帶肋方鋼管混凝土柱偏心受壓試驗研究

黃 宏，萬城勇

(鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，華東交通大學 土木建筑學院，南昌 330013)

0 前言

方鋼管混凝土是在方形鋼管中灌注混凝土而成的構件，具有承載力高、塑性和韌性好、制作和施工方便、耐火性能和經濟效果好等特點，近年來越來越多地被應用于高層和超高層等建筑中。方鋼管混凝土中鋼管的寬厚比若超過一定的范圍，在荷載的作用下，管壁較易產生向外的局部屈曲，降低了構件的承載力。為提高此類構件管壁的穩定性，可采用設置縱向加勁肋、約束拉桿和角部隅撐等構造措施。本文擬對在管壁內設置縱向加勁肋的方鋼管混凝土偏壓試件進行研究，稱之為帶肋方鋼管混凝土。由于加勁肋增加了方鋼管混凝土管壁的約束支撐點，所以，它不僅彌補了管壁中部約束效應弱的情況，而且，有效地控制了局部屈曲的發展。其截面形式如圖1所示。

圖1 帶肋試件截面示意

國內外已有研究者對方鋼管混凝土試件進行了試驗和理論研究。曹寶珠(2004)[1]進行了7根薄壁方鋼管混凝土長柱的偏壓試驗，并且采用有限元軟件ANSYS和基于塑性區域假定的能量方法對其進行了模擬計算;陶忠和于清(2006)[2]進行了18個薄壁方鋼管混凝土偏壓構件的試驗研究，其中包括6個帶加勁肋的試件和12個不帶加勁肋的試件，在試驗研究的基礎上，采用纖維模型法和有限元法對其進行了理論計算;陳勇等(2006)[3]進行了9個無肋、單向和雙向設置直肋方形薄壁鋼管混凝土長柱偏壓和軸壓的試驗，并且用正交試驗設計和多元回歸分析評價了加載初始偏心距、設置直肋集合長度對長柱極限承載力的影響;UY(2000)[4]進行了30個方鋼管混凝土試件在軸壓、純彎和偏壓荷載作用下力學性能的試驗研究，試驗考察的主要參數為寬厚比。本課題組已對帶肋方鋼管混凝土軸壓和純彎試件進行了試驗研究［5-6］。

本文擬以長細比和偏心率為主要變化參數，通過與無肋方鋼管混凝土的對比試驗研究，考察帶肋方鋼管混凝土試件偏心受壓的力學性能。

2 試驗概況與方法

共設計了12個方鋼管混凝土試件，其中包括6個帶加勁肋的試件和6個不帶加勁肋的試件，具體參數見表1。其中，B為方鋼管邊長，t為管壁厚度，hs為加勁板件寬度，ts為加勁板件厚度，如圖1所標注。fy為鋼材的屈服強度，fcu為混凝土的立方體抗壓強度，Nue為試驗測得的試件極限荷載。試件設計時，主要變化參數為方鋼管的長細比 λ(λ=L/i，L為構件計算長度，i為截面回轉半徑)和荷載偏心率e/r(e為荷載偏心距，r=B/2)。試件具體情況如表1所示，其試件編號中的CUS代表無加勁肋的方鋼管混凝土試件，CSS代表帶加勁肋的方鋼管混凝土試件。

表1 試件參數一覽表

制作帶肋方鋼管時，先按預定的尺寸切割下四塊用于制作管壁的鋼板，然后沿縱向在其預定位置焊接加勁肋，再拼焊成鋼管。對應每個試件加工兩個板厚為10 mm的方形鋼板作為試件的蓋板，蓋板和方鋼管采用角焊縫進行連接，空鋼管兩端要打磨平整，蓋板和空鋼管的幾何中心對中，先在空鋼管一端將蓋板焊上，另一端等混凝土澆灌之后再焊接。其中，鋼材強度由標準的拉伸試驗確定。

采用人工攪拌配制混凝土，澆注時將方鋼管豎立，從頂部分層灌入混凝土，并用插入式振搗棒進行振搗或在鋼管表面進行敲擊(伸入鋼管內部進行完全振搗，在試件的底部同時用振搗棒在鋼管的外部進行側振，使之密實)。試件為自然養護，兩周后鑿去混凝土表面浮漿，再用高強環氧砂漿將混凝土表面與鋼管管面抹平，待其硬化后打磨平整，然后焊上上蓋板，以保證鋼管和核心混凝土在受荷初期就能共同受力?；炷恋挠昧嫌兴?、普通硅酸鹽水泥、中砂和碎石，最大粒徑為25 mm?；炷恋闹亓颗浜媳葹?水泥∶水∶砂∶碎石 =1∶0.5∶1.52∶2.83?；炷翗藴柿⒎襟w強度 fcu由同條件成型養護的150 mm立方體試塊測得。

