圓形和方形配筋鋼管混凝土短柱受壓性能比較*

魏 華， 張 臻， 王海軍

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

圓形和方形配筋鋼管混凝土短柱受壓性能比較*

魏 華， 張 臻， 王海軍

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

為了研究圓形和方形配筋鋼管混凝土柱受壓性能，對圓形和方形的中空鋼管柱、素混凝土鋼管柱及配筋鋼管混凝土柱共30個試件進(jìn)行了軸壓試驗，在混凝土截面積、鋼管截面積和鋼筋截面積稍有差別的條件下，對圓形和方形柱試件的承載力、變形性能、合成效果以及破壞模式進(jìn)行了對比分析.結(jié)果表明，圓鋼管混凝土柱的承載力高，變形性能好，受壓性能比方鋼管混凝土柱更優(yōu)越；就破壞模式而言，和圓鋼管混凝土柱相比，方鋼管混凝土柱對于屈曲變形更為有利.

受壓性能； 配筋鋼管混凝土柱； 素混凝土鋼管柱； 截面面積； 壓縮試驗； 承載力； 延性系數(shù)； 破壞模式

鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土而得到的，由于它具有節(jié)省材料、施工進(jìn)度快、抗震性能好等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實際工程中[1-5]，同時，在鋼管混凝土的研究和應(yīng)用中，其截面形式出現(xiàn)了很多種，本文僅對圓形和方形這兩種最為常見的截面形式進(jìn)行介紹，對圓形和方形配筋鋼管混凝土柱的受壓性能進(jìn)行比較分析[6-9].

本文對包括圓形和方形在內(nèi)的共30個柱試驗體進(jìn)行了軸壓試驗，在稍有差別的條件下對圓形和方形這兩種不同截面形狀試驗體的承載力、變形性能、合成效果以及破壞模式進(jìn)行了對比分析.

1 試驗概況

試驗體尺寸、斷面及配筋狀況如圖1所示(單位：mm).鋼管厚度為3.2、4.5、6.0 mm.鋼管內(nèi)填充的狀況為中空(CH)、混凝土(LM)、保護(hù)層厚度較小的鋼筋混凝土(LB)、保護(hù)層厚度較大的鋼筋混凝土(LS)和二重配筋混凝土(LW)，試驗制作了圓形截面柱試驗體(××-C)和方形截面柱試驗體(××-SC)各15個，圓形和方形截面柱試驗體的混凝土、鋼管和鋼筋的截面積如表1所示.從表1中可以看出，本文是在混凝土截面積Ac、鋼管截面積As和鋼筋截面積Ar稍有差別的條件下對圓形和方形這兩種不同截面形狀試件的力學(xué)性能進(jìn)行了對比分析.鋼管由熱軋低碳鋼板焊接而成，鋼材實測屈服強度和抗拉強度分別為291.2和456.8 N/mm2.混凝土強度為28.0 N/mm2，內(nèi)部填充的鋼筋主筋直徑為6 mm，箍筋直徑為3 mm.試件在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗[10].

圖1 試件截面尺寸和配筋

表1 圓形和方形柱試驗體的混凝土、鋼管和鋼筋的截面積

試驗在2 940 kN 的試驗機上以荷載控制的方式進(jìn)行，加載速度為5.88 kN/s，荷載增量為196 kN，在荷載達(dá)到1 176 kN后每級重復(fù)三次加載.測試項目包括：柱頂端豎向位移、鋼管表面應(yīng)變以及充填混凝土中心位移.

2 試驗結(jié)果及分析

試驗得到的圓形和方形截面柱試驗體的極限承載力與延性系數(shù)如表2所示.表2中的延性系數(shù)為試驗體達(dá)到極限承載力時的位移與試驗體發(fā)生屈服時的位移比值.圓形和方形截面鋼管試驗體的徑厚比與極限承載力的關(guān)系如圖2所示.從表2和圖2中可以看出，二重配筋RCFT圓形截面柱試驗體的極限承載力比方形截面柱試驗體分別高10.5%(鋼管厚度為3.2 mm)、9.6%(鋼管厚度為4.5 mm)和1.4%(鋼管厚度為6.0 mm).在CFT柱試驗體中，鋼管厚度為4.5 mm的圓形截面柱試驗體比方形截面柱試驗體的極限承載力高12.6%，鋼管厚度為3.2和6.0 mm的方形截面柱試驗體比圓形截面柱試驗體的極限承載力分別高0.6%、8.6%.對于鋼管厚度為3.2、4.5和6.0 mm的所有柱試驗體來說，二重配筋RCFT圓形截面柱試驗體的極限承載力比方形截面柱試驗體分別高143.2%、185.7%、185.1%；CFT圓形截面柱試驗體則比方形截面柱試驗體分別高36.0%、354.5%、396.4%.

表2 柱試驗體的極限承載力與延性系數(shù)

圖2 柱試驗體的徑厚比與極限承載力的關(guān)系

使用方形截面鋼管試驗體的合成效果比圓形截面鋼管試驗體要小得多，因此，對于方形截面鋼管試驗體來說，基于合成效果的承載力和變形性能的提高不明顯.圖4為圓形和方形截面鋼管試驗體的徑厚比與延性系數(shù)的關(guān)系曲線.由圖4可以看出，無論是圓形還是方形截面柱試驗體，延性系數(shù)都有隨著徑厚比的減小而增大的趨勢，而圓形截面柱試驗體的增大率要大一些.此外，RCFT圓形截面柱試驗體比方形截面柱試驗體的變形性能高2.4～4.6倍.

