穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土短柱軸壓試驗(yàn)研究*

鄭新志， 孫玉濤， 郭好振

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 焦作 454150)

0 引言

近年來，隨著我國(guó)建筑業(yè)的不斷發(fā)展，鋼管混凝土在工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。與普通的厚壁鋼管混凝土相比，采用薄壁鋼管可以減少鋼材用量和焊接工作量，從而達(dá)到降低工程造價(jià)的目的[1]。方形鋼管混凝土柱中鋼管對(duì)內(nèi)填混凝土的約束作用主要集中于柱角區(qū)域，側(cè)邊約束取決于鋼管壁的平面外剛度。常用的鋼管混凝土柱由于鋼管壁的寬厚比較大，因而側(cè)邊的約束力較小，對(duì)柱的承載力和變形能力的改善很難達(dá)到預(yù)期效果[2]。由此可見，薄壁方鋼管混凝土柱的側(cè)邊約束作用將更小，管壁將更易發(fā)生局部屈曲。

為了延緩方鋼管混凝土柱局部屈曲的出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了設(shè)置縱向加勁肋[3]、約束拉桿[4]、角部隅撐[5]以及對(duì)拉片[6]等構(gòu)造措施，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。何振強(qiáng)等[7]研究了約束拉桿直徑和間距、鋼管厚度、鋼材強(qiáng)度對(duì)帶約束拉桿方鋼管混凝土短柱力學(xué)性能的影響；黃宏等[8]對(duì)14個(gè)帶肋方鋼管混凝土短柱進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:隨鋼管寬厚比增大，管壁局部鼓曲發(fā)展加快；隨加勁肋高厚比增大，管壁局部鼓曲發(fā)展延緩；孫焱焱等[9]以總用鋼量不變?yōu)榍疤?，研究了增大壁厚和設(shè)置加勁肋對(duì)方鋼管混凝土短柱承載力和延性的影響，同時(shí)采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。另外，廣州名匯商業(yè)大廈[10]、廣州新中國(guó)大廈[11]等超高層建筑在建設(shè)過程中已采用帶約束拉桿這種構(gòu)造措施。

基于已有文獻(xiàn)的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)方鋼管混凝土柱設(shè)置拉桿或加勁肋，可有效減緩管壁局部屈曲的出現(xiàn)，從而提高構(gòu)件的極限承載力和延性。但是僅設(shè)拉桿或僅設(shè)加勁肋的方鋼管混凝土柱各自存在一定的不足。僅設(shè)置約束拉桿的鋼管混凝土柱約束拉桿之間的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)彈塑性局部屈曲現(xiàn)象，削弱對(duì)內(nèi)填混凝土的約束作用；若僅設(shè)置加勁肋，為了防止局部屈曲的發(fā)生，需要增加相對(duì)較多的鋼材用量[12]。

針對(duì)存在的不足，本文提出了穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱[13]，即由方形鋼管、混凝土、加勁肋、拉桿組成，加勁肋厚度與鋼管壁厚相同，加勁肋及管壁上拉桿穿過部位應(yīng)在拼焊前開孔，孔的大小恰能穿過拉桿。將加勁肋垂直焊接在鋼管管壁中間，拉桿垂直穿過方形鋼管對(duì)邊，沿柱高以適當(dāng)間距交錯(cuò)布置，拉桿端部與鋼管外壁采用螺栓連接[13]。三維示意圖如圖1所示，構(gòu)造形式如圖2所示。

圖2 方鋼管混凝土柱的構(gòu)造形式

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)試件，包括1個(gè)穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土短柱，與僅設(shè)約束拉桿、僅設(shè)加勁肋、普通方鋼管混凝土短柱3個(gè)對(duì)照試件，試件高度均為鋼管外邊長(zhǎng)的3倍，具體參數(shù)見表1。

表1 試件主要參數(shù)

1.2 材性試驗(yàn)

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度由與試件同條件養(yǎng)護(hù)下的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊測(cè)得。按照《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)[14]規(guī)定對(duì)鋼板和拉桿標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得其屈服強(qiáng)度fy和極限強(qiáng)度fu，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 材性試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試件制作

在加工完成的方鋼管外表面刷上油漆，并繪制30mm×30mm網(wǎng)格，以便觀察試件破壞后的鼓曲變形。為了減少焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，本試驗(yàn)制作6個(gè)柱帽(內(nèi)截面尺寸為150mm×150mm×10mm，外截面尺寸為190mm×190mm×30mm)，代替在方鋼管兩端焊接蓋板。

在澆筑混凝土前，將方鋼管底部套好柱帽，澆筑時(shí)將其豎立，分層澆筑混凝土，并用振搗棒振搗直至密實(shí)。在自然條件下養(yǎng)護(hù)兩周后，鑿去柱表面混凝土浮漿，用高強(qiáng)環(huán)氧砂漿將混凝土表面與鋼管頂面抹平，試件加載前，頂端套上柱帽。

