圓形減壓鋼管約束混凝土柱的軸壓性能

柏佳文，魏 洋，張依睿，丁明珉，李國芬

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著各類新型混凝土的出現(xiàn)，作為傳統(tǒng)建筑材料的混凝土，其物理及力學(xué)性能不斷改善，成為土木、建筑領(lǐng)域中不可或缺的原材料.而通過外部材料(鋼管、箍筋、纖維增強復(fù)合材料等)約束內(nèi)部混凝土的橫向變形，使內(nèi)部混凝土處于三向受壓狀態(tài)，能夠有效地改善其承載能力和變形能力[1-4].鋼管混凝土作為一種經(jīng)典形式的約束混凝土結(jié)構(gòu)，具有承載能力高、延性好等優(yōu)點.當(dāng)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受壓時，鋼管同時承受軸向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力，在受載過程中，鋼管與混凝土之間會持續(xù)發(fā)生內(nèi)力重分布，其應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜.當(dāng)前，針對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承載力計算，大多數(shù)設(shè)計規(guī)范，如ACI規(guī)范、AISC規(guī)范、Euro規(guī)范等，只考慮混凝土和鋼管豎向承載力的簡單疊加，未考慮鋼管的約束作用.一直以來，為研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在軸壓荷載下的約束效率，研究者們對比分析了荷載條件[5]、組合約束形式[6-7]、鋼管類型及厚度[8]、截面形式[9]和混凝土強度[10]等因素.為了避免鋼管直接承受縱向應(yīng)力，提高鋼管的約束效果，M.TOMII等[11]首次提出“套管混凝土”的概念，其在鋼管兩端預(yù)留縫隙避免鋼管的縱向傳力.另外，也有研究[12-13]通過減小鋼管與混凝土之間粘結(jié)力，或在鋼管內(nèi)部涂抹潤滑油等方法，減小鋼管縱向受力，同時提升對混凝土的環(huán)向約束力.研究表明鋼管僅用于橫向約束時可避免鋼管縱向屈曲，有效提高構(gòu)件的延性及承載力.

為研究鋼管混凝土的環(huán)向約束機理，筆者提出一種新型減壓鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示.該結(jié)構(gòu)在普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在高為H的鋼管外側(cè)縱向間隔開設(shè)若干環(huán)向一周的寬度為s的減壓槽.減壓槽的設(shè)置使得鋼管直接承受的縱向荷載不能有效傳遞，從而實現(xiàn)鋼管不直接承受豎向荷載，僅提供環(huán)向約束作用的特殊效果.

圖1 新型減壓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)示意圖

為研究新型結(jié)構(gòu)的約束效果，筆者對6根減壓鋼管混凝土柱和6根普通鋼管混凝土柱進行軸壓試驗，分析其破壞模式，驗證減壓鋼管混凝土柱軸壓承載力的提高效果，并提出考慮鋼管環(huán)向約束應(yīng)力的軸壓承載力計算方法.

1 試驗概況

試驗共制作了12個高度H=400 mm、外徑D=133 mm的兩種類型圓形鋼管混凝土短柱試件，其中減壓鋼管混凝土柱和普通鋼管混凝土柱各為6個.試件的具體參數(shù)及力學(xué)性能見表1.測試試件變形的加載及測量裝置如圖2所示.

表1 試件參數(shù)及鋼管力學(xué)性能

圖2 加載及測量裝置圖

每種類型鋼管混凝土柱分別采用無縫鋼管和卷制鋼管兩種工藝，每種鋼管各有3個不同厚度，其中無縫鋼管厚度分別為4.5，6.0和7.5 mm，卷制鋼管厚度分別為2.0，4.0和6.0 mm.試件的命名規(guī)則如下，WS代表卷制鋼管，S代表無縫鋼管，其后數(shù)字如“2”代表鋼管厚度2 mm，厚度標(biāo)識后字母N代表無減壓槽的普通鋼管混凝土柱，厚度標(biāo)識后無字母代表設(shè)置減壓槽的減壓鋼管混凝土柱.

