內置開孔鋼管的鋼筋混凝土梁抗彎試驗

陳晶，付秀艷，2，張歡鸞，儲金亮

(1. 華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山 063210；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

引言

型鋼混凝土結構由內部型鋼與外包混凝土構成，兩部分共同受力。同時型鋼混凝土結構具有抗震性能好、減小構件截面尺寸和自重、防火性能好等優點[1]。型鋼混凝土結構憑借其優良的受力性能得到了國內外學者的廣泛關注。目前，國內外研究主要集中在型鋼混凝土正截面受彎、斜截面受剪、構件及節點的抗震性能研究[2-6]。同時型鋼混凝土( steel reinforced concrete，SRC) 結構因其承載力高、剛度大及抗震性能好等優勢，廣泛應用于超高層建筑及大跨度重載結構中[7-9]。

鋼管混凝土(Concrete Filled Steel Tube簡稱CFST)其在力學性能方面，擁有強度高、塑性好等優點。聶建國、Han、郭全全等研究了鋼管混凝土疊合柱軸壓、偏壓及滯回性能，認為鋼管混凝土疊合柱具有較高的承載力和較好的抗震性能[10-13]。錢稼茹等指出鋼筋混凝土梁-鋼管混凝土組合柱節點實現了"強核心區弱梁"，發生鋼筋混凝土梁彎曲破壞[14]。Liao等通過試驗研究了鋼筋混凝土梁(鋼梁)-鋼管混凝土疊合柱節點的滯回性能，結果表明鋼筋混凝土梁(鋼梁) -鋼管混凝土疊合柱節點發生梁端彎曲破壞，具有較好的抗震性能[15]。

當今的建筑中內置開孔鋼管的鋼筋混凝土構件得到應用較少，同時此類構件也是研究較少的一種結構形式。對此結構從外向內觀察，其外部的鋼筋混凝土把鋼管包圍在內部，由內部而言，鋼管包裹著混凝土。這種新形式，能夠增強混凝土和鋼材的材料優勢，進而讓這2種材料性能得到更好的發揮。內置開孔鋼管的鋼筋混凝土構件與傳統SRC結構不同的是，用混凝土填充鋼管形成的部分作為結構內部。此時的鋼管為型鋼，其內部受力復雜程度比普通的SRC結構要高。并且當前對鋼管作為型鋼的SRC梁研究較少，因此它是一種具有研究空間的型鋼混凝土結構。

1試驗概況

1.1 試件設計

該試驗共有3根簡支梁構件，2根為相同配筋尺寸的內置開孔鋼管的鋼筋混凝土梁，不同的是鋼管的開孔個數與開孔間距，其中一根梁的鋼管開孔為6個孔洞，它的編號為L1，另一根梁的鋼管開孔為12個孔洞，它的編號為L2，最后一根為相同配筋和尺寸的鋼筋混凝土梁，其編號為L3。梁長為3 400 mm；梁高為400 mm；梁寬為200 mm；受拉區2根直徑16 mm，長為3 320 mm的鋼筋在邊緣彎折90°，彎折長度為192 mm的彎折處直徑為64 mm，受壓區2根直徑12 mm，長為3 350 mm的鋼筋在邊緣彎折90°，彎折長度為144 mm，彎折處直徑為48 mm，受拉鋼筋和受壓鋼筋彎折部分間距為9 mm；箍筋彎剪段為6@150，純彎段為6@200，箍筋彎折135°，彎折長度為30 mm彎折處直徑為24 mm；鋼管長度是3 300 mm外直徑是108 mm內直徑是100 mm，壁厚是4 mm；試驗梁保護層為20 mm；鋼孔示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 開孔個數為6的鋼管三維示意圖 圖2 開孔個數為12的鋼管三維示意圖

1.2 材料性能

本試驗采用C25混凝土，其由水泥:水:砂:碎石=1:0.47:1.59:3.39的比列配置而成。為了材料性能選擇同批次澆筑的混凝土，并預留邊長為 100 mm的混凝土立方體試塊，同條件養護28 d，采用標準試驗方法測得混凝土的平均立方體抗壓強度為26.1 MPa，平均彈性模量為2.01×104 MPa。試驗所用的鋼管均為 Q235 鋼，平均屈服強度為277.5 MPa，平均極限強度為345.6 MPa。構件中所使用的鋼筋均為HRB400級鋼筋。測得鋼筋平均屈服強度為444.05 MPa，平均極限強度為599.76 MPa。梁截面示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 內置開孔鋼管鋼筋混凝土梁彎剪段截面圖 圖4 同尺寸配筋的鋼筋混凝土梁截面圖

1.3 加載裝置與加載方案

加載裝置的布置方式如圖5所示。該試驗采用的加載方案是開始采用力控制，當達到合適條件之后改為位移控制。在試驗梁凈跨的2個三等分點處設置加載點。本次試驗加載示意圖如圖6所示。

