鏤空鋼管約束混凝土柱試驗研究

趙德芳，李 昶

(1.河北工業大學后勤管理處，天津 300130;2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096)

鏤空鋼管約束混凝土柱試驗研究

趙德芳1，李 昶2

(1.河北工業大學后勤管理處，天津 300130;2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096)

鋼管約束混凝土柱是一種新型結構構件，其約束鋼管采用鏤空形式，外部由一層纖維增強塑料(FRP，Fiber Reinforcement Plastic)封閉。研究采用的鏤空鋼管為方形管，邊長為30.8cm，高度為11.43cm，有2種不同的鏤空圓孔分布模式:一種為正方形布置，一種為梅花形布置。試驗的約束混凝土柱試件總數為27根，單向壓縮試驗表明，鏤空鋼管約束混凝土柱極大地提高了混凝土的變形能力及能量吸收能力。同時，與梅花形鏤空圓孔布置的鏤空鋼管約束混凝土試件相比，正方形鏤空圓孔布置的鋼管約束混凝土試件具有更強的變形及能量吸收能力。

格柵;鋼管約束混凝土柱;纖維增強塑料

近年來，鋼管及纖維增強塑料管約束混凝土柱的研究與應用得以迅猛發展［1-9］。與傳統鋼筋混凝土柱相比，鋼管或FRP管約束混凝土柱的主要優勢在于:不需要建筑模板，具有更高的強度和韌性，以及更好的能量吸收能力。特別是FRP管，還具有耐腐蝕能力，因此更適合惡劣環境下應用。

在鋼管或FRP管約束混凝土柱中，約束管自身主要處于兩向應力狀態——軸向受壓和環向受拉，約束混凝土柱的混凝土與約束管間需要有較強的界面結合能力，以利于荷載的傳遞［10］。近幾年，鏤空型FRP管約束混凝土柱越來越受到重視［11-14］，因其能充分利用混凝土和鏤空圓孔之間的機械嵌鎖能力。試驗研究成果表明，相比于常規的FRP管，圓形FRP鏤空管約束混凝土柱具有更高的承載能力、更大的變形能力和更大的能量吸收能力。

筆者主要研究了一種改進的鏤空型鋼管約束混凝土柱的結構性能和破壞模式。為了增強鋼管的耐腐蝕能力，用一層薄的FRP從外部封閉鏤空鋼管，其另一個作用則是可防止混凝土澆筑時從鏤空開孔流出。為便于試驗加工，采用了方形鋼管形式。

1 試驗

1.1 原材料和試件制備

試件用混凝土采用I型波特蘭水泥、碎石、天然砂、水和增塑劑DAVA170制備。研究中，為與國外已有研究成果相對照，混合物設計參照美國混凝土協會(ACI)的211.1(“Standard Practice for Selecting Proportions for Normal Heavyweight and Mass Concrete”，大體積混凝土配合比實用標準，1991年)。重量比是水泥∶水∶粗集料∶細集料∶添加劑 =1∶0.56∶3.80∶2.19∶0.001。為制作鏤空鋼管，選用了一種低碳鋼鋼板，其厚度為6.35 mm，屈服強度為308 MPa，彈性模量為200 GPa。首先將這種鋼板切割成長30.8 cm、寬11.43 cm的小塊，然后在其上鉆圓孔，孔徑為25.4 mm，從而得到鏤空的鋼板。通過邊緣的接縫焊接，將鏤空鋼板組合成30.8 cm高、寬和長都是11.43 cm，兩端開口的方形鏤空管。

為評定這些方柱狀鏤空鋼管結構性能，成型了2組試件，一組試件采用正方形鏤空圓孔布置，而另一組則采用梅花形鏤空圓孔布置，如圖1根據鋼管4個側面的鏤空面數目不同，每一組試件又細分為4類(第1類至第4類為正方形鏤空圓孔布置;第5類至第8類為梅花形鏤空圓孔布置):第1類和第5類有一面鏤空，其余3面不鏤空;第2和第6類在2個相對的表面上都有鏤空，其余面不鏤空;第3和第7類在3個面上有鏤空，有一個面不鏤空;第4和第8類則在所有4個面上均有鏤空。而對照組試件，其鋼管的4個側面均為實心鋼板，并在外面裹覆了一層相同的FRP薄層。

圖1 正方形鏤空圓孔布置鋼板和梅花形鏤空圓孔布置鋼板示意Fig.1 Parallel and spiral arrangement of punch hole

分別稱重每一類試件，以獲得各類試件單位重量的荷載-位移曲線。根據天平稱重結果，正方形鏤空圓孔布置形式情況下，第1至第4類試件的平均重量分別為 5.62，4.96，4.25 和 3.55 kg，實體鋼管對照組的平均重量為6.38 kg。而梅花形鏤空圓孔布置的鋼管約束混凝土試件，其5，6，7，8類試件的平均重量則分別為 5.69，5.01，4.37 和 3.66 kg。

在鏤空鋼管成型后，采用手工成型技術，在所有試件表面采用紫外線固化的7 715型玻璃纖維增強乙烯基酯復合材料裹覆以形成FRP裹覆層(7 715型玻璃纖維是一種無定形纖維)。本研究中，纖維沿環向定向以提供最大的約束。每根鋼管用2層FRP裹覆，2層搭接長度為25.4 mm。裹覆后，將試件放置在紫外線光源下固化，該過程在1 h之內結束。澆筑混凝土前，鋼管的一端用一層塑料布封閉，然后進行混凝土的拌和、澆筑、振搗、成型，最后在100%相對濕度的標準養生室養生28天。

