帶肋方鋼管混凝土柱偏心受壓試驗研究

黃 宏，萬城勇

(鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

0 前言

方鋼管混凝土是在方形鋼管中灌注混凝土而成的構(gòu)件，具有承載力高、塑性和韌性好、制作和施工方便、耐火性能和經(jīng)濟(jì)效果好等特點，近年來越來越多地被應(yīng)用于高層和超高層等建筑中。方鋼管混凝土中鋼管的寬厚比若超過一定的范圍，在荷載的作用下，管壁較易產(chǎn)生向外的局部屈曲，降低了構(gòu)件的承載力。為提高此類構(gòu)件管壁的穩(wěn)定性，可采用設(shè)置縱向加勁肋、約束拉桿和角部隅撐等構(gòu)造措施。本文擬對在管壁內(nèi)設(shè)置縱向加勁肋的方鋼管混凝土偏壓試件進(jìn)行研究，稱之為帶肋方鋼管混凝土。由于加勁肋增加了方鋼管混凝土管壁的約束支撐點，所以，它不僅彌補(bǔ)了管壁中部約束效應(yīng)弱的情況，而且，有效地控制了局部屈曲的發(fā)展。其截面形式如圖1所示。

圖1 帶肋試件截面示意

國內(nèi)外已有研究者對方鋼管混凝土試件進(jìn)行了試驗和理論研究。曹寶珠(2004)[1]進(jìn)行了7根薄壁方鋼管混凝土長柱的偏壓試驗，并且采用有限元軟件ANSYS和基于塑性區(qū)域假定的能量方法對其進(jìn)行了模擬計算;陶忠和于清(2006)[2]進(jìn)行了18個薄壁方鋼管混凝土偏壓構(gòu)件的試驗研究，其中包括6個帶加勁肋的試件和12個不帶加勁肋的試件，在試驗研究的基礎(chǔ)上，采用纖維模型法和有限元法對其進(jìn)行了理論計算;陳勇等(2006)[3]進(jìn)行了9個無肋、單向和雙向設(shè)置直肋方形薄壁鋼管混凝土長柱偏壓和軸壓的試驗，并且用正交試驗設(shè)計和多元回歸分析評價了加載初始偏心距、設(shè)置直肋集合長度對長柱極限承載力的影響;UY(2000)[4]進(jìn)行了30個方鋼管混凝土試件在軸壓、純彎和偏壓荷載作用下力學(xué)性能的試驗研究，試驗考察的主要參數(shù)為寬厚比。本課題組已對帶肋方鋼管混凝土軸壓和純彎試件進(jìn)行了試驗研究［5-6］。

本文擬以長細(xì)比和偏心率為主要變化參數(shù)，通過與無肋方鋼管混凝土的對比試驗研究，考察帶肋方鋼管混凝土試件偏心受壓的力學(xué)性能。

2 試驗概況與方法

共設(shè)計了12個方鋼管混凝土試件，其中包括6個帶加勁肋的試件和6個不帶加勁肋的試件，具體參數(shù)見表1。其中，B為方鋼管邊長，t為管壁厚度，hs為加勁板件寬度，ts為加勁板件厚度，如圖1所標(biāo)注。fy為鋼材的屈服強(qiáng)度，fcu為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，Nue為試驗測得的試件極限荷載。試件設(shè)計時，主要變化參數(shù)為方鋼管的長細(xì)比 λ(λ=L/i，L為構(gòu)件計算長度，i為截面回轉(zhuǎn)半徑)和荷載偏心率e/r(e為荷載偏心距，r=B/2)。試件具體情況如表1所示，其試件編號中的CUS代表無加勁肋的方鋼管混凝土試件，CSS代表帶加勁肋的方鋼管混凝土試件。

表1 試件參數(shù)一覽表

制作帶肋方鋼管時，先按預(yù)定的尺寸切割下四塊用于制作管壁的鋼板，然后沿縱向在其預(yù)定位置焊接加勁肋，再拼焊成鋼管。對應(yīng)每個試件加工兩個板厚為10 mm的方形鋼板作為試件的蓋板，蓋板和方鋼管采用角焊縫進(jìn)行連接，空鋼管兩端要打磨平整，蓋板和空鋼管的幾何中心對中，先在空鋼管一端將蓋板焊上，另一端等混凝土澆灌之后再焊接。其中，鋼材強(qiáng)度由標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試驗確定。

