T形方鋼管混凝土組合異形柱偏壓性能試驗研究

李泉　周學(xué)軍　李國強　劉哲　王振　王興博　咸國棟

摘 要：T形方鋼管混凝土組合異形柱具有良好的力學(xué)性能，以試件長度、偏心距、偏心方向為試驗參數(shù)，設(shè)計9個不同長細(xì)比的試件進行偏心受壓試驗，觀察試件的破壞形態(tài)，得到荷載應(yīng)變曲線和荷載撓度曲線，并分析各參數(shù)對試件偏心受壓性能的影響。試驗結(jié)果表明：長度為600 mm的試件發(fā)生了強度破壞，長度為1 500、1 800 mm的試件發(fā)生了彎曲失穩(wěn)破壞;試件長度越長，彎曲破壞特征越明顯;偏心距越大，偏壓承載力越低;偏心方向?qū)ζ氖軌盒阅艿挠绊懴鄬^小。與相關(guān)規(guī)范計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，按DBJ/T 13-51—2010計算的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合最好。研究結(jié)果表明，T形方鋼管混凝土組合異形柱延性較好，方鋼管之間可以協(xié)同工作，偏心受壓力學(xué)性能良好。

關(guān)鍵詞：方鋼管混凝土;組合異形柱;偏心受壓;力學(xué)性能;試驗研究

中圖分類號：TU317;TU398? ?文獻標(biāo)志碼：A ??文章編號：2096-6717（2021）02-0102-10

Abstract： The special T-shaped composite columns with concrete-filled square steel tubulars have good mechanical properties. Taking the length， eccentricity and eccentricity direction of the specimen as the test parameters， nine specimens with different slenderness ratio are designed for eccentric compression test. By observing the failure mode of the specimen， the load-strain curve and load-deflection curve are obtained， and the influence of each parameter on the eccentric compression performance of the specimen is analyzed. The test results show that the strength of 600 mm long specimens is damaged. The? specimens with lengths of 1 500， 1 800 mm are broken by bending instability; the longer the specimen length is， the more obvious the bending failure characteristics are; the larger the eccentricity is， the lower the eccentric bearing capacity is; the eccentricity direction has a relatively small impact on the eccentric compression performance. It is found that compared with the calculation results of relevant specifications， the results calculated by DBJ / T 13-51-2010 are in good agreement with the test results. The ductility of special T-shaped composite columns with concrete-filled square steel tubulars is well， the square steel tubes can work together， and the eccentric compression performance is good.

Keywords：concrete filled square steel tube; composite special-shaped column; eccentric compression; mechanical properties; experimental study

傳統(tǒng)住宅建筑結(jié)構(gòu)形式在建筑美觀性、室內(nèi)空間利用率和抗震性能等方面存在不足，異形鋼管混凝土柱結(jié)合了鋼管和混凝土各自良好的力學(xué)性能，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的對建筑結(jié)構(gòu)更高的多樣化需求。然而，普通鋼管混凝土異形柱中，鋼管對核心混凝土的約束作用較弱，而且截面存在陰角，荷載作用時陰角部位可能出現(xiàn)較大變形和破壞，進而導(dǎo)致鋼管混凝土異形柱的承載力下降。為此，提出一種新型組合式方鋼管混凝土組合異形柱，包括L形、T形和十字形截面。T形方鋼管混凝土組合異形柱不僅可以改善陰角，增強對混凝土的約束作用，提高承載力，還具有加工制作方便、施工速度快、構(gòu)件生產(chǎn)成本低和經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，因此，成為研究的熱點。

