鋼管約束粉煤灰鋼筋混凝土軸壓短柱力學(xué)性能試驗研究

高春彥，張 歡，楊華冠

（1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

鋼管約束混凝土柱由 Tomii 等人于上世紀(jì)八十年代初首次提出，即將鋼筋混凝土柱中的箍筋用鋼管代替，且鋼管不直接承擔(dān)軸向荷載，使得混凝土和鋼管之間只存在環(huán)向的相互作用，從而形成鋼管約束鋼筋混凝土柱[1]．其和普通鋼筋混凝土柱相比，具有更好的抗剪承載力和抗震性能；柱子整個截面得到有效約束，一方面能防止縱筋壓屈，縱向鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強度得到提高，另一方面柱的延性和軸向承載力也明顯提高．和鋼管混凝土柱相比，鋼管作為混凝土施工模板的優(yōu)勢不變，但其僅起到橫向鋼筋的作用，與鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點施工方便，避免了鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁在節(jié)點處連接復(fù)雜的問題．國內(nèi)外學(xué)者肖巖[2]、周緒紅[3-4]、張素梅[5]、劉界鵬[6]、肖建莊[7]、甘丹[8]等對鋼管約束混凝土柱的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究和理論分析，取得了階段性成果．目前在"大連市體育館"等大型公共建筑中已成功使用了鋼管約束鋼筋混凝土柱，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和綜合效益[9]．

粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤粉鍋爐排出的一種工業(yè)廢渣，隨著電力事業(yè)的發(fā)展，粉煤灰的排放量也在逐年增加．為做好粉煤灰的綜合利用，研究人員將粉煤灰等量替代一部分水泥作為膠凝材料形成粉煤灰混凝土．粉煤灰混凝土具有良好的和易性和力學(xué)性能，在鋼管混凝土中被大量應(yīng)用．由于粉煤灰的活性比較差，摻入混凝土中會導(dǎo)致水化進(jìn)程發(fā)生改變，表現(xiàn)出與普通混凝土不同的物理特征．竇立軍、張晶對鋼管粉煤灰混凝土短柱的承載能力、徐變機(jī)理開展了理論和試驗研究[10][11]．

到目前為止，國內(nèi)外對鋼管約束粉煤灰混凝土柱的研究仍為空白．為擴(kuò)大粉煤灰混凝土的應(yīng)用范圍，本文在鋼管約束混凝土構(gòu)件和粉煤灰混凝土材料研究成果的基礎(chǔ)上，以鋼管徑厚比（即含鋼率）和粉煤灰取代率為參數(shù)，對鋼管約束粉煤灰鋼筋混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究，考察了鋼管徑厚比和粉煤灰取代率不同時鋼管約束鋼筋混凝土短柱的破壞模式、承載力以及應(yīng)變變化規(guī)律等，給出了該類組合構(gòu)件的最優(yōu)含鋼率和核心粉煤灰混凝土的最優(yōu)配比，本文研究成果將促進(jìn)鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展．

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計

圖1 試件尺寸Fig.1 Specimen dimension

以鋼管徑厚比（55，73，110）、混凝土中粉煤灰取代率（0，10%，30%，50%）為參數(shù)，進(jìn)行了4組共12個圓鋼管約束鋼筋混凝土軸壓短柱的試驗研究，試件尺寸如圖1所示．所有試件的鋼管外徑D = 219 mm，長度L= 660 mm，高徑比為3，鋼管內(nèi)縱筋為4Φ14，縱筋配筋率為1.7%，箍筋為2Φ8，端板厚10 mm．試件編號及參數(shù)見表1．試件的命名方法以CTRC-1-2為例說明，CTRC表示circular tubed reinforced concrete，1表示組別為第1組，該組試件粉煤灰取代率為 0，2表示鋼管名義壁厚為2mm．為保證鋼管不直接承擔(dān)縱向荷載，只對核心混凝土起約束作用，用角磨機(jī)在距離柱上、下端30 mm處各切出一道10 mm寬的環(huán)向條帶．

圖2 加載裝置Fig.2 Test device

圖3測量方案 Fig.3 Measurement scheme

本次試驗鋼管均采用Q235熱軋無縫鋼管，端板采用Q235級鋼，縱筋和箍筋分別采用HRB400級鋼筋和HPB300級鋼筋．鋼管中灌注不同粉煤灰取代率的C30混凝土，在澆筑試件的同時，制備了邊長為 100mm的混凝土立方體試塊，以便試驗時確定混凝土的材料力學(xué)性能．鋼管和混凝土的材料性能指標(biāo)見表2，3．

表1 試件參數(shù)Tab.1 Specimen parameters

表2 鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)Tab. 2 Mechanical properties of steel