采用人工攪拌配制混凝土，澆注時將方鋼管豎立，從頂部分層灌入混凝土，并用插入式振搗棒進(jìn)行振搗或在鋼管表面進(jìn)行敲擊(伸入鋼管內(nèi)部進(jìn)行完全振搗，在試件的底部同時用振搗棒在鋼管的外部進(jìn)行側(cè)振，使之密實)。試件為自然養(yǎng)護(hù)，兩周后鑿去混凝土表面浮漿，再用高強(qiáng)環(huán)氧砂漿將混凝土表面與鋼管管面抹平，待其硬化后打磨平整，然后焊上上蓋板，以保證鋼管和核心混凝土在受荷初期就能共同受力?；炷恋挠昧嫌兴?、普通硅酸鹽水泥、中砂和碎石，最大粒徑為25 mm?；炷恋闹亓颗浜媳葹?水泥∶水∶砂∶碎石 =1∶0.5∶1.52∶2.83?；炷翗?biāo)準(zhǔn)立方體強(qiáng)度 fcu由同條件成型養(yǎng)護(hù)的150 mm立方體試塊測得。

試驗在華東交通大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室500 t壓力機(jī)上進(jìn)行。試件兩端采用刀鉸加載，以期模擬兩端為鉸接的邊界條件?？紤]到加載時應(yīng)滿足不同試件加載偏心距的要求，在試件兩端設(shè)置了特別加工制作的加載板。加載板(30 mm厚)由模具鋼材制成，其上按預(yù)定偏心距設(shè)置相應(yīng)的條形凹槽，與刀口鉸(20 mm厚)的刀口相吻合。為保證試驗的安全以及在試驗過程中構(gòu)件的對中準(zhǔn)確，加載板與試件的兩端的蓋板用螺栓進(jìn)行連接。在試件彎曲平面內(nèi)沿柱高設(shè)置若干電測百分表，以測定試件在加載過程中的側(cè)向撓度的變化情況。對于較小長細(xì)比的試件(L=950 mm)，共設(shè)置三個電測百分表并沿柱高四分點布置;對于較大長細(xì)比的構(gòu)件(L=1 850 mm)，沿柱高六分點位置處布置五個電測百分表;并且在試件柱端設(shè)置兩個電測百分表，以測定縱向總變形。試驗加載和測量裝置如圖2所示。同時，在試件中截面的鋼管外表面中部與沿截面高度四分點處設(shè)置了縱向及橫向應(yīng)變片，以觀測試件受力過程中應(yīng)變的變化情況，如圖3所示。

圖2 試驗加載和量測裝置示意

圖3 應(yīng)變片位置示意

試驗采用分級加載制。彈性范圍內(nèi)，每級荷載為預(yù)計極限荷載的1/10。當(dāng)荷載加至70%的理論極限值或鋼管發(fā)生局部屈曲后，每級荷載約為預(yù)計極限荷載的1/15。每級荷載的持荷時間約為2 min，接近破壞時慢速連續(xù)加載，直至試驗結(jié)束。試驗過程中的變形試驗數(shù)據(jù)均通過DH3819數(shù)據(jù)采集儀自動采集。荷載值人工讀取。

2 試驗結(jié)果與分析

偏心距為零的試件均在接近柱端部分呈現(xiàn)軸壓破壞的特征，最終因失穩(wěn)而破壞。試件在加載初期撓度變化不明顯。無肋試件在軸向荷載加至40%～60%的極限荷載時，出現(xiàn)局部屈曲。帶肋試件由于加勁肋對鋼管的支撐約束作用，其局部屈曲在試件臨近極限承載力時才開始出現(xiàn)，由此可見，設(shè)置加勁肋能很好地延緩鋼管的局部屈曲。長細(xì)比越大的試件，局部屈曲會越早出現(xiàn)。由于初彎曲、初偏心的影響，試件首先在柱端附近受壓側(cè)出現(xiàn)局部屈曲。隨著荷載的增大，試件在首次出現(xiàn)局部屈曲的一側(cè)翼緣下部不同位置處又開始出現(xiàn)數(shù)處局部屈曲，且開始向兩側(cè)發(fā)展。當(dāng)荷載達(dá)到峰值后，試件的承載能力急劇下降，同時，在首次出現(xiàn)局部屈曲位置處的鋼管開始急劇外鼓，直至開裂。