目前，對鋼管混凝土異形柱的研究主要集中在其力學(xué)性能上。Wang等[1]、Ren等[2]、Xu等[3]、Zhang等[4]進行了44個異形鋼管混凝土柱的軸壓試驗，研究鋼管壁厚和混凝土強度對組合異形柱受力性能的影響及鋼管與混凝土之間的相互作用，提出異形多單元鋼管混凝土軸壓承載力計算公式。左志亮等[5-8]、蔡健等[9-11]、龍躍凌等[12]對27個T形和14個L形帶約束拉桿的鋼管混凝土短柱的軸壓和偏壓性能進行試驗研究，分析約束拉桿間距、偏心率及荷載角對軸壓和偏壓性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，約束拉桿可以延緩鋼管局部屈曲，限制截面陰角處的變形，并提高鋼管對核心混凝土的約束作用。Yang等[13-14]、Liu等[15-16]、Liu等[17]、Xu等[18]對一批T形鋼管混凝土柱、T形鋼管約束混凝土柱和鋼筋加勁T形鋼管混凝土柱進行了軸壓和偏壓試驗，研究了含鋼率、鋼材屈服強度、混凝土抗壓強度、長細(xì)比、截面尺寸、柱肢寬厚比及配筋率等參數(shù)對試件承載力的影響，提出異形鋼管混凝土柱截面承載力和穩(wěn)定承載力的設(shè)計計算公式。Xiong等[19]、Zhou等[20-21]、Liu等[22]、Zhang等[23]、Xu等[24]進行了19個綴板連接的格構(gòu)式L形鋼管混凝土異形柱試件的軸壓、單向偏壓及雙向偏壓承載力試驗，研究柱的破壞模式、荷載變形關(guān)系、應(yīng)變分布、延性和強度指標(biāo)等，并提出軸壓和偏壓承載力計算公式。屠永清等[25-26]、劉林林等[27]、馬麗婭等[28]進行了22個多室式鋼管混凝土T形柱的軸壓和偏壓試驗，研究試件破壞形態(tài)及截面尺寸、鋼板厚度、混凝土強度等參數(shù)對力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，T形柱能提高混凝土的約束效應(yīng)，軸壓性能受腹板高度、鋼板厚度及混凝土強度的影響較大;提出了L形中長柱穩(wěn)定系數(shù)的計算公式及軸壓穩(wěn)定承載力計算方法。

然而，目前對方鋼管混凝土組合異形柱的受力性能還缺乏研究。為此，筆者通過偏壓試驗研究試件長度、偏心距和偏心方向?qū)形方鋼管混凝土組合異形柱偏壓性能的影響，并將規(guī)范計算值與試驗值進行對比，為T形方鋼管混凝土組合異形柱在多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計及制作

組合式方鋼管混凝土組合異形柱包括L形、T形和十字形截面，如圖1所示。T形方鋼管混凝土組合異形柱的方鋼管截面尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，由4個方鋼管通過4條角焊縫組成T形截面，角焊縫設(shè)計尺寸根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017）焊縫連接構(gòu)造相關(guān)規(guī)定：“角焊縫的焊腳尺寸hf（mm）不得小于1.5 t，t為較厚焊件厚度，mm;（當(dāng)采用低氫型堿性焊條施焊時，t可采用較薄焊件的厚度）。但對埋弧自動焊，最小焊腳尺寸可減小1 mm;當(dāng)焊件厚度等于或小于4 mm時，則最小焊腳尺寸應(yīng)與焊件厚度相同”。方鋼管壁厚為4 mm，綜合以上要求，焊縫尺寸設(shè)計為4 mm。以x軸向右為正向，y軸向上為正向，角度以x軸正向起逆轉(zhuǎn)為正向，如圖2所示。鋼材強度等級為Q235B，混凝土強度等級為C30。以試件長度（L）、偏心距（e） 和偏心方向（x，y）為T形鋼管混凝土組合異形柱偏壓承載能力的主要試驗參數(shù)，9根試件的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

試件由鋼管混凝土異形柱構(gòu)件和鋼蓋板（400 mm×400 mm×30 mm）組成，如圖3所示。試件加工時，首先在試件底部焊接下端蓋板，然后澆筑自密實混凝土，待混凝土養(yǎng)護完畢后，將試件上端端部用打磨機打磨平整，并焊接試件上端蓋板，最后將柱鉸固定件焊接在鋼蓋板上相應(yīng)位置并固定柱鉸。

