不同加勁肋鋼管無水泥混凝土短柱軸壓試驗

周沫含 裴長春*

(延邊大學，吉林 延吉 133002)

0 引言

薄壁鋼管混凝土柱由于承載力高、抗震性能好等優(yōu)點，在部分拱橋結構、工業(yè)廠房等建筑中得到應用。但近年來國內外學者們對柱軸壓性能進行試驗研究和理論分析，結果表明：柱在破壞時容易產生局部屈曲，這樣既降低了鋼管對混凝土的約束，也不利于增加鋼管和混凝土的粘結。如，金周(2008)提出在鋼管混凝土工程中采用薄壁鋼管，在軸向荷載下容易發(fā)生局部屈曲，尤其是截面形狀為方形或矩形時[1]。通過以上研究結果可知，薄壁鋼管混凝土柱因有這些缺陷，降低了其承載力，所以推廣應用受到一定的限制。

因此，本文為了提高薄壁鋼管混凝土短柱的力學性能，同時提高工業(yè)廢棄物利用率，降低環(huán)境污染，故以礦渣、粉煤灰等無熟料水泥混凝土作為基體混凝土，改變不同加勁肋形式，研究不同加勁肋的無熟料水泥再生薄壁鋼管混凝土短柱的軸壓性能，為鋼管混凝土短柱的設計及施工提供技術參考。

1 試驗方案設計及方法

1.1 試驗方案設計

本試驗采用的混凝土水膠比為0.3，單位用水量為170 kg/m3，以粉煤灰47.5%、礦渣47.5%、低純度石灰粉5%(以上均為相對膠凝體的質量百分比)代替全部水泥作為膠凝材料，再生骨料摻入率為50%(總粗骨料中所占的質量百分比)，砂率為0.5，減水劑摻入率為0.7%(相對膠凝體的質量百分比)；選用以KOH為2.5%和NaOH為5%(相對膠凝體質量比)組合作為激發(fā)劑進行基準混凝土配合比設計[2]，改變加勁肋形式4個水準，共計劃4組實驗。并在規(guī)定齡期計劃測試柱的破壞形態(tài)、荷載—應變曲線、軸心抗壓強度等。

1.2 試件設計與試驗方法

本試驗設計了四個180 mm×180 mm×540 mm的鋼管短柱，壁厚2.5 mm。第一組試件為不加肋、第二組試件是在柱截面邊長的1/2處設寬25 mm縱向540 mm的加勁肋[3]，第三組試件是在第二組試件的基礎上在柱頂端和底端分別加一個25 mm×25 mm的墊片，第四組試件是在柱截面邊長的1/3和2/3處設寬25 mm縱向540 mm的加勁肋。軸壓載裝置采用的是YAS-5000的微機控制電液伺服壓力試驗機，其最大的試驗力5 000 kN。YAS-5000的系統(tǒng)可以自動采集數據并能進行自動分析。

2 試驗結果分析

2.1 試驗現(xiàn)象與破壞狀態(tài)

首先，無加勁肋的鋼管混凝土柱，在加載初期，隨著荷載值不斷增大，位移讀數不斷增加，但是試件鋼管外并無明顯現(xiàn)象，當荷載增加至350 kN時，鋼管外部柱上口和中間位置產生局部屈曲，隨著荷載值繼續(xù)增大，鋼管外焊接邊緣開始發(fā)生炸裂，發(fā)出一聲脆響，最終破壞荷載為700.5 kN。其次，單肋鋼管混凝土柱，在加載初期，鋼管柱無明顯變化，位移讀數不斷增加，當荷載從850 kN增加至900 kN時，柱中焊縫撕裂并發(fā)出咔咔的響聲，最終破壞時荷載為900.8 kN。第三組單肋加墊片鋼管混凝土柱，在加載初期，鋼管柱表面無明顯變化，位移持續(xù)上升，當荷載增加至820 kN時，上部柱口處開始發(fā)生鼓曲，柱的焊縫開始撕裂，并發(fā)出響聲，最終破壞荷載為881 kN。雙肋鋼管混凝土柱，在加載初期，鋼管并無任何變化，位移數值不斷增加。當荷載加至800 kN時，柱四面的上部開始向外發(fā)生鼓曲；當加載至900 kN時，柱中間部位開始凸起，荷載繼續(xù)增加，凸起部分開始開裂，最終破壞時荷載為963.5 kN。

2.2 荷載—應變曲線

圖1為不同加勁肋形式無熟料水泥再生薄壁鋼管混凝土短柱的荷載—應變曲線。將鋼管應變發(fā)展過程分為彈性階段和彈塑性階段。彈性階段：四根鋼管柱的應變發(fā)展過程相似，鋼管柱的軸向應變和環(huán)向應變呈線性增長，1/4，1/2，3/4各測點應變接近，由圖1可看出，在不設加勁肋的鋼管中，當荷載加載至400 kN時，應變變化很大，說明加勁肋的添加有利于增強鋼管與混凝土的粘結性；在鋼管與混凝土的作用下，混凝土也抑制了鋼管的早期屈服。彈塑性階段：四根鋼管柱的應變發(fā)展過程相似，當荷載加載到極限荷載的90%后，應變開始變大且發(fā)展迅速，伴隨荷載的變大，試件破壞。在設雙肋的鋼管柱中，可以看到荷載加載至800 kN時，三個測點的應變均在2 000以內，說明加勁肋的添加可以對鋼管柱的破壞產生一定的約束作用。

2.3 短柱的軸心抗壓強度

圖2為不同加勁肋形式無熟料水泥再生薄壁鋼管混凝土短柱的軸心抗壓強度。從圖2可看出，首先不設加勁肋的鋼管柱軸心抗壓強度最低為31.1 MPa；隨著加勁肋形式的變化，當加勁肋形式為單肋時，柱的軸心抗壓強度為40.1 MPa；當加勁肋形式為單肋帶墊片時，柱的軸心抗壓強度稍有增高，為39.2 MPa；當加勁肋為雙肋時，柱的軸心抗壓強度為42.8 MPa?？梢?，加勁肋為雙肋時軸心抗壓強度最高。說明加勁肋增強了鋼管的穩(wěn)定性，使鋼管柱中混凝土和鋼管的粘結力更強，起到了提高軸壓性能的作用。

3 結語

本文通過對不同加勁肋形式的無熟料水泥再生鋼管混凝土短柱軸壓性能的試驗分析，得到以下結論：

1)有加勁肋的鋼管柱比無加勁肋的鋼管柱，軸壓承載力有所提高，且單肋帶墊片、單肋、雙肋依次提高，其中，雙肋的鋼管柱的破壞荷載最高。

2)無水泥混凝土鋼管混凝土短柱的破壞形式與普通混凝土柱相似，荷載—應變曲線發(fā)展的彈性和彈塑性階段與普通混凝土鋼管柱基本一致。

3)在本試驗中可得出，當加勁肋為雙肋時，得到的抗軸壓承載力最高，性能最好。

參考文獻:

[1] 金 周.薄壁鋼管混凝土短柱基本力學性能研究[D].廈門：華僑大學,2008.

[2] 王曉博.復合摻料無水泥混凝土短柱軸壓性能試驗研究[D].延吉：延邊大學,2015.

[3] 張俊光,陳建華.設加勁肋鋼管混凝土軸壓短柱試驗研究及有限元分析[J].公路交通科技(應用技術版),2015,11(12):199-203.