偏心距不為零的試件在加載過程中均表現(xiàn)為側(cè)向撓度不斷增加、最終喪失穩(wěn)定而破壞的特征。無肋試件在加載到極限荷載的30% ～50%時，出現(xiàn)局部屈曲。帶肋試件局部屈曲在試件接近極限荷載時才開始出現(xiàn)，可見，加勁肋很好地起到了延緩鋼管局部屈曲的作用。試件在中截面或中截面偏上位置處的彎矩受壓區(qū)翼緣首先開始出現(xiàn)局部屈曲。隨著荷載的增大，試件的撓度不斷發(fā)展。試件在中截面附近的受壓區(qū)開始出現(xiàn)多處局部屈曲，同時，鋼管局部屈曲開始向兩側(cè)發(fā)展，試件極限荷載不斷下降。

圖4為所有試件的整體破壞形態(tài)。由圖4可見，無肋試件與帶肋試件整體破壞形態(tài)相似。無肋試件在受壓區(qū)翼緣處出現(xiàn)一個波長約為B的局部鼓曲，而帶肋試件在受壓區(qū)翼緣處只出現(xiàn)明顯的兩個半波鼓曲，波長約為B/2，由此可見，加勁肋有效地控制了局部屈曲的發(fā)展。偏心率對試件破壞形態(tài)的影響比較明顯，由圖4可見。偏心距為0的試件破壞部位主要集中在端部，偏心距為25 mm和50 mm的試件破壞部位主要集中在中部或偏上部。

圖5為試件剖開后的典型破壞形態(tài)。由圖5(a)可見，受壓區(qū)域外邊緣及兩側(cè)鋼管出現(xiàn)鼓曲，內(nèi)部混凝土被壓碎。受拉區(qū)域外邊緣及兩側(cè)鋼管發(fā)生外凸變形，內(nèi)部混凝土產(chǎn)生明顯的橫向裂縫，如圖5(b)所示。帶肋試件中的加勁肋由于局部屈曲的影響，在受壓區(qū)域屈曲處出現(xiàn)明顯的彎曲變形(3面)，受拉區(qū)域處基本未出現(xiàn)(1面)，如圖5(c)所示。試件腹板兩側(cè)外邊緣出現(xiàn)多處屈曲，加勁肋發(fā)生彎曲變形(2面)(4面)，如圖5(d)所示。

圖4 所有試件的破壞形態(tài)

圖5 試件剖開后的典型破壞形態(tài)

圖6顯示試件CSS16-2和CSS16-5在不同荷載作用階段撓度變形的典型發(fā)展情況。圖6中，橫坐標(biāo)為試件的撓度(u)，縱坐標(biāo)為試件上各點距柱底的高度(H)，n為荷載(N)與其極限荷載(Nue)的比值，虛線繪出了理想正弦半波曲線。比較圖6(a)、圖6(b)可見，在整個加載過程中，試件長細(xì)比(λ)越大，相應(yīng)的側(cè)向撓度也越大。長細(xì)比較小的偏壓試件(CSS16-2)，由于受混凝土澆筑和初始缺陷的影響，其撓度曲線存在不完全對稱的情況，破壞截面稍偏離中截面朝上;長細(xì)比較大的偏壓試件(CSS16-5)撓度曲線的發(fā)展，上下基本對稱，且試件的撓度曲線和理想正弦半波曲線基本吻合，加載初期，吻合程度最好。帶肋試件與無肋試件的撓度發(fā)展規(guī)律相同。

