鏤空鋼管約束混凝土柱試驗(yàn)研究

趙德芳，李 昶

(1.河北工業(yè)大學(xué)后勤管理處，天津 300130;2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

鏤空鋼管約束混凝土柱試驗(yàn)研究

趙德芳1，李 昶2

(1.河北工業(yè)大學(xué)后勤管理處，天津 300130;2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

鋼管約束混凝土柱是一種新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其約束鋼管采用鏤空形式，外部由一層纖維增強(qiáng)塑料(FRP，F(xiàn)iber Reinforcement Plastic)封閉。研究采用的鏤空鋼管為方形管，邊長(zhǎng)為30.8cm，高度為11.43cm，有2種不同的鏤空?qǐng)A孔分布模式:一種為正方形布置，一種為梅花形布置。試驗(yàn)的約束混凝土柱試件總數(shù)為27根，單向壓縮試驗(yàn)表明，鏤空鋼管約束混凝土柱極大地提高了混凝土的變形能力及能量吸收能力。同時(shí)，與梅花形鏤空?qǐng)A孔布置的鏤空鋼管約束混凝土試件相比，正方形鏤空?qǐng)A孔布置的鋼管約束混凝土試件具有更強(qiáng)的變形及能量吸收能力。

格柵;鋼管約束混凝土柱;纖維增強(qiáng)塑料

近年來(lái)，鋼管及纖維增強(qiáng)塑料管約束混凝土柱的研究與應(yīng)用得以迅猛發(fā)展［1-9］。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱相比，鋼管或FRP管約束混凝土柱的主要優(yōu)勢(shì)在于:不需要建筑模板，具有更高的強(qiáng)度和韌性，以及更好的能量吸收能力。特別是FRP管，還具有耐腐蝕能力，因此更適合惡劣環(huán)境下應(yīng)用。

在鋼管或FRP管約束混凝土柱中，約束管自身主要處于兩向應(yīng)力狀態(tài)——軸向受壓和環(huán)向受拉，約束混凝土柱的混凝土與約束管間需要有較強(qiáng)的界面結(jié)合能力，以利于荷載的傳遞［10］。近幾年，鏤空型FRP管約束混凝土柱越來(lái)越受到重視［11-14］，因其能充分利用混凝土和鏤空?qǐng)A孔之間的機(jī)械嵌鎖能力。試驗(yàn)研究成果表明，相比于常規(guī)的FRP管，圓形FRP鏤空管約束混凝土柱具有更高的承載能力、更大的變形能力和更大的能量吸收能力。

筆者主要研究了一種改進(jìn)的鏤空型鋼管約束混凝土柱的結(jié)構(gòu)性能和破壞模式。為了增強(qiáng)鋼管的耐腐蝕能力，用一層薄的FRP從外部封閉鏤空鋼管，其另一個(gè)作用則是可防止混凝土澆筑時(shí)從鏤空開(kāi)孔流出。為便于試驗(yàn)加工，采用了方形鋼管形式。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料和試件制備

試件用混凝土采用I型波特蘭水泥、碎石、天然砂、水和增塑劑DAVA170制備。研究中，為與國(guó)外已有研究成果相對(duì)照，混合物設(shè)計(jì)參照美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)的211.1(“Standard Practice for Selecting Proportions for Normal Heavyweight and Mass Concrete”，大體積混凝土配合比實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)，1991年)。重量比是水泥∶水∶粗集料∶細(xì)集料∶添加劑 =1∶0.56∶3.80∶2.19∶0.001。為制作鏤空鋼管，選用了一種低碳鋼鋼板，其厚度為6.35 mm，屈服強(qiáng)度為308 MPa，彈性模量為200 GPa。首先將這種鋼板切割成長(zhǎng)30.8 cm、寬11.43 cm的小塊，然后在其上鉆圓孔，孔徑為25.4 mm，從而得到鏤空的鋼板。通過(guò)邊緣的接縫焊接，將鏤空鋼板組合成30.8 cm高、寬和長(zhǎng)都是11.43 cm，兩端開(kāi)口的方形鏤空管。

