帶內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱軸壓試驗(yàn)研究*

李勝?gòu)?qiáng) 楊 博 金 煥 郭紅燕

(廣東石油化工學(xué)院建筑工程學(xué)院， 廣東茂名 525000)

鋼管混凝土豎向構(gòu)件由于有封閉鋼管，因此特別適用于模套預(yù)制、混凝土現(xiàn)澆的“半裝配式”結(jié)構(gòu)。然而，鋼管混凝土構(gòu)件成本偏高，因此選擇一種經(jīng)濟(jì)的構(gòu)件形式以降低其成本十分必要。

鋼管混凝土豎向構(gòu)件有多種形式，如格構(gòu)式鋼管混凝土柱、方鋼管束剪力墻、內(nèi)含鋼骨的鋼管混凝土柱、復(fù)式鋼管混凝土柱、纖維增強(qiáng)材料鋼管混凝土柱、帶約束拉桿鋼管混凝土柱等。其中，眾多學(xué)者對(duì)帶約束拉桿的鋼管混凝土豎向構(gòu)件進(jìn)行了研究[1-5]，發(fā)現(xiàn)約束拉桿可以延緩鋼管局部屈曲、發(fā)揮鋼管與混凝土的共同作用、提高構(gòu)件承載力和改善延性；此外，從用鋼量的角度看，帶約束拉桿的鋼管混凝土構(gòu)件用鋼量更合理，鋼材抗拉強(qiáng)度可充分發(fā)揮，因而最為經(jīng)濟(jì)。

本研究針對(duì)一種“半裝配式”結(jié)構(gòu)[6]，設(shè)計(jì)了帶內(nèi)拉架的鋼管混凝土方柱，進(jìn)行短柱軸壓試驗(yàn)研究，以尋找?guī)?nèi)拉架鋼管混凝土方柱用鋼量的最優(yōu)分布。

1 試件設(shè)計(jì)

1.1 試件做法

選取某項(xiàng)目結(jié)構(gòu)柱作為參照，縮尺1∶2確定鋼管混凝土試件截面尺寸為350 mm×350 mm，高度為1 050 mm。鋼管設(shè)置水平拉結(jié)筋，同時(shí)在水平拉結(jié)筋與鋼管的相交處設(shè)置豎向鋼筋，水平拉結(jié)筋與豎向鋼筋形成內(nèi)拉架與鋼管內(nèi)壁焊接。水平拉結(jié)筋起水平約束作用，豎向鋼筋起鋼板加勁作用。此外，角部設(shè)置豎向鋼筋，以利于提高構(gòu)件的雙向受彎承載力，見(jiàn)圖1。

圖1 試件橫截面 mmFig.1 Cross sections of specimens

1.2 試件設(shè)計(jì)思路

在總用鋼量相同情況下，按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋三者用鋼量的不同比例，由此對(duì)設(shè)計(jì)試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，取軸心受壓承載力最優(yōu)所對(duì)應(yīng)的用鋼量比例為最優(yōu)。此外，設(shè)計(jì)無(wú)內(nèi)拉架鋼管混凝土柱、普通鋼筋混凝土柱作為比較。

1.3 試件設(shè)計(jì)方案

1.3.1總用鋼量及混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同

按參照柱換算，確定試件柱總用鋼量為45 kg/m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

1.3.2按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定試件設(shè)計(jì)方案

以鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋用鋼量占總用鋼量百分比為影響因素，每因素按三水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案。鋼管用鋼量占比按45%、50%、62.5%，由此計(jì)算得到鋼管壁厚分別為1.8，2.0，2.5 mm；豎向鋼筋用鋼量占比按25%、30%、35%，由此計(jì)算結(jié)果選用豎向鋼筋(表1)；然后按總用鋼量相同計(jì)算確定拉結(jié)筋直徑及間距。增加對(duì)比組后，確定試件設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)表1、表2。

表1 試件設(shè)計(jì)方案Table 1 Design schemes of specimens

用鋼量占比指的是各部件用鋼量占總用鋼量的百分比，所有試件的總用鋼量按45 kg/m計(jì)算；試件CFT-b-9b為對(duì)比試件，其與試件CFT-b-9a相比，鋼管與內(nèi)拉架的焊接長(zhǎng)度加倍；鋼管牌號(hào)為Q345;豎向鋼筋采用HRB400；拉結(jié)筋采用HPB200。

表2 對(duì)比試件設(shè)計(jì)方案Table 2 Design schemes of control specimens

2 試件制作

2.1 有內(nèi)拉架試件制作

有內(nèi)拉架試件制作按以下順序進(jìn)行：鋼板加工成槽形→焊接內(nèi)拉架→粘貼內(nèi)拉架上的應(yīng)變片→鋼管合攏→澆筑混凝土、振搗密實(shí)→粘貼鋼管外壁應(yīng)變片。

