圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱的試驗研究

唐昌輝，歐陽鵬

(湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙 410082)

圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱的試驗研究

唐昌輝，歐陽鵬

(湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙 410082)

對13根圓中空夾層鋼管RPC(活性粉末混凝土)軸心受壓短柱的受力性能進行試驗研究，得到圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱隨內鋼管壁厚變化的承載力及其力學性能特性。在總結已有研究成果的基礎上，給出圓中空夾層鋼管RPC短柱極限承載力的計算建議公式，并通過ABAQUS有限元軟件對試驗全過程進行模擬分析，計算得到的承載力和荷載-應變曲線與試驗結果較吻合。

圓中空夾層鋼管RPC；內鋼管壁厚；極限承載力；有限元軟件ABAQUS

RPC活性粉末混凝土是20世紀90年代由法國研發的一種集超高強度、高耐久性、高韌性及低孔隙率于一體的新型水泥基復合材料[1-2]。優良的性質使得其在鐵路橋梁中早已被應用，如北京五環路將RPC用于人行道板，薊港鐵路應用RPC制作低高度梁，青藏鐵路采用RPC制作凍土區橋梁的蓋板[3]。通過以往試驗可知：RPC未摻入鋼纖維時，其延性性能很差，當受力達到極限荷載后，通常會發生爆裂式的脆性破壞。然而若將鋼管與RPC結合成鋼管RPC，可以將兩者優點有效結合，可大大改善其性能。中空夾層鋼管混凝土是在鋼管混凝土基礎上發展起來的一種新型鋼管混凝土，它主要是將2個鋼管同心放置，在2個鋼管之間澆筑混凝土而形成的一種比鋼管混凝土更為合理的結構形式。它不僅具有實心鋼管混凝土的優點，而且具備自重輕、剛度大、耐火性能良好等特點[4-5]，使其備受國內外研究人員的青睞，具有良好的工程應用前景[6-8]。目前，圓中空夾層鋼管普通混凝土的研究已經取得一定的成果[9-11]，但是對圓中空夾層鋼管RPC的研究才剛剛起步，本文通過13根圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱的試驗，研究圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱隨內鋼管壁厚變化的承載能力及其力學性能，為其工程應用提供試驗數據。

1 試驗概況

本試驗共制作了13根圓中空夾層鋼管RPC短柱試件，其中無內鋼管試件1根，內鋼管壁厚為2,3,4,5,6,24(實心)各2根。外鋼管采用直縫焊接的Q235鋼，內鋼管采用無縫20#優質碳素結構鋼，先按設計尺寸對鋼管進行加工，保證內外鋼管兩端截面平齊且光滑平整。本試驗采用的RPC由湖南固力工程新材料有限責任公司提供，為攪拌均勻裝袋活性粉末混凝土干混料，按比例加水攪拌即可。

試件制作時，先將內鋼管插進事先做好的鋼板上，外鋼管端部表面涂上AB膠與鋼板固定，并將蓋板蓋上防止澆混凝土時內外鋼管松動，將RPC從蓋板上預留的孔中灌入并震動，對不同攪拌批次的活性粉末混凝土同時成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊，進行力學性能測試，棱柱體試件和其泊松比見圖1。試件及試塊先在常溫下靜止2 d，再采用熱水養護，溫度為90～95 ℃，養護2 d后進行加載試驗。各試件的基本情況見表1。

圖1 棱柱體彈性模量和泊松比Fig.1 Elasticity modulus and poisson’s ratio of RPC

圓中空夾層鋼管RPC短柱試件的軸壓試驗是在湖南大學建筑結構實驗室500 t長柱壓力試驗機上進行的。試件測點布置與加載裝置如圖2所示，本試驗在內外鋼管中部表面沿縱向及環向各均勻對稱布置4組電阻應變片，同時在下承板試件的兩側對稱布置2個位移計以測量試件在加載過程中的縱向位移。采用東華DH3816靜態應變測量系統采集試件加載工程中的縱向和環向應變。

圖2 試件測點布置及加載裝置Fig.2 Instrumentations and test set up

試驗采用力控制加載，試驗開始前，首先進行預加載，對試件進行幾何和力學對中，并檢測試驗設備和測量儀器是否正常工作。彈性階段每次加載為預計極限荷載的1/10；當達到極限荷載的80%左右時，每次加載為預計極限荷載的1/15且持續加載；當到達極限荷載后，則采用連續采集應變數據。每級加載后保持荷載5 min，分級讀取試驗數據。

