鋼骨L形截面鋼管混凝土短柱力學(xué)性能試驗(yàn)

蔡振興 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

秦承索 (山東省泰安市交通培訓(xùn)中心，山東 泰安 271000)

鞠開(kāi)林，梁明華 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

蔡振興 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

秦承索 (山東省泰安市交通培訓(xùn)中心，山東 泰安 271000)

鞠開(kāi)林，梁明華 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

為了解鋼骨-鋼管混凝土柱力學(xué)性能，設(shè)計(jì)制作9根鋼骨-L形截面鋼管混凝土短柱，并進(jìn)行軸壓承載力試驗(yàn)，分析套箍指標(biāo)、配骨指標(biāo)等因素對(duì)鋼骨-L形截面鋼管混凝土柱軸壓性能的影響。試驗(yàn)研究表明，在軸心壓力作用下，設(shè)置了鋼骨的L形截面鋼管混凝土柱的極限承載力有所提高，能夠延緩鋼管過(guò)早發(fā)生局部屈曲，從而提高了短柱的延性。

組合柱；短柱；鋼骨混凝土；鋼管混凝土

為提高高層、大跨度建筑承重柱的承載力和延性，同時(shí)解決梁柱突出室內(nèi)占用使用面積的問(wèn)題，筆者提出鋼骨-異形截面鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)構(gòu)想，即將焊接工字形鋼插入異形截面鋼管混凝土柱內(nèi)[1]。這種組合柱可以在滿(mǎn)足較高承載力和延性要求的情況下，解決傳統(tǒng)承重柱占用房屋使用面積的問(wèn)題。

1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制作了9根鋼骨-L形截面鋼管混凝土短柱試件，試驗(yàn)?zāi)康氖翘接戜摴?L形截面鋼管混凝土短柱力學(xué)性能并分析其影響因素。試驗(yàn)構(gòu)件選用C40混凝土和Q235鋼材制作。混凝土和鋼材的力學(xué)性能均按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[2-4]實(shí)測(cè)得到，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為34.318MPa，鋼材屈服強(qiáng)度為301.903MPa。

試件加工過(guò)程如下，將不同厚度的鋼板按試驗(yàn)要求的尺寸加工成型，將應(yīng)變片粘貼在鋼骨中部，組裝時(shí)先將鋼骨按照要求垂直焊接在厚10mm、邊長(zhǎng)300mm的方鋼板上，然后套裝外層鋼管并焊接，表1所示為試件主要參數(shù)，圖1所示為試件截面尺寸，圖2所示為組裝后的組合柱。在試件鋼管外側(cè)布置縱向和環(huán)向電阻應(yīng)變片測(cè)量鋼管的應(yīng)變，鋼骨僅布置縱向應(yīng)變片，應(yīng)變片布置如圖3所示。其中1、2、3、4、5、6、7、12、13分別表示環(huán)鋼管壁外側(cè)中部電阻應(yīng)變片的位置，9AF、11BF分別表示內(nèi)置鋼骨腹板處中部應(yīng)片的位置，8AY、10BY分別表示鋼骨翼緣處應(yīng)變片的位置。

表1 L型短柱試件主要參數(shù)

2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在5000kN液壓式長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)采用力控式分級(jí)加載，在彈性范圍內(nèi)每級(jí)荷載為100kN，當(dāng)荷載接近名義極限荷載的80%時(shí)，每級(jí)荷載按50kN遞增。每級(jí)荷載的持荷時(shí)間約為2min，每級(jí)加載后記錄儀表讀數(shù)。試件發(fā)生明顯變形時(shí)慢速連續(xù)加載，直至試件完全變形時(shí)停止加載。

圖1 試件截面尺寸 圖2 組合柱截面形式 圖3 應(yīng)變片布置圖

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖4所示為部分試件的破壞形態(tài)。從圖中可以看出短柱的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為剪切破壞(見(jiàn)圖4(a))、局部屈曲破壞(見(jiàn)圖4(b))；當(dāng)組合柱受壓屈曲時(shí)，由于焊接質(zhì)量等原因，部分試件出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象(見(jiàn)4(c))。