水平拉結(jié)筋與豎向鋼筋間、內(nèi)拉架與鋼管間均采用焊接連接，其中內(nèi)拉架與鋼管的焊接采用斷續(xù)焊，焊接位置與水平拉結(jié)筋的位置一一對(duì)應(yīng)。焊腳高度為d、焊縫長(zhǎng)度為2d(其中CFT-b-9b的焊縫長(zhǎng)度加倍)，d為水平拉結(jié)筋直徑。

實(shí)驗(yàn)室制作時(shí)，內(nèi)拉架與鋼管間的焊接有一定難度，鋼管合攏后需要人工在鋼管空腔內(nèi)施焊。試件制作見(jiàn)圖2。

圖2 試件制作Fig.2 Specimen making

工廠制作時(shí)，內(nèi)拉架與鋼管間的焊接按自動(dòng)化焊接考慮，采用一維線式移動(dòng)的自動(dòng)焊接方式在鋼管空腔內(nèi)施焊可以實(shí)現(xiàn)足尺的長(zhǎng)柱試件。

2.2 對(duì)比試件制作

對(duì)比試件包括無(wú)內(nèi)拉架鋼管混凝土柱及普通鋼筋混凝土柱。

無(wú)內(nèi)拉架鋼管混凝土柱直接在鋼管空腔內(nèi)澆筑混凝土而成，但是鋼管壁厚加大，使其總用鋼量與有內(nèi)拉架鋼管混凝土柱相同；普通鋼筋混凝土柱試件按常規(guī)做法制作。

3 加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

3.1 加載方案

試件采用單調(diào)靜力加載，預(yù)估承載力為3 000 kN。正式加載前，先進(jìn)行幾何和物理對(duì)中，預(yù)加載至預(yù)估承載力的15%，取450 kN，校正試件及儀器儀表并對(duì)中后卸載；隔3 min正式加載。加載采用等位移連續(xù)加載，加載速度1 mm/min，當(dāng)試件荷載下降到峰值的70%或豎向位移達(dá)到40 mm時(shí)，認(rèn)為試件發(fā)生破壞。

當(dāng)豎向位移達(dá)到40 mm時(shí)，加載速度增大為5 mm/min，繼續(xù)加載至位移達(dá)到70～80 mm，觀察構(gòu)件的破壞形態(tài)，考察構(gòu)件的延性，然后停止加載。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)時(shí)每個(gè)試件共布置全高位移計(jì)2個(gè)、中高位移計(jì)2個(gè)，應(yīng)變片17片(鋼管外壁四個(gè)面縱向10片、兩個(gè)面水平向2片、水平拉結(jié)筋3片、角部豎向鋼筋2片)。

測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Arrangements of measuring points

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4及表3。圖4是各試件承受軸向荷載N與所發(fā)生軸向位移Δ的關(guān)系曲線，表3是各試件最大承載力、首個(gè)峰值承載力、縱向應(yīng)變?chǔ)?0.2%，0.5%時(shí)對(duì)應(yīng)承載力的比較。其中，試件的軸向位移Δ取兩個(gè)全高位移計(jì)量測(cè)值的平均值。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1)同等用鋼量情況下，鋼管混凝土柱的軸向承載能力明顯優(yōu)于鋼筋混凝土柱。

2)鋼管混凝土柱中，試件CFT-b-1～5無(wú)論是最大承載力還是首個(gè)峰值承載力均高于其他試件；而在小應(yīng)變(ε=0.2%)情況下，試件CFT-b-1、3的軸向承載能力優(yōu)于試件CFT-b-2、4、5，此時(shí)試件CFT-b-1、3的軸向荷載已分別達(dá)到首個(gè)峰值承載力的73.7%、77.0%，以及最大承載力的73.1%、72.2%。

3)用鋼量相同情況下，有內(nèi)拉架的鋼管混凝土柱軸向承載能力優(yōu)于無(wú)內(nèi)拉架的鋼管混凝土柱。鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋三者之間用鋼量比例在45∶35∶20附近(如試件CFT-b-2～4)時(shí)，構(gòu)件的軸向承載能力較高。

1—CFT-b-1； 2—CFT-b-2； 3—CFT-b-3； 4—CFT-b-4；5—CFT-b-5； 6—CFT-b-6； 7—CFT-b-7； 8—CFT-b-8；9—CFT-b-9； 10—CFT-b-9b； 11—CFT-0-1； 12—RC-1。圖4 各試件軸向荷載N與軸向位移Δ的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves between axial pressure N and axial displacement Δ of specimens

4)水平拉結(jié)筋用鋼量占比不小于20%的試件CFT-b-1～5，其軸向承載能力優(yōu)于水平拉結(jié)筋用鋼量占比較小的試件CFT-b-6～9a、9b，且明顯優(yōu)于用鋼量占比僅7.5%、2.5%的試件CFT-b-8、9a、9b。

