圓鋼管混凝土中長(zhǎng)柱軸壓性能試驗(yàn)研究★

李 斌 落凱妮 王柯程

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2.西北設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710065)

鋼管混凝土柱作為組合結(jié)構(gòu)中重要的支柱，在建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展和研究過(guò)程中，已進(jìn)行了大量的理論、試驗(yàn)研究[1-5]。但目前對(duì)大長(zhǎng)細(xì)比條件下鋼管混凝土柱軸壓性能的研究比較少，且變化長(zhǎng)細(xì)比的參數(shù)之間跨度大，在過(guò)渡階段的研究有所空白，所得結(jié)果并未區(qū)分出鋼管混凝土軸壓中長(zhǎng)柱和長(zhǎng)柱的界限。因此，有必要對(duì)圓鋼管混凝土中長(zhǎng)柱的靜力性能進(jìn)行進(jìn)一步的分析，得出長(zhǎng)細(xì)比、含鋼率對(duì)中長(zhǎng)柱軸壓力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件參數(shù)表見(jiàn)表1。

表1 試件參數(shù)表

1.2 材料性能

實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了材性試驗(yàn)，測(cè)得鋼管的彈性模量為204 000 MPa，屈服強(qiáng)度403 MPa，極限強(qiáng)度518 MPa，混凝土的彈性模量為30 000 MPa，立方體抗壓強(qiáng)度31 N/mm2。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

各試件的破壞過(guò)程基本相似：在達(dá)到各自預(yù)計(jì)極限荷載的50%之前，試件處于彈性階段，試件中截面橫縱向應(yīng)變和軸向變形隨著荷載的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)，試件中截面各方向的縱向應(yīng)變基本相等，表現(xiàn)為全截面受壓，試件跨中撓度幾乎為零并沒(méi)有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明試件處于軸心受壓狀態(tài)；此后，試件中部截面應(yīng)變隨荷載增長(zhǎng)的速度逐漸加快，但試件外觀仍無(wú)明顯變化；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的75%之后，試件中截面縱向應(yīng)變隨荷載的增長(zhǎng)速度產(chǎn)生差異：受壓面縱向應(yīng)變的增速明顯加快，受拉面縱向應(yīng)變的增速逐漸降低，其他各面縱向應(yīng)變的增長(zhǎng)速度介于受壓面、受拉面兩個(gè)面之間，同時(shí)，試件的軸向位移隨荷載的增長(zhǎng)速度也明顯加快；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的90%之后，試件中部截面受拉面的縱向應(yīng)變開(kāi)始減小，跨中撓度變化漸趨明顯，直至試件在達(dá)到極限荷載時(shí)發(fā)生整體失穩(wěn)；隨后荷載進(jìn)入下降段，試件中截面的部分縱向應(yīng)變由受壓變?yōu)槭芾?，同時(shí)試件的撓度發(fā)展加快；當(dāng)荷載下降到極限荷載的90%之后，試件受壓面中部產(chǎn)生局部屈曲并迅速發(fā)展；最終以試件的跨中撓度過(guò)大標(biāo)志試件完全破壞(見(jiàn)圖1)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 荷載—跨中撓度曲線

如圖2所示為荷載—跨中撓度關(guān)系曲線。荷載—跨中撓度關(guān)系曲線反映了試件失穩(wěn)破壞的過(guò)程。由曲線可以看出，試件荷載約達(dá)到極限荷載的90%后，跨中撓度趨于明顯。

由圖2可知，施加荷載在極限荷載的90%以?xún)?nèi)時(shí)，撓度發(fā)展很小，曲線和橫軸幾乎成垂直關(guān)系，此階段撓度約為極限荷載的20%。超過(guò)該范圍后撓度發(fā)展明顯增加，二階效應(yīng)產(chǎn)生，當(dāng)撓度達(dá)到某一臨界時(shí)，二階彎矩的增長(zhǎng)速度開(kāi)始大于截面抵抗矩速度的增長(zhǎng)，荷載下降，跨中撓度迅速發(fā)展，最后柱構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3.2 荷載—應(yīng)變曲線

研究試件的荷載—縱向應(yīng)變曲線，可以更有代表性地研究出試件的受力性能。鋼管混凝土柱中部的荷載—縱向應(yīng)變關(guān)系曲線反映了試件中截面附近局部的變形情況。

由圖3可看出，所有試件兩側(cè)端點(diǎn)的縱向應(yīng)變?cè)诩虞d初期都較為接近，表示試件加載初期對(duì)中情況良好。在荷載達(dá)到極限荷載的75%～80%以前，荷載與縱向應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，表現(xiàn)為彈性，此后曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。加載至接近極限荷載時(shí)，端點(diǎn)1處的縱向壓應(yīng)變持續(xù)增大，端點(diǎn)2處的壓應(yīng)變逐漸減小直至轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變。表明試件已發(fā)生彎曲。

3.3 含鋼率的影響

由圖4可知，隨著壁厚增大，即含鋼率增加，極限承載力呈明顯的升高趨勢(shì)。在構(gòu)件軸心受壓時(shí)，隨含鋼率的增大，構(gòu)件的極限承載力提高，延性有所上升，鋼管壁厚的增大其對(duì)核心混凝土的約束能力，從而增強(qiáng)了構(gòu)件的極限承載力和延性。

3.4 長(zhǎng)細(xì)比的影響

由圖5可知，隨著長(zhǎng)細(xì)比增大，試件的線剛度減小，極限承載力逐漸減小，延性也有一定程度的下降，但是在本次試驗(yàn)參數(shù)中，對(duì)于較長(zhǎng)試件，長(zhǎng)細(xì)比這一因素影響不大，下降幅度較小。

4 結(jié)語(yǔ)

1)所有試件的破壞形態(tài)相似，均為整體彈塑性失穩(wěn)。加載初期由于不可避免的初始缺陷及試驗(yàn)誤差，在軸壓試件失穩(wěn)之前柱中已有發(fā)展一定的撓度但極小，撓度是逐漸發(fā)展的，隨著撓度的發(fā)展，二階效應(yīng)產(chǎn)生，當(dāng)跨中撓度達(dá)到某一臨界值時(shí)，二階彎矩增長(zhǎng)速度開(kāi)始大于截面抵抗矩增長(zhǎng)的速度，荷載下降，跨中撓度迅速發(fā)展，隨后柱子發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2)在68～80范圍內(nèi)，長(zhǎng)細(xì)比對(duì)鋼管混凝土柱的極限承載力有影響但是不明顯，極限承載力隨長(zhǎng)細(xì)比增大而呈減小趨勢(shì)。在達(dá)76～80及以后時(shí)，鋼管與核心混凝土的相互作用消失。

3)含鋼率和長(zhǎng)細(xì)比對(duì)鋼管混凝土軸壓構(gòu)件力學(xué)性能有一定影響，表現(xiàn)在含鋼率越高，極限承載力越高；長(zhǎng)細(xì)比越大，極限承載力越低。

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