鋼管混凝土短柱軸壓承載力試驗(yàn)與規(guī)范計(jì)算方法對比研究

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土短柱，承載力，尺寸效應(yīng)，本構(gòu)關(guān)系，套箍系數(shù)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.12.032

0 引言

鋼管混凝土（Concrete Filled Steel Tubular，CFST）外鋼管提供的側(cè)向約束力，使核心混凝土材料脆性較強(qiáng)的缺點(diǎn)能明顯改善，強(qiáng)度也大幅提升[1]。如今，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以其承載能力高、塑性強(qiáng)、耐火性能好和造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中[2]。結(jié)構(gòu)承載力的評定在工程實(shí)踐中具有十分重要的意義。

當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于鋼管混凝土短柱承載力的計(jì)算方法較多，文獻(xiàn)[3-4]采用疊加原理理論計(jì)算，疊加理論忽略了鋼管和核心混凝土相互作用的影響，將鋼管的承載力和混凝土的承載力相加得到；文獻(xiàn)[5-6]采用套箍效應(yīng)理論計(jì)算，通過引入套箍系數(shù)表達(dá)鋼管對核心混凝土的約束作用；文獻(xiàn)[7-8]采用統(tǒng)一強(qiáng)度理論計(jì)算，將鋼管和混凝土看作同一種材料來研究其組合工作性能。本文將以上各算法計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，并對鋼管混凝土短柱進(jìn)行尺寸效應(yīng)分析，為鋼管混凝土承載力的計(jì)算提供必要的參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)概況及構(gòu)件材料性能

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了2個(gè)素混凝土柱和9根圓形無縫鋼管混凝土短柱試件，其中，素混凝土柱高330mm，直徑108 mm，采用C55混凝土澆筑，試驗(yàn)測得素混凝土柱抗壓強(qiáng)度平均值f ck=35.53 MPa，鋼管混凝土構(gòu)件中的鋼管采用Q345鋼材，混凝土強(qiáng)度等級為C55，各構(gòu)件含鋼率α和套箍系數(shù)θ基本相等。試件編號、實(shí)際尺寸及材料性能指標(biāo)見表1。

1.2 加載裝置與加載方式

本試驗(yàn)在500 t液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)前，用打磨機(jī)將構(gòu)件上、下梁端鋼板打磨平整，將試件放置在壓力機(jī)上進(jìn)行幾何對中和物理對中[3]，然后進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)。試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)主要有：軸向荷載、軸向位移、鋼管外壁縱向、環(huán)向應(yīng)變及試驗(yàn)環(huán)境溫度。

試驗(yàn)加載方式參照文獻(xiàn)[1]，采用力控制的加載制度，縱向、環(huán)向應(yīng)變運(yùn)用INV2312N無線總線靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)自動(dòng)采集，此外，在試驗(yàn)機(jī)底面對稱布置4個(gè)百分表測定試件的軸向位移。加載裝置如圖1所示，試驗(yàn)應(yīng)變片布置如圖2所示。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

加載初始階段，各試件處于彈性工作狀態(tài)，鋼管軸向和環(huán)向應(yīng)變均較小，構(gòu)件軸向位移也很小；當(dāng)荷載增大至極限荷載的75%左右時(shí)，鋼管表面鐵銹掉落，上下端出現(xiàn)環(huán)向鼓起；當(dāng)荷載增大至極限荷載的85%左右時(shí)，試件中間截面出現(xiàn)屈曲；隨著外荷載繼續(xù)增大，構(gòu)件發(fā)生了較大的塑性變形，但管內(nèi)受壓的混凝土依然可以對鋼管提供一定支撐；接近極限荷載時(shí)，混凝土斜剪破壞，出現(xiàn)30℃左右的斜裂縫，鋼管壁出現(xiàn)鼓包。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

對各試件逐一進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，4個(gè)測點(diǎn)測得應(yīng)變發(fā)展情況基本一致，故繪出各試件鋼管外壁荷載-平均縱向、環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線（即F-εz和F-εh曲線）。圖3～圖5分別表示了D =108 mm、159 mm和219mm三種規(guī)格鋼管混凝土短柱的F -εz、εh曲線，其中試件編號-z（如S-1-z）表示S-1試件的縱向應(yīng)變或軸向應(yīng)變，試件編號-h（如S-1-h）表示S-1試件的環(huán)向應(yīng)變。在試驗(yàn)中，由于鋼管處于環(huán)向受拉而軸向受壓的異號雙向應(yīng)力場中，為表示方便，圖中規(guī)定鋼管受壓應(yīng)變?yōu)檎担芾瓚?yīng)變?yōu)樨?fù)值。