1.2 材料力學(xué)性能試驗

1.2.1 鋼材力學(xué)性能試驗

鋼材力學(xué)性能試驗結(jié)果如表2所示，實測鋼材的屈服強度平均值為344.34 MPa，極限強度平均值為424.22 MPa。

1.2.2 混凝土力學(xué)性能試驗

試驗采用C30混凝土一次澆筑完成，混凝土試樣與鋼管內(nèi)的核心混凝土取自同一批次，并在自然條件下養(yǎng)護28 d以上。在澆注試件的同時，澆注2組（6個/組）邊長為150 mm的混凝土立方體試塊，與試件在同等條件下養(yǎng)護。材性試驗結(jié)果如表3所示，實測混凝土立方體抗壓強度fcu平均值為44.78 MPa，換算混凝土軸心抗壓強度fc平均值為33.76 MPa，換算彈性模量Ec平均值為33 734.77 MPa;混凝土軸心抗壓強度fc與彈性模量Ec的換算方法采用Ding等[29]給出的不同強度等級的鋼管混凝土在單軸受壓狀態(tài)下修正的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計算式，其中，fc=0.4f7/6cu，Ec=9 500f1/3cu。

1.3 加載方案

試驗加載采用位移控制加載，初始加載速度為1 mm/min，每級位移為計算極限位移的1/10，持荷時間2 min;當(dāng)荷載達到計算極限荷載的80%，加載速度為0.5 mm/min，每級位移為計算極限位移的1/20，持荷時間2 min;在荷載降低至極限荷載的75%或者試件變形過大不宜繼續(xù)加載時停止試驗，試驗裝置如圖4所示，加載制度如圖5所示。

1.4 測點布置

試件軸向位移、試件側(cè)向位移以及鋼管的縱向和橫向應(yīng)變?yōu)樵囼灥闹饕獪y量內(nèi)容，所有位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)均通過全自動靜態(tài)采集儀和與之配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。在試件的上部、下部各設(shè)置2個位移計，以測量試件的軸向位移;沿柱高在試件四分點處設(shè)置3個位移計，以測量試件側(cè)向撓曲位移;在1/2柱高處的鋼管角部設(shè)置2個位移計，測量試件的扭轉(zhuǎn)位移。在試件1/2高度處沿鋼管四周布置10片三軸45°應(yīng)變花測量試件的縱向和橫向應(yīng)變，布置情況如圖6所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

3個短柱試件破壞過程基本相似，大致可分為4個階段：1）從加載初期到90%極限荷載前，試件外觀無明顯變化，跨中撓度變化很小，撓度增長與荷載增長基本呈線性關(guān)系;2）荷載接近95%極限荷載時，受壓區(qū)鋼管表面出現(xiàn)輕微鼓曲，同時，試件出現(xiàn)微小彎曲變形，柱中側(cè)向撓度逐漸增大;由于受壓區(qū)鋼材達到材料的屈服強度發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)，試件達到極限承載力;3）達到極限荷載后，受壓區(qū)鋼管表面鼓曲變形快速發(fā)展并逐漸形成鼓曲帶，承載力開始下降，柱中側(cè)向撓度繼續(xù)增長;4）降至75%極限荷載時，試件彎曲變形嚴(yán)重，因局部屈曲失穩(wěn)出現(xiàn)過大鼓曲變形，最終喪失承載力。

短柱試件出現(xiàn)先鼓曲后彎曲的破壞形態(tài)，表現(xiàn)出強度破壞的特征;整個加載過程中短柱試件未發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形;短柱試件中焊縫未出現(xiàn)可見的破壞現(xiàn)象，4根方鋼管之間的焊縫均未發(fā)生開裂，方鋼管與端板之間的焊縫亦未發(fā)生開裂，所有焊縫均未出現(xiàn)可見的損傷現(xiàn)象;表明4個方鋼管可以很好地協(xié)同工作，共同受力。部分短柱試件的破壞過程如圖7所示。