為評(píng)定這些方柱狀鏤空鋼管結(jié)構(gòu)性能，成型了2組試件，一組試件采用正方形鏤空?qǐng)A孔布置，而另一組則采用梅花形鏤空?qǐng)A孔布置，如圖1根據(jù)鋼管4個(gè)側(cè)面的鏤空面數(shù)目不同，每一組試件又細(xì)分為4類(第1類至第4類為正方形鏤空?qǐng)A孔布置;第5類至第8類為梅花形鏤空?qǐng)A孔布置):第1類和第5類有一面鏤空，其余3面不鏤空;第2和第6類在2個(gè)相對(duì)的表面上都有鏤空，其余面不鏤空;第3和第7類在3個(gè)面上有鏤空，有一個(gè)面不鏤空;第4和第8類則在所有4個(gè)面上均有鏤空。而對(duì)照組試件，其鋼管的4個(gè)側(cè)面均為實(shí)心鋼板，并在外面裹覆了一層相同的FRP薄層。

圖1 正方形鏤空?qǐng)A孔布置鋼板和梅花形鏤空?qǐng)A孔布置鋼板示意Fig.1 Parallel and spiral arrangement of punch hole

分別稱重每一類試件，以獲得各類試件單位重量的荷載-位移曲線。根據(jù)天平稱重結(jié)果，正方形鏤空?qǐng)A孔布置形式情況下，第1至第4類試件的平均重量分別為 5.62，4.96，4.25 和 3.55 kg，實(shí)體鋼管對(duì)照組的平均重量為6.38 kg。而梅花形鏤空?qǐng)A孔布置的鋼管約束混凝土試件，其5，6，7，8類試件的平均重量則分別為 5.69，5.01，4.37 和 3.66 kg。

在鏤空鋼管成型后，采用手工成型技術(shù)，在所有試件表面采用紫外線固化的7 715型玻璃纖維增強(qiáng)乙烯基酯復(fù)合材料裹覆以形成FRP裹覆層(7 715型玻璃纖維是一種無(wú)定形纖維)。本研究中，纖維沿環(huán)向定向以提供最大的約束。每根鋼管用2層FRP裹覆，2層搭接長(zhǎng)度為25.4 mm。裹覆后，將試件放置在紫外線光源下固化，該過(guò)程在1 h之內(nèi)結(jié)束。澆筑混凝土前，鋼管的一端用一層塑料布封閉，然后進(jìn)行混凝土的拌和、澆筑、振搗、成型，最后在100%相對(duì)濕度的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)生28天。

1.2 壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)參考ASTM C39標(biāo)準(zhǔn)(Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens，混凝土柱體試件抗壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))用FORNEY試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。該設(shè)備具有2 688 kN的加載能力。每一試件都先單軸壓縮加載至大約40%的混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，然后卸載，以保證試驗(yàn)各部件緊密接觸，減少位移測(cè)定中的誤差。然后，試件被加載直至破壞，加載速率為0.23 MPa/s。在此過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接記錄荷載-位移曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 軸向荷載-位移行為

每一類試件的單位重量荷載(kN/kg)-位移(mm/kg)曲線如圖2?？梢钥闯?鏤空鋼管約束混凝土柱的荷載-位移曲線所表現(xiàn)出的力學(xué)行為與實(shí)體鋼管約束混凝土對(duì)照組試件類似。荷載-位移曲線可以不失一般地描述為一個(gè)線彈性區(qū)間接一段幾乎水平的曲線。

曲線圖表明試件的屈服，接下來(lái)是應(yīng)變硬化，直至達(dá)到荷載峰值。一旦達(dá)到峰值，柱體位移增加所需施加的荷載迅速減小，這表明柱體結(jié)構(gòu)的破壞。這種結(jié)構(gòu)行為的原因可解釋如下:在單軸壓縮荷載作用下，在方形約束鋼管的環(huán)向，每個(gè)面上的拉應(yīng)力逐漸增加，這種拉應(yīng)力在鋼管的四個(gè)角上最大。這一角點(diǎn)上的應(yīng)力集中導(dǎo)致焊接位置的屈服和硬化，這與低碳鋼在受拉時(shí)的情況類似。

圖2 不同類型柱體的壓應(yīng)力和壓應(yīng)變Fig.2 Specific compressive stress and strain of various types of cylinders

