方形四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱擬靜力試驗(yàn)與受力機(jī)理分析

曹艷

摘 要：為了解地震作用下方形鋼管混凝土格構(gòu)柱的工作情況及抗震性能，便于工程設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用，完成了2根方形四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱恒壓下的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，并對(duì)格構(gòu)柱的各組成構(gòu)件進(jìn)行了受力分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）柱肢鋼管加載前期，緊箍作用不明顯，但受力后期對(duì)核心混凝土的緊箍力非常大；（2）加載后期方形鋼管混凝土格構(gòu)柱各柱肢處于縱向受壓環(huán)向受拉狀態(tài)，并各柱肢均具有良好的延性性能；（3）柱肢與綴管的連接節(jié)點(diǎn)是受力的薄弱部位，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、保證焊縫質(zhì)量非常重要。試驗(yàn)結(jié)果及理論分析結(jié)果證實(shí)了方形鋼管混凝土格構(gòu)柱應(yīng)用在抗震結(jié)構(gòu)中的可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：方形四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱；擬靜力試驗(yàn)；受力機(jī)理分析；緊箍效應(yīng)

鋼管混凝土柱將鋼管和混凝土有效組合，使得其具有承載力高，塑性、韌性好，施工方便及經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。因而，國(guó)內(nèi)外對(duì)單肢鋼管混凝土柱已有了深入的研究，并形成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱的研究開展得還比較少，并且大部分都集中在對(duì)圓鋼管混凝土格構(gòu)柱及格構(gòu)柱軸壓、偏壓的研究。隨著建筑功能和造型的多樣化，不同截面、變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱的研究還需要大量的學(xué)者投入。近年來(lái)，震害的頻繁和加劇，使得對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱的抗震性能研究更是非常必要。

本文進(jìn)行了2個(gè)四肢方形鋼管混凝土格構(gòu)柱在恒壓下的低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)格構(gòu)柱各構(gòu)件分別進(jìn)行分析，以便進(jìn)一步了解鋼管混凝土格構(gòu)柱在地震作用下的受力機(jī)理，為鋼管混凝土格構(gòu)柱抗震性能理論分析、抗震設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案（Experiment Scheme）

1.1 試件設(shè)計(jì) （Specimens Design）

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了2個(gè)四肢方形鋼管混凝土格構(gòu)柱試件。格構(gòu)柱柱肢及綴管均為無(wú)縫鋼管，綴管與柱肢之間的連接采用相貫節(jié)點(diǎn)，采用焊接并保證焊縫質(zhì)量，柱肢灌漿采用自密實(shí)混凝土。在底座和柱帽的中央各開一個(gè)直徑為80mm的圓孔用于螺桿對(duì)試件施加豎向力。材料強(qiáng)度及試件參數(shù)見表1.兩個(gè)方格構(gòu)柱的柱肢直徑為80mm，綴管直徑42mm，壁厚均為3mm，長(zhǎng)1700mm，fy=259MPafu=356MPafcu=71.7MPa，伸長(zhǎng)率為21%。

1.2 試驗(yàn)裝置及加載方案（Test setup）

試驗(yàn)在湖南城市學(xué)院結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

用液壓千斤頂對(duì)柱頂施加豎向荷載；通過(guò)固定在反力墻上的拉、壓千斤頂對(duì)試件施加水平荷載。豎向?yàn)楹阒导虞d，根據(jù)合理軸壓比取豎向荷載為600kN，水平荷載采用荷載位移混合加載制度。加載初期采用荷載控制并分級(jí)加載，每次荷載增量為±30kN并每級(jí)循環(huán)一次，接近屈服荷載時(shí)，加載級(jí)差減小至±10kN；當(dāng)試件屈服后采用位移控制并取屈服位移的1倍為級(jí)差分級(jí)加載，每級(jí)循環(huán)三次，直至試件破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析（ Experiment Result Analysis）

2.1 柱肢鋼管受力分析 （Force Analysis of The Column Limb）

2.1.1 柱肢鋼管縱向受力分析

圖4 給出了柱肢跨中截面B、C處的荷載平均縱向應(yīng)變曲線，以受拉為正。

（a）FZZG1柱肢鋼管荷載縱向應(yīng)變曲線

（b）FZZG2柱肢鋼管荷載縱向應(yīng)變曲線

加載初期，柱肢鋼管跨中截面各位置荷載縱向應(yīng)變曲線均為直線，鋼管處于彈性受力階段。繼續(xù)加載至85%Pu左右時(shí)，柱肢鋼管進(jìn)入屈服階段，應(yīng)變迅速增加，構(gòu)件因面外變形過(guò)大，進(jìn)入幾何非線性階段。隨著應(yīng)變值的增大以及反復(fù)加載，構(gòu)件極限值不斷下降，說(shuō)明鋼管混凝土格構(gòu)柱產(chǎn)生了包辛格效應(yīng)。加載后期，柱肢縱向受力偏向受壓。

