帶球冠形脫空缺陷橢圓鋼管混凝土短柱軸壓性能及計(jì)算方法研究

沈奇罕，王靜峰，李景哲

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009；2. 先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化安徽省協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥 230009；3. 土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

鋼管混凝土由于在強(qiáng)度、塑性、韌性和抗震性能等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在超高層建筑、大型橋梁工程、重載交通和海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1?3]。然而，據(jù)相關(guān)部門(mén)對(duì)我國(guó)部分鋼管混凝土橋梁拱肋及墩柱的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中大量結(jié)構(gòu)存在核心混凝土的脫空問(wèn)題，追溯其原因主要與混凝土材料質(zhì)量不合格、灌注混凝土施工方式不規(guī)范、內(nèi)外養(yǎng)護(hù)溫差大和混凝土材料收縮等因素有關(guān)[4? 5]。

根據(jù)核心混凝土脫空形狀的不同，核心混凝土脫空主要分為“球冠形脫空”和“環(huán)向脫空”。其中，球冠形脫空常見(jiàn)于諸如鋼管混凝土桁架、橋拱等水平跨越構(gòu)件，主要是由于鋼管混凝土構(gòu)件澆筑時(shí)截面頂部產(chǎn)生氣腔、泌水等現(xiàn)象，致使混凝土與鋼管的部分界面發(fā)生脫離。眾所周知，鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)主要在于鋼管與混凝土之間的組合互補(bǔ)與協(xié)同工作，即鋼管能為核心混凝土提供環(huán)向約束，提高其強(qiáng)度與延性；混凝土則為外圍鋼管提供側(cè)向支撐、抑制或延緩其局部屈曲。但脫空間隙的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致混凝土與鋼管之間的界面發(fā)生局部脫離、削弱甚至消除外部鋼管與內(nèi)部混凝土間的支撐與約束行為，降低鋼管混凝土構(gòu)件相對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能(如承載力、剛度和延性等)[4]。忽略核心混凝土脫空缺陷的影響可能造成實(shí)際工程存在一定的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

為明確鋼管混凝土內(nèi)部脫空對(duì)其受力性能的影響，部分學(xué)者對(duì)帶脫空缺陷方形、圓形鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行了研究[4?5]。如葉躍忠等[6]、李永進(jìn)等[7]、葉勇等[8]、HAN 等[9]和云迪等[10]分別對(duì)帶脫空缺陷鋼管混凝土構(gòu)件的軸壓、偏壓和受剪性能進(jìn)行了研究，明確了脫空率、含鋼率和材料強(qiáng)度等重要參數(shù)對(duì)其受力性能的影響，揭示了脫空缺陷對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件承載力、剛度和穩(wěn)定性的作用機(jī)制。廖飛宇等[4? 5]則對(duì)帶脫空缺陷圓鋼管混凝土構(gòu)件在單一靜力(壓、彎、扭、剪)和復(fù)雜荷載下的受力性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和力學(xué)分析工作。至此，帶脫空缺陷圓形/方形鋼管混凝土構(gòu)件的受力性能與設(shè)計(jì)方法初步形成系統(tǒng)。

