倒角半徑對矩形鋼管混凝土柱的軸壓性能影響

柏佳文，魏洋，柴繼樂，丁明珉，王立彬

倒角半徑對矩形鋼管混凝土柱的軸壓性能影響

柏佳文，魏洋，柴繼樂，丁明珉，王立彬

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

為了研究倒角半徑對矩形鋼管混凝土柱的軸壓性能影響，進行3個系列15個矩形鋼管混凝土柱的軸壓試驗。變化參數包括倒角率(/=0.06~1.00)和鋼管厚度(2，4和6 mm)。研究結果表明：倒角半徑的改變能夠有效地減弱矩形鋼管混凝土柱角部的應力集中現象，提高鋼管的環向約束效果，改善約束混凝土柱的軸壓性能；隨著倒角半徑的增大，矩形鋼管混凝土試件破壞模式從剪壓破壞轉變為腰鼓破壞，其峰值應力、峰值應變和極限應力顯著提高，倒角率為1.00試件的極限強度比倒角率為0.06的試件提高幅度為40%~45%，表現出較高的承載能力和變形能力；鋼管厚度的增加對約束混凝土的軸壓性能也存在有益影響。

鋼管混凝土；矩形；倒角半徑；約束；軸壓性能

混凝土作為傳統建筑材料，得到了廣泛的研究與應用[1-4]，相對于普通混凝土，約束混凝土具有更高的承載能力和變形能力，是一種理想的結構形式。目前研究較為廣泛的約束材料有鋼管、箍筋、纖維增強復合材料等[5-7]，在工程應用中，以鋼管混凝土結構應用最為廣泛，在不同截面形式的鋼管混凝土柱中，研究與應用多集中于圓形截面鋼管混凝土的靜力性能、抗震性能和抗扭性能等[8-11]，圓形鋼管較矩形鋼管更能充分地約束核心混凝土，表現出優越的力學性能以及抗震性能。但是在實際工程中，矩形鋼管混凝土憑借梁柱節點構造及連接簡單，設計施工方便，能夠滿足美學要求等優點，具有更好的應用前景，因此，國內外學者針對矩形鋼管混凝土提出一系列措施改善其力學性能[12-22]，包括設置約束桿、內置螺旋箍筋、內置鋼管、圓端矩形、焊接加勁肋等。CAI等[17]研究表明約束桿能夠有效延緩鋼管局部屈曲；陳宗平等[18]試驗發現矩形鋼管內放置螺旋箍筋能較好的約束核心混凝土，改善矩形鋼管混凝土的軸壓性能；TAO等[19]研究表明內置矩形鋼管能夠顯著提高鋼管混凝土短柱的延性，但是對承載力提高并不明顯；ZHU等[20]通過圓形、方形和八角形三種截面形式的鋼管混凝土，對比了不同截面形狀與約束效果之間的關系；YUAN等[21-22]研究了不同加勁形式方鋼管混凝土柱的軸壓性能，通過參數化研究提出了較大寬厚比下加勁鋼管混凝土承載力簡化模型，同年又對加勁方鋼管混凝土的偏壓性能展開研究。從上述研究成果可見，現有研究中矩形鋼管混凝土截面形式單一，并未能考慮到實際工程中矩形鋼管混凝土不同倒角的實際影響，本文針對倒角半徑對矩形鋼管混凝土柱的軸壓性能影響，進行了15個不同倒角半徑的矩形鋼管混凝土柱的軸壓試驗，從倒角半徑和鋼管厚度2個變化參數對約束混凝土柱軸壓性能的影響進行分析。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