1.4 試件加載方式

試驗(yàn)在河南理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心進(jìn)行。采用500t的壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加軸向荷載，軸向變形由對(duì)角布置的兩個(gè)30mm量程的百分表測(cè)量，加載裝置如圖3所示。首先進(jìn)行試件的幾何對(duì)中，然后預(yù)加荷載進(jìn)行物理對(duì)中，試驗(yàn)加載為分級(jí)加載，彈性范圍內(nèi)每級(jí)荷載為預(yù)估極限荷載的1/10；當(dāng)鋼管發(fā)生局部屈曲后，每級(jí)荷載約為預(yù)估極限荷載的1/20。每級(jí)荷載的持荷時(shí)間約為2min，接近破壞時(shí)慢速連續(xù)加載，直至試件破壞[3]。試驗(yàn)變形數(shù)據(jù)由DH3816N自動(dòng)采集，加載值由壓力機(jī)軟件記錄。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

1.5 應(yīng)變片布置

試件測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，圖中數(shù)字代表測(cè)點(diǎn)位置，橫條為橫向應(yīng)變片，縱條為縱向應(yīng)變片，在拉桿中部及靠近管壁位置分別貼一個(gè)應(yīng)變片。

圖4 試件測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

所有試件的最終破壞形態(tài)如圖5所示，圖中已標(biāo)記出鋼管壁表面鼓曲位置和焊縫撕裂位置。通過觀察和分析可知：在加載初期，各試件均無變形和形態(tài)變化。

圖5 試件最終破壞形態(tài)

試件C1：達(dá)到極限荷載的50%～60%左右時(shí)，試件發(fā)出明顯的噼啪聲，達(dá)到極限荷載的75%左右，試件開始有局部鼓曲出現(xiàn)。達(dá)到極限荷載之后，伴隨著清晰的混凝土被壓碎的聲音，荷載值急劇下降，鋼管壁迅速外鼓。最終破壞形態(tài)：一側(cè)焊縫被撕裂，鋼管外壁出現(xiàn)兩道單波鼓曲，一道出現(xiàn)在距柱上部120～150mm處(焊縫被撕裂部位)，另一道出現(xiàn)在試件中部，鼓曲位置波峰間的間距約為1/2柱寬。

試件C2：達(dá)到極限荷載的60%～70%時(shí)，聽到試件內(nèi)有噼啪聲，達(dá)到極限荷載的85%左右，試件開始出現(xiàn)局部鼓曲。達(dá)到極限荷載之后，試件向外鼓曲變形更加明顯。最終破壞形態(tài)：在鋼管外壁出現(xiàn)兩道半波鼓曲，一道出現(xiàn)在距柱上部60mm處，另一道出現(xiàn)在距柱上部210mm處，鼓曲波峰間距約為1倍柱寬。

試件C3：達(dá)到極限荷載的70%～80%時(shí)，試件內(nèi)有輕微的噼啪聲傳來，達(dá)到極限荷載的90%左右，試件開始出現(xiàn)局部鼓曲。達(dá)到極限荷載之后，隨荷載值下降，試件向外鼓曲變形增大。最終破壞形態(tài)：在鋼管外壁出現(xiàn)兩道單波鼓曲，位于上下兩排約束拉桿之間，鼓曲位置波峰間的間距約為90mm。

試件C4：達(dá)到極限荷載的80%左右時(shí)，外表面粘貼的砂漿開始脫落，達(dá)到極限荷載之前，始終未發(fā)現(xiàn)管壁的局部鼓曲。達(dá)到極限荷載之后，有輕微的混凝土被壓碎的聲音，試件未出現(xiàn)明顯的變形，一直到荷載值下降到極限荷載的90%左右，試件才出現(xiàn)輕微的向外鼓曲。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于試件C1，C2，C3，試件C4荷載值下降明顯減慢，試件向外鼓曲則出現(xiàn)在極限荷載之后。最終破壞形態(tài)：在設(shè)置約束拉桿附近，鋼管外壁出現(xiàn)雙波鼓曲，其他位置未發(fā)現(xiàn)有明顯變形。

可見，開孔加勁肋與拉桿的緊密結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)了鋼管壁的抗彎剛度，拉桿為加勁肋提供了強(qiáng)有力的側(cè)向約束，從而延緩了鋼管與混凝土之間的滑移，使鋼管和混凝土的一體性得到顯著強(qiáng)化，這有效地阻止了管壁在試件達(dá)到極限荷載之前出現(xiàn)局部鼓曲，試件的極限承載力及延性都得到了較大的提高。

2.2 試件性能

試件的延性性能由延性系數(shù)來反映[15]，試件性能的相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 試件性能

DI=ε85%/εy

式中：DI為試件的延性系數(shù)；ε85%為荷載下降到峰值荷載的85%時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變；εy=ε75%/0.75，ε75%為荷載在上升段達(dá)到75%峰值荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變。