試驗在華東交通大學結構試驗室500 t壓力機上進行。試件兩端采用刀鉸加載，以期模擬兩端為鉸接的邊界條件?？紤]到加載時應滿足不同試件加載偏心距的要求，在試件兩端設置了特別加工制作的加載板。加載板(30 mm厚)由模具鋼材制成，其上按預定偏心距設置相應的條形凹槽，與刀口鉸(20 mm厚)的刀口相吻合。為保證試驗的安全以及在試驗過程中構件的對中準確，加載板與試件的兩端的蓋板用螺栓進行連接。在試件彎曲平面內沿柱高設置若干電測百分表，以測定試件在加載過程中的側向撓度的變化情況。對于較小長細比的試件(L=950 mm)，共設置三個電測百分表并沿柱高四分點布置;對于較大長細比的構件(L=1 850 mm)，沿柱高六分點位置處布置五個電測百分表;并且在試件柱端設置兩個電測百分表，以測定縱向總變形。試驗加載和測量裝置如圖2所示。同時，在試件中截面的鋼管外表面中部與沿截面高度四分點處設置了縱向及橫向應變片，以觀測試件受力過程中應變的變化情況，如圖3所示。

圖2 試驗加載和量測裝置示意

圖3 應變片位置示意

試驗采用分級加載制。彈性范圍內，每級荷載為預計極限荷載的1/10。當荷載加至70%的理論極限值或鋼管發生局部屈曲后，每級荷載約為預計極限荷載的1/15。每級荷載的持荷時間約為2 min，接近破壞時慢速連續加載，直至試驗結束。試驗過程中的變形試驗數據均通過DH3819數據采集儀自動采集。荷載值人工讀取。

2 試驗結果與分析

偏心距為零的試件均在接近柱端部分呈現軸壓破壞的特征，最終因失穩而破壞。試件在加載初期撓度變化不明顯。無肋試件在軸向荷載加至40%～60%的極限荷載時，出現局部屈曲。帶肋試件由于加勁肋對鋼管的支撐約束作用，其局部屈曲在試件臨近極限承載力時才開始出現，由此可見，設置加勁肋能很好地延緩鋼管的局部屈曲。長細比越大的試件，局部屈曲會越早出現。由于初彎曲、初偏心的影響，試件首先在柱端附近受壓側出現局部屈曲。隨著荷載的增大，試件在首次出現局部屈曲的一側翼緣下部不同位置處又開始出現數處局部屈曲，且開始向兩側發展。當荷載達到峰值后，試件的承載能力急劇下降，同時，在首次出現局部屈曲位置處的鋼管開始急劇外鼓，直至開裂。

偏心距不為零的試件在加載過程中均表現為側向撓度不斷增加、最終喪失穩定而破壞的特征。無肋試件在加載到極限荷載的30% ～50%時，出現局部屈曲。帶肋試件局部屈曲在試件接近極限荷載時才開始出現，可見，加勁肋很好地起到了延緩鋼管局部屈曲的作用。試件在中截面或中截面偏上位置處的彎矩受壓區翼緣首先開始出現局部屈曲。隨著荷載的增大，試件的撓度不斷發展。試件在中截面附近的受壓區開始出現多處局部屈曲，同時，鋼管局部屈曲開始向兩側發展，試件極限荷載不斷下降。

圖4為所有試件的整體破壞形態。由圖4可見，無肋試件與帶肋試件整體破壞形態相似。無肋試件在受壓區翼緣處出現一個波長約為B的局部鼓曲，而帶肋試件在受壓區翼緣處只出現明顯的兩個半波鼓曲，波長約為B/2，由此可見，加勁肋有效地控制了局部屈曲的發展。偏心率對試件破壞形態的影響比較明顯，由圖4可見。偏心距為0的試件破壞部位主要集中在端部，偏心距為25 mm和50 mm的試件破壞部位主要集中在中部或偏上部。

圖5為試件剖開后的典型破壞形態。由圖5(a)可見，受壓區域外邊緣及兩側鋼管出現鼓曲，內部混凝土被壓碎。受拉區域外邊緣及兩側鋼管發生外凸變形，內部混凝土產生明顯的橫向裂縫，如圖5(b)所示。帶肋試件中的加勁肋由于局部屈曲的影響，在受壓區域屈曲處出現明顯的彎曲變形(3面)，受拉區域處基本未出現(1面)，如圖5(c)所示。試件腹板兩側外邊緣出現多處屈曲，加勁肋發生彎曲變形(2面)(4面)，如圖5(d)所示。