加載工作如下：

(1)正式試驗前需要進行預加載。預加載的主要作用是試驗前檢驗各裝置的使用性能。本次試驗計劃預加載到10 kN左右。

(2)本次試驗正式加載分為3個階段。第1階段為力加載:每級速率為5 kN/min，當開裂荷載出現即停止加載。第2階段在開裂之后，此階段同樣為力加載：每級在速率為10 kN/min，當鋼筋應變達到1 800 ue時停止此階段加載。第3階段改為位移控制，位移速率為5 mm/min，當梁達到破壞要求時停止加載。

圖5 加載裝置布置圖 圖6 加載位置示意圖

1.4 試驗測試內容

在試驗中重點對一些部位進行合理的應變及位移與裂縫變化趨勢的測試。

(1)型鋼應變測試

為了探討梁的抗彎能力，在鋼管位于跨中部分的上下左右4個邊緣分別粘貼應變片。

(2)鋼筋應變測試

鋼筋中應變最重要的部分為中部受拉區鋼筋。因此在此部位的鋼筋的側邊都粘貼應變片。并在受壓鋼筋的一側也粘貼上應變片用來探索試驗時受壓區鋼筋應變數據與趨勢。且同一位置2根鋼筋都粘貼上應變片。在梁的兩側彎剪段的箍筋處同樣分別粘貼應變片，目的是測試試驗過程中箍筋是否破壞進而導致梁發生剪切破壞。

(3)混凝土應變測試

根據研究目的選擇位于跨中的混凝土成為主要的研究對象。因此，選梁跨中位置的側面相應的位置分別粘貼5個應變片。截面的應變片位置如圖7所示。

(4)撓度測試

在加載位置對應處的梁的底部和梁跨中對應的梁的底部各自固定3個位移計，同時在兩邊底座處也各自固定一個位移計。位移計布置如圖5所示。

(5)裂縫量測

首先為了觀察的更加清晰需要給構件進行刷白。試件干燥之后先做好標記再用墨斗通過彈線的方式在試件上畫上100 mm×100 mm 的正方形網格。試驗過程中當發現裂縫時，及時進行記錄。試驗過程中和結束時都對裂縫寬度進行了測量，并測量了裂縫之間的距離。

圖7 截面應變片位置詳圖

2試驗結果

2.1 試驗器械及構件裝配

試驗開始之前，調整作動器的位置，使其保持平衡再將其固定，給作動器安裝加載頭，然后給加載頭安裝分配梁。之后使用地梁、壓梁、地錨等工具來固定底座。在每個底座上面根據實驗距離放置鉸支座固定裝置。通過合理地轉動作動器，保證分配梁與試件保持水平且對齊。其中本試驗在鉸支座和加載點位置設置鋼板。

試驗梁與加載裝置裝配完成之后，進行應變片導線和帶屏蔽層導線的連接。之后將帶屏蔽層的導線一邊連接到采集儀上，另一邊連接到補償線上。采集儀連接完成如圖8所示。

圖8 采集儀連接完成圖

2.2 試驗現象

(1)L1試驗現象

當作動器將荷載加載至28 kN時出現一條自北側底座1 080 mm(加載點對應底部向純彎段偏80 mm處)由底部偏上50 mm為起點向南測上部偏離80°長約100 mm的肉眼可見的小裂縫。當作動器將荷載加載至50 kN時南側加載點的正下方向北偏離70 mm為起點出現一條向北側上部偏離80°長約120 mm的肉眼可見的小裂縫。當作動器將荷載加載至126 kN的時候兩側彎剪段均產生指向加載點的大約180 mm的斜裂縫。當作動器將荷載加載至246 kN的時候裂縫變寬，此時裂縫發展緩慢大多裂縫豎向高度達到300 mm。當作動器將荷載加載至267 kN時南側加載點附近的受壓區混凝土頂部出現裂縫為破壞的現象，之后位移增大力開始下降。當作動器將荷載加載至214 kN作動器位移為82 mm時，南側加載點附近的受壓區混凝土向北400 mm范圍徹底被壓碎。期間最大裂縫寬度為5 mm。