2.2 抗壓強(qiáng)度和變形能力

表1列出了試驗(yàn)的峰值荷載和對(duì)應(yīng)的峰值位移匯總數(shù)據(jù)。比較鏤空鋼管和實(shí)體鋼管試件可以發(fā)現(xiàn)，鏤空鋼管的軸向荷載減小了。這一減小隨著鏤空面的增加而變得越來(lái)越明顯，特別是對(duì)正方形圓孔布置的鏤空鋼管。這種減少可能是由于鋼管與混凝土芯共同承擔(dān)荷載，由于減少了鋼的用量，鏤空鋼管的剛度比實(shí)體鋼管的低，從而在同樣的軸向荷載作用下，混凝土芯分擔(dān)了更多的荷載并產(chǎn)生了更多的側(cè)向膨脹，導(dǎo)致鋼管更大的環(huán)向應(yīng)力，最終，鏤空鋼管柱體在更低的軸向荷載作用下破壞。

與實(shí)體鋼管相比，鏤空鋼管約束混凝土柱在變形能力(韌性)方面有所增強(qiáng)。這種增強(qiáng)在鏤空面增加時(shí)變得更加顯著。變形能力增加的原因可解釋如下:對(duì)于實(shí)體鋼管和鏤空鋼管的實(shí)體面板，單向壓縮加載時(shí)能觀測(cè)到局部屈服失穩(wěn)的發(fā)生，如圖3所示。這種局部失穩(wěn)的位移較小。另一方面，對(duì)于鏤空鋼管面，由于機(jī)械嵌鎖和混凝土的側(cè)面支撐作用，沒(méi)有局部失穩(wěn)發(fā)生，鏤空鋼管表面的破壞主要是每個(gè)單元的軸向變形，因而鏤空鋼管柱體表現(xiàn)出更好的變形性能。

比較正方形鏤空?qǐng)A孔布置的鋼管約束混凝土柱和梅花形鏤空?qǐng)A孔布置的鋼管約束混凝土柱可以發(fā)現(xiàn)，正方形鋼管約束柱會(huì)有更大的強(qiáng)度損失，但變形能力更佳。具體應(yīng)用時(shí)，正方形鏤空?qǐng)A孔布置鋼管約束混凝土柱可能更適用于那些對(duì)韌性有更高要求的場(chǎng)合;另一方面，梅花形鏤空?qǐng)A孔鋼管約束混凝土柱在抗壓強(qiáng)度是控制性因素的情況下應(yīng)用更合理。試驗(yàn)中觀測(cè)到，實(shí)體鋼管面的局部失穩(wěn)或正方形鏤空?qǐng)A孔布置鋼管的軸向變形位置都出現(xiàn)于柱體端部附近。對(duì)梅花形鏤空?qǐng)A孔布置鋼管面來(lái)說(shuō)，在每個(gè)側(cè)面的端部上比正方形圓孔布置鏤空鋼管有更多的鋼材，導(dǎo)致其具有更高的強(qiáng)度和更低的韌性，這一點(diǎn)與實(shí)體鋼管面類似。

表1 約束混凝土柱的荷載和位移隨鏤空鋼管類型不同而變化的情況Tab.1 Variation of specific load and specific displacement with number of ribs

圖3 實(shí)體鋼管柱和鏤空鋼管面破壞模式Fig.3 Failure modes of solid steel face and grid face

3 結(jié)論

筆者對(duì)鏤空鋼管約束方形混凝土柱的試件成型和相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:鏤空鋼管約束方形混凝土柱的力學(xué)行為與實(shí)體鋼管約束混凝土柱對(duì)照組試件類似。與對(duì)照組相比，除個(gè)別情況(圖2中曲線5-單面正方形鏤空)外，鏤空鋼管約束混凝土柱普遍由于機(jī)械嵌鎖而具有更高的韌性，同時(shí)由于鏤空鋼管面的剛度減小而強(qiáng)度下降。與正方形鏤空?qǐng)A孔布置鋼管約束混凝土柱試件相比，梅花形布置鋼管約束混凝土柱的抗壓強(qiáng)度更高但韌性較差，這可能是由于在梅花形鏤空?qǐng)A孔布置鋼管端部有更多的實(shí)體鋼材，局部剛度更高所致。

［1］王文達(dá)，韓林海.鋼管混凝土柱-鋼梁平面框架的滯回關(guān)系［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，49(12):1934-1938.

WANG Wen-da，HAN Lin-hai.The hysteresis curves of concrete filled square steel tube columns and steel beam planar frames［J］.Journal of Tsinghua University:Natural Science，2009，49(12):1934-1938.

［2］李竹，王文達(dá)，于清.地下工程中鋼管混凝土柱的抗火計(jì)算與實(shí)踐［J］.鐵道建筑，2009(9):60-63.