為了準確地研究倒角半徑對矩形鋼管混凝土的軸壓性能，所選擇的試件長細比必須恰當，過大易導致失穩破壞，過小短柱效應影響較大，參考以往研究，本文設計試件長細比為3.0，制作15個高度400 mm，截面尺寸133 mm×133 mm的矩形鋼管混凝土柱，各試件參數見表1，其中為倒角半徑，為鋼管邊長，t為鋼管厚度。試驗變化參數為倒角半徑和鋼管厚度，按照鋼管厚度(2，4和6 mm)不同分為3個系列，每個系列5種倒角半徑(0，15，30，45和66.5 mm)。試件命名規則如下：第1個字母“S”表示鋼管混凝土試件，其后的數字如“2”表示鋼管厚度為2 mm，“”及后面的數字表示倒角半徑大小，如“15”表示倒角半徑為15 mm。

表1 試件參數

本試驗中矩形鋼管混凝土柱試件均由鋼管內部填充混凝土制作而成，其截面尺寸如圖1所示。預先將鋼板通過倒角鋼模冷彎加工成2個具有相同倒角半徑的對稱U形截面，隨后對拼焊接成完整矩形截面鋼管。受實際彎折工藝的影響，倒角半徑并不能完全彎折為0，實際彎折倒角半徑隨鋼板厚度的增加而增大(見表1)；分層澆筑混凝土，并振搗密實，頂面收平后置于室內條件養護28 d以上；養護完成的試件頂底面打磨平整光滑，防止加載時出現偏壓，同時對鋼管外表面進行除銹處理；為避免加載時試件兩端塑性鉸區域出現破壞，上下端分別黏貼寬度為20 mm的浸漬纖維布條。

單位：mm

1.2 材料性能

試驗用混凝土原材料嚴格按照國家標準進行質量控制，混凝土強度等級為C30，制作了6個標準立方體試塊(150 mm×150 mm×150 mm)，同條件下養護測得立方體試塊的抗壓強度平均值為45.4 MPa，圓柱體軸壓強度為37.8 MPa，強度等級滿足試驗要求。同一批次鋼材制作成每種厚度3個標準試件，按照《金屬材料拉伸試驗》(GB/T228.1—2010)規定方法進行拉伸試驗，獲得鋼管厚度2 mm試件的平均屈服強度和彈性模量分別為219.0 MPa和205.8 GPa；鋼管厚度4 mm試件的平均屈服強度和彈性模量分別為219.7 MPa和206.7 GPa；鋼管厚度6 mm試件的平均屈服強度和彈性模量分別為304.8 MPa和206.5 GPa。具體力學性能見表2。

表2 鋼管的力學性能

1.3 試驗加載與測試

試驗在3 000 kN高剛度電液伺服試驗機上進行。為了準確地測量試件的變形，對于倒角率為1.0(=66.5 mm)的試件中部四周沿縱向分別對稱黏貼4個縱向應變片，沿環向分別對稱黏貼4個橫向應變片；對于倒角率小于1.0的試件，沿橫截面對角線的倒角圓弧切點和中點處增加黏貼橫向應變片。同時，沿試件縱向設置了2個普通位移計和2個激光位移計，以測得試件的整體縱向變形及試件中部一定標距內縱向變形，普通位移計測量范圍為試件全高，激光位移計的測量范圍為試件中部360 mm。正式加載前，試件居中放置，采用試驗力控制，以300 kN荷載預加載3次，正式加載時，改為變形控制，加載速率為0.5 mm/min。試驗荷載由試驗機傳感器采集，試件位移及應變數據均有TDS530采集儀與試驗機同頻率采集。

