鋼管輕集料混凝土偏心受壓構件承載力分析

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京，210098)

土木工程結構朝著高聳、大跨、重載的方向發展，恒載在結構的受力中占有較大比例。同時，高層建筑、大跨度橋梁、海洋工程等大型工程對材料性能的要求也越來越高。鋼管混凝土中的核心混凝土可以延緩鋼管的屈曲，而外包鋼管使混凝土處于三向受壓狀態能增強其抗壓性能，其組合力學性能超過了兩者的疊加，充分利用了鋼材的受拉和混凝土的受壓特性。國內外學者對鋼管混凝土構件的力學性能進行了大量的研究，已經形成了比較完善的理論體系[1?4]。輕集料混凝土密度較普通混凝土低20%～30%，故鋼管輕集料混凝土密度要比鋼管普通混凝土密度小，適應了現代材料輕質高強的發展需求。已有研究表明[5?9]：鋼管輕集料混凝土同樣具有優異的力學性能。盡管日本已有將鋼管輕集料混凝土應用于“新干線”(高速鐵路橋梁)的工程實例[10]，但對其性能的研究還未系統地開展。由于鋼管混凝土本身的特性，通常用于受壓構件。受材料的初始缺陷、材料不均勻性以及制造偏差等因素的影響，軸心受壓狀態很難實現。在外部橫向力作用下，往往也使構件處于偏心受壓狀態[11]。本文作者在軸壓和受彎研究的基礎上，分析54根鋼管輕集料混凝土偏壓柱的試驗結果，對偏心受壓狀態下鋼管輕集料混凝土的承載力進行研究。

1 偏壓試驗

1.1 試驗材料和裝置

輕質混凝土骨料為頁巖陶粒，其物理力學性能如下：堆積密度為814 kg/m3，筒壓強度為8.5 MPa，1 h吸水率為 6%。水泥為普通硅酸鹽水泥?；炷恋呐浜媳群拖鄳W性能見表1。試驗采用Q235直縫焊接鋼管。試件的一端用10 mm厚的圓形鋼板焊接封固。輕集料混凝土采用分層澆筑，最后用水泥漿抹平。試件養護10 d后將另一端也用10 mm厚的圓形鋼板焊接封固，采取自然養護方式。

試驗使用油壓千斤頂加載，荷載由壓力傳感器測量，采用電阻應變計測量應變。在試件兩端采用柱鉸，在柱鉸底部按偏心距分別設置 3個距中心為 10，20和35 mm的圓孔，孔徑為20 mm，深為15 mm。試驗時，用直徑為20 mm、長25 mm的鋼制榫頭連接試件蓋板和柱鉸，保證當試件變形較大時試件與柱鉸不發生脫離。試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置及測點布置示意圖Fig.1 Sketch map of loading and measurement system

試件采用分級加載的制度，當荷載達到最大值(極限值)時，壓力傳感器所示壓力開始回落，仍繼續向千斤頂油缸送油，直到試件撓曲非常明顯為止。全過程采用數據自動采集系統進行連續數據采集。試驗基本數據見表2。

1.2 試驗結果分析

本次試驗試件在偏心受壓下的破壞形態可以分為以下2種情況：對于長徑比較小(L/D=3，其中，L為試件長度，D為試件直徑)的短柱偏壓試件，試件破壞時發生側向撓曲，中截面發生明顯的局部屈曲(圖2(a))，試件有較明顯的強度破壞特征；對長徑比較大的中長柱試件(L/D=7或14)，試件發生較大的側向撓曲，鋼管表面無明顯屈曲，試件失穩破壞特征明顯(圖2(b))。根據中截面縱向應變分布，試件截面變形基本符合平截面假定[12]。

圖 3所示為荷載?整體縱向應變曲線。在加載初期，荷載?縱向應變曲線基本上為直線，試件處于彈性階段加載至比例極限后，曲線明顯偏離其初始的直線，進入彈塑性工作階段。當荷載接近極限荷載時，荷載的增長速度變慢，而縱向應變的增長速度加快。

表1 輕集料混凝土配合比和力學性能Table 1 Mixture ratio and mechanical properties of lightweight aggregate concrete

