鋼-混凝土組合索塔壓彎性能試驗研究

摘 要：設計制作了2類共10個帶開孔板連接件的鋼-混凝土組合索塔模型試件，并進行軸壓和恒定軸力下往復荷載試驗。試驗展示了不同真實軸壓比下的2類試件承受往復荷載作用時的極限能力和破壞形態，結果表明：根據軸壓比的不同，所有試件破壞形態清楚的分為受壓破壞和受拉破壞2類，無軸力和過高的軸力都會明顯降低構件在往復荷載下的力學性能；既作為連接件又作為加勁肋的開孔板能有效地限制受壓試件鋼板局部屈曲波長。最后，將試驗結果與按照規范計算得到的軸力-彎矩關系進行比較。

關鍵詞：組合索塔；開孔板；往復荷載；局部屈曲；開裂；承載能力

中圖分類號：TU398；U448.27 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2012）02-0077-07

Experimental Analysis on Beam-column Behavior of Steel-concrete Composite Pylon

ZENG Yao， WU Chong， ZHOU Jia-xing

(Department of Bridge Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China)

Abstract:Ten specimens with perforated ribs， which can be divided into two series， were made to observe the behavior of steel-concrete composite pylon under axial load and cyclic load respectively. The experiment reveals the ultimate capacity and failure mode of two types of specimens under the cyclic load with different actual axial load level. Furthermore， it can be concluded from the results that the failure mode can be divided into two types， that is compression failure and tension failure. And the behavior of those specimens under cyclic load is influenced significantly under high axial load or without axial load at all. In addition， perforated ribs will prevent the plates under compression from overall buckling effectively based on the observation that the wavelength of plate is limited between two neighboring perforated ribs. At last， comparison on the interaction behaviors of the axial load (N) versus moment (M) is made between the results of experiment and calculation according to the criteria.

Key words:composite pylon; perforated ribs; cyclic loads; local buckling; cracking; bearing capacity



鋼與混凝土組合結構已經在橋梁工程中廣泛使用，但大多應用于以承受彎矩為主的組合梁，以充分發揮鋼材抗拉的性能。在日本和臺灣地區，有將作為壓彎構件的鋼和普通鋼筋混凝土組合箱型柱作為橋墩應用于橋梁工程［1］，其使用外層鋼板或內外雙層鋼板來提高結構的整體承載能力［2-3］，這種形式的構件在混凝土澆筑過程中，內外鋼板同時也作為施工模板，可節省施工時間和建設費用。為1992年世博會修建的阿拉米羅大橋索塔原先計劃為鋼筋混凝土構件，由于需要配置的鋼筋過多以及索塔的橫截面外形復雜，后修改為具有外層鋼板的鋼-混凝土組合索塔以減少配筋和方便索塔造型；索塔橫截面內設有圓形的空心部分，鋼板與混凝土之間采用圓柱頭焊釘和加勁肋作連接件。對于高達298 m的昂船洲大橋索塔的上塔柱來說，由外層不銹鋼板和混凝土以及內部鋼錨箱共同承受荷載，形成鋼-混凝土組合索塔，不銹鋼板與混凝土之間采用圓柱頭焊釘連接。

鋼板屈曲是矩形截面鋼-混凝土組合柱的典型破壞形態之一。為了提高構件整體承載能力，有研究者使用不同的方法來提高矩形截面鋼-混凝土組合柱中鋼板構件抵抗屈曲的能力，Ge ［4］、Tao［5-8］、Dabaon［9］、Zhang［10］和郭蘭慧［11］使用加勁肋；Tao［6］使用加勁肋、對拉棒和錨固棒等措施共同作用；Nakanishi［12］使用圓柱頭焊釘；Huang［13］在鋼板四角焊接連接棒；Cai［14］、 Hsu［15］采用雙向對拉棒，其中大多數方法僅僅適用于建筑結構中橫截面尺寸相對較小的實心截面組合柱，可能不太合適于纜索支撐橋梁的索塔。

開孔板常作為剪力連接件在橋梁工程中使用，圓形開孔的構造形態使開孔板連接件具有各向同性的受力特征，不像焊釘連接件那樣具有不同的抗剪和抗拉拔能力，因此能夠更好的在復雜的受力狀態下工作。在以受壓為主的結構中，開孔板不僅作為連接件使混凝土和鋼板共同工作，而且本身可以作為鋼板的加勁肋承載，同時延緩鋼板屈曲，提高構件的承載能力。本文主要研究具有內外雙層鋼箱和外層鋼箱2類使用開孔板連接件的組合索塔壓彎行為。通過軸壓和恒定軸力下往復荷載作用試驗，了解此類結構的極限能力、破壞形態以及開孔板在組合索塔中的性能，并揭示其受力特性與破壞機理。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