2 試驗現象及試驗結果分析

2.1 試驗現象

圖2給出了典型矩形混凝土柱破壞情況(以S4系列為例)，在受載初期，試件表面均無明顯的變化，繼續加載至峰值荷載之后，試件單面開始出現輕微鼓起現象，隨后延伸到其他3個面，并形成一個凸鼓圈[15]，對于倒角較小的矩形截面試件，鼓起位置一般出現在矩形截面沿邊長中部，角部變形較小；對于倒角較大的矩形截面試件，試件的環向變形整體較均勻。從整體來看，對于大多數試件的凸鼓變形首先出現部位為試件高度方向的中部，隨著荷載的增加，凸鼓變形向上下部延伸，鋼管在縱向出現多個類似褶皺的凸鼓圈，繼續加載，鋼管的凸鼓圈變形越來越明顯，鋼管縱向屈曲后，試件保持一定的殘余承載力。對于倒角半徑較小的試件，鋼管表面出現的凸鼓圈數量多且明顯，以S4R0試件為例，4個面的凸鼓位置形成的不在同一水平面上，試件破壞屬于典型的剪壓破壞[16]；隨著倒角增大，試件截面退化至圓形，鋼管的環向受力分布較均勻，膨脹變形均勻連續，未出現嚴重變形的凸鼓圈和褶皺現象，呈腰鼓破壞。另外，隨著試件鋼管厚度的增加，試件表面鋼管縱向屈曲現象所表現出的褶皺和凸鼓圈減少。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 應力?應變曲線

圖3給出了矩形鋼管混凝土柱試件的名義應力?整體縱向應變曲線圖，名義應力根據試驗荷載除以初始截面面積計算得到，縱向應變根據普通位移計與激光位移計相互校核計算得到，矩形鋼管混凝土整體試件的受力過程的名義應力?應變曲線可以分為4個工作階段。第1階段為彈性工作階段，鋼管混凝土在加載初期的名義應力?應變關系呈線性變化，該階段內鋼管和核心混凝土共同承受縱向荷載，試件表面無明顯變化；隨著荷載的增加，曲線進入彈塑性階段，此階段內核心混凝土的膨脹變形導致鋼管由受壓狀態轉向縱向承壓和環向受拉并存的狀態；峰值荷載后試件進入下降階段，試件鋼管表面的褶皺和凸鼓變形逐漸明顯，鋼管屈服，對于倒角半徑較小的試件，矩形鋼管截面邊長中部變形大于倒角處變形，環向受力不均，曲線出現顯著的下降段，下降速率隨著倒角半徑增大和鋼管厚度的增加逐漸變小，趨于平緩；隨著鋼管的變形增加，試件進入2次強化階段，鋼管的矩形凸鼓圈變形加劇，逐漸發展成為類圓形凸鼓圈，此時該部位的約束機理與圓形截面鋼管相似，因此加載后期試件的承載力略有提高，曲線呈上升趨勢[16]，倒角半徑和鋼管厚度越小，這一階段越明顯，最后由于試件變形過大而終止試驗。

(a) S4R0; (b) S4R15; (c) S4R30; (d) S4R45; (e) S4R66.5

(a) S2系列；(b) S4系列；(c) S6系列

各試件局部名義應力?應變關系曲線如圖4所示，橫向應變及縱向應變均由試件中部的應變片測得。由圖4可以看出，加載初期，曲線變化一致，對于倒角半徑較小的試件，試件達到峰值荷載后，承載力下降幅度大，尤其是鋼管厚度較小時下降段更為陡峭，這是由于矩形截面鋼管混凝土柱的倒角處與邊長部位受到不均勻的約束力，倒角處應力集中，而截面邊長中部不能有效地對核心混凝土約束，表現出承載力下降[14]。隨著倒角半徑的增大，曲線下降段的斜率由負值變為正值，當截面退化為圓形，試件環向約束應力分布均勻，鋼管混凝土表現出更強的承載能力，這表明倒角半徑的改變能夠減弱應力集中現象，改善鋼管混凝土柱的受力性能。同時隨著鋼管厚度由2 mm變化至6 mm，其承受的縱向荷載增大，約束作用越明顯，鋼管混凝土的承載力提高明顯，延性越好。

(a) S2系列；(b) S4系列；(c) S6系列

2.2.2 對比分析

試件主要試驗結果如表3所示，表中(2/為倒角率，cc和cc為試件的峰值應力及峰值應變，cu為試件的極限應力。對于峰值后下降型試件，峰值應力及峰值應變定義為峰值最大點，對于峰值后無下降型試件，峰值應力及峰值應變定義為曲線水平或上升變化的轉折點，極限應力定義為荷載最大值所對應的應力值，而極限應變不具有對比意義。