(2)L2試驗現象

當作動器將荷載加載至30 kN時產生一條自北側底座1 060 mm處的梁的純彎段受拉區底部(北側加載頭對應的受拉區底部混凝土向南側60 mm)為起點向上90 mm的垂直裂縫。當作動器將荷載加載至40 kN時在開裂荷載南側約100 mm處純彎段內自底部產生一條120 mm的向上的垂直裂縫。當作動器將荷載加載至104 kN時，自北側底座往南1 420 mm處位于梁純彎段受拉區底部產生一條大約100 mm的垂直裂縫。當作動器將荷載加載至223 kN時，兩側彎剪段再次產生裂縫，之前的彎剪段的縫延長且均指向加載點。當作動器將荷載加載至256 kN時純彎段和彎剪段均出現一些肉眼可見的小裂縫。當作動器將荷載加載至265 kN作動器位移25 mm時隨位移增長加載力已經不再增大，已有裂縫延長較快且長度均達到200 mm左右，受壓區南側加載點在純彎段附近產生裂縫且爆皮，受壓區混凝土破壞。當作動器將荷載加載至217 kN作動器位移74 mm時，在南側加載點附近的純彎段受壓區大量破壞。此階段梁的受壓區的混凝土被壓碎的情況肉眼可見，且掉皮面積擴大，間最大裂縫寬度為6 mm。

(3)L3試驗現象

當作動器將荷載加載至25 kN時自南側底座向北1 000 mm的南側加載點對應受拉區混凝土底部產生一條向上約90 mm長的小裂縫。當作動器將荷載加載至36 kN時，自南側底座向北1 150 mm，梁的純彎段受拉區底部產生一條向上長約100 mm的垂直裂縫。當作動器將荷載加載至64 kN時，梁的純彎段中部受拉區自底部產生3條垂直小裂縫長約90 mm，3條裂縫間距約100 mm。當作動器將荷載加載至128 kN時，純彎段之前的裂縫長度增長加快均達到240 mm并且裂縫明顯加寬，且純彎段新產生一些均勻的小裂縫。當作動器將荷載加載至146 kN作動器位移25.6 mm時，兩側加載頭的純彎段附近的受壓區混凝土均出現裂縫，此時受壓區混凝土破壞，混凝土表面純彎段裂縫垂直高度達到330 mm左右。當作動器將荷載加載至103 kN作動器位移60 mm時，裂縫寬度較大，兩側加載頭的純彎段附近受壓區混凝土肉眼可見起皮，受壓區表面橫裂縫較多，受壓區混凝土壓碎且裂縫寬度較大因此停止加載。期間最大裂縫寬度為4 mm。試驗梁受壓區壓碎如圖9所示。

圖9 試驗梁破壞圖

3數據分析及公式推導

3.1 試驗梁混凝土應變數據分析

圖10所示為試驗梁純彎段跨中部分混凝土截面應變分布。內置開孔鋼管的鋼筋混凝土梁中的混凝土截面的應變分布接近于一次函數(直線)變化。從而認為內置開孔鋼管的鋼筋混凝土梁截面的混凝土的應變符合平截面假定。同時可看出同尺寸配筋的鋼筋混凝土梁也滿足平截面假定。

圖10 試驗梁混凝土跨中應變曲線

3.2 鋼筋應變分析

圖11所示為本次試驗的3根試驗梁的受拉鋼筋和受壓鋼筋跨中截面的荷載應變曲線。

圖11 試驗梁跨中鋼筋應變曲線

經過對比可發現，內置開孔鋼管的鋼筋混凝土梁中的鋼筋應變趨勢與同配筋尺寸的鋼筋混凝土梁鋼筋應變趨勢大致相同。經過觀察可發現，在加載初期，受拉區混凝土承擔了試驗梁大部分荷載。之后作動器給予的外力加大，受拉區混凝土的裂縫變多變寬且延伸，混凝土逐漸就不再主要承擔拉力。這時候拉力更多的作用到受拉鋼筋和鋼管混凝土上，體現在數據圖上就是鋼筋的屈服應變斜率開始變大，應變變化速度隨之增大。之后隨著鋼筋的屈服，鋼筋應變斜率再次發生變化。其中受拉區鋼筋主要正向增長，受壓區鋼筋主要是負向增長。

3.3 型鋼應變數據處理

從荷載應變曲線中可以看出，隨著混凝土退出工作，與鋼筋屈服，鋼管的荷載應變曲線斜率都會隨之發生變化，數據如圖12所示。

圖12 試驗梁跨中鋼管應變曲線

3.4 試驗梁撓度荷載曲線對比分析

3根試驗梁的撓度荷載圖有著明顯的差異，因此將其數據處理并放在一起更能直觀地分析此類數據，數據如圖13所示。

圖13 試驗梁位移荷載對比圖

由圖13可以看出，3根試驗梁中以位移為基準，達到屈服的順序首先是L3，然后是L2，最后是L1。從開始加載到破壞L1所用位移最大為79.939 mm，其次是L2所用位移為72 mm，最少的是L3所用位移為59.6 mm。L1和L2內置開孔鋼管的梁屈服之后的承載力較強且較為接近，其極限荷載是同尺寸配筋的鋼筋混凝土梁的1.82倍。L1梁從極限荷載到最終破壞所用的位移為58.249 mm。L2梁從極限荷載到最終破壞所用的位移為54.51 mm。L3梁從極限荷載到最終破壞所用的位移為33.955 mm。內置開孔鋼管鋼筋混凝土梁從極限荷載到最終破壞，相比同尺寸配筋的鋼筋混凝土梁需要1.6倍以上的位移，構件在變形持續增長的情況下，承載力下降很慢，內置開孔鋼管的存在使得試驗梁到達極限荷載之后，持續承載力有明顯的增強。經過此數據還可發現，L1比L2開了較少的孔洞且在開孔間距較大的情況下，L1達到屈服、極限荷載和構件有明顯下降段所需要的位移均比L2要少。

