高強方鋼管高強混凝土柱單向偏壓性能研究

高維明 （中電建建筑集團有限公司，北京 100120）

隨著國內經濟的快速發展，房屋建筑工程的建設速度大大加快，城市化進程速率日益增長，使得高層乃至超高層建筑數量層出不窮。目前，房屋建筑工程的需求已經從量轉向質，結構形式也開始向輕質、高強的方向發展，因此，具有結構斷面小、承載力大的結構備受設計者的關注。鋼管混凝土和高強混凝土是目前主要的承重構件，為了進一步提升結構的跨度、承載性能，高強鋼材和高強混凝土組合的高強方鋼管高強混凝土柱因其具有大幅縮小截面尺寸、擴大空間面積的特性，被廣泛應用于房屋建筑工程設計中[1-3]。因此，研究高強方鋼管高強混凝土柱的力學性能對于提升房屋建筑工程質量及安全可靠性具有重要的工程實踐意義。

實際工程應用中，建筑構件通常會受到軸向荷載及偏心荷載的作用，使得高強方鋼管高強混凝土柱的單向偏壓性能關乎整個結構的安全性及可靠性。目前，國內外研究者開展了大量的鋼管高強混凝土結構柱力學性能方面的研究[4-5]，對高強鋼管高強混凝土柱而言，主要集中于研究軸向受壓作用下的短柱力學性能[6-8]，對單向偏壓的高強鋼管高強混凝土短柱力學性能的研究相對較少。鑒于此，本文開展了不同鋼管屈服 強 度（456MPa、652.1MPa、765.4MPa）及 偏 心 距（10mm、30mm、50mm）條件下高強方鋼管高強混凝土柱荷載-中截面側向撓度曲線、極限承載力以及荷載-縱向應變曲線的演變規律。對于高強方鋼管高強混凝土柱的結構優化設計具有十分重要的實際意義，有助于完善相關設計規范及標準的制定。

1 高強方鋼管高強混凝土柱單向偏壓性能試驗

1.1 試驗方案

為分析高強方鋼管高強混凝土柱單向偏壓性能隨鋼管屈服強度及偏心距的演變規律，共設計了5根高強方鋼管高強混凝土柱（以偏心距30mm 為基礎，改變鋼管屈服強度；以鋼材屈服強度652.1MPa為基礎，改變偏心距）。其中，試件截面的寬度為100mm，鋼管的壁厚為5mm，長度為400mm，所測試件均采用C100 的混凝土進行填充，上下端蓋板的長×寬×高分別為200mm×300mm×30mm，且所用的所有鋼管均為冷彎方鋼管，彈性模量值均為205GPa。具體的高強方鋼管高強混凝土短柱性能參數如表1所示。

表1 高強方鋼管高強混凝土短柱試件參數

1.2 試驗裝置

測試過程中，首先在試驗裝置上下兩端采用刀鉸將試件固定，采用豎向軸力為5000kN 壓力，通過改變刀鉸的位置實現高強方鋼管高強混凝土柱的偏心受壓。

在所測試件1/2高度處布置橫向位移計測量，在下加載板對角處布設縱向位移計，在鋼管外壁1/2高度處布設電阻應變片，先利用角磨機進行打磨后，用502 膠水將應變片粘貼在打磨平整的位置。然后對試件進行檢查，待檢查校準合格后方可進行后續的測試。

1.3 加載方案

試件實際加載過程中，本文采用等速位移的分級加載模式開展試驗。首先預加載極限承載力的1/10，既消除試件內部的應力，又檢查裝置和測量儀表的工作狀態；其次，先采用每級加載75%模擬極限荷載的1/10，持載3min；然后，采用勻速緩慢連續加載；最后，當試件達到極限承載力之后，采用極限承載力的75%進行加載，待試件損壞后，停止加載。本文測試過程中，采用UCAM70-A 數據自動采集儀器獲取所需的荷載、應變響應數據。

2 試驗結果分析

2.1 高強方鋼管高強混凝土短柱破壞過程

根據高強方鋼管高強混凝土加載過程中的破壞現象，高強方鋼管高強混凝土短柱的單向偏壓破壞過程包括無現象階段、混凝土破壞階段及鋼管屈服階段。對于無現象階段而言，鋼管與混凝土的力學行為均呈現彈性行為，相互作用較小；對于混凝土破壞階段而言，初始試件產生細微脆裂響聲，隨后響聲頻率開始增加；對于鋼管屈曲階段而言，鋼管開始發生鼓曲且混凝土內部出現連續的開裂聲，直至試件兩側面出現顯著的鼓曲狀態[9-10]。

