純扭荷載作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的受力性能研究*

陶修 皮正波 趙軒 羅崯滔 聶影 陳春君 王宇航

1.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 重慶400013

2.湖南工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 湘潭411104

3.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 400045

引言

鋼管混凝土構(gòu)件是指鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件，按截面形式不同，可分為圓鋼管混凝土，方、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等?；炷敛牧显诙噍S受壓狀態(tài)下，其極限強(qiáng)度、塑性以及韌性均能得到提高［1］；鋼材料發(fā)生失穩(wěn)破壞時往往沒能發(fā)揮鋼的材料性能。通過混凝土與鋼的組合作用，充分利用兩種材料的各自優(yōu)勢，揚長避短。

由于鋼管混凝土構(gòu)件具有良好的組合效應(yīng)，目前已有多位學(xué)者對鋼管混凝土柱的受力性能進(jìn)行了研究。國內(nèi)外學(xué)者Ayough，Pouria、Sulong，N H Ramli 和brahim，Zainah［2］、Chen，Baochun等［3］、王思浩、余鑫和王志濱［4］、Roeder Charles W.、Lehman Dawn E.和Erik Bishop［5］、Lai Zhichao和Varma Amit H.［6］等已經(jīng)對傳統(tǒng)鋼管混凝土柱展開了軸壓、壓彎等多種工況下的試驗與數(shù)值分析研究。不少學(xué)者也對純扭作用下的鋼管混凝土受力性能進(jìn)行了研究，王宇航［7］通過對圓截面鋼管混凝土柱和矩形截面鋼管混凝土柱在純扭荷載作用以及軸力較小的壓扭荷載作用發(fā)現(xiàn)其滯回曲線飽滿，沒有產(chǎn)生“捏攏”現(xiàn)象，強(qiáng)度和剛度的損傷退化程度較低，延性較好，具有較強(qiáng)的耗能能力。王雨嫣［8］通過對圓形截面CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）環(huán)向約束鋼管混凝土柱的純扭試驗發(fā)現(xiàn)，其滯回曲線呈現(xiàn)梭形，形狀飽滿，具有優(yōu)異的抗震性能。張文福，李洋等［9］對內(nèi)置工字鋼骨方鋼管混凝土進(jìn)行了自由扭轉(zhuǎn)剛度計劃與FEM驗證，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)與有限元模擬結(jié)果良好，且最大誤差不超過0.5%，提出了滿足工程設(shè)計要求的設(shè)計簡化公式。李曉輝、韋建剛和陳寶春［10］在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過有限元建模分析，采取了不同的混凝土本構(gòu)關(guān)系，計算結(jié)果與試驗值吻合良好。也有不少的學(xué)者在傳統(tǒng)鋼管混凝土中經(jīng)過改變組合結(jié)構(gòu)的形式，如不同的截面形式［11］、在柱截面內(nèi)增加不同的型鋼形式［12-14］等，通過采用試驗、數(shù)值分析等方法對新型的鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行受力性能分析。但尚未有學(xué)者對內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱進(jìn)行純扭試驗研究，由于圓鋼管與方鋼管在扭轉(zhuǎn)作用過程中對混凝土的約束差異性較大，故應(yīng)對兩種不同形式的截面進(jìn)行受力性能的研究。

在傳統(tǒng)鋼管混凝土組合試件中內(nèi)嵌H 型鋼，與未內(nèi)嵌型鋼的組合試件相比較，其強(qiáng)度、剛度均有提升，對其進(jìn)行純扭性能試驗，記錄試件在加載過程中的試驗現(xiàn)象，分析內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱在純扭工況下的破壞機(jī)理和受力性能。

1 試驗概況

1.1 試件制作

試驗中設(shè)計了3 個內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱試件，總高度均為375mm，內(nèi)嵌H 型鋼的尺寸為80mm×80mm ×3.7mm ×3.7mm。在制造試件過程中，為保證鋼管以及H型鋼與底板和頂板有良好的的抗環(huán)向剪切性能，故采用焊接連接的方式。用氣保焊將試件連接至頂板和底板，通過頂板的孔洞將混凝土澆筑至鋼管內(nèi)部，并將其振搗密實。3 個試件中，其中兩個為圓形截面，另一個為方形截面，其構(gòu)造見圖1 所示。

圖1 內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱截面構(gòu)造Fig.1 Cross-sectional structure of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

本試驗中針對兩個圓形截面以及一個方形截面進(jìn)行純扭荷載作用。兩個圓形截面控制其截面大小以及外鋼管厚度來定性分析不同長細(xì)比下試件的受力性能，試驗還設(shè)置了一個方形截面的內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱，將其滯回性能以及破壞形式與圓形截面進(jìn)行對比分析。在試件設(shè)計時，控制試件高度均為375mm 的情況下，圓形截面試件通過變化截面屬性變化長細(xì)比以考察其力學(xué)性能；圓、方截面則在保證長細(xì)比大致相似的情況下考察其力學(xué)性能。