表3 試件主要試驗結果

圖5給出不同鋼管厚度試件的力學性能與倒角半徑的關系圖，縱坐標為各試件峰值應力、峰值應變與極限應力和素圓柱體混凝土試件相應力學指標的比值。從表3和圖5可以看出，矩形鋼管混凝土柱的軸壓性能與倒角半徑和鋼管厚度呈正相關，相同鋼管厚度，倒角半徑越大，力學性能提高效果越好，如S4系列試件倒角半徑從0 mm變化到66.5 mm，其峰值應力分別提高了1.70，1.72，1.78，2.05和2.41倍，峰值應變分別提高了3.20，3.30，5.35，7.30和9.25倍，極限應力分別提高了1.70，1.72，1.88，2.06和2.47倍，在倒角半徑最小時，矩形鋼管的約束效果最差，對于倒角半徑=0和15 mm 2組試件，峰值應力、峰值應變及極限應力提高比差異不是十分顯著，主要由于=0的鋼管實際彎折加工時的倒角半徑并不為0，實際倒角半徑可見表3。隨著鋼管厚度增加，=0和15 mm 2組試件倒角半徑差異變小。隨著倒角半徑從0 mm變換到66.5 mm，S2系列、S4系列和S6系列倒角率最大的試件較倒角率最小的試件峰值應力提高幅度分別為38.0%，41.8%和42.4%，極限應力提高幅度分別為42.6%，45.0%和45.6%，峰值應力最大提高比分別為4.25，9.25和10.90。對比可見，倒角半徑對矩形鋼管混凝土柱的峰值應力、峰值應變及極限應力均有顯著的提高，結合名義應力?應變曲線可見倒角半徑的增加可以減弱截面約束應力集中，提高約束混凝土柱的承載能力和變形能力；此外，在倒角半徑一定時，鋼管厚度的變化也是影響矩形鋼管混凝土柱軸壓性能的重要參數，如試件S4R66.5與S2R66.5相比，鋼管增加2 mm，試件峰值應力、峰值應變及極限應力提高幅度為62.2%，117.6%及60.5%，鋼管厚度越大，其軸壓性能越優異。

(a) 峰值應力(fcc/fco)；(b) 峰值應變(εcc/εco)；(c) 極限應力(fcu/fco)

3 結論

1) 對于矩形鋼管混凝土試件，加載初期，試件表面無明顯現象，峰值后矩形鋼管首先一面出現凸鼓，隨荷載增大而延伸到其余3個面，形成完整凸鼓圈，倒角半徑越小，凸鼓圈數量多且明顯，呈斜平面，屬于典型的剪壓破壞，倒角率增大，截面逐漸退化至圓截面時，試件膨脹變形均勻，屬于腰鼓破壞。

2) 矩形鋼管混凝土柱試件的名義應力?整體縱向應變曲線圖可分為彈性工作階段、彈塑性階段、下降階段和2次強化階段4個階段，峰值荷載后隨著鋼管凸鼓、褶皺現象逐漸明顯，曲線進入下降階段，隨著鋼管的矩形凸鼓圈變形加劇，逐漸發展成為類圓形凸鼓圈，約束機理與圓形截面鋼管類似，承載力略有提高，曲線進入2次強化階段。

3) 對于倒角半徑和鋼管厚度越小的試件，局部名義應力?應變曲線下降段越明顯，鋼管約束效果越差，當倒角半徑從0 mm變化至66.5 mm，曲線的下降段斜率由負值變為正值，鋼管發揮出更強的約束力，試件表現出更好的承載能力和變形能力，倒角半徑的增加能夠有效地改善應力集中現象。

4) 矩形鋼管混凝土柱的軸壓性能與倒角半徑和鋼管厚度密切相關，倒角半徑增大對矩形鋼管混凝土柱試件的軸壓性能存在有益影響，相同鋼管厚度下，倒角率越大，軸壓性能提高效果越明顯；此外，鋼管厚度的增加對約束混凝土柱的承載能力和變形能力也有一定提高。

[1] 黃凱健, 王俊彥, 陸佳慧, 等. 新型大孔隙護坡生態混凝土力學性能研究[J]. 混凝土, 2016(6): 80?83. HUANG Kaijian, WANG Junyan, LU Jiahui, et al. Mechanical performance of eco-concrete with large porosity used in slope protection[J].Concrete, 2016(6): 80?83.

