帶初始缺陷的方鋼管混凝土構(gòu)件抗彎性能試驗(yàn)研究

呂利芹 張謝東 朱海清 郭子會 盧士波

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) ( 武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院2) 武漢 430074) (內(nèi)蒙古伊泰準(zhǔn)東鐵路有限責(zé)任公司3) 鄂爾多斯 010300) (中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司4) 南京 210000)

0 引 言

鋼管混凝土構(gòu)件由于具有承載力高、塑性和韌性好、施工方便和經(jīng)濟(jì)效果好等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中的應(yīng)用越來越廣泛[1-3].近年來，國內(nèi)外學(xué)者均對這種新型的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為深入的研究，韓林海等[4]研究了往復(fù)荷載作用下矩形鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能；閆煦等[5-6]研究了CFRP(carbon fiber reinforced polymer/plastic)加強(qiáng)后的鋼管混凝土構(gòu)件的受彎性能；吉伯海等[7-8]研究了各種形式的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；Hassanein等[9-10]研究了不同形式的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的軸壓性能.

鋼管混凝土構(gòu)件的外鋼管常常受到碰撞、腐蝕等缺陷，這些缺陷可能會影響構(gòu)件的性能和使用壽命.鋼構(gòu)件的缺陷通常可以分為兩大類：幾何缺陷和材料缺陷.幾何缺陷的存在通常是因?yàn)闃?gòu)件的真實(shí)尺寸與設(shè)計尺寸存在一定的偏差，及裝卸過程中出現(xiàn)的初彎曲等.材料缺陷則與由腐蝕、焊接等引起的材料厚度和損傷有關(guān).王志濱等[11-13]研究了缺陷對不同使用用途下的鋼管混凝土構(gòu)件的影響，而文獻(xiàn)[14]以人工槽口模擬了外部圓鋼管的材料缺陷，進(jìn)行了帶缺陷的圓鋼管混凝土柱的軸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明帶缺陷的外部鋼管不能為核心混凝土提供足夠的約束效應(yīng)，從而降低了試件的軸壓承載力，但是文獻(xiàn)沒有研究這種缺陷的存在對鋼管混凝土構(gòu)件抗彎承載力的影響，對此類試件力學(xué)性能的分析還不夠.因此，在這些研究的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)文獻(xiàn)[14]的研究方法設(shè)計了本次試驗(yàn)，采用位移加載的方式來進(jìn)行帶初始缺陷的薄壁鋼管混凝土構(gòu)件循環(huán)加載抗彎試驗(yàn)，以此研究初始缺陷對薄壁鋼管混凝土構(gòu)件抗彎性能的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計

試驗(yàn)共設(shè)計六個薄壁方鋼管混凝土試件，截面形式為正方形，試件長度L均為950 mm，截面邊長D均為120 mm.鋼管混凝土構(gòu)件的材料缺陷采用人工槽口模擬，根據(jù)槽口分布的方向和大小可將構(gòu)件分為四類，即縱向1倍寬、2倍寬槽口和橫向1倍寬、2倍寬槽口，具體見表1.為了減少變量數(shù)量，每個缺陷試件的槽口中心均設(shè)置在構(gòu)件底面的幾何中心，方向與構(gòu)件邊緣平行，且槽口的深度為鋼管壁厚，槽口草圖見圖1.

注：b-寬度；l-長度；t-厚度圖1 槽口草圖

表1中fy為鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值.其中S-P-hollow和S-P-solid分別表示無槽口的空管和無槽口的實(shí)心鋼管，其他試件通過槽口方向和寬度的不同來進(jìn)行區(qū)分比對.6個試件均進(jìn)行低周循環(huán)荷載作用下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn).

根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，將試件兩端通過固定支座錨固在實(shí)驗(yàn)室的地梁上，支座尺寸及強(qiáng)度通過有限軟件試算確定.考慮到通過位移來控制循環(huán)加載，將作動器與試件之間采用剛性夾具連接.支座與地梁、夾具與作動器之間均采用高強(qiáng)螺栓連接.固定支座及剛性夾具實(shí)物見圖2.

