不同加勁肋鋼管無水泥混凝土短柱軸壓試驗(yàn)

周沫含 裴長(zhǎng)春*

(延邊大學(xué)，吉林 延吉 133002)

0 引言

薄壁鋼管混凝土柱由于承載力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在部分拱橋結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房等建筑中得到應(yīng)用。但近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)柱軸壓性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析，結(jié)果表明：柱在破壞時(shí)容易產(chǎn)生局部屈曲，這樣既降低了鋼管對(duì)混凝土的約束，也不利于增加鋼管和混凝土的粘結(jié)。如，金周(2008)提出在鋼管混凝土工程中采用薄壁鋼管，在軸向荷載下容易發(fā)生局部屈曲，尤其是截面形狀為方形或矩形時(shí)[1]。通過以上研究結(jié)果可知，薄壁鋼管混凝土柱因有這些缺陷，降低了其承載力，所以推廣應(yīng)用受到一定的限制。

因此，本文為了提高薄壁鋼管混凝土短柱的力學(xué)性能，同時(shí)提高工業(yè)廢棄物利用率，降低環(huán)境污染，故以礦渣、粉煤灰等無熟料水泥混凝土作為基體混凝土，改變不同加勁肋形式，研究不同加勁肋的無熟料水泥再生薄壁鋼管混凝土短柱的軸壓性能，為鋼管混凝土短柱的設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及方法

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用的混凝土水膠比為0.3，單位用水量為170 kg/m3，以粉煤灰47.5%、礦渣47.5%、低純度石灰粉5%(以上均為相對(duì)膠凝體的質(zhì)量百分比)代替全部水泥作為膠凝材料，再生骨料摻入率為50%(總粗骨料中所占的質(zhì)量百分比)，砂率為0.5，減水劑摻入率為0.7%(相對(duì)膠凝體的質(zhì)量百分比)；選用以KOH為2.5%和NaOH為5%(相對(duì)膠凝體質(zhì)量比)組合作為激發(fā)劑進(jìn)行基準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計(jì)[2]，改變加勁肋形式4個(gè)水準(zhǔn)，共計(jì)劃4組實(shí)驗(yàn)。并在規(guī)定齡期計(jì)劃測(cè)試柱的破壞形態(tài)、荷載—應(yīng)變曲線、軸心抗壓強(qiáng)度等。

1.2 試件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了四個(gè)180 mm×180 mm×540 mm的鋼管短柱，壁厚2.5 mm。第一組試件為不加肋、第二組試件是在柱截面邊長(zhǎng)的1/2處設(shè)寬25 mm縱向540 mm的加勁肋[3]，第三組試件是在第二組試件的基礎(chǔ)上在柱頂端和底端分別加一個(gè)25 mm×25 mm的墊片，第四組試件是在柱截面邊長(zhǎng)的1/3和2/3處設(shè)寬25 mm縱向540 mm的加勁肋。軸壓載裝置采用的是YAS-5000的微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，其最大的試驗(yàn)力5 000 kN。YAS-5000的系統(tǒng)可以自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并能進(jìn)行自動(dòng)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞狀態(tài)

首先，無加勁肋的鋼管混凝土柱，在加載初期，隨著荷載值不斷增大，位移讀數(shù)不斷增加，但是試件鋼管外并無明顯現(xiàn)象，當(dāng)荷載增加至350 kN時(shí)，鋼管外部柱上口和中間位置產(chǎn)生局部屈曲，隨著荷載值繼續(xù)增大，鋼管外焊接邊緣開始發(fā)生炸裂，發(fā)出一聲脆響，最終破壞荷載為700.5 kN。其次，單肋鋼管混凝土柱，在加載初期，鋼管柱無明顯變化，位移讀數(shù)不斷增加，當(dāng)荷載從850 kN增加至900 kN時(shí)，柱中焊縫撕裂并發(fā)出咔咔的響聲，最終破壞時(shí)荷載為900.8 kN。第三組單肋加墊片鋼管混凝土柱，在加載初期，鋼管柱表面無明顯變化，位移持續(xù)上升，當(dāng)荷載增加至820 kN時(shí)，上部柱口處開始發(fā)生鼓曲，柱的焊縫開始撕裂，并發(fā)出響聲，最終破壞荷載為881 kN。雙肋鋼管混凝土柱，在加載初期，鋼管并無任何變化，位移數(shù)值不斷增加。當(dāng)荷載加至800 kN時(shí)，柱四面的上部開始向外發(fā)生鼓曲；當(dāng)加載至900 kN時(shí)，柱中間部位開始凸起，荷載繼續(xù)增加，凸起部分開始開裂，最終破壞時(shí)荷載為963.5 kN。

