方鋼管約束粉煤灰混凝土軸壓短柱受力性能研究

張 杰

（山東建大建筑規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟南 250014）

1 鋼管約束混凝土相關(guān)概述

鋼管約束混凝土柱由Tomii 等人于上世紀(jì)八十年代初首次提出，即將鋼筋混凝土柱中的箍筋用鋼管代替，且鋼管不直接承擔(dān)軸向荷載，使得混凝土和鋼管之間只存在環(huán)向的相互作用，從而形成鋼管約束鋼筋混凝土柱。其和普通鋼筋混凝土柱相比，具有更好的抗剪承載力和抗震性能；柱子整個截面得到有效約束，一方面能防止縱筋壓屈，縱向鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強度得到提高，另一方面柱的延性和軸向承載力也明顯提高.和鋼管混凝土柱相比，鋼管作為混凝土施工模板的優(yōu)勢不變，但其僅起到橫向鋼筋的作用，與鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點施工方便，避免了鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁在節(jié)點處連接復(fù)雜的問題。

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計

以鋼管寬厚比（37.5 和45）、內(nèi)填輕骨料混凝土的強度（LC30 和LC40） 和是否配筋為變化參數(shù)，進行了4 組共12個試件的試驗研究，試件高寬比H/B=3，鋼管內(nèi)配置縱筋為4Ф14，箍筋為φ8@200，端板厚10mm，用角磨機在試件兩端距離柱上、下端30mm 處切出一道寬度為10mm 的環(huán)向條帶，以實現(xiàn)鋼管約束混凝土的目的。

鋼管采用Q235 級鋼.輕骨料采用粉煤灰陶粒，在混凝土制作過程中盡可能保證成型質(zhì)量，輕骨料混凝土立方體試塊截面尺寸為100mm×100mm×100mm，每組制作三塊試塊，對每組試塊編號，靜置24h 拆模，同條件養(yǎng)護28d 后測試其強度。

2.2 試驗加載與測點布置

本試驗在500t 壓力試驗機上進行，采用一次性壓潰試驗，試驗過程中采用DHS816 靜態(tài)應(yīng)變采集儀自動采集試驗數(shù)據(jù)。在彈性范圍內(nèi)每級載荷為預(yù)算極限載荷的1/10；鋼管屈服以后，每級載荷約為預(yù)算極限載荷的1/15，直到試件破壞.試驗時在各試件的鋼管中部截面每隔90°分別粘貼縱向和橫向應(yīng)變片，在鋼管上下端切口處每隔90°分別布置橫向應(yīng)變片。

3 試驗結(jié)果

3.1 試驗現(xiàn)象和破壞模式

各試件的破壞過程基本相同，當(dāng)加載到極限載荷的50%～60%時，鋼管表面出現(xiàn)輕微的鐵銹脫落，在試件上、下端切口處混凝土出現(xiàn)裂紋，局部有碎屑掉落；當(dāng)載荷達到極限載荷的80%～90%時，試件鋼管上端切口處開始合攏，骨料出現(xiàn)脆響，而下端切口沒有此現(xiàn)象，認(rèn)為是輕骨料混凝土在分層澆筑過程中仍不可避免地出現(xiàn)了陶粒上浮現(xiàn)象，切口處為薄弱截面，導(dǎo)致試件上端切口裂縫首先貫穿輕骨料，因此上端切口處的壓縮變形較大，首先開始合攏.達到極限載荷以后，試件壓縮變形繼續(xù)增大，當(dāng)鋼管上、下端切口完全閉合，兩切口之間鋼管向外膨脹鼓曲明顯時，停止加載。

各試件鋼管在切口處以及切口之間均出現(xiàn)了不同程度的膨脹外鼓.剖開試件STRLC-180-40 的鋼管后發(fā)現(xiàn)，在距離試件上端1/3 處核心輕骨料混凝土被壓潰.在本次試驗中，鋼管寬厚比、混凝土強度、是否配置縱筋對該種軸壓短柱的破壞模式均無明顯影響。

3.2 載荷-位移曲線

各試件的P-Δ 關(guān)系曲線由上升段和較長的近似水平段組成，說明該種組合構(gòu)件具有良好的延性和后期承載力。①達到峰值載荷后，STLC 試件和STRLC 試件的P-Δ 關(guān)系曲線存在差異，STLC 試件在峰值載荷點后，載荷先下降，之后進入近似水平段；相比較而言，STRLC 試件在峰值載荷后直接進入水平段.部分試件在加載后期有微弱的上升段，這是由于此時試件上、下端切口閉合，鋼管直接承擔(dān)了部分縱向載荷引起的。②由曲線中鋼管的屈服位置可以發(fā)現(xiàn)，在試件峰值載荷后，鋼管才達到屈服。因此方鋼管約束輕骨料混凝土軸壓短柱的承載力不取決于鋼管屈服強度。③寬厚比、有無縱筋對試件延性的影響不大，僅對試件承載力有影響.混凝土強度對試件承載力和延性的影響均不大。

3.3 鋼管和縱筋應(yīng)變分析

在加載初期，試件處于彈性受力階段，由于核心混凝土和鋼管之間存在粘結(jié)摩擦，試件中部截面鋼管的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變均線性增加，且縱向應(yīng)變增加的速率大于橫向應(yīng)變。峰值載荷以后，隨著載荷的增加，核心混凝土的橫向變形成倍增長（后一級載荷下的橫向應(yīng)變是前一級載荷下的2倍），而縱向應(yīng)變增加的速率很?。ê笠患壿d荷下的橫向應(yīng)變是前一級載荷下的1.2 倍），說明在此階段鋼管主要對核心混凝土提供約束作用。輕骨料混凝土強度、是否配置縱向鋼筋對載荷-應(yīng)變曲線形狀和鋼管應(yīng)變的影響均不明顯，而鋼管寬厚比對曲線形狀的影響不大，但對應(yīng)變數(shù)值影響較大.當(dāng)其他參數(shù)相同時，隨著鋼管寬厚比減?。磳捄癖?7.5 的試件和寬厚比45 的試件相比），應(yīng)變增大，說明小寬厚比試件的鋼管對核心混凝土的約束效果更為明顯，因此，三個影響因素中，鋼管寬厚比為關(guān)鍵影響因素。

4 結(jié)語

方鋼管約束輕骨料混凝土軸壓短柱的破壞模式為鋼管外凸，核心輕骨料混凝土發(fā)生了壓潰破壞，寬厚比、混凝土強度以及是否配筋對試件破壞模式的影響不大。方鋼管約束輕骨料混凝土軸壓短柱具有良好的后期承載力和變形能力，鋼管在極限載荷后達到屈服。