2.1.2 柱肢鋼管環(huán)向應(yīng)變分析

柱肢跨中截面荷載平均環(huán)向應(yīng)變曲線如圖5，取受拉為正。

（a）FZZG1柱肢鋼管荷載環(huán)向應(yīng)變曲線

（b）FZZG2柱肢鋼管荷載環(huán)向應(yīng)變曲線

柱肢跨中截面各位置鋼管的環(huán)向應(yīng)變相差不大。加載初期，柱肢鋼管與核心混凝土變形相對(duì)協(xié)調(diào)，環(huán)向應(yīng)變值很小。繼續(xù)加載，兩材料之間相互作用增大，核心混凝土裂縫開展致使混凝土的膨脹力大于鋼管混凝土的約束力，柱肢鋼管環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率顯著增加，滯回環(huán)明顯離開原來(lái)軌跡偏向受拉一側(cè)。

2.2 緊箍效應(yīng)分析（ Analysis of The Confinement Effect）

為正確反映柱肢鋼管緊箍效應(yīng)的作用，排除構(gòu)件殘余應(yīng)力及綴管拉壓力對(duì)柱肢作用的影響，此處僅對(duì)B、C位置分析緊箍效應(yīng)的作用。文獻(xiàn)[5]指出緊箍效應(yīng)反映了核心混凝土所受最大縱向力與其所對(duì)應(yīng)的最大緊箍力的關(guān)系。由泊松比μ=環(huán)向應(yīng)變縱向應(yīng)變可得到鋼管混凝土格構(gòu)柱緊箍效應(yīng)情況。

鋼材實(shí)測(cè)泊松比為0.28。如圖4，當(dāng)荷載水平較低時(shí)，柱肢鋼管的泊松比集中在0.3左右，即此時(shí)鋼管的套箍作用尚不明顯；荷載繼續(xù)增加時(shí)，泊松比隨之增大，甚至達(dá)到1.5，說(shuō)明鋼管對(duì)核心混凝土已產(chǎn)生了相當(dāng)大的緊箍作用。

2.3 節(jié)點(diǎn)受力分析（Force Analysis on The joint）

試驗(yàn)中當(dāng)荷載加至0.65Pu時(shí)，柱肢跨中節(jié)點(diǎn)就出現(xiàn)了第一條裂縫，進(jìn)入位移控制加載時(shí)，多處綴管與柱肢連接處出現(xiàn)了撕裂。最終由于綴管的脫落，節(jié)點(diǎn)所能承受的水平荷載收到限制，且隨著水平位移的增加，荷載值降低，柱肢鼓曲而破壞?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中格構(gòu)柱交叉節(jié)點(diǎn)按桁架鏈接計(jì)算，但由于焊縫殘余應(yīng)力及應(yīng)力集中等的影響，格構(gòu)柱恒壓往復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)受力非常復(fù)雜，不僅承受拉、壓力，還有剪力、彎矩的作用，因此實(shí)際工程中必須采取措施減小節(jié)點(diǎn)過(guò)早破壞對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響。

3 結(jié)論（Conclusion）

通過(guò)對(duì)方形鋼管混凝土格構(gòu)柱的擬靜力試驗(yàn)研究和理論分析，可得以下結(jié)論：

（1）低周反復(fù)荷載下，方形鋼管混凝土格構(gòu)柱因加載后期彎曲變形較大，柱肢處于縱向受壓環(huán)向受拉狀態(tài)，并均具有非常好的延性性能。

（2）加載初期，柱肢鋼管緊箍作用不明顯或是基本未發(fā)生緊箍作用，但隨著荷載的增加，泊松比快速增大，受力后期，鋼管對(duì)核心混凝土產(chǎn)生了相當(dāng)大的緊箍力，大大提高了構(gòu)件的抗震性能。

（3）方形鋼管混凝土格構(gòu)柱中，斜、橫綴管受力均比較小，整個(gè)加載過(guò)程中始終處于彈性受力階段。設(shè)計(jì)中，在保證綴管截面面積的情況下，可按彈性理論設(shè)計(jì)。

（4）方形鋼管混凝土格構(gòu)柱中，柱肢與綴管的節(jié)點(diǎn)是受力的薄弱部位，試件的破壞最先于節(jié)點(diǎn)的撕裂，最終于綴管的脫離。實(shí)際工程中，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和保證焊縫質(zhì)量非常必要。

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