方鋼管UHPC短柱軸壓性能試驗研究*

顏燕祥

(湖北工程學(xué)院土木工程學(xué)院，孝感 432000)

0 引言

UHPC(ultra high performance concrete)是一種具有超高強度、優(yōu)良韌性和優(yōu)越耐久性等系列優(yōu)點的新型混凝土材料[1-2]，但是,伴隨UHPC高強而來的脆性阻礙了其在工程中的應(yīng)用。為此，國內(nèi)外學(xué)者為改善UHPC延性性能提出了諸多有效措施[3-4]，包括摻入鋼纖維、采用粗骨料、配置鋼筋、提供側(cè)向約束、采用鋼管約束等。其中，采用鋼管UHPC可有效克服其脆性，是推廣其工程應(yīng)用的優(yōu)選方案之一[4-5]。鋼管UHPC結(jié)構(gòu)在高層、超高層、重載等結(jié)構(gòu)中具有優(yōu)越的力學(xué)性能和經(jīng)濟效應(yīng)[6]。

國內(nèi)外學(xué)者針對圓鋼管UHPC短柱軸壓性能開展了大量研究，取得了諸多研究成果。文獻[5-8]研究表明：鋼管UHPC短柱延性大幅提高，承載力提高幅度與套箍系數(shù)有關(guān)，荷載-變形曲線的彈性階段較長(達極限荷載的90%)。文獻[9-11]表明：對于套箍系數(shù)較小的圓鋼管UHPC短柱，其延性改善較大，而承載力提高幅度不大，可忽略不計。工程中常用的鋼管混凝土截面形式為圓形、方形和矩形[12]。方鋼管混凝土具有截面形狀規(guī)則，梁柱節(jié)點連接方便，外部鋼管對核心混凝土約束較強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高層建筑中[13]。但方鋼管對核心混凝土的約束不均勻，在軸壓性能方面遜色于圓鋼管混凝土[14]。目前，僅少數(shù)研究者(吳捧捧[15]、Liew等[9]、Guler等[16])對方鋼管UHPC短柱軸壓性能進行了研究，得出方鋼管對UHPC延性改善顯著而對承載力提高不明顯的結(jié)論。但關(guān)于方鋼管UHPC短柱軸壓性能的研究主要針對套箍系數(shù)較小(0.40≤ξ≤2.44)的情形，對大套箍系數(shù)(ξ≥3)方鋼管UHPC短柱軸壓性能的研究尚鮮見于文獻。

為全面了解方鋼管UHPC短柱軸壓性能、補充試驗參數(shù)范圍和完善試驗結(jié)果，設(shè)計制作16組(32根)不同套箍系數(shù)的方鋼管UHPC短柱試件，通過靜力試驗獲得各組試件的荷載-變形、荷載-應(yīng)變曲線，分析套箍系數(shù)對其延性和承載力的影響，揭示方鋼管與UHPC之間相互作用機理?；赨HPC與方鋼管之間相互作用機理、延性需求和經(jīng)濟性指標(biāo)，建議了套箍系數(shù)的上限值。旨在為方鋼管UHPC結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用及我國相關(guān)技術(shù)標(biāo)準制定與修訂提供試驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗中共設(shè)計16組(32根)方鋼管UHPC短柱試件，考慮的主要參數(shù)為UHPC強度等級、鋼材強度等級和鋼板厚度。試驗鋼管均由4塊鋼板在加工車間氣體保護焊對接焊接而成，試件制作主要包括：鋼管焊接、鋼管底板及加勁肋焊接、UHPC澆筑及養(yǎng)護、頂板及加勁肋焊接4個流程。后兩個流程的詳細過程如下：分層澆筑振搗UHPC后，使UHPC略高出鋼管頂面5～10mm，以彌補養(yǎng)護過程中的部分收縮變形，覆蓋并纏繞塑料薄膜，防止水分蒸發(fā)實現(xiàn)UHPC自養(yǎng)護，待養(yǎng)護至預(yù)定齡期，打磨試件頂面并找平，焊接頂板及加勁肋。試件的詳細參數(shù)見表1，試件構(gòu)造細節(jié)如圖1所示。

圖1 試件構(gòu)造示意圖

1.2 材料力學(xué)性能

試驗選用UHPC100，UHPC110，UHPC120，UHPC140共4種不同強度等級的UHPC，其配合比見表2。試件澆筑時每種UHPC配合比預(yù)留9個100mm的立方體試件和9個100mm×100mm×300mm的棱柱體試件，自養(yǎng)護一天，脫模并用塑料膜包裹后與鋼管UHPC同條件養(yǎng)護至標(biāo)準齡期。按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GB/T 50081—2002)和《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)測試其抗壓強度，結(jié)果見表3。試驗鋼材選取Q460高強結(jié)構(gòu)鋼，鋼板購置時的名義厚度為整毫米，采用游標(biāo)卡尺測量其實際厚度，根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)規(guī)定標(biāo)準進行材性試驗，鋼材主要力學(xué)性能指標(biāo)取值見表4。