1.2 壓縮試驗

壓縮試驗參考ASTM C39標準(Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens，混凝土柱體試件抗壓試驗標準)用FORNEY試驗機進行。該設備具有2 688 kN的加載能力。每一試件都先單軸壓縮加載至大約40%的混凝土無側限抗壓強度，然后卸載，以保證試驗各部件緊密接觸，減少位移測定中的誤差。然后，試件被加載直至破壞，加載速率為0.23 MPa/s。在此過程中，通過計算機數據采集系統直接記錄荷載-位移曲線。

2 試驗結果分析

2.1 軸向荷載-位移行為

每一類試件的單位重量荷載(kN/kg)-位移(mm/kg)曲線如圖2。可以看出:鏤空鋼管約束混凝土柱的荷載-位移曲線所表現出的力學行為與實體鋼管約束混凝土對照組試件類似。荷載-位移曲線可以不失一般地描述為一個線彈性區間接一段幾乎水平的曲線。

曲線圖表明試件的屈服，接下來是應變硬化，直至達到荷載峰值。一旦達到峰值，柱體位移增加所需施加的荷載迅速減小，這表明柱體結構的破壞。這種結構行為的原因可解釋如下:在單軸壓縮荷載作用下，在方形約束鋼管的環向，每個面上的拉應力逐漸增加，這種拉應力在鋼管的四個角上最大。這一角點上的應力集中導致焊接位置的屈服和硬化，這與低碳鋼在受拉時的情況類似。

圖2 不同類型柱體的壓應力和壓應變Fig.2 Specific compressive stress and strain of various types of cylinders

2.2 抗壓強度和變形能力

表1列出了試驗的峰值荷載和對應的峰值位移匯總數據。比較鏤空鋼管和實體鋼管試件可以發現，鏤空鋼管的軸向荷載減小了。這一減小隨著鏤空面的增加而變得越來越明顯，特別是對正方形圓孔布置的鏤空鋼管。這種減少可能是由于鋼管與混凝土芯共同承擔荷載，由于減少了鋼的用量，鏤空鋼管的剛度比實體鋼管的低，從而在同樣的軸向荷載作用下，混凝土芯分擔了更多的荷載并產生了更多的側向膨脹，導致鋼管更大的環向應力，最終，鏤空鋼管柱體在更低的軸向荷載作用下破壞。

與實體鋼管相比，鏤空鋼管約束混凝土柱在變形能力(韌性)方面有所增強。這種增強在鏤空面增加時變得更加顯著。變形能力增加的原因可解釋如下:對于實體鋼管和鏤空鋼管的實體面板，單向壓縮加載時能觀測到局部屈服失穩的發生，如圖3所示。這種局部失穩的位移較小。另一方面，對于鏤空鋼管面，由于機械嵌鎖和混凝土的側面支撐作用，沒有局部失穩發生，鏤空鋼管表面的破壞主要是每個單元的軸向變形，因而鏤空鋼管柱體表現出更好的變形性能。

比較正方形鏤空圓孔布置的鋼管約束混凝土柱和梅花形鏤空圓孔布置的鋼管約束混凝土柱可以發現，正方形鋼管約束柱會有更大的強度損失，但變形能力更佳。具體應用時，正方形鏤空圓孔布置鋼管約束混凝土柱可能更適用于那些對韌性有更高要求的場合;另一方面，梅花形鏤空圓孔鋼管約束混凝土柱在抗壓強度是控制性因素的情況下應用更合理。試驗中觀測到，實體鋼管面的局部失穩或正方形鏤空圓孔布置鋼管的軸向變形位置都出現于柱體端部附近。對梅花形鏤空圓孔布置鋼管面來說，在每個側面的端部上比正方形圓孔布置鏤空鋼管有更多的鋼材，導致其具有更高的強度和更低的韌性，這一點與實體鋼管面類似。

表1 約束混凝土柱的荷載和位移隨鏤空鋼管類型不同而變化的情況Tab.1 Variation of specific load and specific displacement with number of ribs

圖3 實體鋼管柱和鏤空鋼管面破壞模式Fig.3 Failure modes of solid steel face and grid face

3 結論

筆者對鏤空鋼管約束方形混凝土柱的試件成型和相關試驗進行了研究。試驗結果表明:鏤空鋼管約束方形混凝土柱的力學行為與實體鋼管約束混凝土柱對照組試件類似。與對照組相比，除個別情況(圖2中曲線5-單面正方形鏤空)外，鏤空鋼管約束混凝土柱普遍由于機械嵌鎖而具有更高的韌性，同時由于鏤空鋼管面的剛度減小而強度下降。與正方形鏤空圓孔布置鋼管約束混凝土柱試件相比，梅花形布置鋼管約束混凝土柱的抗壓強度更高但韌性較差，這可能是由于在梅花形鏤空圓孔布置鋼管端部有更多的實體鋼材，局部剛度更高所致。

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Experimental Research of Grid Tube Steel and FRP Confined Concrete Cylinders

ZHAO De-fang1，LI Chang2
(1.Department of Facility Management and Service，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China;
2.College of Transportation Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China)

This paper introduced a new kind steel tube confined concrete cylinder，which had grid steel tube style，and closed in FRP(Fiber Reinforcement Plastic)membrane.The tube had the rectangle shape，and its width was 30.8cm，height was 11.43cm，the punch circle had two types of arrangements:one was square，the other was spiral.There were totally 27 specimen.Single dimensional compressive experiment showed that grid steel tube improves the deformation and energy-absorbing abilities.Comparing with spiral type arrangement，the square type arrangement specimen had better abilities of deformation and energy-absorption.

grid;steel tube confined concrete cylinder;FRP

TU398.9

A

1674-0696(2011)03-0381-03

2011-02-10;

2011-04-30

趙德芳(1974-)，女，河北廊坊人，助工，主要從事土木工程試驗方面的研究。E-mail:zdf007007@sohu.com。