圖2 固定支座及剛性夾

試件編號槽口方向槽口位置槽口大小l×b/mm鋼管D/mmt/mmEs/GPafy/MPa混凝土抗壓強(qiáng)度值fc/MPaS-P-hollow1202.220030350.9S-P-solid1202.220030350.9S-H1-1/2橫向1/25×801202.220030350.9S-V1-1/2縱向1/280×51202.220030350.9S-H2-1/2橫向1/210×801202.220030350.9S-V2-1/2縱向1/280×101202.220030350.9

注：fy-鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；S-方管；P-試件沒有槽口；V-縱向槽口；H-橫向槽口；數(shù)字1-1倍寬度、2-2倍寬度中間部分的字母和數(shù)字分別為試件槽口的方向和大小；1/2-槽口中心位于試件長度的1/2處.

1.2 材料特性

方鋼管為Q235直縫焊管，彎角處的內(nèi)倒角半徑為5 mm.試驗(yàn)前將備用鋼管沿縱面剖開，從鋼管的管壁處進(jìn)行鋼材取樣，對于方鋼管鋼材取樣時要避開焊縫和圓角處，取3個標(biāo)準(zhǔn)試件，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn).測試方法和拉伸試件的詳細(xì)尺寸依據(jù)文獻(xiàn)[15]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計，從而測得屈服強(qiáng)度fy、彈性模量Es等指標(biāo)，見表1.

混凝土強(qiáng)度等級為C50，其抗壓強(qiáng)度值fc由與試件同條件下成型養(yǎng)護(hù)的150 mm×150 mm×150 mm立方試塊測得，測試方法依據(jù)文獻(xiàn)[16]進(jìn)行，最終取每組三個試塊實(shí)測強(qiáng)度的平均值.混凝土強(qiáng)度見表1.

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)加載裝置示意和加載全貌圖見圖3.

圖3 加載裝置示意和全貌圖

試驗(yàn)時，將試件水平放置，為了避免加載過程中試件失穩(wěn)，將其兩端利用固定支座錨固在地梁上，通過跨中位置豎直向的500 kN的MTS作動器施加低周循環(huán)荷載，該作動器與試件通過剛性夾具連接.在梁跨四分點(diǎn)和跨中處分別放置百分表，用以測量撓度.試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載方法，通過控制加載位移來實(shí)現(xiàn)循環(huán)荷載作用，具體加載歷程根據(jù)文獻(xiàn)[17]制定，以將試件跨中位移從零拉壓各至峰值一次后回到零為加載1圈，圖4即為加載歷程圖.跨中荷載P和撓度δ由MTS的壓力傳感器直接采集，應(yīng)變的測量采用電阻應(yīng)變計，在試件側(cè)面的上下緣及底面1/4處分別布置一個縱向應(yīng)變計，在試件槽口兩端分別布置縱、橫向應(yīng)變計各一個，詳細(xì)布置情況見圖3a).

圖4 加載歷程

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)加載至試件出現(xiàn)裂縫破壞或壓力傳感器記錄的荷載明顯下降時即停止加載.對于所有試件，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)變計讀值呈較均勻變化；彈塑性階段，當(dāng)加載位移較大時，應(yīng)變計讀值變化較大，百分表記錄的撓度值變化也較大；但進(jìn)入塑性階段后，帶橫向槽口的試件應(yīng)變計讀值呈下降趨勢，其他試件的應(yīng)變計讀值變化則趨于平緩.

對于空鋼管，當(dāng)加載至8 mm時局部出現(xiàn)微小鼓曲，在隨后的卸載和反向加載中，鼓曲部分被拉平；當(dāng)加載至破壞時，試件跨中部分出現(xiàn)嚴(yán)重變形但無裂縫產(chǎn)生.

對于無槽口的實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件和有縱向

槽口的鋼管混凝土構(gòu)件，在加載過程中均會出現(xiàn)明顯鼓曲，且在第一次加載至20 mm后鼓曲不會被拉平，直至試件出現(xiàn)橫向裂縫破壞；對于有橫向槽口的鋼管混凝土構(gòu)件，在加載過程中不會出現(xiàn)明顯鼓曲，但會沿著槽口端部出現(xiàn)橫向裂縫破壞，若繼續(xù)加載則會發(fā)生斷裂破壞，如S-H1-1/2在第一次加載拉至40 mm發(fā)生斷裂.所有試件的破壞形態(tài)見圖5.

圖5 試件破壞形態(tài)

2.2 撓度分析

圖6為沿試件長度方向的撓度曲線圖，圖6a)為全部試件在加載位移為向下壓4 mm時各試件的撓度δ沿試件長度L的分布.由圖6a)可知，實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件的撓度曲線形狀近似于正弦半波曲線，而空心鋼管構(gòu)件的撓度隨試件長度變化的更大；在相同條件下，存在初始缺陷的試件產(chǎn)生的撓度要大于完整的鋼管混凝土構(gòu)件產(chǎn)生的撓度，且?guī)M向槽口的試件產(chǎn)生的撓度要大于帶縱向槽口的試件產(chǎn)生的撓度.另外，存在兩倍大槽口的試件產(chǎn)生的撓度比一倍大槽口的試件產(chǎn)生的撓度大.撓度愈大，試件的豎向變形愈大，說明試件的剛度變小，承載力減弱.