表1 試件編號及試驗參數(shù)Tab.1 Specimen number and test parameters

1.2 材料力學(xué)性能

采用C40 混凝土，根據(jù)混凝土立方體強(qiáng)度值測量方法，在澆筑試件的過程中，同時取3 組尺寸為150mm ×150mm ×150mm 混凝土立方體試塊，實測其28d立方體抗壓強(qiáng)度為40.7MPa。

鋼材強(qiáng)度由標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗確定，測量試件從同批鋼管中抽取，每組抽取3 個，測得試件鋼管和H型鋼鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量如表2 所示。

1.3 試驗裝置及加載制度

本試驗在重慶大學(xué)土木工程學(xué)院振動臺實驗室進(jìn)行，制作并使用了一套可施加軸壓、純扭等多工況荷載的試驗裝置，加載裝置示意圖和加載現(xiàn)場如圖2 所示。

在試驗過程中，數(shù)據(jù)采集使用高精度直線位移傳感器（LVDT）和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。其中LVDT1 量測水平液壓伺服器的水平位移，而LVDT2 和LVDT3 布置在鋼梁底部，用于量測豎向位移。LVDT4 布置在柱頂鋼梁豎向約1／2 高度處，用于量測柱頂水平方向位移。測點布置詳細(xì)如圖3 所示。

圖3 位移量測Fig.3 Displacement measurement

對于此次試驗中的純扭作用試件，由于內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉(zhuǎn)角和水平位移位移之間存在近似線性相關(guān)關(guān)系，使用水平方向的位移來控制加載過程，對試件施加循環(huán)扭矩。水平位移的加載速度控制為4mm／min。當(dāng)達(dá)到每個循環(huán)次數(shù)的最大或最小扭轉(zhuǎn)位移時，暫停1min 用于拍照和記錄數(shù)據(jù)，加載整個過程使用固定攝影機(jī)位記錄。當(dāng)試件發(fā)生破壞或試件承載力小于85%最大承載力時停止加載。加載模式如圖4 所示。

圖4 加載模式Fig.4 Loading mode

2 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試件CH1-T 在扭轉(zhuǎn)角達(dá)到23.5°時發(fā)生破壞。在試驗過程中，在試件高度約1／2 處出現(xiàn)X形鼓曲，交叉角度為90°，隨后在X 形鼓曲處開展裂隙，兩方向裂隙發(fā)展方向與最初鼓曲方向一致。在扭轉(zhuǎn)角θ 達(dá)到23.5°時，試件破壞，裂隙發(fā)展完全，兩條裂隙夾角約為90°。試件破壞后，將外鋼管剝離，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土壓碎，混凝土內(nèi)部與H型鋼連接部分未破壞。

圖5 CH1-T 失效模式Fig.5 Failure mode of CH1-T

試件CH2-T 在扭轉(zhuǎn)角達(dá)到20.9°時發(fā)生破壞。在試驗過程中，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度達(dá)到19.3°時，在試件高度約1／2 處下方出現(xiàn)X形鼓曲，交叉角度為90°，隨后在試件頂部與豎向發(fā)現(xiàn)裂縫。在扭轉(zhuǎn)角度達(dá)到20.9°時，試件破壞，將外鋼管剝離，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土呈現(xiàn)X形壓碎。

圖6 CH2-T 失效模式Fig.6 Failure mode of CH2-T

試件RH-T在扭轉(zhuǎn)角達(dá)到19.3°時發(fā)生破壞。在試驗過程中，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角達(dá)到13.8°時，在試件高度約1／2 處試件多方向出現(xiàn)X形鼓曲，外部油漆掉落。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角達(dá)到19.3°時，試件中部出現(xiàn)多條X形裂縫，裂縫開展處與發(fā)展方向與X 形鼓曲一致。將外鋼管剝離，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土呈現(xiàn)X形壓碎。

3 扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線及分析

內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱在純扭荷載作用下的扭矩（T）-扭轉(zhuǎn)角（θ）滯回曲線如圖7 所示。

圖7 RH-T 失效模式Fig.7 Failure mode of RH-T

從圖中可以看出，內(nèi)嵌H型鋼圓形截面鋼管混凝土柱的滯回曲線非常飽滿，沒有產(chǎn)生“捏攏”現(xiàn)象，卸載剛度幾乎等于初始彈性剛度，試件的強(qiáng)度和剛度的損傷退化程度較低，在往復(fù)荷載作用下具有良好的耗能能力。