減壓鋼管混凝土柱在鋼管的外側(cè)縱向間隔開設(shè)4條環(huán)向一周的寬度5 mm的減壓槽，減壓槽的總寬度為20 mm，即為鋼管總高度H的5%.減壓鋼管混凝土柱制作工藝如下：鋼管環(huán)制作→減壓鋼管成型→減壓槽密封→混凝土澆筑→養(yǎng)護→打磨.鋼管環(huán)由鋼管加工成型，每個減壓鋼管由5節(jié)鋼管環(huán)組成，第1節(jié)鋼管環(huán)高度為80 mm，其余4節(jié)鋼管環(huán)高度為75 mm，外徑133 mm；減壓鋼管成型由各鋼管環(huán)上下對齊焊接在外置的臨時角鋼上，環(huán)與環(huán)之間預(yù)留5 mm減壓槽縫；減壓槽密封通過聚氨酯泡沫填縫劑充滿各個減壓槽，防止混凝土澆筑時水泥漿流出；混凝土澆筑采用分層灌入，人工振搗成型；在混凝土澆筑后，將試件置于實驗室自然條件下，灑水養(yǎng)護；待混凝土強度形成后，切割去除臨時角鋼，將試件表面打磨光滑，即形成減壓鋼管混凝土結(jié)構(gòu).

所有試件的混凝土均采用相同配合比、同一批次澆筑.同條件下澆筑成型養(yǎng)護的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊測得其平均抗壓強度為45.4 MPa，換算圓柱體強度為37.8 MPa.根據(jù)各批次鋼管制作的鋼材拉伸試件的拉伸試驗，實測得到鋼管的力學(xué)性能(見表1).

為測試試件變形，在試件的縱向?qū)ΨQ布置了2個普通電測位移計LVDT(測量試件整個高度的位移)和2個激光位移計JD(測量試件中部360 mm范圍的位移)，在試件中部表面沿周長四邊對稱粘貼4個縱向應(yīng)變片(AS)及4個橫向應(yīng)變片(LS)(見圖2).試驗加載設(shè)備采用300 t高剛度電液伺服試驗機，試驗數(shù)據(jù)由應(yīng)變儀TDS-530同頻率采集.加載時，首先對試件幾何對中，隨后在彈性范圍內(nèi)，以300 kN荷載預(yù)加載3次，檢查位移計和應(yīng)變片的工作狀況.正式加載時，采用變形控制，速率為0.3 mm·min-1，直至荷載達到峰值，且豎向位移達到預(yù)定要求.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件破壞模式

普通鋼管混凝土柱試件典型破壞模式如圖3所示.當(dāng)鋼管進入彈塑性階段后，普通鋼管混凝土柱試件的軸向壓縮變形和環(huán)向膨脹變形增長速度加快，表面出現(xiàn)輕微鼓起，鼓起主要出現(xiàn)在試件中部附近.

圖3 普通鋼管混凝土柱典型破壞模式

隨著荷載的增加開始蔓延至試件上部或下部，對于鋼管厚度較小的試件，鋼管褶皺屈曲現(xiàn)象明顯，對于鋼管厚度較大的試件變形均勻，最終發(fā)生鋼管腰鼓破壞，且含鋼率越高，試件的膨脹變形越不明顯.

減壓鋼管混凝土柱試件典型破壞模式見圖4.

圖4 減壓鋼管混凝土柱典型破壞模式

對于減壓鋼管混凝土柱試件，由于鋼管不受縱向荷載作用，較普通鋼管混凝土柱的縱向壓縮變形大，隨著荷載的增加，減壓槽處少量混凝土脫落，槽縫減小，核心混凝土被鋼管環(huán)向約束，在減壓槽閉合過程中，內(nèi)部混凝土發(fā)生持續(xù)的壓縮與橫向膨脹，外部鋼管隨之出現(xiàn)膨脹變形，以中部附近鋼管鼓起最為明顯，未出現(xiàn)鋼管褶皺屈曲現(xiàn)象，加載后期，大部分試件減壓槽完全閉合，鋼管形成整體承載，減壓槽兩側(cè)鋼管相互擠壓變形嚴重，此時，荷載已超過最大峰值，最終以鋼管混凝土的軸向變形過大或焊縫拉裂而宣告試件破壞，鋼管為核心混凝土提供充分約束.