3.5 影響試驗梁相關因素探討

將梁的一些相關因素進行列表分析。表1所示為試驗梁主要數據，表2所示為試驗梁極限承載力對比。

表1 試驗梁主要數據

表2 試驗梁極限承載力對比

由表1中數據可知，本次試驗3根試驗梁開裂荷載相差不多，其中梁L1和梁L2的開裂荷載為極限荷載的12%左右，而同尺寸配筋的鋼筋混凝土梁開裂荷載為極限荷載的18%。并且由此表可以看出，內置開孔鋼管的鋼筋混凝土梁承載力明顯高于同尺寸配筋鋼筋混凝土梁的承載力，前者屈服荷載大約是后者的1.92倍，且前者的極限荷載是同尺寸配筋的鋼筋混凝土梁的1.82倍。其中梁L1和梁L2內配鋼管，其極限承載力明顯高于梁L3，說明有無鋼管對試驗梁的承載力影響較大。同時內置開孔鋼管鋼筋混凝土承載力隨著鋼管開孔體積比的增大而減小。試驗梁L1和試驗梁L2極限荷載較為接近，因鋼管開孔數不多且孔洞不大，鋼管均勻開孔的開孔間距及開孔個數對其抗彎性能影響較小。

3根試驗梁的延性比均較大，均有較好的延性。其中梁L1和梁L2內置開孔鋼管鋼筋混凝土梁比同尺寸配筋的鋼筋混凝土梁L3承載力大，且可保持良好的延性比。同時內置開孔鋼管的鋼筋混凝土梁比同樣承載力的鋼筋混凝土梁截面尺寸要小很多，進而在增大建筑使用空間的同時還方便了結構設計。

現有規范對型鋼為鋼管的SRC梁計算方法并不全面，通過之前的試驗得出的內置開孔鋼管的鋼筋混凝土梁和相同尺寸配筋的鋼筋混凝土梁極限承載力和通過規范的計算方法得出試驗梁極限承載力進行對比，可以看出梁L1和梁L2的實際承載力比規范計算承載力大36%。內置開孔鋼管實際承載力比較大的原因除了鋼管剛度較大外，還因已有規范對鋼管為型鋼情況下不太適用。

3.6 內置開孔鋼管鋼筋混凝土梁受彎承載力計算方法

從試驗數據可看出，試驗梁純彎段內部的鋼筋與鋼管在達到極限荷載之前均屈服。由此在考慮鋼管開孔的情況下可根據力的平衡條件推導出下列公式。

(1)

根據力矩平衡條件推出下列公式:

(2)

(3)

(4)

式中

γ1為橫截面開孔系數，無量綱;

γ2整體開孔系數，無量綱;

β為鋼管強化系數，無量綱;

Ase為橫截面開孔面積,mm2；

Aaf為不開孔狀態下橫截面鋼管面積,mm2；

Vse為所有孔洞體積,m3；

Va為不開孔狀態下鋼管體積,m3；

s為鋼管形心位置到受拉鋼筋合力點的距離,mm。

將2根試驗梁的數據帶入公式得出鋼管強化系數分別為1.192 428和1.192 45，因此取鋼管強化系數為1.192 4。通過計算得出試驗梁L1最大彎矩為133.504 kN.m，極限荷載為267.008 kN，其實際極限荷載為267 kN，計算得出試驗梁L2最大彎矩為132.534 kN.m,極限荷載為265.068 kN，其實際極限荷載為265 kN，由此可看出理論計算數值與實際接近。理論計算數值與實際數值相對比如圖14所示。

圖14 理論數值與實際數值對比

4結論

(1)內置開孔鋼管鋼筋混凝土承載力隨著鋼管開孔體積比的增大而減小。開孔個數與開孔間距影響了構件達到屈服、極限荷載和構件有明顯下降段所需要的位移。

(2)本試驗中內置開孔鋼管鋼筋混凝土梁的屈服荷載與極限荷載均為同尺寸配筋鋼筋混凝土的1.8倍，且3根試驗梁延性比均較大。體現出內置開孔鋼管鋼筋混凝土梁具有良好抗彎性能且擁有較好的延性。

(3)已有規范并不適用于內置開孔鋼管鋼筋混凝土梁的承載力計算，提出了一種關于此類梁承載力提出了相對合理的計算公式。