5)鋼管混凝土柱發(fā)生明顯變形(豎向位移50 mm)時(shí)構(gòu)件的軸向承載能力下降幅度不大。

6)試驗(yàn)時(shí)，首先在試件頂部發(fā)生破壞，然后再向上部1/3范圍擴(kuò)展。

7)試件CFT-b-9b與試件CFT-b-9a相比，軸向承載力略有增大但不明顯。

4.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

4.2.1有內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱

有內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱包括試件CFT-b-1～9a、9b，其試驗(yàn)現(xiàn)象為：加載初期，試件沒(méi)有明顯變化，試件的軸向荷載隨豎向位移增大近似呈線性增大，鋼管外觀良好，未發(fā)生屈曲；當(dāng)加載至其最大承載力70%左右時(shí)，混凝土開(kāi)始發(fā)出窸窣聲；當(dāng)加載至其最大承載力的85%～90%(不同試件有一定差異，中值87%)時(shí)，鋼筋開(kāi)始發(fā)出斷裂響聲，并隨著荷載增大，繼續(xù)間斷傳出鋼筋斷裂響聲，同時(shí)混凝土窸窣聲愈加明顯；發(fā)生鋼筋斷裂響聲時(shí)豎向位移突變式增大；其后，軸向荷載與豎向位移呈非線性增大，上段鋼管局部向外鼓曲。隨著加載荷載增大，鼓曲變形由難以察覺(jué)到逐漸明顯并向試件中部發(fā)展；當(dāng)加載至其最大承載力的93%～99%時(shí)，出現(xiàn)承載力的首個(gè)峰值點(diǎn)(取拐點(diǎn)為首個(gè)峰值點(diǎn))。此時(shí)，隨著豎向位移的增大，軸向荷載不升反降，但下降幅度不明顯，大約下降1%～7%。

表3 試件承載力比較Table 3 Comparisons of bearing capacity for specimens kN

繼續(xù)增大豎向位移，軸向荷載重新增大直至達(dá)到最大承載力。此時(shí)對(duì)應(yīng)的豎向位移除試件CFT-b-1為8.25 mm(ε=0.78%)外，其余試件為12.93～17.99 mm(ε=1.23%～1.71%)。

達(dá)到最大承載力后，豎向位移增大，軸向荷載下降，但是下降速度緩慢且幅度不大，有的在下降一段時(shí)間后甚至重新略有上升。

4.2.2無(wú)內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱

無(wú)內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱只有試件CFT-0-1，其軸向荷載與豎向位移的關(guān)系與有內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱大體相同，但是最大承載力小3%～25%，首個(gè)峰值承載力小8.2%～28%，大應(yīng)變情況下(豎向應(yīng)變大于5%后)出現(xiàn)承載力又略微重新增大的現(xiàn)象。

4.2.3普通鋼筋混凝土柱

普通鋼筋混凝土柱只有試件RC-1，其試驗(yàn)現(xiàn)象與其他試件明顯不同。其軸向荷載-豎向位移曲線只出現(xiàn)一次峰值：軸向荷載約為最大承載力78%后，曲線呈拋物線發(fā)展；軸向荷載達(dá)到最大承載力后，承載力下降速度較快且幅度較大，其后不再出現(xiàn)上升段。

普通鋼筋混凝土柱與有內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱相比，最大承載力小9.0%～30.5%，首個(gè)峰值承載力小24.0%～40.5%。

4.2.4其他現(xiàn)象

1)鋼管混凝土柱試件首先在接近頂部位置發(fā)生鼓曲變形，然后逐漸向試件中部發(fā)展，鼓曲變形或破壞的位置主要位于試件上部1/3范圍，試件下部1/3范圍直到停止加載時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)明顯變形；普通鋼筋混凝土柱破壞位置也位于試件上部。

2)試驗(yàn)后將試件CFT-b-4局部剖開(kāi)，發(fā)現(xiàn)鼓曲位置的豎向鋼筋及鋼管均向外鼓曲，鼓曲位置處混凝土局部壓碎，水平拉結(jié)筋拉斷，其他位置處混凝土壓碎現(xiàn)象不明顯。

試件破壞形態(tài)見(jiàn)圖5，試件CFT-b-4破壞后局部剖開(kāi)情況見(jiàn)圖6。

圖5 試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of specimens

圖6 試件CFT-b-4局部剖開(kāi)Fig.6 Specimen CFT-b-4 of being cut partially

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)現(xiàn)象可以得出：

1)鋼管對(duì)混凝土起約束作用，混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高，同時(shí)鋼管抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮，因此，同等用鋼量條件下，鋼管混凝土柱軸向受壓承載能力優(yōu)于普通鋼筋混凝土柱。