[2] 張永興.基于離散模型的混凝土構件破壞過程研究[J]. 固體力學學報, 2015, 36(1): 35?41.ZHANG Yongxing. Study on discrete model for evaluating failure process of concrete of concrete member [J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2015, 36(1): 35?41.

[3] 黃凱健, 王愛國, 盧政, 等. 新型鋼渣_碎石透水混凝土力學性能研究[J]. 混凝土, 2018, 349(11): 98?101. HUANG Kaijian, WANG Aiguo, LU Zheng, et al. Mechanical properties of a new type of steel slag-gravel permeable concrete[J]. Concrete, 2018, 349(11): 98?101.

[4] 盧政, 居月, 王元綱, 等. 摻鋼渣復合摻合料的高性能混凝土抗硫酸鹽侵蝕性研究[J]. 林業工程學報, 2018, 3(2): 143?148. LU Zheng, JU Yue, WANG Yuangang, et al. Study on sulfate erosion resistance of high performance concrete mixed with steel slag compound admixture[J]. Journal of Forestry Engineering, 2018, 3(2): 143?148.

[5] WEI Yang, ZHANG Xi, WU Gang, et al. Behaviour of concrete confined by both steel spirals and fiber- reinforced polymer under axial load[J]. Composite Structures, 2018, 192(5): 577?591.

[6] 魏洋, 李國芬, 端茂軍. 矩形FRP-鋼復合管混凝土短柱的軸壓試驗研究[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2014(12): 47?51.WEI Yang, LI Guofen, DUAN Maojun. Experimental study on rectangular concrete-filled FRP-steel composite tube short columns under axial compression[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,2014(12): 47?51.

[7] ZHANG Yirui, WEI Yang, BAI Jiawen, et al. Stress- strain model of an FRP-confined concrete filled steel tube under axial compression[J]. Thin-Walled Structures, 2019, 142(9): 149?159.

[8] 丁發興, 余志武. 圓鋼管混凝土軸壓短柱受力機理影響因素分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2006, 3(1): 6?11. DING Faxing, YU Zhiwu. Parameters analysis of the behavior of concrete filled circular steel tubular stub columns[J].Journal of Railway Science and Engineering, 2006, 3(1): 6?11.

[9] WEI Yang, JIANG Cheng, WU Yufei. Confinement effectiveness of circular concrete-filled steel tubular columns under axial compression[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2019, 158(7): 15?27.

[10] 陳夢成, 林博洋, 黃宏. 酸雨腐蝕后圓鋼管混凝土柱抗震性能研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2017, 14(1): 142?148. CHEN Mengcheng, LIN Boyang, HUANG Hong. A study of seismic performance for circular concrete filled steel tubular column under acid rain attack[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(1): 142?148.

[11] 王宇航, 郭一帆, 劉界鵬, 等. 偏壓荷載下鋼管混凝土柱的抗扭性能試驗研究[J]. 土木工程學報, 2017, 50(7): 50?61. WANG Yuhang, GUO Yifan, LIU Jiepeng, et al. Experimental study on behavior of concrete filled steel tube columns under torsion and eccentric compression[J]. China Civil Engineering Journal, 2017, 50(7): 50?61.

[12] Carmen D, David H F, Ana P, Shape effect on axially loaded high strength CFST stub columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2018(147): 247–256.

[13] Hassanein M F, Patel V I. Round-ended rectangular concrete-filled steel tubular short columns: FE investigation under axial compression[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2018(140): 222?236.

[14] CHEN Chengcheng, KO Jenwen, HUANG Guoluen, et al. Local buckling and concrete confinement of concrete- filled box columns under axial load[J]. Steel Construction, 2012, 78(6): 8?21.