6個長柱試件破壞過程大體相近，也大致分為4個階段：1）從加載初期到80%極限荷載前，試件外觀無明顯變化，柱中撓度變形較短柱試件明顯，撓度增長與荷載增長基本成正比;2）大約臨近85%極限荷載時，試件彎曲變形明顯，柱中截面?zhèn)认驌隙仍鲩L加快，由于軸向力引起的P-δ二階效應(yīng)，軸向壓力與水平變位的關(guān)系呈非線性，隨著構(gòu)件截面邊緣開始進入塑性，截面內(nèi)彈性區(qū)不斷減小，截面上拉應(yīng)力合力與壓應(yīng)力合力的力臂減小，內(nèi)彎矩增量減小，而外彎矩增量隨軸向壓力呈非線性增長，使軸向壓力與水平變位間的非線性更加明顯，當(dāng)截面上的抵抗彎矩增速低于二階彎矩增速，試件達到穩(wěn)定極限狀態(tài)，穩(wěn)定平衡打破，試件達到極限承載力;3）達到極限荷載后，承載力開始下降，試件彎曲變形嚴(yán)重，柱中側(cè)向撓度迅速增大，受壓區(qū)鋼管表面出現(xiàn)局部鼓曲變形;4）最終彎曲變形過大，試件無法繼續(xù)承載，彎曲變形基本符合半波正弦曲線。

長柱試件出現(xiàn)先彎曲后鼓曲的破壞形態(tài)，表現(xiàn)出彎曲失穩(wěn)破壞的特征;整個加載過程中長柱試件沒有出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象;長柱試件中焊縫亦未出現(xiàn)可見的破壞現(xiàn)象，4根方鋼管之間的焊縫均未開裂，方鋼管與端板之間的焊縫也未發(fā)生開裂，所有焊縫均未出現(xiàn)可見的損傷現(xiàn)象，表明4個方鋼管之間協(xié)同工作性能良好，部分長柱試件破壞過程如圖8所示，圖9為全部試件的破壞結(jié)果。

2.2 試件極限承載力

表1中列出了9個試件的偏心受壓試驗參數(shù)及極限承載力試驗值Nue，從表1可以看出：長細(xì)比相同的試件，極限承載力隨偏心距增大而減小;偏心距相同的試件，偏心方向位于截面非對稱軸（x軸）上時，試件極限承載力相對較高。

2.3 荷載應(yīng)變曲線

圖10為9個試件加載過程中柱高1/2處截面受壓區(qū)和受拉區(qū)邊緣鋼材應(yīng)變ε隨荷載N的變化關(guān)系曲線，通過在柱1/2高度處粘貼應(yīng)變花測得鋼材應(yīng)變，繪制N-ε關(guān)系曲線。從曲線中可以看出：1）加載初期，受壓區(qū)和受拉區(qū)邊緣纖維的縱向應(yīng)變隨荷載增加基本呈線性增長，接近極限荷載時，應(yīng)變增長加快，且壓應(yīng)變增長較拉應(yīng)變更快;2）從開始加載到臨近極限荷載前，1號、3號、4號、5號、7號和9號試件均存在一段受壓區(qū)和受拉區(qū)應(yīng)變?nèi)珵樨?fù)值的時間范圍，說明在此時段內(nèi)試件全截面受壓，當(dāng)受壓區(qū)鋼材達到屈服應(yīng)變，鋼管壁表面出現(xiàn)鼓曲變形，此后，受拉區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)變，試件逐漸到達極限承載力;3）當(dāng)試件達到極限承載力時，試件受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼材應(yīng)力同時達到峰值，證明試件的協(xié)同工作性能較好，之后，隨著應(yīng)變增長，試件承載力下降段平緩，說明試件具有較好的延性性能;4）加載過程中，受壓區(qū)應(yīng)變大于受拉區(qū)應(yīng)變，表明試件受壓區(qū)先于受拉區(qū)屈服，試件破壞始于受壓區(qū)開始退出工作;5）1號和4號試件N-ε曲線出現(xiàn)突然下降點，這是由于受壓區(qū)鋼材屈服，鋼管壁局部屈曲失穩(wěn)，出現(xiàn)鼓曲變形，導(dǎo)致承載力出現(xiàn)下降;6）相同長度的試件，隨著偏心距的增加，試件的極限承載力降低。