圖4 所有試件的破壞形態

圖5 試件剖開后的典型破壞形態

圖6顯示試件CSS16-2和CSS16-5在不同荷載作用階段撓度變形的典型發展情況。圖6中，橫坐標為試件的撓度(u)，縱坐標為試件上各點距柱底的高度(H)，n為荷載(N)與其極限荷載(Nue)的比值，虛線繪出了理想正弦半波曲線。比較圖6(a)、圖6(b)可見，在整個加載過程中，試件長細比(λ)越大，相應的側向撓度也越大。長細比較小的偏壓試件(CSS16-2)，由于受混凝土澆筑和初始缺陷的影響，其撓度曲線存在不完全對稱的情況，破壞截面稍偏離中截面朝上;長細比較大的偏壓試件(CSS16-5)撓度曲線的發展，上下基本對稱，且試件的撓度曲線和理想正弦半波曲線基本吻合，加載初期，吻合程度最好。帶肋試件與無肋試件的撓度發展規律相同。

圖6 各級荷載下試驗測得側向撓度曲線與正弦半波曲線比較

圖7顯示了試件CUS16-2、CSS16-2和CUS16-6跨中截面在各級荷載作用下縱向應變值(ε)和截面高度(x)的關系。從圖7可以看出，在加載初期，跨中截面應變值沿高度的變化基本呈直線形變化，符合平截面假設。在加載初期，構件中截面的中和軸(ε=0的位置)位置略有上升，但這種趨勢并不顯著;在加載后期，截面中和軸位置變化較為顯著，且長細比和偏心率越大，這種趨勢越明顯。由于加載中后期長細比不大的無肋試件的跨中截面鋼管出現局部屈曲，使得后期應變值增長緩慢，甚至出現下降的現象，如圖7(b)所示。這種現象在帶肋試件或長細比較大試件中沒有出現，這是由于加勁肋阻止了應變片位置處鋼管的局部鼓曲，如圖7(c)、圖7(d)所示。

圖7 各級荷載下試件跨中截面縱向應變(ε)—高度(x)曲線

圖8顯示了試件 CUS16-2和 CSS16-2、試件CUS16-6和CSS16-6受拉區和受壓區邊緣纖維處應變與荷載的典型變化關系。圖中每個試件均有兩條曲線，其中一條為受拉區邊緣纖維處荷載隨應變(負值)變化曲線，另一條為受壓區邊緣纖維處荷載隨應變(正值)變化曲線。由圖可見，在達到極限荷載以前，受壓區或受拉區應變隨荷載的增大而增大;達到極限荷載以后，由于荷載值的不斷降低和中截面附近處受壓區及兩側邊管壁處較明顯的外凸局部屈曲，使得壓區應變值略有下降。由圖8還可以看出，帶肋試件峰值荷載所對應的峰值應變比其相應的無肋試件大。

圖9所示為兩種不同長細比試件的荷載(N)與相對壓縮率(△/L)的關系曲線。其中，Δ代表柱端百分表測得的變形值，L代表構件的長度。從圖中可以明顯看出，在長細比相同的情況下，構件偏心率越大，在達到荷載峰值前，其相對壓縮率越大。同時，構件長細比越大，相對壓縮率越小;長細比和偏心率越大，其極限荷載和剛度都出現下降的趨勢;荷載達到峰值后，偏心率越大，延性越好。對比帶肋試件與無肋試件可見，帶肋試件的極限荷載有所提高，提高幅度大概在10%左右。

圖8 荷載(N)與受壓和受拉區邊緣纖維處應變(ε)關系曲線

圖9 荷載(N)和相對壓縮率(Δ/L)關系曲線

3 結論

1)所有試件都由于失穩而發生破壞，試件長細比和偏心率越大，其極限荷載和剛度越小;試件在達到極限荷載后，偏心率越大，延性越好。

2)加載初期，方鋼管混凝土試件具有較好的彈塑性工作性能，中截面變形符合平截面假定。

3)帶肋鋼管混凝土柱具有較好的工作性能，加勁肋增加了鋼管約束支撐點，減小了鼓曲的波長，進而有效地延緩了試件局部屈曲，提高試件的極限荷載，表現出更好的延性。

[1] 曹寶珠.薄壁鋼—混凝土組合構件靜力性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2004.

[2] 陶忠，于清.新型組合結構柱—試驗、理論與方法［M］.北京:科學出版社，2006.

[3] 陳勇，張耀春，唐明.設置直肋方形薄壁鋼管混凝土長柱優化設計［J］.沈陽建筑大學學報，2005，21(5):478-481.

[4] UY B. Strength of concrete filled steel box columns incorporating local buckling［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2000，126(3):341-352.

[5] 黃宏，李毅，張安哥.帶肋方鋼管混凝土軸壓短柱的試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(12):113-115.

[6] 李毅，黃宏，張安哥.帶肋方鋼管混凝土純彎力學性能研究［J］.鐵道建筑，2009(10):113-116.