2 試驗結果分析

2.1 試驗現象和破壞形態

試件破壞類型主要有中部鼓曲破壞和剪切滑移破壞，在彈性階段，試件變形不大，隨著荷載增至極限荷載的80%左右時，可以聽到微小的RPC撕裂聲音，但是變形仍然不明顯；達到極限荷載后，空心鋼管RPC荷載下降速度很快，隨著壁厚的增大，下降速率逐漸減慢，頂部開始出現屈曲，并很快延伸到中部，外鋼管表面應變片也逐漸剝落；隨著荷載的繼續增加，變形也迅速發展，直至構件破壞，具體破壞形態如圖3所示。

圖3 圓中空鋼管RPC短柱試件破壞形態Fig.3 Failure pattern of concrete-filled steel tube

主要原因是：RPC的勻質性良好，內部結構非常致密，具有極低的孔隙率等特點，使得前期對內外鋼管壓力不明顯，當RPC破壞時，橫向變形發展較快，迅速對內外鋼管產生壓力。這與實心鋼管RPC短柱軸壓破壞一致。將試件取下，發現內部鋼管也向內側屈曲(見圖4)。

表1 圓中空夾層鋼管RPC短柱試件參數Table 1 Parameters of concrete-filled double skin steel tubular columns with circular sections

注：表中fyo和fyi分別為外、內鋼管屈服強度；fc為100×100×300棱柱體抗壓強度；Ne0為試驗值;Nc0為模擬值

圖4 試件典型破壞模式Fig.4 Typical failure modes of concrete-filled steel tube

2.2 圓中空鋼管RPC的荷載-豎向位移曲線

圖5為不同內鋼管壁厚下圓中空夾層鋼管RPC荷載-豎向位移的關系曲線。由圖可知，試件的荷載-位移的關系曲線具有明顯的3個階段：彈性上升階段、彈塑性上升階段、卸載階段。這與中圓中空夾層鋼管普通混凝土的荷載-位移曲線有點不同，沒有塑性階段，主要原因是RPC強度高，延性要差些，其彈性階段延長而彈塑性階段縮短，當達到極限荷載后，迅速破壞，導致沒有塑性階段。隨著內鋼管壁厚的增大，極限承載力緩慢增大，同時下降速率減慢，荷載下降后上升的趨勢更明顯。

2.3 荷載-應變全過程分析

由試驗得到的各試件的整體荷載-應變曲線如圖8所示。由圖可見，各曲線主要分為3個階段。

圖5 試件荷載-位移Fig.5 Load-displacement curves of concrete-filled steel tube

1)彈性階段：試件加載初期，內外鋼管和RPC分別單獨受力，由于RPC的橫向變形小于鋼管的橫向變形，此時鋼管和RPC之間的相互作用很小。鋼管外表面無明顯變化，RPC的內部初始裂縫也比較穩定，當達到極限荷載的80%時，RPC裂縫才逐漸發展。

2)彈塑性階段：試件表面仍無明顯變化，但是可以聽到RPC被撕裂的聲音，此階段曲線仍然處于上升趨勢，斜率逐漸減小，說明試件的延性很好，隨著內鋼管壁厚的增大，試件的極限承載力也緩慢增大。

3)卸載階段：此階段各試件已經達到極限承載力，鋼管進入塑流狀態，可以明顯看到外鋼管變形逐漸變大，核心RPC所承受的壓應力達到其抗壓強度，可以聽到RPC被撕裂的聲音，隨著內鋼管壁厚的增大，荷載-應變曲線下降更緩慢。

表2 圓中空夾層鋼管混凝土承載力計算公式一覽表Table 2 Bearing capacity formulas for concrete filled double skin steel tubular

3 極限承載力計算公式

關于圓中空夾層鋼管混凝土短柱的極限承載力計算，國內外有過研究。表2為幾種有代表性的計算公式，由于這些公式都是針對圓中空夾層鋼管普通混凝土提出來的，故是否能適用于鋼管RPC短柱的極限承載力計算，還有待進一步驗證。

根據本文進行的13根圓中空夾層鋼管RPC短柱的試驗結果，運用表2中計算公式進行計算，每個試件的極限承載力實測值與計算值的比較列于見表3，從表3中可以看出，按式(1)的形式吻合較好。根據實驗結果可知，隨著壁厚的增加，內鋼管對混凝土的約束作用越明顯，但式(1)中θ并沒有考慮內鋼管的作用，考慮壁厚的變化，根據式(1)的形式，將本次試驗結果對φ進行擬合，擬合結果如圖6所示，于是可得中空夾層鋼管RPC短柱的承載力公式(5)，按該式計算的結果列于表3中，從表中可以看出，式(5)與試驗結果吻合程度很好。

表3 圓中空夾層鋼管混凝土短柱極限承載力及特征值比較Table 3 Ultimate bearing capacity calculation and statistical eigenvalues for RPC-filled double skin steel tubular

(5)

