異形鋼管混凝土組合柱軸壓試驗研究

王立泉　李新永

【摘要】制作了6根T形鋼管混凝土組合柱并進行了軸壓試驗，詳細介紹了試件的制作和加載過程，對試驗現(xiàn)象、破壞機理、試驗結(jié)果進行了詳細的描述和分析。

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土組合柱；受力機理；極限承載力；軸壓

【中圖分類號】TU528.59 【文獻標志碼】A 【文章編號1003-1324（2012）-03-0097-03

鋼管混凝土作為一種結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和大量研究，起初僅僅是用做橋墩，然后隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高使它的應(yīng)用范圍得到了很大的擴展。與鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土具有高承載力、良好的塑性和抗震性能。鋼管混凝土核心柱是在鋼骨混凝土柱和鋼管混凝土柱的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是將鋼管混凝土柱布置在鋼筋混凝土柱的核心區(qū)域，形成的由鋼管、核心混凝土、鋼管外的鋼筋混凝土三部分組成的組合柱。由于鋼管對核心混凝土的約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，承載力得到提高。外圍混凝土對核心區(qū)域的鋼管混凝土起到了保護作用，使得鋼管混凝土核心柱比鋼管混凝土柱具有更好的耐火和耐腐蝕性能，并且更有利于梁柱節(jié)點的處理。

本試驗結(jié)合鋼筋混凝土異形柱、鋼骨混凝土異形柱、鋼管混凝土核心柱的優(yōu)點，提出了一種新型的鋼一混凝土組合柱——異形鋼管混凝土組合柱，研究其受力機理和破壞機理。

1 實驗

1.1構(gòu)件設(shè)計

本試驗以房屋建筑的框架柱為研究對象，根據(jù)框架柱的受力特點，取上下反彎點間部位作為試驗研究單元，在試件軸向保持常軸力。共設(shè)計制作6根T形鋼管混凝土柱，柱肢長300mm，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。鋼管直徑為108mm，柱身高度為400ram，為了防止試件加載時端部先破壞，在試件上、下兩端各加一個400mm高的柱帽，試件總高為1200mm，外包截面尺寸為300mm×300mm，肢寬150mm。試件高寬比為4，符合短柱要求，可忽略長細比對軸壓構(gòu)件承載力的影響?？v筋直徑取中12，箍筋直徑取中6，柱帽區(qū)箍筋加密，間距取50mm，柱身區(qū)間距取100mm。為了防止試件加載時出現(xiàn)受力不均勻，在柱帽兩端各加10mm厚的鋼板。

1.2應(yīng)變片布置

為了準確測量試件中鋼管和鋼筋的變形，在柱身中部鋼管壁上面每隔90。沿縱向和環(huán)向粘貼8片電阻應(yīng)變片，在柱身中部的縱向鋼筋和水平箍筋上分別布置了電阻應(yīng)變片。其中，在不相同位置的縱向鋼筋上布置了縱向應(yīng)變片，共4個；在水25平箍筋的不同位置上布置了環(huán)向的應(yīng)變片，共8個。電阻應(yīng)變片粘貼完畢之后，利用膠帶使其電阻絲與鋼管或鋼筋絕緣，再采用環(huán)氧樹脂膠將上述應(yīng)變片進行絕緣固定，并將每個電阻應(yīng)變片的電阻絲接出導(dǎo)線，絕緣之后用萬用表檢查確保阻值無誤。

1.3試件制作

試驗采用的鋼管為Q235碳素?zé)o縫鋼管，縱向鋼筋和水平箍筋均為熱軋光圓鋼筋HPB235。在制作試件時，先按照試件設(shè)計的尺寸加工鋼管、縱筋、箍筋。切割完鋼管后要把兩端車平，保證端部平整。為每個試件加12塊300mm×300mm×20mm的蓋板，在蓋板上標出鋼管、縱筋的相應(yīng)位置，然后將鋼管、縱筋和底部蓋板焊接在一起，并保證焊接質(zhì)量。在柱帽區(qū)箍筋加密，間距為50mm，柱身區(qū)箍筋間距取100mm。接著將加工好的箍筋在試件設(shè)計的位置處和縱筋以焊接的方式來固定。在鋼筋和鋼管指定位置打磨并粘貼應(yīng)變片，然后在應(yīng)變片端線上焊導(dǎo)線，并將應(yīng)變片和焊點用環(huán)氧樹脂封固。

