and modern bamboo structures， Email：
supershanb@163.com.

Experimental research on seismic behavior of concretefilled reactive powder concrete tube

Shan Bo1a， 1b， Shan Yu1a， Liu Fucai2， Tong Guangquan1a

（1a. College of Civil Engineering; 1b. Key Laboratory for Green & Advanced Civil Engineering Materials and Application Technology of Hunan Province; Hunan University， Changsha 410082， P.R. China; 2. Guangdong Gaiteqi New Materials Technology Co. Ltd.， Qingyuan 511600， Guangdong， P.R. China）

Abstract：
Concrete tube filled reactive powder is a new type of constained composite column based on ultrahigh performance cement casing， with the mechanical properties of reactive powder concrete and the constraint effect of stirrup. In this paper， four ConcreteFilled RPC Tube （CFRT） columns and one ordinary hoopsconfined concrete column were tested under cyclic and constant axial load. The failure mode， hysteresis behavior and strain development of reinforcements were investigated， and the relevant seismic parameters were analyzed. CFRT columns exhibited typical bending failure characteristics. In contrast to conventional reinforced concrete column， the surface of Reactive Powder Concrete（RPC） tube was characterized with well distributed fine cracks， without any RPC cover spalling or crushing.

The hysteresis curve of CFRT cloumn is full， and its seismic performance is significantly better than that of ordinary stirrup confined concrete cloumn. Under the test conditions， the limit plastic drift ratios of CFRT columns vary between 0.042 and 0.075， which largely exceed the specified limit （0.02） according to the rare earthquake requirement in Chinese seismic design code. The results also reveal that RPC tube filled with high strength concrete is an acceptable combination for CFRT columns.

离心法制作RPC管的主要步骤包括：箍筋绑扎、装模、RPC下料、离心成型、初养护、脱模、切割和终养护，基本过程如图2所示。在制作每根预制管时，预留3个棱柱体试件（100 mm×100 mm×300 mm）与RPC管同条件养护。试验前，按照《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）[31]进行抗压试验，测得的抗压强度平均值作为该RPC管的轴心抗压强度f′rpc，c0。

实验室浇筑混凝土时，先绑扎基础梁以及内部混凝土的钢筋笼;然后，如图3（a）所示，将RPC管套在柱身钢筋笼外，如图1（b）所示，RPC管插入基础梁顶面以下200 mm，以提供必要的锚固;最后，分两次浇筑基础和柱身混凝土，并用振动棒振捣密实，成型后的试件如图3（b）所示。在浇筑每根柱身混凝土时，预留3个圆柱体试件（150 mm×300 mm），并与试件柱同条件养护。试验前，按照ASTM C39标准进行抗压试验[32]，测得的抗压强度平均值作为内部混凝土的轴心抗压强度f′c0。需要说明的是，采用圆柱体抗压强度作为内部混凝土的轴心抗压强度，是为了与CFRT柱的轴压承载力公式的计算取值保持一致[33]，该公式在后续部分进行说明。

对于R20L的制作，使用内径为300 mm的塑料管作为模具，先进行钢筋绑扎，然后一次性浇筑成型。

2试验方法

2.1加载装置与测量方案

开展压弯柱的低周反复荷载试验，以悬臂的方式模拟底层框架柱反弯点以下部分在地震中的受力状态，如图4（a）所示。试验在自制的加载装置上进行，如图4（b）所示。试件通过两根锚固钢梁与螺栓固定在实验室地板的反力梁上，水平力通过作动器施加。轴向荷载由设置在柱顶转换钢梁上的两个穿心式油缸施加，通过油缸顶升使对拉钢棒张拉，将轴力施加在柱顶。对拉钢棒通过单向铰连接在基础上，以保证钢棒在水平力作用下与试件同步转动。轴力由设置在油缸顶部的压力传感器监控，水平力通过作动器内置的传感器测定，水平位移由安装在柱顶的位移传感器LVDT测量。装置照片如图4（c）所示。

为测量试验过程中的钢筋应变，在试件内部预埋应变片。对于RPC管内的箍筋，选择连续的3道螺旋箍，布置9个应变片，其中，第2圈箍筋距离柱底的距离约为D/2（150 mm），基本对应于塑性铰区域的中间位置。对于内部混凝土中的钢筋，选择推、拉平面内两端的两根纵筋，分布粘贴6个应变片，其中，第1个应变片的位置與基础梁顶面齐平，具体布置情况如图1（b）所示。

试验过程中，所有的数据，包括水平力、水平位移、轴力及钢筋应变，均由DH3821数据采集系统记录，采样间隔为0.5 s。

2.2加载制度

试验采用恒定轴力下的低周反复加载，试件的轴力P按其轴向承载力Nu的20%考虑（P=0.2Nu）。CFRT的轴向承载力Nu，由RPC管与内部混凝土分别承担的轴向荷载构成，按照文献[24]提出的公式进行计算。

式中：kd为非有效约束区域RPC强度折减系数;ks为约束区域RPC强度提高系数;At为RPC管截面积;Acon为内部混凝土截面积;ρs为体积配箍率;f′l为核心混凝土的有效约束应力;fl为箍筋侧向压应力;ke为有效约束系数;Ae为箍筋对核心混凝土的有效约束面积;Acc为箍筋中心线包围的面积;Ast为箍筋截面积;D为RPC预制管外径;dc为内部混凝土直径;ds为箍筋中心线的直径;t为RPC管壁厚度;s为箍筋间距;s′为RPC管中箍筋的净间距;ρcc为纵筋面积与箍筋形心包围的核心混凝土面积的比值;f′rpc，c0为RPC轴心抗压强度;f′ron，cc为内部混凝土抗压强度，按照Mander约束模型进行计算[33]。

