鋼骨-T形截面鋼管混凝土短柱力學(xué)性能試驗(yàn)

鞠開林，蔡振興，梁明華 （長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

為提高高層建筑承重柱的承載力和延性，同時(shí)解決梁柱凸出室內(nèi)占用房屋使用面積、影響室內(nèi)裝修和家具的布置問(wèn)題，筆者提出鋼骨-異形截面鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)構(gòu)想，參照文獻(xiàn) ［1］將型鋼內(nèi)置于T形截面鋼管混凝土柱內(nèi)。這種組合柱可以在滿足承載力和延性的前提下方便建筑布局，提高房屋使用面積，是一種極具發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)形式。

1 試件設(shè)計(jì)

為探討影響鋼骨-T形截面鋼管混凝土短柱受力性能和極限承載能力的主要因素，設(shè)計(jì)制作9根鋼骨-T形截面鋼管混凝土短柱試件和3根T形截面空鋼管混凝土短柱試件。混凝土和鋼材的材料力學(xué)性能均按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法［2-4］實(shí)測(cè)得出，混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為C40，邊長(zhǎng)150mm立方體的抗壓強(qiáng)度為46．29N／mm2。試件加工過(guò)程如下：將6mm厚的鋼板按試驗(yàn)要求的尺寸加工成工字型，將應(yīng)變片粘貼在鋼骨中部，組裝時(shí)先將鋼骨垂直焊接在厚10mm邊長(zhǎng)300mm的方鋼板上，然后套裝外層鋼管，并將應(yīng)變片導(dǎo)線由鋼管下端的鉆孔中引出，使鋼管和鋼骨的幾何中心重合后將鋼管焊接在方鋼板上，所有焊縫均按文獻(xiàn) ［4］進(jìn)行設(shè)計(jì)。試件主要參數(shù)如表1所示。

表1 T形短柱試件主要參數(shù)表

2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在500T壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 （見圖1）。采用力控式分級(jí)加載，在彈性范圍內(nèi)每級(jí)加載為預(yù)計(jì)極限荷載的1／10，持載5min后再進(jìn)行下一級(jí)加載，當(dāng)荷載達(dá)到預(yù)計(jì)極限荷載的75%以后，持荷時(shí)間為2min，試件破壞時(shí)慢速連續(xù)加載。在每個(gè)試件的外壁布置縱向和環(huán)向電阻應(yīng)變片測(cè)量試件的應(yīng)變 （見圖2）。其中1、2、3、4、5、6、7分別表示環(huán)鋼管壁外側(cè)中部電阻應(yīng)變片的位置，9AF、11BF分別表示內(nèi)置鋼骨腹板處中部應(yīng)片的位置，8AY、10BY分別表示鋼骨翼緣處應(yīng)變片的位置。

圖1 500T壓力試驗(yàn)機(jī)

圖2 應(yīng)變片布置圖

3 試件受力性能分析

3．1 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

圖3所示為部分試件的破壞形態(tài)。當(dāng)外荷載達(dá)到極限荷載的80%左右時(shí)，鋼管壁出現(xiàn)剪切現(xiàn)象，隨荷載增大現(xiàn)象越明顯，最后呈剪切破壞形態(tài) （見圖3（a））。當(dāng)外荷載達(dá)到極限荷載后，混凝土產(chǎn)生局部壓碎，距試件上、下柱端15cm處凸曲，呈局部屈曲破壞形態(tài) （見圖3（b））。當(dāng)外荷載繼續(xù)增加，試件角部鋼管開始屈服，產(chǎn)生裂痕，直至開裂破壞，呈角部開裂破壞形態(tài) （見圖 （c））。

圖3 試件典型破壞形態(tài)

試件荷載-位移典型曲線圖如圖4所示。從圖4可以看出，整個(gè)試件可以分為3個(gè)工作階段：①?gòu)椥怨ぷ麟A段 （AB段）。從加載初期到極限荷載的80%以前，柱子的荷載-位移曲線近似一條直線，荷載與位移呈正比例關(guān)系，此時(shí)柱子處于彈性工作階段。②彈塑性工作階段 （BC段）。當(dāng)荷載超過(guò)了極限荷載的80%以后，混凝土中的微裂縫不斷擴(kuò)展，鋼管開始受壓屈服，試件的軸向剛度不斷減小 （BC段）。③破壞階段 （CD段）。當(dāng)荷載超過(guò)極限荷載后，柱子出現(xiàn)比較大的變形。隨變形增大，混凝土中的微裂縫急劇發(fā)展，承載力也急速下降，柱子軟化直至發(fā)生破壞。

3．2 荷載-應(yīng)變曲線

圖5所示為受配骨指標(biāo)ρ影響的荷載-應(yīng)變曲線。從圖5可以看出如下特點(diǎn)：①隨配骨指標(biāo)ρ的增加，試件的極限承載力也增加，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變也相應(yīng)較大。②配骨指標(biāo)ρ增大，試件彈性工作階段對(duì)應(yīng)的斜率增大，說(shuō)明試件的剛度有所增加。③隨配骨指標(biāo)ρ的增大，荷載-應(yīng)變曲線的下降段越來(lái)越平緩，說(shuō)明試件的延性有所提高。

圖6所示為受套箍系數(shù)θ影響的荷載-應(yīng)變曲線。由圖6可知，套箍系數(shù)θ越大，鋼管對(duì)核心混凝土柱的約束效應(yīng)越強(qiáng)，試件的極限承載力越大，試件的延性越好，試件荷載-應(yīng)變曲線的下降段越平緩，下降越緩慢。

圖4 荷載-位移典型曲線圖

圖5 受配骨指標(biāo)ρ影響的荷載-應(yīng)變曲線

圖6 受套箍系數(shù)θ影響的荷載-應(yīng)變曲線

通過(guò)上述分析，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土柱與鋼骨-鋼管混凝土柱相比，其極限承載力較低。

4 結(jié) 論

1）鋼骨-T型鋼管混凝土柱破壞形態(tài)包括局部屈曲破壞、剪切型破壞和角部開裂破壞。

2）試件工作階段分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，并表現(xiàn)出一定的彈塑性性能。

3）增大套箍系數(shù)，可以增加鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，提高試件的極限承載力和延性；增大配骨指標(biāo)可以減少管壁局部屈曲的發(fā)生，提高試件的剛度和極限承載力，延性也有所增加。

［1］杜國(guó)鋒，徐禮華，徐浩然，等 ．鋼管混凝土組合T形短柱軸壓力學(xué)性能研究 ［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（4）：549-555．

［2］GB／T228-2002，金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法 ［S］．

［3］GB／T50081-2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) ［S］．

［4］GB500172-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］．