LI Zhu，WANG Wen-da，YU Qing.The Anti-flame computation and application of steel tube concrete cylinder in underground engineering［J］.Railway Architecture，2009(9):60-63.

［3］韓金生，董毓利，徐趙東，等.配筋鋼管混凝土柱抗壓性能［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2009，31(3):11-17.

HAN Jin-sheng，DONG Ming-li，XU Zhao-dong，et al.The anti-compressive character of steel and bar reinforced concrete cylinder［J］.Civil Engineering and Circumstance Engineering，2009，31(3):11-17.

［4］曹遠(yuǎn)軍，黃明奎，莊家智，等.矩形鋼管混凝土柱局部屈曲分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(1):30-32.

CAO Yuan-jun，HUANG Ming-quan，ZHUANG Jia-zhi，et al.Local buckling performance of rectangular concrete-filled steel columns［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Sciences ，2010，29(1):30-32.

［5］張志權(quán)，趙均海，張玉芬，等.復(fù)合鋼管混凝土柱軸壓承載力的計(jì)算［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，30(1):67-70.

ZHANG Zhi-quan，ZHAO Jun-hai，ZHANG Yu-feng，et al.Axial bearing capacity of composite-sectioned square concrete-filled steel tubes［J］.Journey of Changan University:Natural Science，2010，30(1):67-70.

［6］張江彬，徐趙東，韓金生，等.接觸熱阻及熱濕耦合作用對(duì)火災(zāi)下鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)影響的研究［J］.工程力學(xué)，2010，27(9):133-138.

ZHANG Jiang-bing，XU Zhao-dong，HAN Jin-sheng，et al.Study on the effect of thermal contact resistance and coupled heat and moisture on temperature field of cfst columns［J］.Engineering Mechanics，2010，27(9):133-138.

［7］Hajjar J F，Gourley B C.Representation of concrete-filled steel tube cross section strength［J］.Journal of Structural Engineering，1996，122(11):1327-1336.

［8］Mirmiran A，Shahawy M.Behavior of concrete columns confined by fiber composites［J］.Journal of Structure Engineering，1997，123(5):583-590.

［9］Spacone E，El-Tawil S.Nonlinear analysis of steel-concrete composite structures:state of the art［J］.Journal of Structural Engineering，2005，130(2):59-168.

［10］ LI Guo-qiang.Experimental study of FRP confined concrete cylinders［J］.Engineering Structures，2006，28(7):1001-1008.

［11］ LI Guo-qiang.Experimental study of hybrid composite cylinders［J］.Composite Structures，2007，78(7):170-181.

［12］ LI Guo-qiang，Maricherla D.Advanced grid stiffened FRP tube encased concrete cylinders［J］.Journal of Composite Materials，2007，41(15):1803-1824.

［13］ LI Guo-qiang，Velamarthy R C.Fabricating，testing，and modeling of advanced grid stiffened fiber reinforced polymer tube encased concrete cylinders［J］.Journal of Composite Materials，2008，42(11):1103-1124.

［14］ JI Ge-fu，OUYANG Zhen-yu，LI Guo-qiang.Experimental investigation into the interfacial shear strength of AGS-FRP tube confined concrete pile［J］.Engineering Structures，2009，31(10):2309-2316.

Experimental Research of Grid Tube Steel and FRP Confined Concrete Cylinders

ZHAO De-fang1，LI Chang2
(1.Department of Facility Management and Service，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China;
2.College of Transportation Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China)

This paper introduced a new kind steel tube confined concrete cylinder，which had grid steel tube style，and closed in FRP(Fiber Reinforcement Plastic)membrane.The tube had the rectangle shape，and its width was 30.8cm，height was 11.43cm，the punch circle had two types of arrangements:one was square，the other was spiral.There were totally 27 specimen.Single dimensional compressive experiment showed that grid steel tube improves the deformation and energy-absorbing abilities.Comparing with spiral type arrangement，the square type arrangement specimen had better abilities of deformation and energy-absorption.

grid;steel tube confined concrete cylinder;FRP

TU398.9

A

1674-0696(2011)03-0381-03

2011-02-10;

2011-04-30

趙德芳(1974-)，女，河北廊坊人，助工，主要從事土木工程試驗(yàn)方面的研究。E-mail:zdf007007@sohu.com。