試驗共設計制作了10個組合索塔模型試件，包括5個內外雙層鋼箱截面試件和5個外層鋼箱截面試件，分別命名為DP系列試件和SP系列試件。所有試件均具有相同的外形尺寸，橫截面設計如圖1—3所示。試件的兩端設置有加勁肋和橫隔板，以保證外部荷載能均勻的傳遞給模型試件。開孔板開孔直徑為30 mm，在開孔后采用熔透焊焊接在鋼箱壁板上，鋼箱制作時的焊縫也全部熔透，為加工方便，在水平荷載作用方向上的鋼板每邊各留5 mm的焊接空間，同時，所有試件端板均開有圓孔以澆筑內部混凝土。在雙層鋼箱試件中，內外鋼箱同時作為混凝土澆筑模板。對無內部鋼箱的SP系列試件來說，使用普通鋼筋混凝土來模擬實際結構構造，在混凝土截面配有一層8 mm普通鋼筋；澆筑混凝土時，試件中空部分放置木模，澆筑完成7 d后拆除，自然養護。

1.2 材料特性

測試所用的試件鋼板以及開孔板均來自于同一批產品，測得4 mm鋼板屈服強度為342.4 MPa，極限抗拉強度為463.7 MPa，彈性模量為2.03×105 MPa；8 mm普通鋼筋屈服強度為335.6 MPa，極限抗拉強度為489.6 MPa，彈性模量為1.98×105 MPa。試件中填充的混凝土也是同一批產品，均在一天內澆筑完成。在混凝土澆筑完成28 d后，測得邊長為150 mm標準立方體混凝土試塊強度為50.7 MPa，彈性模量為3.34×104 MPa。

1.3 加載設備

試驗使用的MTS系統具有豎向20 000 kN和水平2 000 kN的加載能力，兩個方向均可使用力或位移控制加載，最大水平加載位移為50 cm。試件上端與反力架連接，試件下端通過專門設計的柱鉸與MTS臺座連接，用于荷載的施加。試件與柱鉸之間，試件與反力架之間全部采用高強螺栓連接，如圖4所示。

圖4 試驗裝置

1.4 加載方案

1.4.1 軸壓試驗 軸壓試件為1個雙層鋼箱截面試件和1個外層鋼箱截面試件，分別命名為DP-100和SP-100，試件名稱中數字代表試驗時的軸力與軸向極限能力比值的百分數。軸壓試驗使用2步加載：

1）軸向預載：以5 kN/s的荷載速率加載至1 000 kN，持荷3 min，然后卸載；

2）軸向加載：以5 kN/s的荷載速率加載至1 500 kN后，轉換為0.01 mm/s的位移增量加載，直至試件破壞。

1.4.2 往復荷載試驗 共對8個模型試件進行恒定軸力下的往復荷載試驗，包括4個雙層鋼箱截面試件和4個外層鋼箱截面試件。恒定軸力值大約為軸壓試驗得到的極限承載能力的0、20%、40%以及60%，試件命名規則如同軸壓試驗。往復荷載試驗與軸壓試驗在同一設備上進行，使用3步加載：

1）軸向預載：以5 kN/s的荷載速率加載至1 000 kN，持荷3 min，然后卸載；

2）軸向加載：以5 kN/s的荷載速率加載至指定軸力；

3）水平往復加載：保持軸力恒定，水平加載，直至試件破壞。

由于試件無明顯水平屈服力，往復荷載全部使用位移加載，加載位移為5 mm的整數倍，典型的位移加載歷程如圖5所示：

圖5 位移加載歷程

2 試驗結果

2.1 軸壓試驗結果

試件DP-100和SP-100的軸向極限承載能力分別為7 952 kN和7 293 kN。DP-100試件由于柱鉸支承附近鋼板局部屈曲后整體屈曲，相應位置處混凝土壓碎而無法繼續承載，但鋼板的局部屈曲波長被限制在開孔板和鋼板壁之間，如圖6所示。SP-100試件由于混凝土無內部鋼箱約束而在試驗過程中出現壓碎脫落的現象；同時，柱鉸支承端附近的鋼板也局部屈曲后整體屈曲，相應位置處角焊縫逐漸受壓開裂，裂縫的長度隨著荷載的增加而增加，如圖7所示。