表3 混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)Tab.3 Mechanical properties of concrete

1.2 試驗裝置和量測方案

本次試驗在500t壓力機(jī)上進(jìn)行，加載裝置如圖2所示．試驗加載過程為一次性壓潰試驗，在彈性范圍內(nèi)每級荷載為預(yù)計極限荷載的1/10；當(dāng)鋼管屈服后，每級荷載約為預(yù)計極限荷載的1/15．每級荷載的持荷時間約為 2 min，直至試件破壞．試驗過程中應(yīng)變數(shù)據(jù)均通過DHS816靜態(tài)應(yīng)變采集儀自動采集，位移數(shù)據(jù)和荷載值則人工讀?。囼炛性诿總€試件鋼管中部沿圓周方向每隔 90°粘貼縱向應(yīng)變片和環(huán)向應(yīng)變片，在鋼管頂部和底部環(huán)向條帶內(nèi)側(cè)沿圓周每隔 90°粘貼環(huán)向應(yīng)變片，以考察加載過程中鋼管對核心混凝土的約束情況．在試件周邊對稱布置四個位移計以量測試件的縱向位移，應(yīng)變片和位移計布置如圖3所示．

2 試驗結(jié)果分析

2.1 破壞模式分析

圖4 試件破壞模式Fig.4 Failure modes for specimens

以第四組試件為例，給出試件的破壞模式如圖4所示．由圖4可以看出，不管粉煤灰取代率為何值，試驗結(jié)束時試件鋼管均出現(xiàn)向外凸曲，徑厚比為110試件的鋼管在中部或切口處被撕裂．剖開鋼管后可以發(fā)現(xiàn)，核心混凝土都存在明顯的剪切斜裂縫，斜裂縫處的混凝土均破碎，縱向鋼筋被壓屈，如圖5所示．在徑厚比為55和73的試件的剪切破壞面的末端，鋼管出現(xiàn)了外凸變形．由于這兩種徑厚比情況下鋼管壁較厚，能有效約束核心混凝土的剪切變形，因此鋼管壁沒有出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象．徑厚比為110的試件CTRC12、CTRC32和CTRC42的鋼管在中部沿著斜向或縱向被撕裂；試件CTRC22的鋼管在上方切口的最薄弱截面處首先被撕裂，之后裂縫一直延伸至中部．說明在這種徑厚比情況下，鋼管對核心混凝土的約束作用太小，致使當(dāng)混凝土發(fā)生較大的橫向膨脹時，鋼管不能起到有效的約束作用，最終導(dǎo)致鋼管被撕裂．

圖5 剖開鋼管后情況Fig.5 Condition after splitting the steel tube

由破壞模式可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰取代率的變化對試件破壞模式的影響不大，鋼管徑厚比的取值決定了鋼管是否發(fā)生撕裂．

2.2 荷載-縱向位移曲線分析

各組試件的荷載（N）-縱向位移（△）關(guān)系曲線如圖6所示（注：每組試件粉煤灰取代率相同），其中縱向位移可通過對稱布置在試件周邊的4個位移計測得的位移值進(jìn)行算數(shù)平均求得．圖6中鋼管中部軸向屈服時對應(yīng)的荷載點和極限荷載點在荷載-位移曲線中已標(biāo)出．

由圖6可知，當(dāng)粉煤灰取代率相同時，隨著徑厚比的減小，試件的承載能力提高，達(dá)到極限荷載時的縱向位移增加．徑厚比為 73的試件的承載力小于徑厚比為110的試件，是由于名義厚度為3mm的鋼管的屈服強度和極限強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于名義厚度為2 mm的鋼管造成的．徑厚比的變化對試件彈性階段的剛度影響不大，對達(dá)到極限荷載后下降段的剛度影響較大．徑厚比為110的試件在超過極限荷載后，下降段最為陡峭，說明其延性最差；而徑厚比為73和55的試件荷載-位移曲線的下降段均較為平緩，說明具有較好的變形能力．建議在實際工程中，鋼管約束鋼筋混凝土短柱的徑厚比取不大于100為宜．

當(dāng)鋼管徑厚比相同時，隨著粉煤灰取代率的增加，試件的屈服和極限承載力均降低，但達(dá)到極限荷載時的縱向位移增加．由圖可知，粉煤灰取代率為10%、30%、50%的試件與0取代率試件相比，承載力平均降低了 6.2%、15.7%、21.8%，達(dá)到極限荷載時縱向位移平均增加了 9.3%、16.6%、68.9%．粉煤灰取代率為 0時，試件鋼管中部屈服時的荷載點和極限荷載點比較接近，說明鋼管中部軸向屈服后不久，試件即達(dá)到了極限承載力；而粉煤灰取代率為50%時，試件鋼管中部軸向屈服時對應(yīng)的荷載點與極限荷載點相距最遠(yuǎn)，說明對于鋼管約束鋼筋混凝土短柱而言，核心混凝土中摻入一定數(shù)量的粉煤灰，會使得構(gòu)件的延性增加．綜合考慮承載力、延性等因素，建議在實際工程中，粉煤灰取代率取不大于30%為宜．

