鋼管鋼骨高強混凝土壓彎柱全過程分析

劉 曉，李 敏，王連廣

(1.清華大學 土木工程系，100084北京;2.沈陽大學 建筑工程學院，110044沈陽;3.東北大學資源與土木工程學院，110004沈陽)

鋼管鋼骨高強混凝土(Steel Tube Columns Filled with Steel-Reinforced High-strength Concrete，STSRHC)是將工字鋼插入空鋼管中，并澆筑混凝土而形成組合構件，與鋼骨混凝土和鋼管混凝土相比，它具有承載力高、抗震性好、耐火性和耐腐蝕性能好等特點［1－5］.目前，已有對內部為十字形鋼骨的STSRHC進行了2個壓彎試件研究，并給出了簡化計算公式［6］.而對內部為工字形鋼骨的STSRHC的研究，主要有:軸壓構件的試驗和理論研究［7－9］，抗彎構件的試驗和理論研究［10］，而對此類構件的壓彎試驗研究未見報道，但在實際工程中組合柱多處于壓彎受力狀態，因此本文對這種新型組合構件進行了壓彎性能的全過程研究.

1 試驗概況

1.1 設計參數

試驗設計的壓彎柱為5個圓鋼管鋼骨高強混凝土.參數主要為:軸壓比n0(n0=N/N0，N為柱上下兩端軸力，N0為軸壓極限荷載);加載方向分別沿工字鋼的強軸和弱軸;鋼管的截面尺寸為○165×4.5mm，鋼骨為10號工字型鋼，試件長度為825mm，套箍指標θ=0.871(θ=Atfty/Acfck，Ac為截面混凝土面積，fck=48.6MPa為核心混凝土軸心抗壓強度標準值，At為鋼管面積，fty=330MPa為鋼管屈服強度)，配骨指標ρ=0.599(ρ=Asfsy/Acfck，As為鋼骨面積，fsy=360MPa為鋼骨屈服強度).試件詳細情況見表1.

表1 試驗參數

1.2 試驗現象

首先按設計軸壓比施加軸向壓力，試件始終保持垂直，沒有側向撓度，見圖1(a);然后施加水平力，在加載初期，側向撓度緩慢增加，在達到極限荷載之前沒有局部鼓曲，但軸壓比較小的試件，鋼管受拉側氧化層脫落的現象較明顯，表明受拉側鋼管應變已達到屈服;當達到極限荷載之后撓度迅速增加，且在加載區附近有局部鼓曲現象，見圖1(c)，表明內部混凝土已經壓碎，受拉側鋼管表面有明顯的拉伸現象，具有明顯的彎曲破壞特征;試件的跨中撓度在整個加載過程中為最大，且基本符合正弦曲線，見圖1(b).

圖1 試驗圖

2 試驗分析

由試驗得到鋼管鋼骨高強混凝土壓彎構件的荷載-撓度(P-um)曲線，見圖2，主要包括彈性、彈塑性和破壞3個階段:彈性階段，外部荷載P與撓度um成比例增加，但撓度的增長速度明顯落后于外荷載，且預加軸力的大小決定了壓彎構件彈性階段的長短;彈塑性階段，P-um明顯偏離原有直線，荷載的增加速度逐漸減慢，試件達到極限荷載;破壞階段，部分混凝土逐漸退出工作，試件呈現下降趨勢，表現為塑性或強化現象.

2.1 影響參數分析

本次對鋼管鋼骨高強混凝土壓彎承載力的試驗研究，主要分析軸壓比和加載方向對承載力的影響.通過試驗得到各自的荷載－撓度曲線.

1)不同軸壓比情況，見圖2(a).4個試件除了施加的軸力大小不同之外，其他各個參數均相同，從圖中可見，軸壓比的增量Δn依次為0.12、0.07、0.10，極限荷載的增加幅度分別為0.201、0.247和0.348，可見承載力的降低幅度不與軸力的增加幅度成線性比例，而是隨軸壓比的增加，降低幅度越來越大.這是因為隨著預壓力的增加，加大了截面進入塑性的深度，降低了構件繼續承擔荷載的能力，所以承載力降低幅度加大.從圖2(a)的橫坐標分析，軸壓比的變化基本沒有影響極限荷載(圖中黑點)所對應的撓度值，即結構的峰值位移沒有太大變化.

2)不同加載方向，見圖2(b)，對軸壓比n=0.749的試件進行了兩種方向的加載試驗，沿弱軸方向加載的試件(YW4)極限承載力低于強軸方向加載的試件(YW3)，這主要由于二者抗彎能力不同，即YW4慣性矩小于YW3;從下降段分析，可知YW3的下降段斜率比YW4平緩，二者其他參數相同只是改變了內部鋼骨的加載方向，這說明鋼骨翼緣與鋼管對混凝土形成的雙重緊箍效應要好于鋼骨腹板，從而對試件的破壞起到一定延緩作用.