[15] 郭蘭慧, 戎芹, 張素梅. 方鋼管混凝土中鋼管屈曲承載力研究[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2011, 43(10): 6?11. GUO Lanhui, RONG Qin, ZHANG Sumei. Buckling strength of square hollow section steel filled with concrete[J].Journal of Harbin Institute of Technology, 2011, 43(10): 6?11.

[16] 柯曉軍, 陳宗平, 薛建陽, 等. 方鋼管再生混凝土短柱軸壓承載性能試驗研究[J]. 工程力學, 2013, 30(8): 35?41. KE Xiaojun, CHEN Zongping, XUE Jianyang, et al. Experimental study on the bearing capacity of recycled aggregate concrete-filled square steel tube short columns under axial compression[J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(8): 35?41.

[17] CAI Jian, LONG Yueling. Axial bearing capacity of square and rectangular CFT stub columns with binding bars[J]. Journal of Building Structures, 2009, 30(1): 7?14.

[18] 陳宗平, 經承貴, 徐金俊, 等. 方鋼管螺旋筋復合約束混凝土柱軸壓機理及承載力計算[J]. 土木工程學報, 2017(5): 51?60. CHEN Zongping, JING Chengui, XU Jinjun, et al. Mechanism and load-bearing capacity of square steel tubular and spiral stirrup composite confined-concrete stub columns under axial compression[J]. China Civil Engineering Journal, 2017(5): 51?60.

[19] TAO Zhong, HAN Linhai. Behaviour of concrete-filled double skin rectangular steel tubular beam–columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006, 62(7): 631?646.

[20] ZHU Jiongyi, CHAN Takming. Experimental investigation on octagonal concrete filled steel stub columns under uniaxial compression[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2018(147): 457?467.

[21] YUAN Fang, HUANG Hong, CHEN Mengcheng. Behaviour of square concrete-filled stiffened steel tubular stub columns under axial compression[J]. Advances in Structural Engineering, 2019, 22(7): 1?17.

[22] YUAN Fang, HUANG Hong, CHEN Mengcheng. Effect of stiffeners on the eccentric compression behaviour of square concrete-filled steel tubular columns[J].Thin- Walled Structures, 2019(135): 196?209.

Effect of corner radius on axial compression behavior of rectangular concrete filled steel tubular columns

BAI Jiawen, WEI Yang, CHAI Jile, DING Mingmin, WANG Libin

(College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In order to study the effect of corner radius on the axial compressive behavior of concrete filled rectangular steel tubular columns, three series of fifteen concrete filled rectangular steel tubular columns under axial compression were tested. Variable parameters include corner radius ratio (2/=0.06~1.00) and tube thickness (2, 4 and 6 mm). The results show that the increase of corner radius can effectively weaken the stress concentration at the corner of concrete filled rectangular steel tubular columns, and can improve the circumferential confining effectiveness of steel tube, and can improve the axial compression behavior of confined concrete columns. With the increase of corner radius, the failure modes of specimens change from shear-compression failure to waist drum failure, the peak stress, peak strain and ultimate stress of concrete filled rectangular steel tube are obviously increased. The ultimate strength of specimens with corner ratio of 1.00 is 40%~45% higher than that of specimens with corner ratio of 0.06 showing higher bearing capacity and deformation capacity. The increase of steel tube thickness also has a beneficial effect on the axial compression performance of the confined concrete.

concrete filled steel tube; rectangular; corner radius; confinement; axial compressive behavior

TU398.9

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0707 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190407

2019?05?13

國家自然科學基金資助項目(51778300)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20151520，BK20191390)；江蘇省“333”工程資助項目(BRA2016421)；江蘇省六大人才高峰資助項目(JZ-017)

魏洋(1978?)，男，安徽合肥人，教授，博士，從事復合材料及其在土木工程中的應用研究；E?mail：wy78@njfu.edu.cn

(編輯 蔣學東)