自密實混凝土按照配合比，采用強制式攪拌機現(xiàn)場攪拌自密實混凝土，現(xiàn)場支立模板，在模板的中間部位鉆幾個大孔，將電阻應(yīng)變片連接的導(dǎo)線引出，并將電線的接頭用塑料袋封裹密實，又在模板的中下部鉆幾個小孔，用來判斷模板內(nèi)的混凝土是否澆注完全。若混凝土流出，則說明混凝土澆注完全。澆注時，先澆注鋼管內(nèi)的混凝土，然后澆注鋼管外部的混凝土，箍筋外部的混凝土保護層留置為25mm。采用自由下落的方法澆注，從鋼管頂部灌入混凝土直至鋼管底部。待鋼管澆注完全之后再澆注鋼管外部混凝土直至澆注完全。此時保持鋼管內(nèi)混凝土頂面與鋼管外混凝土的頂面保持水平，再將上端的鋼板蓋在鋼管的上端，此時嚴格的保持上端的水平精確度，確保鋼板與鋼管端部完全接觸。試件采用人工澆水方式養(yǎng)護，立方體試塊采用相同條件養(yǎng)護。

1.4加載制度

試驗在8000kN的柱式試驗機上以荷載控制的方式進行加載，加載前，先對試件進行準確對中，先預(yù)加載檢驗儀表工作是否正常，正常后再正式加載。加載時，根據(jù)預(yù)估的最大破壞荷載進行分級加載。在預(yù)估破壞荷載的70%～80%之前，按1/10～1/15分級加載，每兩級荷載間停30s左右，使試件的變形能夠充分發(fā)揮或恢復(fù)；在構(gòu)件表現(xiàn)出非線性變形階段后，采用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)實行連續(xù)采集直至試件破壞。

2 試驗過程及結(jié)果分析

2.1試驗過程及破壞現(xiàn)象

加載初期，試件的變形和形態(tài)變化均不大，當外荷載加至極限荷載的60%～70%時，外部混凝土在柱身處開始出現(xiàn)第一條微裂縫，隨著外荷載的增加，裂縫逐漸增多，并且布滿了柱身中部；當外荷載達到極限承載力的75%～85%時，柱身中部處的豎向裂縫急劇發(fā)展，形成幾條寬度在5～7mm的主裂縫；當即將達到極限荷載時，柱身中部處的混凝土開裂速度越來越快，開裂深度越來越大，最后出現(xiàn)有整塊的混凝土崩裂，脫落，進入了試件的破壞階段，壓力機無法繼續(xù)加載，認為達到了破壞荷載。

2.2荷載一縱向位移關(guān)系分析

由荷載-位移曲線可以看出，破壞過程大致都經(jīng)歷了三個階段：①線性增長階段。在加載初期，T形鋼管混凝土組合柱的鋼管、鋼筋及鋼管內(nèi)、外混凝土都處于彈性工作階段，荷載增量和位移增量呈線性變化。由于加載初期荷載較小，試件變形量很小，從外觀看無明顯變化。②非線性增長階段。隨著荷載的不斷增加，各種材料先后達到屈服極限進入塑性階段，荷載增量和位移增量呈非線性的關(guān)系。此階段，試件的剛度不斷下降，曲線的切線斜率不斷變小。③下降階段。三個試件當達到其極限荷載后，荷載位移曲線開始下降。

2.3縱筋和箍筋的荷載一應(yīng)變關(guān)系分析