圖6b)～c)分別為試件S-V2-1/2、S-H2-1/2在不同加載下的撓度曲線圖，在加載位移小于20 mm時，帶初始缺陷的試件撓度沿長度變化近似于正弦曲線，當(dāng)加載位移至20 mm后，試件的各截面轉(zhuǎn)角變大，撓度變化不再呈正弦半波型.

圖6 長度L-撓度δ曲線圖

2.3 應(yīng)變分析

圖7為各試件的加載撓度δ-應(yīng)變ε曲線，圖7a)為1/4截面處各試件的縱向應(yīng)變曲線，圖7b)為槽口端部個試件的橫向應(yīng)變曲線.

圖7 加載撓度δ-應(yīng)變ε曲線

由圖7a)可知，在加載撓度為-1 mm時，帶初始缺陷的試件在1/4截面處先出現(xiàn)微小的壓應(yīng)變，而后的加載初期，處于彈性應(yīng)變階段的各試件的應(yīng)變與加載位移呈正相關(guān)；試件進(jìn)入塑性發(fā)展階段，完整的鋼管混凝土試件和帶縱向槽口的試件的應(yīng)變值變化速率很小，而帶橫向槽口的試件的縱向應(yīng)變隨著加載位移增加急劇下降，試件在此過程中出現(xiàn)裂縫破壞，達(dá)到極限承載狀態(tài).

由圖7b)可知，帶有縱向槽口的試件在槽口端部的橫向應(yīng)變較大，而帶有橫向槽口的試件的應(yīng)變則很小，這與試驗(yàn)過程中試件的變形過程相吻合.在試驗(yàn)過程中，試件產(chǎn)生的裂縫均沿試件的橫截面方向，而橫向槽口對試件橫向受拉面積的削減更多，故而其對受彎承載力的削減更大.

2.4 跨中荷載-撓度滯回曲線

實(shí)測各試件的跨中荷載P-跨中撓度δ滯回曲線見圖8，其中試件S-H1-1/2被拉至40 mm時發(fā)生斷裂，故其滯回曲線只取其加載至20 mm，以便分析對比.

圖8 跨中荷載P-跨中撓度δ滯回曲線

由圖8可知，空鋼管的滯回環(huán)捏縮最明顯，抗彎承載能力最差，無缺陷的鋼管混凝土試件的滯回環(huán)最飽滿，抗彎承載能力最好；與無缺陷的鋼管混凝土試件相比，帶槽口的鋼管混凝土試件的抗彎承載能力出現(xiàn)了削弱，其極限承載力變小，且橫向槽口對試件的抗彎承載能力削減的更大；在槽口方向相同的情況下，槽口大小對試件的抗彎承載能力也有一定程度的影響.由此說明，槽口的存在會減小鋼管混凝土構(gòu)件的受拉面積和減弱外側(cè)鋼管對核心混凝土的套箍約束，從而使得其承載能力減小.

此外，圖8b)～d)呈Z形，說明完整的鋼管混凝土試件和帶縱向槽口的鋼管混凝土試件具有滑移性質(zhì)，在低周循環(huán)荷載作用下出現(xiàn)了大量的滑移；而圖8e)～f)更近似于滯回曲線的反S形，表明橫向槽口的存在使得構(gòu)件的延性和耗能能力降低，出現(xiàn)了更多的滑移.

3 結(jié) 論

1) 以人工槽口模擬的外部鋼管的初始缺陷會削減鋼管混凝土試件的抗彎承載力.

2) 槽口方向?qū)︿摴芑炷翗?gòu)件的抗彎性能影響比較大.在槽口寬度相等的條件下，橫向槽口對試件受彎承載力的削減大于縱向槽口，且在試驗(yàn)過程中其產(chǎn)生的應(yīng)變更小，滑移更大，更容易出現(xiàn)裂縫破壞.

3) 在槽口方向相同的情況下，槽口的面積越大，也會在一定程度上降低試件的承載能力.但與槽口方向相比，槽口大小對試件的變形、應(yīng)變及承載力的影響均較小.