式中：f′c0为混凝土的轴心抗压强度。

对比柱R20L的轴向承载力按Mander约束模型进行计算。应该说明的是，虽然试件的柱顶轴向力P都是按其计算轴向承载力Nu的20%进行取值，但P的大小与约束效应密切相关。配箍率越高，则P也就越大，如表1所示。这一取值方式应该与结构柱的实际工作状况一致，因为结构柱的轴向承载力设计取值一般需要考虑约束效应的增强作用。此外，从表1可以看到，对比柱R20L的轴力P显著低于C20L，其主要原因是按照Mander约束模型，处于非有效约束区域（含保护层）对约束柱的轴向承载力没有贡献，在抗压承载力计算中不予考虑。然而，对CFRT柱，处于非有效约束区（含保护层）的RPC管壁部分对其轴向承载力有不可忽视的贡献。因此，即使R20L与C20L两个试件的配箍率相同，后者的轴向承载力明显更高，增加幅度约为56%。

试件的水平加载方式采用位移控制，具体加载制度为：在初期的3个位移峰值下（0.25%L、0.5%L和0.75%L），采用为单循环加载。此后，在每个位移峰值下为3次循环，对应于1%L、1.5%L、2%L、3%L、4%L、6%L、8%L和10%L，直至试件完全破坏。

3试验结果

3.1破坏现象

试验柱的破坏模式如图5所示。由于柱的破坏主要集中在下部的塑性铰区域，故该图为柱下部约1.5倍直径范围内的破坏情况。

对比柱R20L为典型的弯曲破坏模式，其破坏形态与采用普通箍筋的约束混凝土柱类似[34]，如图5（a）所示。当侧移率（Δ/L）为0.5%时，在受拉一侧距离柱底部1倍直径范围内开始出现细小的水平裂缝;随着侧移率的增大，水平裂缝逐渐增多、变宽，并沿环向扩展，在受压一侧开始出现竖向裂缝;当侧移率达到1.5%时，水平裂缝沿环向斜向发展，形成若干交叉裂缝，同时，混凝土保护层出现剥落;当侧移率为3%时，柱下部混凝土保护层严重剥落，箍筋外露;当侧移率为8%时，水平力大幅度降低，试验终止。

CFRT柱均表现出较为显著的弯曲破坏特征。以C20L为例，当侧移率为0.75%时，试验柱受拉一侧开始出现水平裂缝;随着侧移率的增大，RPC管表面不断出现细裂缝，且裂缝的长度和数量也不断增长，但裂缝宽度增加不明显，直至试验结束。最终，试件表面出现大量的环向裂缝，但RPC保护层未出现明显的剥落现象，如图5（b）所示。

按照《建筑抗震設计规范》（GB 50011—2010）（2016版），结构柱在罕遇地震下的极限塑性侧移率不能小于0.02[41]。从表2中的数据来看，在试验条件下，CFRT柱的θu在0.042～0.075之间，均明显高于规范要求。

4.2耗能能力

耗能能力是衡量结构柱抗震性能的另一个重要指标，一般可以采用累计滞回耗能进行评估，对应于滞回曲线所围成的面积。采用同一侧移率的第一循环来计算累计滞回耗能，结果如图11所示。

从试验结果来看，C20L的累计滞回耗能超出对比柱R20L约为40%，提高幅度显著，这主要得益于RPC管中钢纤维的抗裂作用，以及钢纤维在拔出过程中耗能贡献。而对于CFRT柱，提高配箍率对于改善组合柱的耗能能力作用较为显著。此外，可以看到C20H的累计滞回耗能较之C20L高出约25%。综合来看，在填充高强混凝土的CFRT柱，其抗震性能不会出现显著劣化，这与普通的箍筋约束高强混凝土柱有显著区别。

5结论

对CFRT柱开展了低周反复荷载试验，基于试验和分析结果，得到以下主要结论：

1）CFRT柱在低周反复荷载作用下表现出典型的弯曲破坏特征，在距柱底约一倍直径范围内形成塑性铰。不同于普通的箍筋约束混凝土柱，RPC管表面出现大量细而密的裂缝，但保护层没有明显的剥落现象。

2）CFRT柱的滞回曲线较为饱满，可以分为初始弹性段、平缓上升段和相对稳定的下降段;而内部填充高强混凝土的CFRT试件，其滞回曲线有一定的捏拢现象。

3）CFRT柱的抗震性能显著优于普通的箍筋约束混凝土柱，其初始刚度、抗侧能力、耗能能力均有显著提高。此外，增加RPC管内的配箍率，可以在一定程度上提高CFRT柱的抗震性能。

4）在试验条件下，CFRT柱的极限侧移率在0.042～0.075之间，高于抗震设计规范关于罕遇地震下结构柱极限塑性侧移率不低于0.02的要求。从抗震性能来看，在RPC管内部填充高强混凝土，对于CFRT体系是可以接受的组合方式。参考文献：

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（编辑胡玲）