試件參數(shù)及主要試驗結(jié)果 表1

UHPC配合比/(kg/m3) 表2

UHPC力學(xué)性能 表3

鋼材力學(xué)性能 表4

1.3 加載方案與測量內(nèi)容

試驗在武漢大學(xué)土木結(jié)構(gòu)試驗大廳500T電壓伺服壓力試驗機上進行，加載裝置及測點布置如圖2所示。試驗采用力-位移混合控制加載方案。正式加載前進行預(yù)加載，預(yù)加載至預(yù)估極限荷載的10%，用以檢查測試系統(tǒng)和測點的可靠性。隨后進入正式加載階段，荷載速率為2kN/s，每級增量為預(yù)估極限荷載的1/15，每級荷載持荷3～5min，加載至預(yù)估極限荷載的70%，改為位移控制，加載速率改為0.5mm/min，達到極限荷載后，加載速率改為1mm/min，直至試件發(fā)生破壞，終止加載。

圖2 加載裝置及測點布置

試驗主要測量內(nèi)容有：1)試件的軸向壓力由壓力機自帶系統(tǒng)采集；2)試件的軸向壓縮變形、鋼管表面的應(yīng)變由DH3816系統(tǒng)采集。試驗終止條件：1)試件出現(xiàn)焊縫撕裂現(xiàn)象；2)試件的殘余承載力下降到試驗極限荷載的70%以下；3)試件軸向變形超過軸向壓縮變形規(guī)定限值(本試驗中取15～20mm)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件破壞過程及破壞形態(tài)

以S1-5-100這一組試件加載全過程為例，加載初期至實測極限荷載的70%前，方鋼管UHPC短柱處于完全彈性工作階段，核心UHPC未開裂，外部鋼管未屈服，構(gòu)件表面未發(fā)生明顯變化，試件剛度基本保持不變；約加載至極限荷載的80%時，試件開始出現(xiàn)“滋滋”聲，試件內(nèi)部UHPC不穩(wěn)定裂縫產(chǎn)生和開始發(fā)展，鋼管局部區(qū)域出現(xiàn)漆皮微小褶皺，試件進入彈塑性階段，試件剛度逐漸減?。浑S試驗荷載繼續(xù)增大，試件剛度不斷減小，內(nèi)部UHPC裂縫呈現(xiàn)不穩(wěn)定擴展階段，鋼管與UHPC的相互作用增大，當(dāng)荷載達到極限荷載時，管內(nèi)發(fā)出響亮的“啪啪”聲，表明柱內(nèi)核心UHPC局部已被壓碎，試件剛度急劇減小，隨后試件承載能力快速下降，試件進入塑流階段；大約下降至極限荷載的80%時，鋼管局部不同區(qū)域均出現(xiàn)嚴重凸起現(xiàn)象，變形逐步向附近截面擴展，試件呈剪切破壞形式(圖3(a))。

圖3 試件破壞模式

中等套箍系數(shù)和大套箍系數(shù)的方鋼管UHPC短柱試件破壞過程與小套箍系數(shù)的S1-5-100組試件類似，不同的是：試件完全彈性階段較長(大約極限荷載的80%～90%)，彈塑性階段的起點也較長；試件加載過程中微裂縫產(chǎn)生和擴展的聲音幾乎難以捕捉到，彈塑性階段試件表面極少出現(xiàn)明顯局部鼓曲；經(jīng)歷較長的塑性階段后，試件在高度方向上不斷被壓縮，最終在同一高度處四面鼓曲并相貫通，形成褶皺環(huán)；加載結(jié)束時，試件表面形成一道或者多道嚴重褶皺環(huán)，且大部分試件在角部對接焊縫處出現(xiàn)焊縫局部撕裂現(xiàn)象，試件破壞形態(tài)呈腰鼓型(圖3(b))。

2.2 軸向荷載-變形曲線

試件的軸向荷載-變形曲線大致可以分為三個階段(圖4)：彈性階段(OA)，試件承載力約為試驗極限荷載的70%～90%，試件剛度基本保持不變，鋼管與UHPC之間無相互作用；彈塑性階段(AB或AB′或AB″)，試件自彈性階段末至極限荷載前，此階段因UHPC裂縫不斷產(chǎn)生和發(fā)展，試件剛度不斷減小，鋼管與UHPC的相互作用較大，彈塑性階段終止于試件剛度(荷載-變形曲線的切線斜率)首次近似為零處；塑流階段(BC或B′C′或B″C″)，此階段試件承載力或急劇減小或基本維持不變或略微上升，變形顯著增加，鋼管與內(nèi)部UHPC相互作用最強。