2.2 往復荷載試驗結果

通常的軸壓比由軸向極限承載能力的理論值確定。為獲得構件較為真實的彎矩-軸力關系，往復荷載試驗時利用相同試件軸壓試驗得到的實際軸向極限承載能力來定義真實的軸壓比，如表1所示。

所有往復荷載試驗試件的水平荷載-位移曲線如圖8所示，所有試件在試驗結束時均無法維持相應的軸向荷載，幾乎完全喪失承載能力。軸壓比在20%左右的2個試件展現出良好的力學性能，其不僅具有較高的水平承載能力，而且荷載-位移曲線飽滿，無明顯捏縮現象。圖9和圖10展示了2種典型破壞形態：受拉破壞和受壓破壞。受拉破壞主要表現為焊縫和鋼板在往復荷載作用下發生低周疲勞開裂，開裂從角焊縫端部沿試件橫截面方向開始發展，隨著荷載和循環次數的增加，直至幾乎貫穿整塊鋼板；同時，內部混凝土也往復受拉開裂破壞。受壓破壞主要表現為水平荷載方向鋼板局部屈曲，內部混凝土壓碎，但局部屈曲波長和軸壓試件一樣被限制在開孔板和鋼板壁之間，無縱向焊縫破壞。軸壓比在60%左右的2個試件出現明顯的剪切破壞行為，如圖11所示；盡管它們具有較高的水平承載能力，但幾乎未表現出任何耗能能力和延性性能。

骨架曲線是連接每級循環的荷載最大峰值點所形成的曲線，兩類試件的骨架曲線如圖12所示。在加載初期，荷載-位移關系基本為線性，隨著荷載的增加，非線性效應逐漸明顯。除無軸力的試件外，軸壓比對各類試件的初期剛度影響不大，但后期剛度隨著軸壓比的增加而增加；而無軸力作用的試件DP-00和SP-00的剛度和承載能力均低于其他各個試件。

3 受力特性與破壞機理

3.1 受拉破壞試件

混凝土內填于外部鋼箱中，水平荷載引起的端部彎矩首先由與荷載方向垂直的試件外部鋼板承受，而不像鋼筋埋在混凝土中的普通鋼筋混凝土構件那樣彎矩首先由混凝土承受。對于無軸力試件來說，試件鋼板橫截面兩端焊縫剛度較大，而中間截面剛度相對較小，試件鋼板所承受的彎矩主要由縱向焊縫分擔，試件初始剛度較小。而對軸壓比為20%左右的試件來說，軸壓的存在使鋼板和混凝土截面共同承載，試件初始剛度要大于無軸力試件。

對無軸力試件來說，在水平往復加載初期，試件截面受拉區域混凝土開裂，受拉區主要由鋼板承載，而受壓區鋼板與混凝土共同工作，因此，受拉區鋼板先于受壓區鋼板屈服。試驗過程中，混凝土裂縫在反向加載時，由于鋼板和焊縫的塑性伸長而難以完全閉合，張開的裂縫在受壓區一直存在，直到受壓鋼板有較大面積屈服后，裂縫有一定程度的閉合，此時，混凝土才承受一定壓力。受壓區中難以完全閉合的混凝土張開裂縫的存在是試件荷載-位移曲線出現明顯捏縮現象的因素之一。隨著水平位移和循環次數的增加，試件焊縫因低周疲勞而沿橫截面方向出現開裂，外部荷載完全轉移到未開裂的鋼板截面和混凝土部分。在外部鋼板裂縫不斷發展的同時，由于缺少外部鋼板的有效約束，較大的水平位移導致試件截面開裂混凝土沿張開裂縫相對滑移和錯動，這是引起試件荷載-位移曲線出現明顯捏縮現象的另一重要因素。混凝土截面受拉開裂和鋼板低周疲勞開裂明顯削弱了試件橫截面性能，導致試件水平極限荷載要小于有軸力的試驗試件。

軸壓的存在不僅能有效延遲混凝土截面受拉開裂和鋼板低周疲勞開裂，而且能促進混凝土張開裂縫的閉合，同時阻止開裂混凝土沿張開裂縫相對滑移和錯動。因此，軸壓比為20%左右的試件荷載-位移曲線不僅飽滿且無捏縮現象發生，試件的水平極限能力也高于無軸力試件；但20%左右的軸壓比不足以改變試件的受拉破壞形態。