然而，隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)建筑外觀美學(xué)和結(jié)構(gòu)效率要求的提高，普通鋼管混凝土已逐步無(wú)法滿足需求。其中，橢圓鋼管混凝土由于截面形態(tài)分布靈活、建筑美學(xué)效果好和流阻系數(shù)小，近年來(lái)被廣泛的應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)航站樓、大型橋梁和大跨空間等重要公共工程中[11]。盡管目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者[11?18]及本課題組[19? 20]對(duì)橢圓鋼管混凝土構(gòu)件的單一靜力、復(fù)雜受力和抗震性能已開(kāi)展了一系列的研究，但鑒于混凝土脫空引發(fā)工程結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題的嚴(yán)重性和其成型原因的客觀性，有必要進(jìn)一步研究混凝土脫空對(duì)橢圓鋼管混凝土構(gòu)件受力性能的影響。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)并測(cè)試11 根帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土短柱試件，開(kāi)展軸壓性能試驗(yàn)，分析破壞形態(tài)、軸壓承載力、初始剛度和延性等性能在球冠形混凝土脫空影響下的變化規(guī)律，明確其截面應(yīng)變分布和核心混凝土強(qiáng)度特征，最終提出考慮橢圓截面特征和球冠形脫空影響的橢圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了包括2 根橢圓空鋼管短柱、2 根無(wú)脫空橢圓鋼管混凝土短柱和7 根帶球冠脫空橢圓鋼管混凝土短柱。橢圓鋼管截面尺寸2a×2b×t=280 mm×140 mm×6 mm(其中2a為橢圓長(zhǎng)軸外徑，2b為橢圓短軸外徑，t為鋼管厚度)，柱高設(shè)為500 mm(柱高徑比L/2b約為3.5)。其中，球冠形脫空的成形方式與文獻(xiàn)[21 ? 22]相同。試件信息及脫空示意圖如圖1 和表1 所示。

表1 試件幾何信息表Table 1 The geometric information of test specimens

圖1 帶球冠形脫空試件示意圖Fig. 1 The design diagram of test specimen with spherical-cap gaps

1.2 材料材性

試件中S1 和S2 分別代表鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q235 和Q345 的圓形鋼管經(jīng)橢圓模具冷壓成形的橢圓鋼管，與文獻(xiàn)[19, 23]中試件為同批次橢圓鋼管。由于橢圓管各點(diǎn)的曲率不同，因此依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范GB/T 2975?2018[24]，分別對(duì)不同位置進(jìn)行材性試驗(yàn)。橢圓鋼管的彈性模量(Es)、屈服強(qiáng)度(fy)、極限強(qiáng)度(fu)和伸長(zhǎng)率(δ)等關(guān)鍵指標(biāo)的測(cè)試平均值和取樣位置及結(jié)果如圖2 和表2 所示。

圖2 拉伸試件取材位置Fig. 2 The position of the tensile coupons

表2 鋼管材性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of steel coupon test

試件均采用強(qiáng)度等級(jí)為C60 的自密實(shí)混凝土，依據(jù)規(guī)范(GB/T 50081?2019)[25]，測(cè)得的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fcu,k)和彈性模量(Ec)如表3 所列。

表3 混凝土材性測(cè)試結(jié)果Table 3 The test results of concrete material property

1.3 加載裝置及量測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)在5000 kN 多功能液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用力-位移混合加載，見(jiàn)文獻(xiàn)[26 ? 27]。加載全過(guò)程實(shí)時(shí)采集力和位移響應(yīng)，詳細(xì)加載及量測(cè)示意圖如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)加載及量測(cè)裝置Fig. 3 Test loading and measuring devices

2 試驗(yàn)現(xiàn)象記錄

2.1 破壞形態(tài)

試驗(yàn)表明：橢圓空鋼管軸壓短柱的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為鋼管的局部凹陷；相比而言，無(wú)脫空橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的鋼管由于內(nèi)部核心混凝土提供的支撐作用，鋼管內(nèi)凹行為被局部向外鼓曲取代，同時(shí)核心混凝土在壓力作用下發(fā)生開(kāi)裂與斜剪面破壞。值得注意的是，核心混凝土的斜剪面破壞主要沿著弱軸方向出現(xiàn)，這是由于橢圓形鋼管曲率較小的部分對(duì)核心混凝土的約束較弱。因而在軸壓力作用下，核心混凝土沿橢圓截面弱軸方向出現(xiàn)斜剪面破壞，表現(xiàn)出典型的脆性特征，如圖4(a)所示。