2.4 荷載撓度曲線

在柱高1/2截面處放置位移計以測量其水平撓度w，為便于安裝試件及位移測量儀器，而將1號試件與3號試件柱子中部位移測量儀器安裝在試件彎曲面凸出一側(cè)，得到負(fù)值位移;其他試件均安裝在試件彎曲面凹進一側(cè)，測量值為正值;為了更加直觀地觀察和分析9個試件的荷載與水平撓度曲線的特點，對測量的試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析后將數(shù)據(jù)都放置于坐標(biāo)軸同側(cè)，得到荷載N與柱高1/2處水平撓度w的關(guān)系曲線。圖11為1號～9號試件的N-w關(guān)系曲線，從圖11可以看出：1）在加載初期，撓度與荷載呈線性相關(guān)關(guān)系，隨著荷載的增加，柱中截面水平撓度線性增大;2）達到極限承載力前柱中截面水平撓度值較小，接近極限荷載時，撓度增長加快，說明試件出現(xiàn)明顯的彎曲變形;3）1號～3號短柱試件達到極限荷載時柱中截面水平撓度比長柱試件較小，隨著試件長度的增加，試件達到極限荷載時，柱中截面水平撓度值呈現(xiàn)增大的趨勢;4）1號試件水平撓度在達到極限荷載前出現(xiàn)反向撓度，與達到極限荷載后方向相反，這是因為在加載過程中壓力機上端加載板通過萬向球鉸與壓力機相連，由于對中誤差的影響，豎向力不與萬向球鉸中心線重合，使上端加載板發(fā)生了微小的轉(zhuǎn)動位移，不能保持為水平，試件受到水平分力的影響而出現(xiàn)附加的水平撓度，達到極限承載力后，試件出現(xiàn)較大的彎曲變形，正向撓度將反向撓度抵消，水平撓度逐漸正向增大。

2.5 柱中截面應(yīng)變分布

圖12為試件T-2、T-5和T-7在不同受力階段柱中截面上應(yīng)變沿高度分布的關(guān)系曲線，從圖12可以看出：1）達到極限承載力之前，試件彎曲變形過程中柱中截面上沿高度分布的應(yīng)變變化基本符合平截面假定，保持平截面變形;2）試件達到極限承載力后，柱中截面受拉區(qū)仍保持平截面變形，但受壓區(qū)截面變形不再符合平截面假定;3）隨著偏心距增大，受二階效應(yīng)的影響，中和軸向形心方向偏移;4）試件達到極限承載力后，由于受壓區(qū)破壞并退出工作，中和軸逐漸向形心方向偏移。

2.6 試驗參數(shù)分析

表4～表6是對試驗參數(shù)的正交分析結(jié)果，通過正交分析可知：1）試驗結(jié)果直觀分析顯示，對T形方鋼管混凝土異形柱偏壓承載能力影響程度為B（偏心距）>C（偏心方向）>A（長度）;2）極差分析結(jié)果說明，偏心距是對偏心受壓力學(xué)性能影響最大的因素，其次為偏心方向，試件長度的影響程度相對較小;3）方差分析結(jié)果表明，相關(guān)系數(shù)R-sq和R-sq（調(diào)整）都接近于1，一般線性模型擬合很好，方差分析結(jié)果可靠，3個試驗參數(shù)中B（偏心距）和C（偏心方向）的P值均小于0.06，說明這兩個參數(shù)對試驗的影響程度比較高，表明對試驗有顯著影響的試驗參數(shù)為偏心距和偏心方向。