圖2 不同參數的荷載-撓度曲線

2.2 截面應變分析

通過試驗測得柱中截面縱向應變沿截面高度分布情況，見圖3.所有試件在加載過程中基本上保持平截面變形，但隨著荷載的增加，中和軸位置發生改變.在加載初期，中和軸靠近受拉區邊緣;之后，隨著荷載的增加，中和軸逐漸向受壓區偏移，偏移的距離與軸心壓力有關，軸壓比越大，中和軸越遠離形心軸，靠近受拉區.

2.3 側向撓度分析

圖4為不同受荷下的側向撓度.橫坐標為試件側向撓度(u)，縱坐標為試件各點距試件中部與試件高度的比值(x/L0)，n值為各階段荷載(N)與極限荷載(Nu)的比值.試驗結果表明，側向撓度在荷載作用初期變化幅度較小，當達到80%極限荷載時開始明顯增加，且隨長細比和偏心距的增加而加大.

圖3 截面應變分布

圖4 典型側向撓度

3 數值計算

3.1 本構模型與假定

鋼材本構關系采用5階段典型方程，混凝土本構關系采用修正后的核心混凝土2階段典型方程［7］.STSRHC組合柱采用如下假定:① 忽略鋼材和混凝土之間相對滑移;②不考慮構件的剪切變形;③截面上應變分布滿足平截面;④ 組合柱兩端為鉸接，側向撓度為正弦半波曲線.

3.2 計算程序

根據纖維模型法，將混凝土、鋼管及鋼骨的截面上進行條帶劃分，條帶劃分數量以滿足精度為準，利用平衡條件得

式中:t和tw分別是鋼管壁厚和鋼骨腹板厚度;

Asf1和Asf2分別為鋼骨上下翼緣的面積;dAsi、dAci和dAti分別為對應圓心角dθi的鋼骨、核心混凝土和鋼管的截面積;σti、σsi和σci分別是鋼管、鋼骨和核心混凝土的應力;σsf1和σsf2分別是工字鋼上下翼緣的應力;rc為鋼管內徑.

具體計算流程見圖5.

圖5 程序流程圖

3.3 數值計算與試驗結果對比

按照上述計算程序將試驗參數輸入程序中，得到數值計算曲線和試驗曲線的對比，見圖6，全過程曲線形狀基本相同，二者的平均誤差為1.048，離散系數為0.016，在理想范圍內.

圖6 計算結果和試件結果對比

利用程序YWTCSLX對鋼管鋼骨高強混凝土影響因素進行分析.設定基本參數混凝土強度fck=48.6MPa，fty=fsy=320MPa，配骨指標ρ=0.52，套箍指標θ=0.63，計算長度l0=600mm，鋼管半徑Rt=100mm，壁厚t=4.2mm，內埋置I10工字鋼.計算在其他參數不變情況下，分別改變軸壓比、長細比和混凝土等級，由此得到荷載-變形關系的影響曲線，見圖7.

1)軸壓比的影響，見圖7(a).組合柱隨軸壓比的增加承載力降低，曲線下降段的斜率越來越陡，表明構件延性逐漸降低;彈性段隨軸壓比的增加而減小，因為在預壓軸力作用下，構件提前進入彈塑性階段;此外，圖中還表明，當軸壓比較小時，增加適當的軸壓比有助于構件提高承載能力，如:軸壓比為0.4的承載力高于軸壓比為0.2的極限承載力.

2)長細比的影響，見圖7(b).承載力隨長細比的增加而降低，但降低幅度逐漸減緩，當長細比λ=4L0/D≥20，構件因失穩而導致變形過大，承載能力將很快喪失.

3)混凝土等級的影響，見圖7(c).隨著混凝土等級的提高，承載能力加強，彈性階段加大;但過極值點后，曲線斜率隨混凝土等級的提高而越來越陡，表明構件延性逐漸降低.

圖7 計算參數對荷載-變形關系的影響

4 結論

1)在壓彎荷載作用下，組合柱的荷載－撓度曲線呈現彈性、彈塑性和破壞3個階段特征，其中彈性階段的長短與預加軸力大小有關，破壞階段的曲線形式與軸壓比有關.

2)在壓彎荷載作用下，組合柱隨軸壓比的增加而減小，降低幅度與軸力呈現非線性，但對峰值點的撓度影響不大;強軸方向的承載力高于弱軸，且鋼骨翼緣與鋼管對混凝土形成的雙重緊箍效應要好于鋼骨腹板.

3)在壓彎荷載的整個加載過程中，試件截面始終保持平面;側向撓度曲線沿構件高度符合正弦半波分布;與計算程序的基本假定相符合.

4)鋼管鋼骨混凝土YWTCSLX非線性分析程序計算結果與試驗結果吻合較好.通過參數分析可知:軸壓比越大，承載力越低，曲線的下降段越陡;長細比越大，承載力越低，當λ＞20時，轉變為失穩;混凝土等級越高，承載力越強，下降段越陡，延性較差.

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