配筋圓鋼管混凝土短柱單軸壓縮的力學特征

張 帆

(1.太原理工大學，山西 太原 030024； 2.中鐵十七局集團有限公司勘察設計院，山西 太原 030006)

配筋圓鋼管混凝土短柱單軸壓縮的力學特征

張 帆1,2

(1.太原理工大學，山西 太原 030024； 2.中鐵十七局集團有限公司勘察設計院，山西 太原 030006)

研究了配筋圓鋼管混凝土短柱單軸壓縮的力學特征，分析了配筋率和配箍率對配筋鋼管混凝土力學性能的影響作用，探討了配筋優化改善鋼管混凝土力學特征的機理，最終得出了一些有意義的結論。

配筋鋼管混凝土，單軸壓縮，力學特征，極限承載能力

鋼管混凝土在軸向受壓時，鋼管會發生“套箍效應”，這種效應迫使核心混凝土的受力狀態成為三向應力狀態。核心混凝土的三向受力狀態的側向約束作用致使其抗壓強度遠大于其單軸抗壓強度。此外，核心混凝土的三向受力狀態同時改變了鋼管混凝土的整體性能，使其由脆性破壞特征向塑性破壞特征發生改變。鋼材和混凝土的合理組合關系，能夠使得其組合體鋼管混凝土的力學性能得到較大的改善，同時又能發揮各自的優勢，因此鋼管混凝土在國內外得到了廣泛的應用和研究[1-3]。配筋鋼管混凝土是在鋼管混凝土內部的混凝土中通過合理地配置鋼筋而形成的一種新型組合鋼骨混凝土[4]。這種新型配筋鋼管混凝土較普通鋼管混凝土具有承載能力、可以進一步限制核心混凝土的剪切滑移破壞，明顯改善整體力學性能。目前國內關于配筋鋼管混凝土的力學特征的研究并不成熟，為了促進對配筋鋼管混凝土破壞機理的認識，本文研究了配筋圓鋼管混凝土短柱在單軸壓縮時的受力破壞機理。

1 物理試驗

1.1 配筋圓鋼管混凝土短柱試樣的制作

為了研究配筋圓鋼管混凝土短柱與普通圓鋼管混凝土短柱相比對整體力學性能的改善作用，以及配箍率、配筋率對配筋圓鋼管混凝土力學性能的影響作用，試樣的制作方案如表1所示。試樣S1是為了研究配筋圓鋼管混凝土對整體力學性能的改善作用，試樣S5是為了研究箍筋間距對配筋鋼管混凝土整體力學性能的影響作用，而S2，S3以及S4這3個試樣是為了研究配筋率對配筋鋼管混凝土整體力學性能的影響作用。所有試樣中的混凝土為7 d齡期的C30早強混凝土，鋼管均為鋼材型號為Q235的焊接鋼管，鋼筋為型號HRB335的螺紋鋼，箍筋為型號為HPB235的光面鋼筋。首先制作鋼筋籠，待鋼筋籠制作完畢，再將鋼管吊裝在鋼筋籠外部并焊接在端部的鋼板上，之后安裝應變片(如圖1所示)，最后澆筑混凝土并振搗。養護8 d后，將另外一個端板焊接在鋼管的頂部。

表1 試驗試件配制方案

1.2 試驗加載

所有試樣的頂部呈90°角沿環向布置4個縱向位移計測量單軸壓縮過程中試樣的縱向位移。單軸壓縮試驗均在大型多功能結構試驗機上進行，其最大加載能力為10 000 kN。試驗過程中，初期采用荷載加載方式，加載速度為4 kN/s。當鋼管的軸向應變接近其屈服應變為0.001時，加載方式由荷載加載方式自動改變為0.035 mm/s的位移加載方式，直至荷載位移曲線發生下降并持續一段時間后停止試驗。

2 試驗結果分析

試驗獲取的荷載應變曲線如圖2所示。其中圖2a)表示的是試樣軸力與試樣平均軸向應變(縱向位移計監測的位移與試樣初始高度的比值)的關系，圖2b)表示的是試樣軸力與鋼筋軸向應變的關系，圖2c)表示的是試樣軸力與鋼管軸向應變的關系，圖2d)表示的是試樣軸力與各種監測軸向應變平均值的關系。