圖13為各因素指標(biāo)對T形方鋼管混凝土組合異形柱偏心受壓承載力影響的變化趨勢圖。從圖13可以看出：偏心受壓承載力隨偏心距的增加而顯著降低，而隨著試件長度的增大和偏心方向的改變，偏心受壓承載力變化程度相近;偏心距對偏壓力學(xué)性能影響最大，其次為偏心方向，最后是試件長度。因此，在實際工程中，對T形方鋼管混凝土組合異形柱偏心受壓設(shè)計時，要著重考慮偏心距的限值范圍，以保證結(jié)構(gòu)安全性。

3 承載力計算

當(dāng)前已實施的有關(guān)鋼管混凝土的規(guī)范和規(guī)程中對于鋼管混凝土異形柱尚未有統(tǒng)一的設(shè)計計算方法。參考美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會AISC-LRFD（1999）[30]規(guī)范、英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會BS 5400 （1979）[31]規(guī)范、歐洲標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會Eurocode 4 （1994）[32]規(guī)范、日本建筑學(xué)會AIJ（1997）[33]規(guī)范以及中國《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》（CECS 28：90） [34]與福建省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T13-51-2010[35]等關(guān)于鋼管混凝土組合柱承載力的計算公式對9個試件進行驗算，得出的計算值Nu與試驗值Nue的比值結(jié)果如表7所示。通過各規(guī)范、規(guī)程的計算結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)：DBJ/T 13-51—2010和AIJ所得計算值與試驗值最吻合，但AIJ計算結(jié)果的離散度高于DBJ/T 13-51—2010計算結(jié)果;Eurocode 4計算值與試驗值吻合良好，但較DBJ/T 13-51—2010和AIJ稍差;BS 5400再次之;CECS計算值與試驗值吻合程度一般，計算結(jié)果偏于不安全;AISC規(guī)范所得的計算值與試驗值吻合度最低，計算結(jié)果過于安全。

可見，采用鐘善桐[36]提出的統(tǒng)一理論的DBJ/T 13-51—2010規(guī)范對T形方鋼管混凝土組合異形柱偏心受壓承載力的計算與試驗結(jié)果符合最好。

4 結(jié)論

設(shè)計了9根T形方鋼管混凝土組合異形柱試件進行偏壓試驗，主要結(jié)論如下：

1）短柱試件的破壞形態(tài)主要為截面強度破壞，長柱試件主要為彎曲失穩(wěn)破壞;試件在接近極限承載力時才出現(xiàn)較為明顯的變形，試件彎曲變形近似正弦半波曲線，未出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。

2）短柱試件達到極限荷載時，柱中截面水平撓度小于長柱試件。隨著試件長度的增加，達到極限荷載時柱中撓度逐漸增大;隨著偏心距的增加，其極限承載力隨之減小。

3）試件受力過程中，柱中截面應(yīng)變分布符合平截面假定，受壓區(qū)先于受拉區(qū)屈服，拉、壓區(qū)變形協(xié)調(diào)，試件各部分協(xié)同工作性能較好，試件具有較好的延性性能。

4）偏心距對試件偏壓力學(xué)性能影響最大，其次為偏心方向，最后是試件長度，偏心距和偏心方向?qū)ζ珘毫W(xué)性能的影響較試件長度更為顯著。

5）對比6種規(guī)范的計算結(jié)果以及試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，規(guī)范DBJ/T 13-51—2010和AIJ建議的鋼管混凝土承載力計算公式所得計算值與試驗值吻合最好，但DBJ/T 13-51—2010計算結(jié)果離散性更小。

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（編輯 王秀玲）