配筋鋼管混凝土短柱軸心承載力試驗研究

繆 巍

1 概況

鋼管混凝土是一種在薄壁鋼管中填充混凝土主要用于承受豎向荷載的構件,是一種新型的組合結構。按截面形式的不同,可分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土。目前鋼管混凝土在我國已經得到了廣泛應用,并在各行各業形成了成熟的應用規范[5-8]。本文通過38個配筋圓鋼管混凝土短柱軸壓靜載試驗,揭示了其受力機理,結合理論分析,探討研究配筋圓鋼管混凝土短柱承載力計算方法,以期對鋼管混凝土結構和構件研究與應用有所幫助。

2 配筋鋼管混凝土短柱試驗

本文試驗旨在研究鋼管混凝土配筋以后的力學性能變化,試驗設計中參考了以往國內外對鋼管素混凝土研究的諸多成果,對已有的結論不再進行討論,只著重于考察配筋的影響,故許多參數的選擇直接引用了經驗數據(參照CECS 28∶90鋼管混凝土結構設計與施工規程),試驗裝置見圖1。

試驗過程中發現,隨著荷載的增加,短柱一般都是中部先凸出,隨后是上端部有部分凸出,或是下端部隨后凸出,直到試件最終破壞。試驗在東南大學教育部重點實驗室5 000 kN壓力試驗機上進行。試件兩端采用平板鉸支座分級單調加載。通過本次試驗,初步發現:當約束效應系數較小時,鋼管混凝土構件呈現一定的脆性破壞特征。

3 承載能力影響分析

混凝土強度對于配筋與無配筋鋼管混凝土[9,10]具有相似的影響,對于C30以下的鋼管混凝土可有效提高其承載力,而對于C30以上的,則作用著實有限。

對比配筋與無配筋鋼管混凝土,含鋼率對于配筋鋼管混凝土的影響要小于無配筋鋼管混凝土,即承載力的提升幅度小于無配筋鋼管混凝土。在鋼管混凝土的核心混凝土中加入鋼筋確實可以提高鋼管混凝土的承載力,但這種配筋的辦法是否可以起到“1+1＞2”的效果,還有待確認。

在A組試件中,由于試驗機器問題,C30組試件的測試出現問題,無法比較;在C40組試件中,隨著配筋率由1.7%,3%,4.7%不斷提高,鋼管混凝土的承載力分別較無配筋鋼管混凝土提高了6%,7%,19%,如圖2所示。

B組試件的配筋率分別為1.6%,2.8%,4.4%,隨著配筋率的不斷提高,鋼管混凝土的承載力有著不同幅度的提高。如圖3所示,在C20組試件中,配筋鋼管混凝土的承載力分別較無配筋鋼管混凝土提高了10%,14%,32%,提高幅度明顯高于A組的C40試件;在C30組試件中,配筋鋼管混凝土的承載力分別較無配筋鋼管混凝土提高了2%,7%,20%;在C40組試件中,配筋鋼管混凝土的承載力分別較無配筋鋼管混凝土提高了6%,12%,14%。

C組試件的配筋率分別為1.7%,2.8%,4.1%,在C組試件中,鋼管混凝土的承載力也是隨著配筋率的升高而不斷提高。如圖4所示,采用C20核心混凝土時,配筋鋼管混凝土的承載力分別較無配筋時提高了10%,24%,44%;當核心混凝土為C30時,配筋鋼管混凝土的承載力分別較無配筋時提高了3%,9%,21%;當核心混凝土為C40時,配筋鋼管混凝土的承載力分別較無配筋時提高了4%,14%,27%。

綜合比較三組配筋鋼管混凝土短柱,可以看到效果最好的是C組試件中采用C20核心混凝土的鋼管混凝土短柱,提升幅度分別高達10%,24%,44%,實測值為3 210 kN,3 600 kN,4 200 kN。與該組相對應的是編號為D20-C的試件,其極限承載力實測值為2 910 kN,各個試件在其基礎上分別提高了300 kN,690 kN,1 290 kN。對應于C組三個試件所配鋼筋的承載力計算值分別為277 kN,458 kN,684 kN,可以看到理論值與實測值有了較大出入,且隨著配筋率的提高,實測值遠大于計算值。