由圖3～圖5可知，相同規(guī)格構(gòu)件環(huán)向應(yīng)變較接近，縱向應(yīng)變離散度略大，但增長趨勢基本一致。隨著荷載的增大，曲線大致可以分為彈性階段、彈塑性階段和塑性強(qiáng)化階段。各構(gòu)件在0～0.5Fu荷載作用下，曲線表現(xiàn)為線性增長，構(gòu)件基本承彈性狀態(tài)；當(dāng)荷載繼續(xù)增長，由于核心混凝土在壓力作用下開始膨脹，鋼管和混凝土協(xié)同工作，鋼管外壁應(yīng)變變化速率有所加快，直到構(gòu)件開始屈服；由于三種構(gòu)件套箍系數(shù)較大，荷載繼續(xù)增大時(shí)，應(yīng)變急劇增大，但承載力并未出現(xiàn)下降趨勢。

綜合圖3～圖5，各構(gòu)件在彈性階段的環(huán)向剛度均比縱向更大，D =108 mm、159 mm和219 mm三種規(guī)格構(gòu)件的環(huán)向剛度分別是縱向剛度的1.56、1.41、1.42倍，此外，當(dāng)構(gòu)件達(dá)到其極限承載力時(shí)，M1-M3構(gòu)件的縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變較S1-S3構(gòu)件分別提高12%和7%，L1-L3構(gòu)件的縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變較M1-M3構(gòu)件分別提高37%和9.1%，鋼管縱向應(yīng)變比環(huán)向提高更快，這是由于鋼管給予核心混凝土提供環(huán)向約束力，自身縱向應(yīng)力衰減所致。

3.2 荷載-平均位移關(guān)系曲線

圖6表示9個(gè)構(gòu)件的荷載-平均位移關(guān)系曲線，荷載-平均位移關(guān)系曲線可以直觀地反映構(gòu)件的整體力學(xué)性能，由圖6可以看出，該曲線與構(gòu)件荷載-縱向應(yīng)變關(guān)系曲線變化趨勢大致相同，曲線也分為彈性階段、彈塑性階段和塑性強(qiáng)化階段。加載初期，構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)，軸向力由鋼管與核心混凝土獨(dú)自承擔(dān)。荷載達(dá)到極限荷載的60%～75%時(shí)，核心混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)裂縫，體積膨脹，鋼管與混凝土共同承擔(dān)軸向荷載，荷載-位移呈非線性增長，且增幅逐漸減小，當(dāng)荷載增至極限荷載的85%以上時(shí)，軸向位移驟增，直至試件破壞。

圖6表示9個(gè)構(gòu)件的荷載-平均位移關(guān)系曲線，荷載-平均位移關(guān)系曲線可以直觀地反映構(gòu)件的整體力學(xué)性能，由圖6可以看出，該曲線與構(gòu)件荷載-縱向應(yīng)變關(guān)系曲線變化趨勢大致相同，曲線也分為彈性階段、彈塑性階段和塑性強(qiáng)化階段。加載初期，構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)，軸向力由鋼管與核心混凝土獨(dú)自承擔(dān)。荷載達(dá)到極限荷載的60%～75%時(shí)，核心混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)裂縫，體積膨脹，鋼管與混凝土共同承擔(dān)軸向荷載，荷載-位移呈非線性增長，且增幅逐漸減小，當(dāng)荷載增至極限荷載的85%以上時(shí)，軸向位移驟增，直至試件破壞。

3.3 尺寸效應(yīng)分析

尺寸效應(yīng)是指材料力學(xué)性能不為恒定常數(shù)，而與材料的幾何尺寸有關(guān)，混凝土尺寸效應(yīng)主要表現(xiàn)為斷裂能隨材料構(gòu)件尺寸的增大而增大，強(qiáng)度隨構(gòu)件尺寸的增大而減小[9]。混凝土材料強(qiáng)度越高，脆性越大，尺寸效應(yīng)也越明顯，尺寸效應(yīng)關(guān)系到材料的承載力、強(qiáng)度的評定，對于工程實(shí)踐具有十分重要的意義，故其影響不可忽略。