當(dāng)核心混凝土出現(xiàn)球冠形脫空時(shí)，橢圓鋼管混凝土軸壓短柱在球冠形混凝土脫空影響下的破壞模式除上述形態(tài)外，還可能出現(xiàn)脫空側(cè)混凝土破碎、鋼管局部凹陷和試件傾向于混凝土脫空側(cè)整體彎曲的現(xiàn)象，如圖4(b)所示。通過(guò)對(duì)比表明：當(dāng)脫空率較小時(shí)，帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的破壞模式與無(wú)脫空試件類似，但脫空界面處混凝土因缺乏鋼管約束而出現(xiàn)大范圍的破碎；隨著脫空率的進(jìn)一步增大，脫空區(qū)域鋼管開(kāi)始出現(xiàn)內(nèi)凹屈曲的現(xiàn)象，同時(shí)由于荷載中心線要試件整體截面的中軸線位置的偏差，帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)而出現(xiàn)了偏向于脫空側(cè)的整體彎曲破壞。

圖4 試件破壞形態(tài)Fig. 4 Failure patterns of test specimens

2.2 荷載(N)-位移(Δ)曲線

通過(guò)試驗(yàn)記錄試驗(yàn)曲線(圖5)，有如下發(fā)現(xiàn)：

1)橢圓空鋼管試件、無(wú)脫空橢圓鋼管混凝土試件和帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土試件的軸壓荷載-位移曲線具有一定的相似性，均存在明顯的下降段，但曲線下降段幅度與鋼材強(qiáng)度和脫空率有關(guān)。

2)鋼材強(qiáng)度的提高使帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土軸壓試件的荷載-位移曲線下降段逐漸平緩。這可能是因?yàn)樵谙嗤瑮l件下，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用會(huì)隨著鋼管強(qiáng)度提高而有所增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致試件的延性和變形能力顯著提升，如圖5(a)所示。

圖5 荷載-位移曲線Fig. 5 The force - displacement curves

3)球冠形脫空率的增大導(dǎo)致橢圓鋼管混凝土軸壓試件的截面面積和剛度有所減小，試件的軸壓強(qiáng)度和初始剛度有所減?。煌瑫r(shí)，脫空率增大擴(kuò)展了無(wú)約束脫空界面，使核心混凝土的約束效果減弱，脆性更加明顯。因此，試件荷載-位移曲線的下降段斜率有所增大，如圖5(b)～圖5(c)所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 峰值承載力(Nut)與初始剛度(Ki)

根據(jù)荷載位移曲線，確定試件的峰值承載力與初始剛度，詳細(xì)結(jié)果表4 所示。具體研究結(jié)論如下：

表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The test results

1)鋼材屈服強(qiáng)度為489 MPa 的試件AS2-SG0、AS2-SG10、AS2-SG20 和AS2-SG30 的 峰 值 承 載力比鋼材屈服強(qiáng)度為271 MPa 的試件AS1-SG0、AS1-SG10、AS1-SG20 和AS1-SG30 依 次 提 升 了28.6%、30.3%、32.1%和40.4%，但試件之間的初始剛度差接近于零。表明帶球冠形橢圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力隨著鋼材強(qiáng)度的提高而增大。

2)當(dāng)鋼管屈服強(qiáng)度為271 MPa 時(shí)，沿截面長(zhǎng)軸方向出現(xiàn)球冠形脫空間隙為10 mm、20 mm 和30 mm 的橢圓鋼管混凝土短柱(試件AS1-SG10、AS1-SG20 和AS1-SG30)的軸壓承載力比無(wú)脫空缺陷橢圓鋼管混凝土短柱(試件AS1-SG0)依次降低了6.3%、12.4%和19.9%，初始剛度依次降低了4.7%、8.1%和12.7%；同樣，當(dāng)鋼管屈服強(qiáng)度為489 MPa 時(shí)，沿截面長(zhǎng)軸方向出現(xiàn)球冠形脫空間隙為5 mm、10 mm、20 和30 mm 的橢圓鋼管混凝土短柱(試件AS2-SG5、AS2-SG10、AS2-SG20 和AS2-SG30)在軸壓作用下的初始剛度比無(wú)脫空缺陷橢圓鋼管混凝土短柱(試件AS2-SG0)依次降低了約2.4%、14.2%、14.9%和18.6%，承載力對(duì)應(yīng)下降了0.3%、5.1%、9.8%和12.5%。研究表明：當(dāng)球冠形脫空率不大于1.8%時(shí)，脫空缺陷對(duì)橢圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力和初始剛度影響較?。划?dāng)脫空率大于3.6%時(shí)，橢圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力和初始剛度會(huì)隨著球冠形脫空的增大顯著降低。