圖6 各級荷載下試驗測得側(cè)向撓度曲線與正弦半波曲線比較

圖7顯示了試件CUS16-2、CSS16-2和CUS16-6跨中截面在各級荷載作用下縱向應(yīng)變值(ε)和截面高度(x)的關(guān)系。從圖7可以看出，在加載初期，跨中截面應(yīng)變值沿高度的變化基本呈直線形變化，符合平截面假設(shè)。在加載初期，構(gòu)件中截面的中和軸(ε=0的位置)位置略有上升，但這種趨勢并不顯著;在加載后期，截面中和軸位置變化較為顯著，且長細(xì)比和偏心率越大，這種趨勢越明顯。由于加載中后期長細(xì)比不大的無肋試件的跨中截面鋼管出現(xiàn)局部屈曲，使得后期應(yīng)變值增長緩慢，甚至出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，如圖7(b)所示。這種現(xiàn)象在帶肋試件或長細(xì)比較大試件中沒有出現(xiàn)，這是由于加勁肋阻止了應(yīng)變片位置處鋼管的局部鼓曲，如圖7(c)、圖7(d)所示。

圖7 各級荷載下試件跨中截面縱向應(yīng)變(ε)—高度(x)曲線

圖8顯示了試件 CUS16-2和 CSS16-2、試件CUS16-6和CSS16-6受拉區(qū)和受壓區(qū)邊緣纖維處應(yīng)變與荷載的典型變化關(guān)系。圖中每個試件均有兩條曲線，其中一條為受拉區(qū)邊緣纖維處荷載隨應(yīng)變(負(fù)值)變化曲線，另一條為受壓區(qū)邊緣纖維處荷載隨應(yīng)變(正值)變化曲線。由圖可見，在達(dá)到極限荷載以前，受壓區(qū)或受拉區(qū)應(yīng)變隨荷載的增大而增大;達(dá)到極限荷載以后，由于荷載值的不斷降低和中截面附近處受壓區(qū)及兩側(cè)邊管壁處較明顯的外凸局部屈曲，使得壓區(qū)應(yīng)變值略有下降。由圖8還可以看出，帶肋試件峰值荷載所對應(yīng)的峰值應(yīng)變比其相應(yīng)的無肋試件大。

圖9所示為兩種不同長細(xì)比試件的荷載(N)與相對壓縮率(△/L)的關(guān)系曲線。其中，Δ代表柱端百分表測得的變形值，L代表構(gòu)件的長度。從圖中可以明顯看出，在長細(xì)比相同的情況下，構(gòu)件偏心率越大，在達(dá)到荷載峰值前，其相對壓縮率越大。同時，構(gòu)件長細(xì)比越大，相對壓縮率越小;長細(xì)比和偏心率越大，其極限荷載和剛度都出現(xiàn)下降的趨勢;荷載達(dá)到峰值后，偏心率越大，延性越好。對比帶肋試件與無肋試件可見，帶肋試件的極限荷載有所提高，提高幅度大概在10%左右。

圖8 荷載(N)與受壓和受拉區(qū)邊緣纖維處應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線

圖9 荷載(N)和相對壓縮率(Δ/L)關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)所有試件都由于失穩(wěn)而發(fā)生破壞，試件長細(xì)比和偏心率越大，其極限荷載和剛度越小;試件在達(dá)到極限荷載后，偏心率越大，延性越好。

2)加載初期，方鋼管混凝土試件具有較好的彈塑性工作性能，中截面變形符合平截面假定。

3)帶肋鋼管混凝土柱具有較好的工作性能，加勁肋增加了鋼管約束支撐點，減小了鼓曲的波長，進(jìn)而有效地延緩了試件局部屈曲，提高試件的極限荷載，表現(xiàn)出更好的延性。

[1] 曹寶珠.薄壁鋼—混凝土組合構(gòu)件靜力性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

[2] 陶忠，于清.新型組合結(jié)構(gòu)柱—試驗、理論與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

[3] 陳勇，張耀春，唐明.設(shè)置直肋方形薄壁鋼管混凝土長柱優(yōu)化設(shè)計［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報，2005，21(5):478-481.

[4] UY B. Strength of concrete filled steel box columns incorporating local buckling［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2000，126(3):341-352.

[5] 黃宏，李毅，張安哥.帶肋方鋼管混凝土軸壓短柱的試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(12):113-115.

[6] 李毅，黃宏，張安哥.帶肋方鋼管混凝土純彎力學(xué)性能研究［J］.鐵道建筑，2009(10):113-116.