軸向荷載-變形曲線依據(jù)塑流階段不同分為三類：強化型(套箍系數(shù)試驗值大于2.89)，平緩型(套箍系數(shù)試驗值介于2.32～2.89之間)和下降型(套箍系數(shù)試驗值小于2.32)，見圖4。套箍系數(shù)是影響軸向荷載-變形曲線形狀的主要因素。

圖4 軸向荷載-變形曲線類型

圖5給出了不同套箍系數(shù)的方鋼管UHPC短柱軸壓荷載-變形曲線圖，圖中所給曲線均為同組2個試件的平均值。由圖5可知，隨UHPC強度增大，試件彈性階段相對略有增加，試件彈性剛度變化微弱，承載力提高，延性降低；隨鋼板厚度增大，試件彈性階段相對增加較多，試件承載力、剛度、延性均增大；當(dāng)鋼管與UHPC兩者匹配(即套箍系數(shù)大小)合適時，試件具有極好的延性和殘余承載力。

圖5 軸向荷載-變形曲線

2.3 軸向荷載-應(yīng)變曲線

圖6給出了部分典型試件鋼管表面實測平均應(yīng)變隨軸向荷載的變化趨勢圖。其中，柱中截面中心的橫向應(yīng)變?yōu)?面4個中心測點的均值，柱中截面靠近角部邊緣的橫向應(yīng)變?yōu)?面8個靠近角測點的均值。試件屈服前，縱向應(yīng)變?yōu)榻孛嫔?2個測點縱向應(yīng)變的均值，試件屈服后，應(yīng)變?nèi)≡嚰钠骄v向應(yīng)變(軸向壓縮變形除以試件計算長度)。由圖6可見，加載至試件屈服前，鋼管軸向荷載-應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，柱中截面不同點的橫向應(yīng)變基本相同。這是因為試件屈服前，鋼材和UHPC均處于彈性階段，內(nèi)部UHPC與鋼管之間無相互作用，鋼管與UHPC之間按剛度比分配內(nèi)力。試件屈服后，柱中截面中點的橫向應(yīng)變增長明顯大于靠近角部測點的橫向應(yīng)變，并且橫向應(yīng)變增長趨勢加劇，原因為截面各邊鋼板中點處的剛度小于邊緣處的剛度，由方鋼管UHPC短柱典型破壞模式(圖3)可見，截面中點的鼓曲一般較邊緣大，這間接說明截面中點的剛度較小，對UHPC的約束作用亦較小。試件進入彈塑性和塑流階段后，鋼管與UHPC之間的相互作用迅速增強，UHPC微裂縫不斷擴展成不穩(wěn)定裂縫，UHPC局部壓碎，擠壓鋼管壁，鋼管出現(xiàn)局部鼓曲，橫向應(yīng)變快速增長。

圖6 軸向荷載-應(yīng)變曲線

3 相互作用機理分析

鋼管與混凝土之間的相互作用和協(xié)同互補是鋼管混凝土具有一系列優(yōu)越力學(xué)性能的根本原因，兩者之間的相互作用具體可用承載力提高和延性改善來表達[17]。承載力提高越多，延性改善越大，表明鋼管與核心混凝土的作用越強，反之兩者之間的相互作用越弱。在承載力提高方面，承載力提高系數(shù)[17]可直觀表述“1+1>2”的效果，具體表達為式(1)。殘余承載率是另外一種描述試件延性的方式，殘余承載力定義為超越規(guī)定變形值后的承載力，殘余承載力與極限承載力的比值即為殘余承載率[4,18]。對于鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件，其延性需滿足式(2)和式(3)[4,18]。

(1)

(2)

(3)

式中：ΔLmin為試件的最小變形需求值；L0為試件的原始計算長度；RR為試件的殘余承載力率；Nue為試件極限承載力，文中取試驗承載力極限值(對于軸向荷載-變形曲線有下降段的，取峰值荷載，反之取軸向應(yīng)變自0～φmin之間對應(yīng)的最大荷載)；N0為試件名義承載力，本文取N0=Asfy+Acfck；φ，φmin分別為平均軸向應(yīng)變和最小延性需求軸向應(yīng)變；Nr為試件名義殘余承載力，本文取最小延性需求軸向應(yīng)變對應(yīng)的荷載。

3.1 承載力提高系數(shù)