3.2 荷載(N)-應(yīng)變(ε)響應(yīng)

基于應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)，圖6 給了典型帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土軸壓短柱在柱高中部鋼管的關(guān)鍵位置的荷載-應(yīng)變曲線，其中縱向壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，環(huán)向拉應(yīng)變?yōu)檎?，詳?xì)結(jié)果如下：

圖6 荷載-應(yīng)變曲線Fig. 6 The load- strain curves

1)由于脫空缺陷的出現(xiàn)，導(dǎo)致軸壓下橢圓鋼管的縱向和環(huán)向應(yīng)變表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性。脫空側(cè)(3 號(hào))鋼管的縱向應(yīng)變明顯大于其他位置的，并率先屈服；在脫空側(cè)對(duì)立面(2 號(hào))的應(yīng)變?cè)谳S向變形增大的過(guò)程中也逐步增大，然而由于脫空缺陷的存在，促使橢圓鋼管混凝土短柱在受力后期產(chǎn)生傾向于脫空側(cè)的整體彎曲。因此，脫空側(cè)對(duì)立面由于“彎曲”效果，原先的縱向壓應(yīng)變和環(huán)向拉應(yīng)變反而隨著進(jìn)一步加載而有所減小。

2)基于環(huán)向應(yīng)變分析可知，帶球冠形脫空缺陷橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的環(huán)向應(yīng)變?cè)诜逯岛奢d前均未屈服，與其他類型鋼管混凝土軸壓柱的規(guī)律一致。測(cè)點(diǎn)1 號(hào)和4 號(hào)處的環(huán)向應(yīng)變明顯高于2 號(hào)和3 號(hào)處。這可能是由于1 號(hào)和4 號(hào)處鋼管與混凝土之間的接觸作用良好，環(huán)向應(yīng)變充分發(fā)展；3 號(hào)位置鋼管與混凝土無(wú)接觸應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)變較小。而2 號(hào)位置處雖然有良好的接觸條件，但是由于脫空引發(fā)的“彎曲”效應(yīng)，其環(huán)向應(yīng)變發(fā)展較慢，相對(duì)較小。

3)通過(guò)對(duì)比不同鋼管強(qiáng)度和脫空率的帶球冠形脫空缺陷橢圓鋼管混凝土軸壓短柱截面脫空側(cè)和其對(duì)立面的應(yīng)變可知，鋼材強(qiáng)度的提高對(duì)試件的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律影響較小，而隨著球冠形脫空率的增大，脫空側(cè)的縱向壓應(yīng)變發(fā)展更快。相反，脫空側(cè)對(duì)立面的縱向應(yīng)變由于“彎曲”效應(yīng)，其壓應(yīng)變較小，且發(fā)展相對(duì)緩慢。

3.3 延性系數(shù)

本節(jié)引入延性系數(shù)μ，以獲悉各試件的延性性能，表達(dá)如下：

式中：Δy為試件屈服荷載對(duì)應(yīng)的縱向位移；Δ0.85定義見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14]，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。研究結(jié)果表明：

1)在脫空率一致的條件下，帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土的延性系數(shù)隨著鋼材強(qiáng)度提高而增大。這是由于鋼材強(qiáng)度的提升會(huì)顯著提高核心混凝土受到的約束作用，從而表現(xiàn)出較好的延性性能。

2)在鋼材強(qiáng)度相同的條件下，球冠形脫空率的增大會(huì)逐步降低橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的延性系數(shù)。原因在于，隨著脫空率的增大，脫空界面面積顯著增大，無(wú)約束和部分約束狀態(tài)下的核心混凝土面積持續(xù)增大，帶球冠形橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的延性性能逐漸減小。

3.4 脫空特征系數(shù)