圖3 鋼管厚度為4.5 mm柱試驗體的荷載位移包絡(luò)圖

圖4 柱試驗體的徑厚比與延性系數(shù)的關(guān)系

柱試驗體的破壞狀況如圖5所示.對于圓形柱試驗體，幾乎所有的CFT/RCFT柱的上端和下端都發(fā)生了局部屈曲，有的試驗體在中央部位也發(fā)生了局部屈曲.對于方形柱試驗體，在充填混凝土發(fā)生破壞前鋼管有發(fā)生燈籠狀屈曲的跡象，從試驗體的上端向下看方形柱試驗體，用混凝土充填鋼管后，鋼管的屈曲模式由圖6a變化為對于屈曲有利的圖6b的模式.

3 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 圓形RCFT柱試驗體表現(xiàn)出比方形RCFT柱試驗體更高的極限承載力.對于圓形RCFT柱試驗體，鋼管內(nèi)填充鋼筋混凝土后，核心配筋混凝土與鋼管的合成效果使柱試驗體的極限承載力提高，而對于方形RCFT柱試驗體，這種合成效果甚微.因此，對于方形截面鋼管試驗體來說，基于合成效果的承載力和變形性能的提高不明顯.

圖5 柱試驗體的破壞狀況

2) 無論是圓形還是方形RCFT柱試驗體，延性系數(shù)都有隨著徑厚比的減小而增大的趨勢，而圓形RCFT柱試驗體的增大率要大一些.此外，RCFT圓形截面柱試驗體比方形截面柱試驗體的變形性能高2.4～4.6倍.

3) 就破壞模式而言，和圓鋼管混凝土柱相比，方鋼管混凝土柱對于屈曲變形更有利一些.

[1]盧明奇，楊慶山.矩形鋼管混凝土柱力學(xué)性能非線性有限元分析 [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，34(2)：224-230.

(LU Ming-qi，YANG Qing-shan.Nonlinear finite element analysis on mechanical behavior of concrete-filled rectangular steel tubular column [J].Journal of Shenyang University of Technology，2012，34(2)：224-230.)

[2]Wei H，Wang H J.Experimental study on reinforced concrete filled circular steel tubular columns [J].Steel and Composite Structures，2014，17(4)：517-533.

[3]Lu Y Y，Li N，Li S，et al.Experimental investigation of axially loaded steel fiber reinforced high strength concrete-filled steel tube columns [J].Journal of Central South University，2015，22(6)：2287-2296.

[4]Qin P，Tan Y，Xiao Y.Low cyclic fatigue performance of concrete-filled steel tube columns [J].Journal of Central South University，2015，22(10)：4035-4042.

(LIU Xiao-gang，F(xiàn)AN Jian-sheng，TAO Mu-xuan，et al.Comparison and analysis on design method of shear capacity of panel zone between CFT column and steel beam [J].Journal of Building Structures，2012，33(2)：85-92.)

[6]柯曉軍，陳宗平，應(yīng)武擋，等.鋼管高強混凝土柱軸壓性能試驗研究 [J].建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(16)：46-49.

(KE Xiao-jun，CHEN Zong-ping，YING Wu-dang，et al.Experimental study on the axial compression performance of high-strength concrete filled steel tube columns [J].Building Structure，2014，44(16)：46-49.)

[7]杜闖，陳烜，郭蓉，等.CFST柱和RC柱偏壓性能比較 [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，37(1)：102-108.

(DU Chuang，CHEN Xuan，GUO Rong，et al.Comparison in performances of CFST and RC columns subjected to eccentric load [J].Journal of Shenyang University of Technology，2015，37(1)：102-108.)

[8]顧威，李宏男，張美娜.CFRP鋼管混凝土軸壓短柱混凝土本構(gòu)關(guān)系 [J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2011，51(4)：545-548.

(GU Wei，LI Hong-nan，ZHANG Mei-na.Constitutive relation of concrete of concrete-filled CFRP-steel tubular short columns with axial compression [J].Journal of Dalian University of Technology，2011，51(4)：545-548.)

[9]繆巍.配筋鋼管混凝土短柱軸心承載力試驗研究 [J].山西建筑，2010，36(5)：79-81.

(MIAO Wei.Experimental research and bearing capacity analysis of axially compressive reinforced concrete-filled steel tube short column [J].Shanxi Architecture，2010，36(5)：79-81.)

[10]魏華，王海軍.圓形配筋鋼管混凝土橋柱受壓力學(xué)性能的試驗研究 [J].鐵道學(xué)報，2015，37(1)：105-110.

(WEI Hua，WANG Hai-jun.Experimental study on compression performance of reinforced concrete filled circular steel tubular bridge columns [J].Journal of the China Railway Society，2015，37(1)：105-110.)

(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Comparison in compression performance of circular and square RCFT short columns

WEI Hua, ZHANG Zhen, WANG Hai-jun

(School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the compression performance of reinforced concrete-filled steel tube (RCFT) columns, the axial compression experiments were performed for 30 specimens including circular and square hollow steel tube columns, concrete filled steel tube (CFT) columns and RCFT columns. Under the condition that the cross section area of concrete, steel tube and reinforcement has a slight difference, the bearing capacity, deformation performance, synthetic effect and failure mode of circular and square column specimens were compared and analyzed. The results show that the circular CFT columns have higher bearing capacity, better deformation performance and more excellent compression performance than the square CFT columns. For the failure mode, the square CFT columns are superior to the circular CFT columns in the aspect of buckling deformation.

compression performance; reinforced concrete-filled steel tube column; concrete filled steel tube column; cross section area; compression test; bearing capacity; ductility coefficient; failure mode

2016-10-17.

沈陽市科技計劃項目(F16-205-1-09).

魏 華(1973-)，女，山西交城人，副教授，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.03.20

TU 37

A

1000-1646(2017)03-0352-05

*本文已于2017-05-08 20∶25在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170508.2025.008.html