從圖2中可以看出，普通鋼管混凝土和配筋鋼管混凝土的軸力與軸向應變曲線可分為三段：1)彈性階段；2)屈服階段；3)應力強化階段。在試樣平均軸向應變達到0.001之前為彈性階段，此時普通鋼管混凝土(S1)的力學特征和配筋鋼管混凝土(S2～S5)沒有明顯的區別。之后，隨著鋼管軸向應變的增大，普通鋼管混凝土的軸力—軸向應變曲線偏離配筋鋼管混凝土，并且前者位于后者的下方，這表明配筋鋼管混凝土較普通鋼管混凝土具有更高的承載能力。此外，普通鋼管混凝土較配筋鋼管混凝土在較小的試樣平均應變進入塑性屈服階段，這是由于普通鋼管混凝土中的核心混凝土缺少配筋鋼筋籠在屈服階段對其的側向約束作用，進而導致核心混凝土側向應變較大發生鼓脹現象。配筋鋼管混凝土S4與S3,S2的軸力—軸向平均應變曲線相比，其位于最上部，其次是S3，最下部為S2，表明隨著配筋率的增大配筋鋼管混凝土的承載力增強。S5的軸力—軸向平均應變曲線位于S3的上部，甚至超過了S4，表明配箍率增大(箍筋間距減小)能明顯改善配筋鋼管混凝土的承載能力，其對承載能力的提升可能會超過配筋率對承載力的提升作用。導致圖2d)中軸向平均應變大于鋼筋和鋼管平均應變的原因是試樣軸向應變的計算是根據縱向位移計測量的試樣縱向位移，該縱向位移值包括了試樣頂、底部端板在單軸壓縮過程中的變形所致的。

綜合以上分析，配筋提高鋼管混凝土承載能力及其延展性能的機理可概括為：在達到極限承載能力前，由于配筋鋼管混凝土中的配筋鋼筋籠和鋼管能夠對其內部的混凝土產生雙重套箍約束作用，配筋率和配箍率越大，核心混凝土的三向應力狀態也越加顯著，三向應力狀態的增強進而大幅度地提高了極限承載能力，同時限制了核心混凝土的變形，增強了延展特性。

3 數值分析

為了研究配筋優化改善鋼管混凝土力學性能的機理，采用Abaqus有限元軟件對配筋鋼管混凝土短柱的單軸壓縮過程進行了受力分析。鋼材采用彈塑性本構模型，混凝土采用塑性損傷本構模型。鋼管采用S4R的四節點殼單元，混凝土采用C3D8R三維實體單元，箍筋和鋼筋采用T3D2三維桁架單元。試樣的各部分結構網格劃分如圖3所示。

圖4為配筋鋼管混凝土數值的計算結果，該模型以物理試驗S2試樣為原型。試樣中心切片的塑性應變表明最大塑性應變區域發生在試樣高度方向中間位置，且位于鋼筋籠縱筋和鋼管之間的混凝土區域，而鋼筋籠內部混凝土區域的塑性應變較小且在試樣中心部位存在一個塑性應變最小的圓形區域，可見鋼筋籠對核心混凝土具有明顯的側向約束作用，使得內部核心混凝土發生較小的塑性應變進而對核心混凝土起到了保護作用。中心沿X方向切片的側向位移表明試樣高度方向上中間部位鋼筋籠和鋼管之間的混凝土側向位移最大，以鋼筋籠為界限，鋼筋籠內部的混凝土則發生較小的側向位移。由鋼管的側向位移可知鋼管高度方向的中部位置發生較大的側向位移，從中心向其頂和底延伸時鋼管側向位移逐漸減小，表明鋼管中部有隆起現象發生。以上的數值分析結果表明，配筋鋼筋籠能夠有效約束核心混凝土，使得其三向受力狀態更加明顯，進而起到了保護核心混凝土的作用，最終提高了整體結構的承載能力。

4 結語

1)配筋鋼管混凝土較普通鋼管混凝土具有更高的承載能力與延展性能。配筋率和配箍率的增大均能提高配筋鋼管混凝土的極限承載能力。

2)由于配筋鋼管混凝土中的配筋鋼筋籠和鋼管能夠對其內部的核心混凝土產生雙重約束作用，致使核心混凝土的三向受力狀態較普通鋼管混凝土的強，進而增大了核心混凝土的極限承載能力，同時也增強了其延展性能。

[1] 顧維平,蔡紹懷.鋼管高強混凝土的性能與極限強度[J].建筑科學,1991(1)：26-28.

[2] 蔡紹懷.鋼管混凝土結構的計算與應用[M].北京:中國建筑工業出版社,1989.

[3] 韓林海.鋼管混凝土結構[M].北京：科學出版社,2000.

[4] 韓金生,董毓利,徐趙東.配筋鋼管混凝土柱抗壓性能[J].土木建筑與環境工程,2009,3(3)：11-17.

Mechanical properties of reinforced concrete filled steel tubular short columns under uniaxial compression test

Zhang Fan1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.InstituteofSurvey&Design,ChinaRailway17thBureauGroupCo.,Ltd,Taiyuan030006,China)

The mechanical properties under uniaxial compression test are studied in this paper. The effect of reinforcement ratio and stirrup ratio on the mechanical properties of reinforced concrete filled steel tube is analyzed, and the mechanism of the reinforcement improving the mechanical properties is discussed, drow meaningful conclusion.

reinforced concrete filled steel tubular short columns, uniaxial compression test, mechanical properties, limit bearing capacity

1009-6825(2017)22-0034-02

2017-05-27

張 帆(1986- )，男，在讀工程碩士，工程師

TU317

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