鋼管輕集料混凝土偏心受壓構件承載力分析

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京，210098)

土木工程結構朝著高聳、大跨、重載的方向發(fā)展，恒載在結構的受力中占有較大比例。同時，高層建筑、大跨度橋梁、海洋工程等大型工程對材料性能的要求也越來越高。鋼管混凝土中的核心混凝土可以延緩鋼管的屈曲，而外包鋼管使混凝土處于三向受壓狀態(tài)能增強其抗壓性能，其組合力學性能超過了兩者的疊加，充分利用了鋼材的受拉和混凝土的受壓特性。國內外學者對鋼管混凝土構件的力學性能進行了大量的研究，已經形成了比較完善的理論體系[1?4]。輕集料混凝土密度較普通混凝土低20%～30%，故鋼管輕集料混凝土密度要比鋼管普通混凝土密度小，適應了現(xiàn)代材料輕質高強的發(fā)展需求。已有研究表明[5?9]：鋼管輕集料混凝土同樣具有優(yōu)異的力學性能。盡管日本已有將鋼管輕集料混凝土應用于“新干線”(高速鐵路橋梁)的工程實例[10]，但對其性能的研究還未系統(tǒng)地開展。由于鋼管混凝土本身的特性，通常用于受壓構件。受材料的初始缺陷、材料不均勻性以及制造偏差等因素的影響，軸心受壓狀態(tài)很難實現(xiàn)。在外部橫向力作用下，往往也使構件處于偏心受壓狀態(tài)[11]。本文作者在軸壓和受彎研究的基礎上，分析54根鋼管輕集料混凝土偏壓柱的試驗結果，對偏心受壓狀態(tài)下鋼管輕集料混凝土的承載力進行研究。

1 偏壓試驗

1.1 試驗材料和裝置

輕質混凝土骨料為頁巖陶粒，其物理力學性能如下：堆積密度為814 kg/m3，筒壓強度為8.5 MPa，1 h吸水率為 6%。水泥為普通硅酸鹽水泥?；炷恋呐浜媳群拖鄳W性能見表1。試驗采用Q235直縫焊接鋼管。試件的一端用10 mm厚的圓形鋼板焊接封固。輕集料混凝土采用分層澆筑，最后用水泥漿抹平。試件養(yǎng)護10 d后將另一端也用10 mm厚的圓形鋼板焊接封固，采取自然養(yǎng)護方式。

試驗使用油壓千斤頂加載，荷載由壓力傳感器測量，采用電阻應變計測量應變。在試件兩端采用柱鉸，在柱鉸底部按偏心距分別設置 3個距中心為 10，20和35 mm的圓孔，孔徑為20 mm，深為15 mm。試驗時，用直徑為20 mm、長25 mm的鋼制榫頭連接試件蓋板和柱鉸，保證當試件變形較大時試件與柱鉸不發(fā)生脫離。試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置及測點布置示意圖Fig.1 Sketch map of loading and measurement system

試件采用分級加載的制度，當荷載達到最大值(極限值)時，壓力傳感器所示壓力開始回落，仍繼續(xù)向千斤頂油缸送油，直到試件撓曲非常明顯為止。全過程采用數(shù)據自動采集系統(tǒng)進行連續(xù)數(shù)據采集。試驗基本數(shù)據見表2。

1.2 試驗結果分析

本次試驗試件在偏心受壓下的破壞形態(tài)可以分為以下2種情況：對于長徑比較小(L/D=3，其中，L為試件長度，D為試件直徑)的短柱偏壓試件，試件破壞時發(fā)生側向撓曲，中截面發(fā)生明顯的局部屈曲(圖2(a))，試件有較明顯的強度破壞特征；對長徑比較大的中長柱試件(L/D=7或14)，試件發(fā)生較大的側向撓曲，鋼管表面無明顯屈曲，試件失穩(wěn)破壞特征明顯(圖2(b))。根據中截面縱向應變分布，試件截面變形基本符合平截面假定[12]。

圖 3所示為荷載?整體縱向應變曲線。在加載初期，荷載?縱向應變曲線基本上為直線，試件處于彈性階段加載至比例極限后，曲線明顯偏離其初始的直線，進入彈塑性工作階段。當荷載接近極限荷載時，荷載的增長速度變慢，而縱向應變的增長速度加快。

表1 輕集料混凝土配合比和力學性能Table 1 Mixture ratio and mechanical properties of lightweight aggregate concrete