3.2 受壓破壞試件

對軸壓比為40%左右的試件來說，加載初期，軸向壓力的存在使鋼板和混凝土共同承載。隨著水平位移和循環次數的增加，試件端部受壓鋼板開始出現局部屈曲，荷載逐漸由鋼板傳遞到混凝土截面，在較大的軸力作用下，混凝土截面幾乎不承受拉伸荷載。隨著水平位移的增加，鋼板屈曲引起的鼓曲繼續增大，并逐漸屈服，但仍然被限制在開孔板之間；內部混凝土在往復荷載作用下開裂、壓碎。由于內部混凝土壓碎后對開孔板的約束減弱，而開孔板自身又無足夠的能力約束鋼板的屈曲，因此，鋼板在壓力作用下發生整體屈曲。試件破壞時的塑性鉸區域位于試件承受彎矩的端部，長度大約為一個橫向局部屈曲波長，即兩開孔板之間距離。

而對軸壓比為60%左右的試件來說，在軸力的加載過程中，試件端部鋼板已經開始出現局部屈曲，因此，在水平加載開始時，外部荷載幾乎完全由混凝土截面承受。隨著水平循環位移的增加，試件端部鋼板局部屈曲更加明顯，但同樣被限制在開孔板之間。同時，鋼板沿試件長度方向出現多處局部屈曲，局部屈曲引起的鼓曲在鋼板橫截面沿45°角斜直線排列，試件開始出現剪切破壞現象。在到達極限承載能力后，試件在軸壓與水平荷載共同作用下突然發生脆性破壞，承載能力急劇下降，且無確定的塑性鉸位置。

在較大的軸力作用下，受壓鋼板的局部屈曲和混凝土的雙軸受力特性降低了試件荷載-位移曲線的飽滿程度，這種現象在軸壓比為60%左右時表現得最為明顯。

4 軸力-彎矩關系

為了防止鋼板過早屈曲而影響鋼-混凝土組合柱承載能力，各主要規范均對鋼板的寬厚比進行限制。AISC LRFD 1999規范［16］對組合柱的鋼板寬厚比限制為：

bt≤3Esfy(1)

根據Uy［18］的研究成果，AISC 2005規范［17］對組合柱鋼板寬厚比限制放寬為：

bt≤2.26Esfy(2)

EuroCode 4 規范［19］對組合柱鋼板寬厚比限制為：

bt≤52235fy(3)

上述公式中的Es為鋼材彈性模量，fy為鋼材屈服強度。軸壓試驗和往復荷載試驗均表明開孔板具有使鋼板和混凝土良好的共同工作，有效限制鋼板局部屈曲的性能，可作為鋼壁板的連續支承邊界。因此，試件鋼板寬厚比由90降低為30，滿足AISC 2005規范和EC 4規范要求，按照規范計算壓彎承載能力時認為鋼板截面全截面有效。

由于嵌入混凝土中的開孔板承載能力無明確的計算方法，在理論分析時分別考慮2種情形：一種是較為保守的不考慮開孔板加勁肋對承載能力的任何貢獻，即計算構件能力時，將加勁肋的橫截面面積作為混凝土計算。基于這種假設的規范計算值和試驗值的比較結果如圖13所示，在無軸力的情況下，試驗結果和理論預測值吻合相對較好，但隨著軸壓比的增大，試驗值越來越偏離規范計算值，且極限彎矩隨軸壓比的增加而增加。

另一種非保守的計算方法是假定開孔板全截面有效，即忽略開孔板中開孔的存在，基于這個假定的理論預測值和試驗值的比較結果如圖14所示，在軸壓比大約為20%的時候，試驗結果和規范計算值吻合較好，但其軸力-彎矩關系的趨勢變化與前者相同。

5 結 論

通過軸壓和往復荷載下的鋼混組合索塔壓彎性能試驗研究、機理分析以及與規范計算結果比較，得到如下結論：

1）開孔板可既作連接件又作加勁肋，能有效地提高鋼板抗局部屈曲性能。

2）鋼板低周疲勞開裂和混凝土受拉裂縫明顯降低無軸力試件的力學性能；相反，過高的軸力導致鋼板過早局部屈曲和混凝土雙軸受力，從而降低軸壓比為60%左右試件的力學性能。

3）軸壓比是影響構件能力的一個主要因素，它不僅影響構件的極限彎矩、延性和耗能能力，而且還控制構件的破壞形態。實際結構設計時應選擇合適的軸壓比，對于可能承受往復荷載的索塔來說更應如此。

4）是否考慮開孔板的橫截面貢獻對計算低軸力和無軸力試件的彎曲能力有明顯影響。

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（編輯 胡英奎）