為進(jìn)一步明晰球冠形脫空對(duì)核心混凝土所受約束作用的影響，參考文獻(xiàn)[21, 23]，引入脫空特征系數(shù)GFI，具體表達(dá)式如下：

式中，相關(guān)符號(hào)及取值參考文獻(xiàn)[23]。

由圖7 可知，對(duì)于帶球冠形脫空缺陷的橢圓鋼管混凝土短柱，GFI 隨脫空率的增加而減小。對(duì)于鋼管屈服強(qiáng)度為489 MPa 的試件，當(dāng)脫空率分別為3.6%、7.2%和10.8%(試件AS2-SG10、AS2-SG20 和AS2-SG30)時(shí)，GFI 分別為0.90、0.82 和0.78；同樣地，對(duì)于鋼管屈服強(qiáng)度為271 MPa 的試件，當(dāng)球冠形脫空率分別為3.6%、7.2%和10.8%(試件AS1-SG10、AS1-SG20 和AS1-SG30)時(shí)，GFI分別為0.91、0.83 和0.72。結(jié)果表明：帶球冠形脫空缺陷橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的脫空特征系數(shù)值均小于1。表明球冠形脫空對(duì)橢圓鋼管混凝土軸壓承載力的影響不僅僅是單純意義上核心混凝土面積的減小球冠形脫空的增大，核心混凝土所受的約束作用也會(huì)持續(xù)減弱。

圖7 試件脫空特征系數(shù)Fig. 7 The GFI of test specimens

雖然，目前國(guó)內(nèi)外在檢測(cè)鋼管混凝土脫空缺陷方面已形成了相當(dāng)成熟的理論及方法[28]。但尚未見(jiàn)帶脫空橢圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力評(píng)估與預(yù)測(cè)方法方面的相關(guān)報(bào)道。文章基于橢圓截面特征和帶球冠形脫空核心混凝土約束分區(qū)模型，提出了帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力計(jì)算公式，具體如下：

4 承載力計(jì)算方法

式中：Ns和Nc分別為橢圓鋼管和核心混凝土截面所能承擔(dān)的荷載；Nfc、Npc和Nc0分別為核心混凝土強(qiáng)約束區(qū)、弱約束區(qū)和無(wú)約束區(qū)的截面承載力；Afc和fcc為強(qiáng)約束區(qū)混凝土截面積和抗壓強(qiáng)度；Apc和fpc為弱約束區(qū)混凝土截面積和抗壓強(qiáng)度；Ac0和fc0為無(wú)約束區(qū)混凝土截面積和抗壓強(qiáng)度。

以橢圓鋼管混凝土主軸方向脫空為例(見(jiàn)圖8(a))，令橢圓內(nèi)徑主半軸為ai，次半軸為bi；令脫空界面與橢圓曲線在第一象限交點(diǎn)為(m,n)，經(jīng)過(guò)原點(diǎn)和(m,n)點(diǎn)的直線為y=k1x。假定核心混凝土無(wú)約束區(qū)域是由拋物線l1與脫空界面圍成，令拋物線l1為y=asgx2+c與直線y=k1x相切于(m,n)點(diǎn)，對(duì)拋物線方程在(m,n)點(diǎn)求導(dǎo)可得：

圖8 帶球冠形脫空橢圓核心混凝土約束分區(qū)模型Fig. 8 The confining status model of the elliptical core concrete with spherical-cap gap

當(dāng)x=m時(shí)，y=n，則有，c=n/2，即拋物線l1方程為：

此時(shí)，對(duì)拋物線l1在x∈(?m,m)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行積分可計(jì)算無(wú)約束區(qū)混凝土面積(Ac0)：

同理，對(duì)于弱軸方向的脫空如圖8(b)所示，則弱約束區(qū)域面積(Apc)則為(?m,n)、(m,n)和原點(diǎn)連成的三角形區(qū)域與無(wú)約束區(qū)域的面積差，具體表達(dá)為：