表2 試件基本數(shù)據及試驗結果Table 2 Details of test specimens

圖2 試件典型破壞形態(tài)Fig.2 Typical failure mode of specimen

圖3 荷載?整體縱向應變的關系Fig.3 Relationships of Load versus overall longitudinal strain

2 承載力影響因素

圖4所示為各組試件在不同偏心率、不同長徑比、不同含鋼率下的荷載(F)?L/2處橫向撓度(um)對比曲線。由圖 4(a)可見：在同一組試件中，偏心率越小，則荷載?L/2處橫向撓度曲線的初始斜率越大，極限承載力也越大；到達極限荷載后下降也越快。偏心率越大，構件所受到的彎矩越大，從而導致承載力降低。

圖4(b)可見：試件的長徑比越大，撓度增長越快，豎向力所產生的附加彎矩也越大。故長徑比大的構件，曲線偏離初始直線越快，上升的斜率越小，其極限承載力也越低。

從圖 4(c)可見：含鋼率越高，曲線在彈塑性階段的斜率也越大，試件的極限承載力也越高。因為鋼材本身的受壓性能高于混凝土的受壓性能。同時，含鋼率越大的試件，對核心輕集料混凝土緊箍力越大，對受壓區(qū)輕集料混凝土強度提高越多。

圖4 F-um曲線Fig.4 F-um curves

3 承載力規(guī)范計算比較

為了研究鋼管輕集料混凝土構件偏心受壓狀態(tài)下的承載力計算方法，運用國內外多部針對鋼管普通混凝土的規(guī)范[1?2]，包括 AISC—LRFD(1999)(美國鋼結構協(xié)會提出的設計規(guī)程)、BS 5400(英國橋梁設計規(guī)程)、EC4(歐洲鋼?混凝土組合結構設計規(guī)范)、DBJ 13—51—2003(福建省工程建設標準)、DL/T5058—1999(水工混凝土施工規(guī)范)、CECS 28：90(中國鋼管砼結構設計與施工工程規(guī)范)，對本次試驗的54根構件進行承載力計算，結果見表3。

表3 偏壓承載力規(guī)范計算Table 3 Bearing capacity calculation with different codes

由表3所示的對比結果可知：由規(guī)范所得計算結果均小于試驗值，且由國外規(guī)范所得計算結果普遍較由國內規(guī)范所得計算結果小。除CECS 28：90以外，計算結果均相差較大。這可能是由于規(guī)范計算時要考慮一定的安全儲備，并且鋼管輕集料混凝土與鋼管普通混凝土的力學性能存在差異。CECS 28：90的計算結果雖然與實測值比較接近，但應用其對鋼管輕集料混凝土軸壓短柱承載力計算結果偏高[5]。目前現(xiàn)有的計算方法對于鋼管輕集料混凝土的適用性還有待進一步研究。

4 小偏心率FN/FNu-FM/FMu曲線

偏心受壓加載相當于壓彎構件的比例加載，可以采用構件FN/FNu-FM/FMu的及相關性曲線來考慮偏心受壓構件的計算方法。在偏心率較小的情況下，F(xiàn)N/FNu-FM/FMu相關性曲線可以近似為 1條直線[1?2]。圖5所示為FN/FNu-FM/FMu相關性曲線。由圖5可知：對于偏心較小的情況，其曲線變化趨勢可近似簡化為線性關系。當FM/FMu=0時，F(xiàn)N/φFNu=1。故可用下式來計算小偏心率壓彎構件承載力：

其中：FNu為短柱軸壓極限承載力，取文獻[8]中的實測值；FM和FMu分別為FN和FNu對應的偏心彎矩，F(xiàn)Mu取文獻[6]中壁厚2.5 mm和3.8 mm時最大彎矩的差值；φ為穩(wěn)定系數(shù)，f為含鋼率α和長徑比λ等參數(shù)的函數(shù)。

對于A-3和B-3組短柱試件，φ=1。應用最小二乘法對試驗實測值進行擬合。當α=11.4%時，f=0.446；當α=13.5%時，f=0.468。由于本次試驗試樣有限，各參數(shù)對斜率函數(shù)的影響以及大偏心率情況下承載力變化規(guī)律仍有待進一步研究。

圖5 FN/FNu-FM/FMu曲線Fig.5 FN/FNu-FM/FMu curves

5 結論

(1) 試件長徑比影響構件破壞形態(tài)。試件長徑比越小，越接近塑性破壞；長徑比越大，越接近彈性破壞。

(2) 試件偏心率越大，長徑比越大，含鋼率越小，則鋼管輕集料混凝土的極限承載力越低。

(3) 應用國內外規(guī)范所得計算結果比試驗值小，現(xiàn)有規(guī)范對鋼管輕集料混凝土的適用性還有待進一步研究。

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