圖6 各組試件的荷載-縱向位移曲線Fig.6 Load-longitudinal displacement curves for all specimens

2.3 荷載-應(yīng)變關(guān)系分析

各組試件的荷載—鋼管中部軸向、環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖7所示，圖中鋼管中部屈服時和達(dá)到極限承載力時對應(yīng)的應(yīng)變在圖中已標(biāo)出．其中橫坐標(biāo)正向為環(huán)向應(yīng)變，負(fù)向為縱向應(yīng)變．

由圖7可知，各試件的荷載—應(yīng)變曲線均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性上升段和塑性發(fā)展階段．彈性階段定義為從開始加載至試件鋼管中部達(dá)到屈服．在彈性階段，由于鋼管與混凝土之間的粘結(jié)摩擦，鋼管的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變呈線性增長，兩者均在極限荷載之前達(dá)到屈服，且軸向應(yīng)變的數(shù)值大于環(huán)向應(yīng)變，因此鋼管軸向屈服時對應(yīng)的荷載低于環(huán)向屈服時的荷載，但相差不超過10%．當(dāng)粉煤灰取代率相同時，徑厚比的變化對試件彈性階段應(yīng)變的影響不大．

圖7 各組試件的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.7 Load-strain curves for all specimens

彈塑性階段定義為從試件鋼管中部達(dá)到屈服至達(dá)到極限荷載．在彈塑性階段，試件應(yīng)變的增長逐漸大于荷載的增長，粉煤灰取代率越大，試件達(dá)到極限荷載時對應(yīng)的軸向和環(huán)向應(yīng)變越大，說明鋼管對混凝土的約束作用發(fā)揮得更為充分，鋼管材料的強度得到了充分利用，說明試件的延性越好．

塑性階段定義為從試件達(dá)到極限荷載至試件破壞．這一階段鋼管中部的應(yīng)變?nèi)杂休^大幅度的增長．粉煤灰取代率越大，從試件達(dá)到極限荷載到試件破壞應(yīng)變的變化越小，說明試件達(dá)到極限荷載后不久，就發(fā)生了破壞．在應(yīng)變發(fā)展的過程中，伴隨著鋼管的鼓曲和鋼管內(nèi)混凝土的斜向剪切破壞，以及對于鋼管徑厚比為110的試件，鋼管的撕裂破壞．

3 結(jié)論

通過對摻入一定量粉煤灰的鋼管約束鋼筋混凝土軸壓短柱的靜力試驗研究，考察了試件的破壞模式、極限承載力、應(yīng)變發(fā)展規(guī)律等，探討粉煤灰取代率、鋼管徑厚比的變化對試件軸壓力學(xué)性能的影響，可以得出以下結(jié)論：

(1)試件破壞時鋼管向外凸曲或被撕裂，鋼管內(nèi)混凝土發(fā)生剪切破壞，存在明顯的斜向剪切破碎帶，縱向鋼筋被壓屈．本次試驗中粉煤灰取代率的變化對試件破壞模式的影響不大，鋼管徑厚比的取值僅決定了鋼管是否發(fā)生撕裂．

(2)當(dāng)鋼管徑厚比相同時，隨著粉煤灰取代率的增加，試件的屈服和極限荷載降低，但極限荷載對應(yīng)的縱向變形增加，因此試件的延性增加．當(dāng)粉煤灰取代率相同時，隨著鋼管徑厚比的增加，試件的承載力降低，達(dá)到極限荷載后荷載—縱向位移曲線的下降段更為陡峭，說明試件的延性降低．

(3)各試件鋼管的軸向和環(huán)向應(yīng)變均在極限荷載之前達(dá)到屈服，鋼管徑厚比的變化對其中部應(yīng)變的影響不大．隨著粉煤灰取代率的增加，試件達(dá)到極限荷載時對應(yīng)的應(yīng)變大大增加，鋼管本身的材料強度以及鋼管對混凝土的約束作用得到更為充分的發(fā)揮．

(4)根據(jù)本文試驗結(jié)果，建議混凝土中粉煤灰取代率取不大于30%，鋼管徑厚比取不大于100時，鋼管約束鋼筋混凝土軸壓短柱的綜合力學(xué)性能最優(yōu)．

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