綜合表2和圖7可以看出，鋼管約束混凝土提高的承載力ΔN與試驗(yàn)值N_u之比與構(gòu)件幾何尺寸有關(guān)，D =159 mm構(gòu)件ΔN /N_u的平均值比D =108 mm構(gòu)件大4.8%，D=219 mm構(gòu)件ΔN /N_u的平均值比D =159mm構(gòu)件大13.6%，造成此現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)構(gòu)件尺寸增大，核心混凝土考慮尺寸效應(yīng)引起N_u值比不考慮尺寸效應(yīng)時(shí)更小，故ΔN /N_u將增大。由此表明，核心混凝土尺寸效應(yīng)對鋼管混凝土構(gòu)件承載力具有影響作用。

3.4 試驗(yàn)值與理論計(jì)算結(jié)果對比

目前，對鋼管混凝土短柱承載力理論值的計(jì)算方法主要有三種：疊加計(jì)算理論、統(tǒng)一強(qiáng)度理論和套箍效應(yīng)理論。美國ANSI/AISC360—2010[4]和歐洲Eurocode4（1994）[3]規(guī)范中采用疊加計(jì)算理論，在國內(nèi)，DBJ 13-51—2010[7]、韓林海和GB 50936—2014[8]規(guī)范中采用統(tǒng)一強(qiáng)度理論，CECS 28：2012[6]和蔡紹懷公式[5]采用套箍效應(yīng)理論，分別采用上述理論公式計(jì)算各試件承載力，如表3所示，將各試件承載力的試驗(yàn)值與其對應(yīng)的理論計(jì)算值進(jìn)行對比，得到結(jié)果表4所示。

由表3和表4可知：

（1）總體來看，套箍理論和統(tǒng)一強(qiáng)度理論的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，采用疊加理論得到的理論值的試驗(yàn)值偏差最大，這是因?yàn)榀B加理論忽略鋼管對核心約束作用而帶來的構(gòu)件軸壓承載力的提高，所以理論值小于試驗(yàn)值。其中ANSI / AISC 360-10規(guī)范對S型構(gòu)件理論值平均低于試驗(yàn)值42.8%，結(jié)果相對而言是不經(jīng)濟(jì)的。

（2）采用統(tǒng)一強(qiáng)度理論的計(jì)算結(jié)果相對比套箍效應(yīng)理論要保守。統(tǒng)一理論中的GB 50936—2014規(guī)范給出了跟接近試驗(yàn)值的結(jié)果，對于L型構(gòu)件的預(yù)測精度僅僅低于試驗(yàn)值7.4%，結(jié)果既保證了安全性也體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性。

（3）采用套箍效應(yīng)理論得到的理論值高于試驗(yàn)值，其中蔡紹懷公式對M型和L型構(gòu)件的預(yù)測結(jié)果均大于試驗(yàn)值19.4%和19.2%，這一結(jié)果在實(shí)際工程中往往是不安全的。

4 結(jié)論

通過鋼管混凝土短柱軸壓承載力試驗(yàn)探究了尺寸效應(yīng)對核心混凝土約束作用的影響。對比分析了三種理論方法計(jì)算值和試驗(yàn)值，得出以下結(jié)論：

（1）構(gòu)件在彈性階段時(shí)鋼管縱向的應(yīng)變比橫向應(yīng)變變化更大，這是由于外壁鋼管對核心混凝土提供環(huán)向的約束力，使其自身在縱向的應(yīng)力衰減所致。

（2）隨著鋼管混凝土尺寸增大，極限荷載對應(yīng)的縱、環(huán)向應(yīng)變明顯增大，結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展也更充分，過多延性的損失對構(gòu)件的抗震性能是不利的。

（3）基于疊加原理分析得出圓形鋼管混凝土短柱具有一定的尺寸效應(yīng)，但由于試件套箍系數(shù)較大，鋼管約束對混凝土強(qiáng)度提高較多，尺寸效應(yīng)表現(xiàn)并不明顯。

（4）圓鋼管混凝土構(gòu)件采用統(tǒng)一強(qiáng)度理論的計(jì)算結(jié)果相對比套箍效應(yīng)理論更保守，運(yùn)用CECS28：2012和DBJ 13-51—2010的總體計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合最好。

作者簡介

孫明賀，碩士，高級工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)與橋梁抗震研究。

（責(zé)任編輯：袁文靜）