鋼管混凝土短柱在軸壓荷載作用下，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，強度提高，延性增強；鋼管處于縱向受壓、環(huán)向受拉(徑向壓應(yīng)力相對較小，忽略不計)的應(yīng)力狀態(tài)[19]。極限狀態(tài)時，混凝土承擔(dān)的荷載大于相應(yīng)混凝土短柱單軸抗壓承載力。軸壓極限承載力提高系數(shù)越大，說明兩者之間的相互作用越大。故此，承載力提高系數(shù)是度量鋼管混凝土組合柱優(yōu)越力學(xué)性能的重要參數(shù)之一。圖7為各組試件承載力提高系數(shù)隨套箍系數(shù)變化圖，由圖7可見，方鋼管UHPC短柱軸壓承載力提高系數(shù)隨套箍系數(shù)增大有增大趨勢，但對于套箍系數(shù)ξ<3的，承載力提高微弱(不大于5%)，可忽略不計。

圖7 承載力提高系數(shù)與套箍系數(shù)關(guān)系

當(dāng)套箍系數(shù)ξ<3時，方鋼管UHPC短柱軸壓承載力提高微弱，主要原因有3方面：1)方鋼管混凝土對核心混凝土的約束主要集中在角部及對角線方向[20-21]，相比相同套箍系數(shù)的圓鋼管混凝土要弱；2)套箍系數(shù)較小的鋼管板件寬厚比較大，鋼板在豎向荷載和核心UHPC的作用下更容易發(fā)生局部屈曲，對核心UHPC約束作用就越小，故隨套箍系數(shù)減小，承載力提高系數(shù)有減小趨勢；3)UHPC與鋼管的相互作用較普通混凝土顯著不同，橫向累計變形差是兩者之間作用微弱的主要原因。鋼管與UHPC之間的相互作用具有滯后效應(yīng)，主要發(fā)生在試件受力的塑流階段。已有研究結(jié)果表明，UHPC單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變具有更長的彈性階段[22-24]，故鋼管UHPC短柱軸壓受力過程中的彈性階段較長[5,8]。由于鋼纖維對微觀裂縫發(fā)展和宏觀裂縫擴展的抑制與橋接作用，顯著限制了UHPC橫向變形，并增大了開裂荷載和裂縫非穩(wěn)定擴展荷載[25]。彈性階段UHPC的泊松比較鋼材的泊松比小，另有研究表明，UHPC自彈性階段至破壞階段泊松比基本保持恒定[10]。因此，試件彈性階段時，鋼管的橫向變形大于UHPC的橫向變形，兩者之間橫向變形累計差需要彈塑性和塑流階段UHPC的膨脹變形來補償，故此，峰值荷載前相互作用微弱。而當(dāng)鋼管內(nèi)部UHPC宏觀裂縫擴展時，試件處于塑流階段，此時相互作用增強，但局部UHPC已壓碎，承載力提高微弱。最終，鋼管與UHPC的相互作用主要體現(xiàn)在試件殘余承載力及延性上。

3.2 延性

圖8為試驗獲得的殘余承載率與套箍系數(shù)關(guān)系。由圖8可知，在本文試驗套箍系數(shù)范圍內(nèi)(1.41≤ξ≤5.27)，試件殘余承載率均大于0.7，所有試件均表現(xiàn)出較好的延性。在一定范圍內(nèi)(不大于2.89)，殘余承載率隨套箍系數(shù)的增大而增大，但當(dāng)套箍系數(shù)增大到一定程度時，短柱軸壓荷載-變形曲線的塑流階段不出現(xiàn)下降段，故其殘余承載力與極限承載力相當(dāng)，延性極好，再繼續(xù)增大套箍系數(shù)，對軸壓短柱延性的改善有限，相反會增大鋼材用量，增加工程造價，故此，基于試驗結(jié)果，建議方鋼管UHPC軸壓短柱的套箍系數(shù)不宜大于3。

圖8 殘余承載率與套箍系數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

(1)方鋼管UHPC短柱軸向荷載-變形曲線可分為三個階段：彈性階段、彈塑性階段和塑流階段，其中彈性階段承載力約為極限荷載的70%～90%；軸向荷載-變形曲線依據(jù)塑流階段不同可分為三種類型：下降型、平緩型和上升型。

(2)方鋼管與UHPC的相互作用具有滯后效應(yīng)，相互作用主要發(fā)生在塑流階段，而主要體現(xiàn)在改善延性上；當(dāng)套箍系數(shù)小于3時，承載力提高極其微小，可忽略不計。

(3)試驗參數(shù)范圍內(nèi)，短柱延性均較好。套箍系數(shù)是影響方鋼管UHPC短柱軸向荷載-變形曲線形狀和延性的主要指標(biāo)，綜合考慮延性與經(jīng)濟性，建議方鋼管UHPC軸壓短柱的套箍系數(shù)不宜大于3。