同理，基于上述計(jì)算，亦可明確短軸球冠形脫空時(shí)，各類區(qū)域的的面積。

對(duì)于各區(qū)域的混凝土抗壓強(qiáng)度，可基于混凝土約束理論進(jìn)行推導(dǎo)。根據(jù)相關(guān)研究[15? 16, 29]表明：橢圓鋼管核心混凝土約束力分布表現(xiàn)為長(zhǎng)軸端點(diǎn)最大，并自長(zhǎng)軸端點(diǎn)向短軸端點(diǎn)依次遞減的規(guī)律。假設(shè)短軸半對(duì)稱體的平均約束強(qiáng)度為fr1，長(zhǎng)軸半對(duì)稱體的平均約束強(qiáng)度為fr2，則核心混凝土所受的平均約束強(qiáng)度必然介于兩者之間。

基于上述假定，對(duì)橢圓鋼管和核心混凝土取半對(duì)稱體(如圖9)，則在長(zhǎng)、短半軸方向的約束應(yīng)力和鋼管環(huán)向力有靜力平衡方程：

圖9 橢圓核心混凝土側(cè)向約束假定Fig. 9 The assumption of the lateral confining force of elliptical core concrete

有別于鋼管約束混凝土，鋼管混凝土軸壓短柱中鋼管和混凝土共同承擔(dān)縱向力，鋼管在縱向率先達(dá)到屈服應(yīng)力，而環(huán)向應(yīng)力相對(duì)發(fā)展略慢，詳細(xì)結(jié)果如本文3.2 節(jié)所述。在鋼管縱向應(yīng)力達(dá)屈服狀態(tài)的情況下，基于鋼材泊松比0.3，假定環(huán)向應(yīng)力為0.3fy。則可解得：

由式(15)可知，橢圓核心混凝土所受的約束力隨著橢圓截面各處曲率的變化而有所不同。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文假定橢圓核心混凝土的平均約束應(yīng)力為：

對(duì)于弱約束區(qū)的混凝土，其抗壓強(qiáng)度應(yīng)介于強(qiáng)約束和無(wú)約束混凝土之間。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定弱約束區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度為：

基于上述約束分區(qū)思路和相關(guān)假定，表5 將公式計(jì)算結(jié)果與本文及文獻(xiàn)[4]中帶球冠形脫空鋼管混凝土短柱的軸壓承載力試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比結(jié)果表明：本文提出公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，比值(Nc/Nut)均值為1.00，方差為0.003。

表5 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 5 Comparison between the test and predicted results

5 結(jié)論

本文以帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土軸壓短柱為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析，得到了以下結(jié)論：

(1)由于球冠形混凝土脫空的出現(xiàn)降低了橢圓核心混凝土受壓的承載面積和鋼管對(duì)混凝土的約束作用，導(dǎo)致橢圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力和初始剛度均出現(xiàn)較大程度的削弱，且隨著球冠形脫空率的增大會(huì)加劇橢圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力和初始剛度降低的損失程度；

(2)球冠形脫空缺陷的存在使得脫空區(qū)鋼管缺乏混凝土的支撐作用，混凝土缺乏鋼管的有效約束以及截面形心軸與軸壓荷載出現(xiàn)初始偏移，進(jìn)而導(dǎo)致試件出現(xiàn)脫空區(qū)鋼管的局部鼓曲與凹陷、脫空側(cè)混凝土的脆性破碎和試件傾向于脫空側(cè)的整體輕微彎曲等破壞模式；

(3)帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的延性系數(shù)隨著鋼材強(qiáng)度的提高而增大，隨著脫空率的增大而減小；

(4)基于脫空特征系數(shù)分析可知：球冠形脫空的增大一方面減小了核心混凝土的受力面積，還會(huì)顯著削弱鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，進(jìn)而降低短柱試件的軸壓承載能力和延性；

(5)本文基于核心混凝土約束分區(qū)模型，提出了考慮橢圓截面特征和球冠形脫空影響的帶球冠形脫空橢圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力評(píng)估及預(yù)測(cè)方法，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了本文計(jì)算公式的準(zhǔn)確性和可靠性。