φ=0.612 2-0.078 5 Di/ti。

圖6 內鋼管徑厚比擬合Fig.6 Matching of radius-thickness ratio

4 ABAQUS模擬計算

4.1 材料本構模型

混凝土本構采用韓林海提出的實心鋼管混凝土本構關系[15]：

式中：

本文選用ABAQUS中提供的混凝土損傷塑性本構模型(CDP模型)，因其是使用各向同性損傷彈性結合各向同性拉伸和壓縮塑性的模式來表示混凝土的非彈性行為，是一個基于塑性的連續介質損傷模型，為分析在單調加載、循環加載和動態加載條件下混凝土結構的力學響應提供普適的材料模型，同時能夠很好地模擬混凝土三向受壓力學狀態，具有較好的收斂性。

鋼材本構采用簡化的雙折線模型，屈服后強化模量取為初始彈性模量的0.01倍，

4.2 接觸問題

接觸面之間的相互作用包含2個部分：一是接觸面間的法向作用，二是接觸面間的切向作用。本文模擬中切向行為定義為有摩擦，且為罰函數，大量試驗表明，圓鋼管混凝土間的摩擦系數宜取為0.3；法向行為定義為硬接觸。設置軟材料、面網格密度大的混凝土為從表面，內外鋼管為主表面，這樣計算時更容易收斂。

4.3 單元類型選擇和網格劃分

混凝土單元模型采用六面體為主線性縮減積分C3D8R，該單元類型適合于接觸分析，在節省計算時間的同時可以獲得較好的分析結果；對于內外鋼管，由于其厚度遠小于其整體結構尺寸，分析時可以忽略厚度方向的應力，適合采用4節點一般殼單元來模擬。

本模型采用掃掠分網技術，其中核心混凝土采用中性軸算法，有利于提高計算速度和計算精度，更容易收斂。

5 模擬計算結果

對于上面建好的有限元模型進行計算分析得到應變云圖如圖7所示，混凝土被壓縮而中部鼓起，應變最大。其承載力模擬結果如表1所示，由表1可知，各試件的有限元模擬值比試驗值均大8%左右，二者比值的平均值為0.91，標準差為0.029 3，二者差異的原因是有限元模擬是在完全理想的條件下進行。

經計算分析得到軸壓荷載-應變關系曲線的模擬結果，圖8為每個試件的模擬結果和試驗結果的對比，由圖中可以看出，二者的上升段比較吻合，峰值應變也非常接近，模擬值比試驗值略大。二者軸壓曲線的下降段有所差異，這是因為試驗用的RPC是一種新型材料，尚且無確定的本構關系，并且有限元模型是極為理想的情況，與真實情況的試驗條件和試件初始缺陷存在一定的差異。

圖8 模擬結果和試驗結果的荷載-應變曲線比較Fig.8 Load-deformation curves of analysis and test

6 結論

1)試驗結果表明，圓中空夾層鋼管RPC短柱試件與圓中空鋼管普通混凝土試件荷載-應變曲線不同，圓中空鋼管RPC試件包括3個階段：彈性上升階段、彈塑性上升階段和卸載階段。圓中空夾層鋼管RPC短柱試件的荷載-位移曲線在達到極限荷載后，有一定的下降段，隨后荷載趨于穩定，甚至還有所上升，這說明試件具有很好的延性，同時具有很好的后期承載力。隨著內鋼管壁厚的增加，試件的極限承載力有所上升，下降段的下降速率減緩，穩定荷載增大，說明內鋼管壁厚的增大對于延性及后期承載力有所增強。

2)根據圓中空夾層鋼管RPC短柱試件的試驗結果，得到了圓中空夾層鋼管混凝土承載力公式。

3)基于有限元軟件ABAQUS模擬得到試件軸壓荷載-應變曲線，該模擬曲線與試驗結果兩者吻合較好，驗證了本文有限元模型的合理性，說明ABAQUS軟件能較好地實現對圓中空夾層鋼管RPC短柱的軸壓全過程的模擬和分析。

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Mechanical behavior of RPC filled double skin circular steel tube columns

TANG Changhui，OUYANG Peng

(School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The article carries out experiments of 13 RPC(Reactive Powder Concrete)-filled double skin steel tubular short columns under axial compression loading, and obtains ultimate capacity and mechanical properties under the inside steel tube wall different thickness of RPC-filled steel tube. Based on the existing research achievements at domestic, the article proposes the calculation formula of ultimate capacity of RPC-filled double skin steel tubular. By utilizing the finite element software ABAQUS, the article simulates the process of experiment, and obtains ultimate capacity and load-strain curves, which are agree with the experiment results.

RPC-filled double skin steel tubular; the inside steel tube wall thickness; load carrying capacity; finite element software ABAQUS

2016-01-26

國家自然科學基金資助項目(51278181)

唐昌輝(1963-)，男，湖南長沙人，副教授，博士，從事預應力和組合結構研究；E-mail:2863472302@qq.com

TU375

A

1672-7029(2016)12-2427-07