內(nèi)嵌H型鋼方形截面鋼管混凝土柱由于外部鋼管在扭矩作用下，其轉(zhuǎn)角處的方形鋼管與混凝土的接觸更加緊密，使得部分區(qū)域混凝土在外鋼管發(fā)生形變后處于多軸受壓狀態(tài)，由于鋼管與混凝土的相互作用，內(nèi)嵌的H型鋼與方形鋼管的側(cè)向支撐均得到加強(qiáng)，減小了兩者的有效計算長度，進(jìn)而內(nèi)嵌的H型鋼與外鋼管的承載力、剛度以及穩(wěn)定都得到了增強(qiáng)。鋼管的收縮和角部混凝土的劈裂，使得扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線產(chǎn)生了“捏攏”效應(yīng)。如圖9c所示。

圖9 扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線Fig.9 Torque-torsion angle skeleton curve

4 扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架與力學(xué)特征

內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線如圖8 所示，力學(xué)性能指標(biāo)見表3 所示。

表3 力學(xué)特征Tab.3 Mechanical properties

圖8 扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線Fig.8 Torque-torsional angle hysteresis curve

由表3 可知，純扭作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線主要呈現(xiàn)彈性、塑性和失效三階段。其中對比圓形截面試件CH1-T和CH2-T與方形截面試件RH-T的延性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，圓形截面試件在面臨純扭工況荷載作用下，在試件達(dá)到屈服后，仍有較強(qiáng)的變形能力，而矩形截面由于外鋼管角部對核心混凝土的約束效果較差。

5 扭轉(zhuǎn)剛度退化

由文獻(xiàn)［15］，王宇航等對鋼管混凝土柱進(jìn)行了復(fù)雜工況的加載試驗，提出了扭轉(zhuǎn)退化剛度的計算公式。內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉(zhuǎn)退化剛度kθ定義為最大扭矩Ti與扭轉(zhuǎn)角θi之間的相關(guān)關(guān)系：

內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱退化剛度Kθ見圖9所示。由圖9 可知：1）當(dāng)扭轉(zhuǎn)角與屈服扭轉(zhuǎn)角之比（θ／θy，θy取純扭下屈服扭轉(zhuǎn)角）≤4 時扭轉(zhuǎn)剛度與屈服扭轉(zhuǎn)剛度之比（KθKθe，Kθe取純扭下屈服扭轉(zhuǎn)剛度）隨θ／θy的增大而急速降低，當(dāng)θ／θy＞4 時KθKθe衰減變緩，表明內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的混凝土的剪切變形能力低，而混凝土早期的剪切變形失效加速了扭轉(zhuǎn)剛度的衰減；2）長細(xì)比較大的內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉(zhuǎn)剛度隨θ／θy的增大而衰減程度更快。

6 破壞機(jī)理

往復(fù)純扭作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的破壞機(jī)理，見圖10。扭矩作用下柱截面鋼管、H型鋼和混凝土存在剪應(yīng)力流，該純剪應(yīng)力下鋼管和混凝土沿斜向45°存在主拉應(yīng)力或主壓應(yīng)力。由胡克定律可知截面最外側(cè)的剪應(yīng)變最大而易產(chǎn)生剪切塑性變形，而截面中心位置剪應(yīng)變最小而處于彈性受剪狀態(tài)，因而在剪應(yīng)力作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的截面存在核心彈性區(qū)和外環(huán)塑性環(huán)區(qū)。因而可總結(jié)往復(fù)純扭作用下組合柱的破壞機(jī)理為：混凝土在斜向的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力分別導(dǎo)致混凝土斜向鼓屈和斜向開裂；鋼管受主壓應(yīng)力和混凝土的斜向鼓屈的影響亦斜向鼓屈，而受主拉應(yīng)力的影響而受拉開裂，反向作用扭矩時亦然。

圖10 內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的扭轉(zhuǎn)剛度退化曲線Fig.10 The torsional stiffness degradation curve of embedded H-shaped concrete-filled steel tubular column

圖11 破壞機(jī)理Fig.11 The failure mechanism

7 結(jié)論

完成了3 個內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱在純扭荷載作用下的擬靜力往復(fù)加載試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行了定性分析，并對實際工程使用提出了基本建議，結(jié)果如下：

1.分析了3 個試件的試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)，方形截面內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱由于外鋼管收縮與角部混凝土的劈裂，使得扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線產(chǎn)生了“捏攏”效應(yīng)；而圓形截面在往復(fù)純扭荷載作用下，其滯回曲線非常飽滿，強(qiáng)度和剛度的損傷退化程度較低，具有良好的耗能能力。

2.在實際工程中使用內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱時，應(yīng)優(yōu)先采用圓形截面內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱。在面臨復(fù)雜荷載作用下，內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱其抗火性能、耗能能力相比于傳統(tǒng)純鋼結(jié)構(gòu)也更有優(yōu)勢。