2.2 高強方鋼管高強混凝土柱荷載-中截面側向撓度曲線

利用上述的方案獲取不同類型鋼管及偏心距的高強方鋼管高強混凝土短柱荷載-中截面側向撓度曲線如圖1 所示。從圖1 可知，所有試件的荷載-中截面側向撓度曲線基于一致，隨著側向撓度的增加，荷載均呈現先線性增長后緩慢增長最后緩慢下降的趨勢。這是由于加載初期，試件呈現為彈性行為，故中截面的側向撓度發展緩慢；隨著荷載的增加，試件呈現彈塑性行為，鋼材達到屈服且出現顯著的鼓曲，使得中截面側向撓度迅速增加；最后，待試件達到極限承載力后，中截面的側向變形隨著荷載的降低持續發展[11-12]。

圖1 不同條件下短柱荷載-中截面撓度曲線

從圖1可知，高強方鋼管高強混凝土短柱的極限承載力與鋼材屈服強度呈現正相關關系，與偏向距呈現負相關關系。且荷載-中截面側向撓度曲線的下降段隨著偏心距的增大更加平緩，表明高強方鋼管高強混凝土短柱的延性與偏心距呈現正相關關系。

2.3 高強方鋼管高強混凝土單向偏壓短柱極限承載力

根據圖1 中的不同類型鋼管及偏心距的高強方鋼管高強混凝土短柱荷載-中截面側向撓度曲線可知，其不同條件下的柱極限承載力如圖2所示。從圖2可知，鋼材屈服強度由456MPa增加至652.1MPa，極限承載力從1910.2kN 提升到2210.2kN，增幅達到15.7%；鋼材屈服強度由652.1MPa 增加至765.4MPa，極限承載力從2210.2kN提升到2321.2kN，增幅達到5.0%；高強方鋼管高強混凝土短柱的極限承載力隨鋼材屈服強度的增加率約為1.25kN/MPa。偏心距由10mm 增加至30mm，極限承載力從1712.5kN 提升到2210.2kN，增幅達到29.0%；偏心距由30mm 增加至50mm，極限承載力從2210.2kN 提升到3321.2kN，增幅達到50.2%；高強方鋼管高強混凝土短柱的極限承載力隨鋼材屈服強度的增加率約為40.2kN/mm。通過對比鋼材屈服強度及偏向距對高強方鋼管高強混凝土短柱極限承載力的影響程度，表明偏心率對短柱極限承載力的影響程度更加顯著。

圖2 不同條件下短柱極限承載力

2.4 高強方鋼管高強混凝土短柱荷載-縱向應變曲線

利用上述方案獲取不同類型鋼管及偏心距的高強方鋼管高強混凝土短柱荷載-縱向應變曲線如圖3 所示。從圖3可知，所有試件的荷載-應變曲線基于一致，隨著縱向應變的增加，荷載均呈現先線性增長后緩慢增長最后緩慢下降的趨勢。偏心距為10mm 的短柱在加載初期應變呈現負向增長，表明試件截面呈現受壓狀態，隨后又發展為正值，即試件開始呈現受拉狀態；其余的試件應變均為正值，即在加載過程中試件均表現為受拉狀態。

圖3 不同條件下短柱荷載-應變曲線

從圖3（a）中可知，受壓區鋼管的縱向應變進入屈服階段所需的荷載隨鋼材屈服強度的增加而增大，較晚進入屈服狀態。從圖3（b）中可以看出受壓區鋼管的縱向應變進入屈服階段所需的荷載隨偏向距的增加而降低，較早進入屈服狀態，且試件的應變增長速度隨著偏心率的增大而降低。不同鋼材屈服強度的短柱鋼管在下降段的90%～95%極限荷載位置處發生屈服，而不同偏心距短柱鋼管在下降段的85%～90%極限荷載位置處發生屈服，同樣表明偏心距對受拉區鋼管屈服的影響程度比鋼材屈服強度的影響程度顯著。

3 結語

綜上所述，高強方鋼管高強混凝土短柱的單向偏壓破壞過程包括無現象階段、混凝土破壞階段及鋼管屈服階段。隨著側向撓度的增加，所有試件的荷載均呈現先線性增長后緩慢增長最后緩慢下降的趨勢；高強方鋼管高強混凝土短柱的極限承載力與鋼材屈服強度呈現正相關關系，與偏向距呈現負相關關系。偏心率對短柱極限承載力的影響程度更加顯著。隨著縱向應變的增加，所有試件的荷載均呈現先線性增長后緩慢增長最后緩慢下降的趨勢；偏心距為10mm的短柱先表現受壓又表現受拉狀態；受壓區鋼管的縱向應變進入屈服階段所需的荷載隨鋼材屈服強度的增加而增大，較晚進入屈服狀態；受壓區鋼管的縱向應變進入屈服階段所需的荷載隨偏向距的增加而降低，較早進入屈服狀態；偏心距對受拉區鋼管屈服的影響程度比鋼材屈服強度的影響程度顯著。