表2 試件基本數據及試驗結果Table 2 Details of test specimens

圖2 試件典型破壞形態Fig.2 Typical failure mode of specimen

圖3 荷載?整體縱向應變的關系Fig.3 Relationships of Load versus overall longitudinal strain

2 承載力影響因素

圖4所示為各組試件在不同偏心率、不同長徑比、不同含鋼率下的荷載(F)?L/2處橫向撓度(um)對比曲線。由圖 4(a)可見：在同一組試件中，偏心率越小，則荷載?L/2處橫向撓度曲線的初始斜率越大，極限承載力也越大；到達極限荷載后下降也越快。偏心率越大，構件所受到的彎矩越大，從而導致承載力降低。

圖4(b)可見：試件的長徑比越大，撓度增長越快，豎向力所產生的附加彎矩也越大。故長徑比大的構件，曲線偏離初始直線越快，上升的斜率越小，其極限承載力也越低。

從圖 4(c)可見：含鋼率越高，曲線在彈塑性階段的斜率也越大，試件的極限承載力也越高。因為鋼材本身的受壓性能高于混凝土的受壓性能。同時，含鋼率越大的試件，對核心輕集料混凝土緊箍力越大，對受壓區輕集料混凝土強度提高越多。

圖4 F-um曲線Fig.4 F-um curves

3 承載力規范計算比較

為了研究鋼管輕集料混凝土構件偏心受壓狀態下的承載力計算方法，運用國內外多部針對鋼管普通混凝土的規范[1?2]，包括 AISC—LRFD(1999)(美國鋼結構協會提出的設計規程)、BS 5400(英國橋梁設計規程)、EC4(歐洲鋼?混凝土組合結構設計規范)、DBJ 13—51—2003(福建省工程建設標準)、DL/T5058—1999(水工混凝土施工規范)、CECS 28：90(中國鋼管砼結構設計與施工工程規范)，對本次試驗的54根構件進行承載力計算，結果見表3。

表3 偏壓承載力規范計算Table 3 Bearing capacity calculation with different codes

由表3所示的對比結果可知：由規范所得計算結果均小于試驗值，且由國外規范所得計算結果普遍較由國內規范所得計算結果小。除CECS 28：90以外，計算結果均相差較大。這可能是由于規范計算時要考慮一定的安全儲備，并且鋼管輕集料混凝土與鋼管普通混凝土的力學性能存在差異。CECS 28：90的計算結果雖然與實測值比較接近，但應用其對鋼管輕集料混凝土軸壓短柱承載力計算結果偏高[5]。目前現有的計算方法對于鋼管輕集料混凝土的適用性還有待進一步研究。

4 小偏心率FN/FNu-FM/FMu曲線

偏心受壓加載相當于壓彎構件的比例加載，可以采用構件FN/FNu-FM/FMu的及相關性曲線來考慮偏心受壓構件的計算方法。在偏心率較小的情況下，FN/FNu-FM/FMu相關性曲線可以近似為 1條直線[1?2]。圖5所示為FN/FNu-FM/FMu相關性曲線。由圖5可知：對于偏心較小的情況，其曲線變化趨勢可近似簡化為線性關系。當FM/FMu=0時，FN/φFNu=1。故可用下式來計算小偏心率壓彎構件承載力：

其中：FNu為短柱軸壓極限承載力，取文獻[8]中的實測值；FM和FMu分別為FN和FNu對應的偏心彎矩，FMu取文獻[6]中壁厚2.5 mm和3.8 mm時最大彎矩的差值；φ為穩定系數，f為含鋼率α和長徑比λ等參數的函數。

對于A-3和B-3組短柱試件，φ=1。應用最小二乘法對試驗實測值進行擬合。當α=11.4%時，f=0.446；當α=13.5%時，f=0.468。由于本次試驗試樣有限，各參數對斜率函數的影響以及大偏心率情況下承載力變化規律仍有待進一步研究。

圖5 FN/FNu-FM/FMu曲線Fig.5 FN/FNu-FM/FMu curves

5 結論

(1) 試件長徑比影響構件破壞形態。試件長徑比越小，越接近塑性破壞；長徑比越大，越接近彈性破壞。

(2) 試件偏心率越大，長徑比越大，含鋼率越小，則鋼管輕集料混凝土的極限承載力越低。

(3) 應用國內外規范所得計算結果比試驗值小，現有規范對鋼管輕集料混凝土的適用性還有待進一步研究。

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