進一步對比該組試件的荷載—縱向應變曲線,如圖5所示,相同荷載作用下,隨著配筋率的提高,試件的縱向變形顯著減少;同時對比該組試件的荷載—環向應變曲線,可以發現隨著配筋率的提高,其環向變形能力提升顯著,且相同荷載作用下,環向應變的大小隨配筋率的升高而減小。這充分說明,在配筋鋼管混凝土中,鋼管在束縛了核心混凝土的橫向變形的同時,有效阻止了鋼筋的側向變形,從而使得鋼筋的承載力得到顯著提高。

但同時也可以看到,配筋對于C40混凝土的作用效果稍差一些。尤其是在B組的C40混凝土中,承載力的提高著實有限,僅僅分別為6%,12%,14%,實測值為4 240 kN,4 480 kN,4 550 kN。作為對比的試件為D40-B,其實測值為3 990 kN。承載力初算中,配筋鋼管混凝土中鋼筋承受的荷載分別為 203 kN,362 kN,565 kN;對比實測值中提高的部分,分別為250 kN,490 kN,560 kN,兩者相差不大。

此外,本文還對采用普通箍筋和螺旋箍筋的配筋鋼管混凝土進行了對比分析,在鋼管厚度一樣,直徑一樣,混凝土強度一樣,配筋率近似的情況下,采用普通箍筋與螺旋箍筋的配筋鋼管混凝土承載力相差不大,采用螺旋箍筋后配筋鋼管混凝土的承載力最高僅上升3.9%,有的甚至還出現了下降。同時分析箍筋的承載力—應變曲線可知,環向應變基本上同時達到最大值,這進一步說明了兩種箍筋對核心混凝土的束縛作用基本一樣,因而采用不同箍筋的配筋鋼管混凝土承載力相差無幾。

為了進一步確認配筋對于鋼管混凝土是否合算,本文將部分配筋鋼管混凝土中的鋼筋折算成了含鋼率,再重新對比,如表1所示。折算后對比發現,在相同強度混凝土,含鋼率近似的情況下,承載力有10%以上的提高;而當折算含鋼率與未配筋試件的含鋼率相差3.5%時,兩者承載力相差不大。

表1 配筋折算后承載力對比表

通過上文分析,在實際工程中應用配筋鋼管混凝土時需注意以下兩個方面:1)配筋鋼管混凝土中的核心混凝土強度不宜太高。隨著核心混凝土強度的提高,鋼管對于核心混凝土和縱筋的束縛作用反倒減弱,從而影響到了柱的整體承載力;2)為了達到較好的承載力提高效果,配筋率不宜低于3%;為了節省鋼筋工程的工作量,應采用普通箍筋。

4 結語

在鋼管混凝土中增加縱向鋼筋能有效提高鋼管混凝土的承載能力。當配筋量不低于3%時,配筋較之不配筋有將近10%的性能提升,而當配筋量達到4%以上時,承載力則提高了近20%,承載力增長十分顯著,是一種較好的提高鋼管混凝土承載力的方法。

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].北京:清華大學出版社,2003:8.

[2] 蔡紹懷.鋼管混凝土結構的計算與應用[M].北京:中國建筑工業出版社,1959.

[3] 李俊峰.淺談鋼管混凝土結構的應用與優缺點[J].包鋼科技,2001,27(3):11-12.

[4] 蔡紹懷.我國鋼管混凝土結構技術的最新進展[J].土木工程學報,1999,32(4):37-38.

[5] JCJ 01-89,鋼管混凝土結構設計施工及驗收規程[S].

[6] CECS 28∶90,鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].

[7] DL/T 5085-1999,鋼—混凝土組合結構設計規程[S].

[8] GJB 4142-2000,戰時軍港搶修早強型組合結構技術規程[S].

[9] 張春梅,陰 毅,周 云.影響鋼管混凝土柱軸壓承載力的因素分析[J].工業建筑,2004,34(10):66-68.

[10] 李云飛.鋼管混凝土軸心受壓構件受力性能的試驗研究[D].西安:西安建筑科技大學工程碩士學位論文,2003.