2.2 對比分析

圖5為各組試件的荷載-應(yīng)變曲線，其中橫坐標(biāo)為縱向應(yīng)變，其值為激光位移計測得位移除以標(biāo)距360 mm，且在彈性階段，通過縱向應(yīng)變片校正，彈塑性階段通過普通電測位移計測得試件全高變形數(shù)據(jù)修正；縱坐標(biāo)為試驗荷載.表2為試驗主要結(jié)果.表中含鋼率為鋼管橫截面面積與核心混凝土橫截面面積的比值；Nup為試件軸壓承載力計算值；Nue為試件軸壓承載力試驗值.其中對于應(yīng)變強化型試件，取縱向應(yīng)變?yōu)?.05處對應(yīng)的試驗荷載值為極限荷載.

圖5 各組試件荷載-應(yīng)變曲線

結(jié)合圖5和表2可知：由于普通鋼管混凝土柱試件的鋼管縱向連續(xù)，能夠直接承受縱向荷載，普通鋼管混凝土柱試件(WS4N，S4.5N，WS6N，S6N和S7.5N)的剛度一般大于減壓鋼管混凝土柱試件(WS4，S4.5，WS6，S6和S7.5)，尤其對于含鋼率較高、鋼管約束系數(shù)較大的試件，鋼材提供了較大的受壓軸向剛度，區(qū)別更加明顯；對于含鋼率較低、鋼管約束系數(shù)較小的試件(鋼管厚度2.0 mm)，一方面鋼管易發(fā)生局部屈曲，另一方面鋼管的截面較小，使得減壓槽的設(shè)置對試件的受壓截面剛度影響很小.由于減壓鋼管約束混凝土試件的鋼管設(shè)置了多條環(huán)向減壓槽，減壓槽提供了變形集中釋放的局部構(gòu)造，有效地避免了鋼管前期的縱向屈曲，在軸壓荷載作用下，減壓槽完全閉合前，達到相同試驗荷載時的減壓鋼管混凝土柱的軸向壓縮變形明顯大于普通鋼管混凝土柱.

表2 試驗主要結(jié)果

整體來說，無論減壓槽設(shè)置與否，試件的極限承載力都隨著含鋼率的增大而提高，如鋼管厚度4.0 mm的減壓鋼管混凝土柱試件和普通鋼管混凝土柱試件的承載力相對于鋼管厚度2.0 mm試件分別增大60.8%和64.1%；對比發(fā)現(xiàn)，就承載力提高效果而言，鋼管厚度越小的試件，減壓槽的設(shè)置對于承載力提高效果越加明顯，隨著鋼管厚度的增加，減壓槽的設(shè)置對于承載力提高效果越發(fā)降低.

圖6為不同鋼管厚度下減壓鋼管混凝土試件與普通鋼管混凝土試件的極限荷載比變化趨勢，其中鋼管厚度為6.0 mm時取WS6與S6組的平均值.

圖6 不同鋼管厚度下極限荷載比變化趨勢

對于減壓鋼管混凝土試件，由于減壓鋼管縱向不連續(xù)，試件不直接承受豎向荷載，其環(huán)向約束力理論上大于普通鋼管混凝土柱，減壓鋼管混凝土試件的鋼管提供的約束效果優(yōu)于普通鋼管混凝土柱，尤其對于鋼管厚度較薄的試件，減壓鋼管混凝土試件的承載力明顯大于普通鋼管混凝土柱，前者承載力約為后者的1.1～1.3倍.對于鋼管厚度較大試件，普通鋼管混凝土柱鋼管也不易發(fā)生屈曲，其軸壓承載力在鋼材強化階段得到較大提升，減壓鋼管混凝土試件的極限承載力與普通鋼管混凝土試件相近，甚至前者低于后者，減壓鋼管的優(yōu)勢效果不再明顯.

2.3 軸壓承載能力計算

對于普通鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)，其在軸向荷載作用下，鋼管受到軸壓、環(huán)向拉伸多個方向應(yīng)力，對應(yīng)極限狀態(tài)，根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，鋼管的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力存在如下關(guān)系：

(1)

(2)

式中：σl和σa分別為鋼管環(huán)向應(yīng)力和縱向應(yīng)力；fy為鋼管屈服強度，其中對于應(yīng)變強化型試件的鋼管屈服強度fy按1.1倍進行預(yù)測；ηl和ηa分別為鋼管環(huán)向應(yīng)力和縱向應(yīng)力與屈服強度fy的相對系數(shù).對于普通鋼管混凝土柱，筆者在大量收集整理分析他人試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建議了普通鋼管混凝土柱的鋼管環(huán)向約束相對系數(shù)的計算方法[13]：

(3)

式中：ξs為鋼管約束系數(shù)，ξs=Asfy/Acfco，其中As和Ac分別為鋼管和核心混凝土橫截面面積，fco為未約束混凝土柱抗壓強度.