圖4 試件破壞形態(tài)

圖5 荷載-位移典型曲線圖

組合短柱試件荷載-位移典型曲線如圖5所示。從圖5可以看出，試件工作分階段可分為如下幾部分：①?gòu)椥怨ぷ麟A段(OA段)。該階段荷載-位移曲線近似于直線，試件無(wú)明顯變化，此時(shí)式件處于彈性工作階段。②彈塑性工作階段(AB段)。隨著荷載的增加，試件出現(xiàn)局部突曲，鋼骨、鋼管進(jìn)入彈塑性應(yīng)力狀態(tài)。此時(shí)鋼材和混凝土受壓均產(chǎn)生橫向變形，但混凝土的泊松比超過(guò)鋼管的泊松比，鋼管對(duì)混凝土的約束作用增強(qiáng)，使得構(gòu)件承載力進(jìn)一步提高。③破壞階段(BC段)。達(dá)到極限荷載后，鋼材屈服，荷載增量由混凝土承擔(dān)，混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變快速增大，達(dá)到極限應(yīng)變后，混凝土被壓碎，鋼管屈曲，試件破壞。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1配骨指標(biāo)

不同配骨指標(biāo)影響下的荷載-應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖6可以看出：①隨著配骨指標(biāo)增大，試件極限承載力增大，極限荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值也增大。如配骨指標(biāo)為0.8715的柱ZFHTC1極限承載力是配骨指標(biāo)為0.4364的柱ZDHTA1極限承載力的1.28倍。②配骨指標(biāo)越大，試件荷載-縱向應(yīng)變曲線下降段越平緩，其延性越好。③隨著配骨指標(biāo)的增大，荷載-縱向應(yīng)變曲線彈性階段對(duì)應(yīng)的斜率增大，試件的剛度有所增加。

4.2套箍指標(biāo)

不同套箍指標(biāo)影響下的荷載-縱向應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖7可知，在鋼骨配置相同的情況下，隨著套箍指標(biāo)的增加，鋼管對(duì)核心混凝土柱的約束效應(yīng)加強(qiáng)，試件極限承載力提高，極限承載力對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變也隨之增加。達(dá)極限承載力后，套箍指標(biāo)越大，試件荷載-縱向應(yīng)變曲線的下降段越平緩，說(shuō)明增大套箍指標(biāo)，能改善試件的延性。

圖6 受配骨指標(biāo)影響的荷載-應(yīng)變曲線 圖7 受配骨指標(biāo)影響的荷載-應(yīng)變曲線

5 結(jié) 論

1)鋼骨-L形鋼管混凝土短柱破壞形態(tài)主要包括剪切破壞和局部屈曲破壞。短柱試件的工作階段可分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，并表現(xiàn)出一定的彈塑性性能。

2)短柱試件的極限承載力隨著配骨指標(biāo)的增大而增大，達(dá)極限荷載后，荷載隨應(yīng)變?cè)黾佣档?，配骨指?biāo)越大，下降越平緩，試件延性越好；短柱試件的極限承載力隨套箍指標(biāo)的增大而增大；達(dá)到極限荷載后，荷載隨應(yīng)變?cè)龃蟪蕼p小趨勢(shì)，套箍指標(biāo)越大，下降趨勢(shì)越不明顯，試件延性越好。

3)鋼管混凝土中加入鋼骨后，鋼骨承擔(dān)部分荷載，鋼管、鋼骨和混凝土三者相互作用，改善了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，有效延緩了鋼管局部屈曲的發(fā)生。

[1]杜國(guó)鋒.鋼管混凝土組合T形柱力學(xué)性能研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2008.

[2] GB/T228-2002，金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法[S].

[3] GB/T50081-2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] GB500172-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.07.033

TU398.9

A

1673-1409(2011)07-0092-03

2011-05-26

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(Q20091210)。

蔡振興，女，現(xiàn)主要從事土木工程專(zhuān)業(yè)方面的學(xué)習(xí)。