2.2 荷載—應(yīng)變曲線

圖1為不同加勁肋形式無熟料水泥再生薄壁鋼管混凝土短柱的荷載—應(yīng)變曲線。將鋼管應(yīng)變發(fā)展過程分為彈性階段和彈塑性階段。彈性階段：四根鋼管柱的應(yīng)變發(fā)展過程相似，鋼管柱的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)，1/4，1/2，3/4各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變接近，由圖1可看出，在不設(shè)加勁肋的鋼管中，當(dāng)荷載加載至400 kN時(shí)，應(yīng)變變化很大，說明加勁肋的添加有利于增強(qiáng)鋼管與混凝土的粘結(jié)性；在鋼管與混凝土的作用下，混凝土也抑制了鋼管的早期屈服。彈塑性階段：四根鋼管柱的應(yīng)變發(fā)展過程相似，當(dāng)荷載加載到極限荷載的90%后，應(yīng)變開始變大且發(fā)展迅速，伴隨荷載的變大，試件破壞。在設(shè)雙肋的鋼管柱中，可以看到荷載加載至800 kN時(shí)，三個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變均在2 000以內(nèi)，說明加勁肋的添加可以對(duì)鋼管柱的破壞產(chǎn)生一定的約束作用。

2.3 短柱的軸心抗壓強(qiáng)度

圖2為不同加勁肋形式無熟料水泥再生薄壁鋼管混凝土短柱的軸心抗壓強(qiáng)度。從圖2可看出，首先不設(shè)加勁肋的鋼管柱軸心抗壓強(qiáng)度最低為31.1 MPa；隨著加勁肋形式的變化，當(dāng)加勁肋形式為單肋時(shí)，柱的軸心抗壓強(qiáng)度為40.1 MPa；當(dāng)加勁肋形式為單肋帶墊片時(shí)，柱的軸心抗壓強(qiáng)度稍有增高，為39.2 MPa；當(dāng)加勁肋為雙肋時(shí)，柱的軸心抗壓強(qiáng)度為42.8 MPa。可見，加勁肋為雙肋時(shí)軸心抗壓強(qiáng)度最高。說明加勁肋增強(qiáng)了鋼管的穩(wěn)定性，使鋼管柱中混凝土和鋼管的粘結(jié)力更強(qiáng)，起到了提高軸壓性能的作用。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)不同加勁肋形式的無熟料水泥再生鋼管混凝土短柱軸壓性能的試驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論：

1)有加勁肋的鋼管柱比無加勁肋的鋼管柱，軸壓承載力有所提高，且單肋帶墊片、單肋、雙肋依次提高，其中，雙肋的鋼管柱的破壞荷載最高。

2)無水泥混凝土鋼管混凝土短柱的破壞形式與普通混凝土柱相似，荷載—應(yīng)變曲線發(fā)展的彈性和彈塑性階段與普通混凝土鋼管柱基本一致。

3)在本試驗(yàn)中可得出，當(dāng)加勁肋為雙肋時(shí)，得到的抗軸壓承載力最高，性能最好。

參考文獻(xiàn):

[1] 金 周.薄壁鋼管混凝土短柱基本力學(xué)性能研究[D].廈門：華僑大學(xué),2008.

[2] 王曉博.復(fù)合摻料無水泥混凝土短柱軸壓性能試驗(yàn)研究[D].延吉：延邊大學(xué),2015.

[3] 張俊光,陳建華.設(shè)加勁肋鋼管混凝土軸壓短柱試驗(yàn)研究及有限元分析[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2015,11(12):199-203.