與普通鋼管混凝土柱不同，對于筆者提出的新型減壓鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管具有縱向不連續(xù)的特性，不直接承擔(dān)縱向荷載，僅對核心混凝土施加環(huán)向約束力，因此，可以認為對應(yīng)極限狀態(tài)時的鋼管環(huán)向應(yīng)力取為鋼管的屈服強度，減壓鋼管混凝土柱環(huán)向約束效率計算值為ηl=-1.0.在環(huán)向約束效率確定基礎(chǔ)上，根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，確定ηa如下：

(4)

在σl確定后，相應(yīng)的鋼管環(huán)向約束力fl為

(5)

(6)

式中：h為減壓鋼管約束混凝土柱的鋼管實際總高度，本研究中取值為380 mm；H為減壓鋼管約束混凝土柱的高度，本研究中取值為400 mm.

在fl確定后，筆者選用M.SAATCIOGLU等[14]提出的箍筋約束混凝土模型，計算鋼管核心內(nèi)約束混凝土的極限強度：

(7)

式中：fcc為鋼管核心內(nèi)約束混凝土的極限強度.

在fcc和σa計算確定后，普通鋼管混凝土柱和減壓鋼管混凝土柱的軸壓承載力Nup可計算如下：

Nup=fccAc+σaAs.

(8)

根據(jù)以上預(yù)測模型，兩種類型鋼管混凝土柱軸壓承載力計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖7所示，其中Nue為軸壓承載力試驗值.由圖7可知，筆者提出的計算方法能夠有效地預(yù)測普通鋼管混凝土柱和減壓鋼管混凝土柱的軸壓承載力，且預(yù)測結(jié)果較試驗值偏于保守，普通鋼管柱和減壓鋼管柱Nup/Nue的平均值分別為0.90和0.92，標(biāo)準(zhǔn)差均為0.11，平均絕對誤差分別為14%和12%，預(yù)測結(jié)果總體滿意.

圖7 兩種混凝土柱的軸壓承載力計算結(jié)果對比

3 結(jié) 論

1) 對于普通鋼管混凝土柱，鋼管厚度較小時，鋼管褶皺屈曲現(xiàn)象明顯.對于減壓鋼管混凝土柱試件，由于鋼管不受縱向荷載作用，試件未出現(xiàn)鋼管褶皺屈曲現(xiàn)象，表現(xiàn)為中部鋼管呈鼓起膨脹變形，最終以鋼管混凝土的軸向變形過大或焊縫拉裂而宣告試件破壞，鋼管為核心混凝土提供充分約束.

2) 對于承載力的影響，鋼管厚度越小的試件，減壓鋼管的環(huán)形約束作用發(fā)揮越明顯，減壓槽的設(shè)置對于承載力提高效果明顯，減壓鋼管混凝土柱承載力約為普通鋼管混凝土柱的1.1～1.3倍，隨著鋼管厚度的增加，減壓鋼管混凝土與普通鋼管混凝土的極限荷載比逐漸降低.對于含鋼率較低、鋼管約束系數(shù)較小試件，減壓槽的設(shè)置對試件軸壓截面剛度影響很小，而對于含鋼率較高、鋼管約束系數(shù)較大的試件，卻顯著降低了其軸壓截面剛度.

3) 對于鋼管混凝土柱，減壓槽提供了變形集中釋放的局部構(gòu)造，有效地避免了鋼管的縱向屈曲，在軸壓荷載作用下，減壓槽完全閉合前，達到相同試驗荷載時，減壓鋼管混凝土柱的軸向壓縮變形明顯大于普通鋼管混凝土柱.

4) 筆者提出的圓形鋼管約束混凝土柱的軸壓承載力統(tǒng)一計算方法，可適用于普通鋼管混凝土柱及減壓鋼管混凝土柱的軸壓承載力預(yù)測，且預(yù)測值總體偏于保守.