2)試驗(yàn)中，試件CFT-b-1～5的承載能力較高，反映出同等用鋼量情況下，鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋選取合適比例、使所有用鋼均充分發(fā)揮強(qiáng)度時(shí)，可提高柱軸向受壓承載能力。

3)縱向應(yīng)變達(dá)到ε=0.2%時(shí)，試件所承受的軸向荷載已大于最大承載力的70%。因此，在選擇最優(yōu)方案時(shí)，宜主要參考縱向應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的試驗(yàn)成果。

4)試驗(yàn)中，水平拉結(jié)筋用鋼量占比不小于20%時(shí)，試件軸向承載能力較高，水平拉結(jié)較弱的試件，軸向承載能力明顯下降。因此，在用鋼量不變的情況下，水平拉結(jié)應(yīng)有足夠保證。

5)試驗(yàn)反映出鋼管混凝土柱具有較好延性。但是否設(shè)置內(nèi)拉架，對(duì)構(gòu)件延性并無(wú)明顯影響。究其原因，是由于總用鋼量相同，設(shè)置內(nèi)拉架會(huì)導(dǎo)致鋼管用鋼量減少，因而設(shè)置內(nèi)拉架雖然可以提高承載能力，但是對(duì)延性的影響不明顯。

6)分析鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋的應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算應(yīng)變片粘貼處的應(yīng)力σ(σ=Eε，當(dāng)σ大于材料屈服強(qiáng)度σs時(shí)，令σ=σs)，發(fā)現(xiàn)σ隨著軸向荷載N增大而增大。但是，軸向荷載達(dá)到N0.5(ε=0.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向荷載)時(shí)，水平拉結(jié)筋的拉應(yīng)力僅達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的50%左右(圖7)，與此同時(shí)鋼管及豎向鋼筋壓應(yīng)力卻已達(dá)到或接近材料屈服強(qiáng)度?？梢?jiàn)，試件破壞時(shí)，水平拉結(jié)筋的強(qiáng)度未得到充分發(fā)揮，僅局部拉結(jié)筋受到破壞。究其原因很可能是制作誤差導(dǎo)致水平拉結(jié)筋沒(méi)有均勻受力所致。

7)試件首先在頂部發(fā)生破壞，分析其原因可能是受到柱頂浮漿對(duì)柱頂混凝土強(qiáng)度削弱的影響。因此，鋼管混凝土柱應(yīng)采取有效措施保證混凝土澆筑質(zhì)量。

a—CFT-b-1； b—CFF-b-2; c—CFT-b-3; d—CFF-b-4; e—CFT-b-5; f—CFT-b-6?！Y(jié)筋; —豎向鋼筋； —鋼管。1)由于加載達(dá)到最大承載力時(shí)，較多的應(yīng)變片已遭破壞，所以取ε=0.5%時(shí)的軸向荷載N0.5進(jìn)行分析;2)鋼管、豎向鋼筋和水平拉結(jié)筋的屈服強(qiáng)度按對(duì)應(yīng)材料屈服強(qiáng)度取值;3)只分析承載力較高的試件CFT-b-1～6。圖7 鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋σ/σs與N/N0.5關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves between σ/σs and N/N0.5 of steel pipes, vertical rebars and horizontal tie bars

8)內(nèi)拉架與鋼管的焊接長(zhǎng)度對(duì)軸向承載力影響不明顯，究其原因是內(nèi)拉架豎向鋼筋及鋼管的壓曲方向只能朝外。這種情況下，豎向鋼筋及鋼管的整體承載力受水平拉結(jié)筋豎向間距影響較大，受豎向鋼筋與鋼管焊接長(zhǎng)度影響較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)帶內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，得到以下主要結(jié)論：

1)同等用鋼量條件下，鋼管混凝土柱設(shè)置內(nèi)拉架，可以提高構(gòu)件軸向受壓承載能力；鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋三者之間用鋼量比例在45∶35∶20附近時(shí)，構(gòu)件軸壓承載能力較高。

2)柱用鋼量相同時(shí)，水平拉結(jié)筋用鋼量占比不宜過(guò)小(宜不小于20%)，以避免水平拉結(jié)不足；同時(shí)，應(yīng)優(yōu)化水平拉結(jié)做法，避免出現(xiàn)水平拉結(jié)件受力不均的情況。

3)鋼管混凝土柱的延性明顯優(yōu)于鋼筋混凝土柱。但在總用鋼量相同的情況下，鋼管混凝土柱是否設(shè)置內(nèi)拉架，對(duì)延性的影響不明顯。

4)對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)，柱預(yù)制件的制作誤差及混凝土澆筑時(shí)的柱頂浮漿對(duì)構(gòu)件承載力的影響不可忽視，應(yīng)設(shè)法減小其不利影響。