由表3可見：1)與試件C1相比，試件C3的軸壓極限承載力提高了11%，延性提高了44%；與試件C1相比，試件C2的軸壓極限承載力提高了14%，延性提高了33%。這說明僅設(shè)加勁肋或僅設(shè)約束拉桿均能提高方鋼管混凝土柱的軸壓承載力和延性，且設(shè)置加勁肋更有利于提高方鋼管混凝土柱軸壓承載力，設(shè)置拉桿更有利于增大其延性；2)與試件C1相比，試件C4的軸壓極限承載力提高了21%，延性提高了63%；這說明穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土短柱具有優(yōu)異的軸壓承載能力和延性；3)當(dāng)試件截面含鋼率相同時(shí)，與僅設(shè)置加勁肋的方鋼管混凝土柱(試件C2)相比，穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱(試件C4)的軸壓極限承載力提高了7%，延性提高了30%；與僅設(shè)置拉桿的方鋼管混凝土柱(試件C3)相比，穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱(試件C4)的軸壓極限承載力提高了10%，延性提高了19%，說明在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，采用穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱不僅能有效減少鋼材用量，降低工程造價(jià)，而且具有較好的抗震性能。

2.3 荷載-位移曲線

試驗(yàn)中，對(duì)角設(shè)置的2個(gè)百分表測(cè)量的縱向變形數(shù)據(jù)基本一致，取二者平均值作為試件的軸向位移，荷載-位移(N-Δ)曲線如圖6所示。

圖6 試件的N-Δ曲線

由圖6可見：1)在加載初期，所有試件的荷載-位移曲線均近似為直線，說明均處于彈性工作狀態(tài)，且所有試件的荷載-位移曲線均由上升段和下降段組成；2)試件C4的軸壓極限承載力大于對(duì)比試件C1，C2，C3，試件達(dá)到極限荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的位移相對(duì)較大，且達(dá)到極限荷載后荷載下降趨勢(shì)相對(duì)平緩，說明穿孔肋拉桿的設(shè)置增強(qiáng)了鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，提高了試件的承載力與延性，改善了試件后期的變形能力。

2.4 應(yīng)變分析

對(duì)試件C3，C4拉桿中部應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其荷載-應(yīng)變(N-ε)曲線如圖7所示。

圖7 拉桿的N-ε曲線

由圖7可見：1)在整個(gè)加載過程中，隨著荷載值增加，拉桿應(yīng)變逐漸增大，達(dá)到極限荷載時(shí)，拉桿基本上都已達(dá)到屈服，說明拉桿對(duì)加勁肋起到了顯著的約束作用；2)在達(dá)到極限荷載前，試件C4拉桿的荷載-應(yīng)變曲線斜率大于試件C3，這說明穿孔肋約束拉桿的設(shè)置增強(qiáng)了鋼管對(duì)核心混凝土的約束力，減緩了應(yīng)變的增大；3)在達(dá)到極限荷載后，拉桿的應(yīng)變發(fā)展加快，這說明穿孔肋約束拉桿起到了較強(qiáng)約束作用，并提高了鋼管壁的側(cè)向剛度，為延緩鋼管混凝土短柱的破壞筑起了“第一道防線”。

對(duì)各試件管壁應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖8所示。其中，X代表測(cè)點(diǎn)橫向應(yīng)變，Y代表測(cè)點(diǎn)縱向應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)位置見圖3。

圖8 鋼管壁的荷載-應(yīng)變曲線

由圖8可見：1)在達(dá)到極限荷載時(shí)，試件上各測(cè)點(diǎn)的縱、橫向應(yīng)變值均分別達(dá)到鋼管的單軸抗壓屈服應(yīng)變值、抗拉屈服應(yīng)變值；2)試件C1鋼管壁上測(cè)點(diǎn)1，11的縱橫應(yīng)變隨荷載變化的規(guī)律一致，說明試件整個(gè)管壁發(fā)生了鼓曲，這與試件C1呈現(xiàn)的破壞模式(圖5(a))相吻合；3)試件C2鋼管壁上測(cè)點(diǎn)1的縱橫應(yīng)變隨荷載的變化量小于測(cè)點(diǎn)11，說明加勁肋的存在，有效限制了管壁的鼓曲，這與試件C2呈現(xiàn)的破壞模式(圖5(b))相吻合；4)試件C3鋼管壁上測(cè)點(diǎn)1的縱橫應(yīng)變隨荷載增加的速度遠(yuǎn)大于其他測(cè)點(diǎn)，說明拉桿之間的管壁發(fā)生了鼓曲，拉桿起到了約束鋼管壁屈曲發(fā)展的作用，這與試件C3呈現(xiàn)的破壞模式(圖5(c))相吻合；5)試件C4鋼管壁上測(cè)點(diǎn)11的縱橫應(yīng)變隨荷載增加的速度遠(yuǎn)大于其他測(cè)點(diǎn)，其次是測(cè)點(diǎn)22的縱橫應(yīng)變隨荷載增加較快，說明拉桿之間的管壁發(fā)生了鼓曲，拉桿由于約束加勁肋與鋼管壁之間的相互擠壓增大，這與試件C4呈現(xiàn)的破壞模式(即圖5(d))相吻合。

比較圖8中的(a)～(d)可見，在達(dá)到極限荷載前，穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱管壁上各測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線基本呈線性，其斜率均大于其他試件。說明穿孔肋拉桿對(duì)鋼管壁的約束作用通過加勁肋均勻地傳遞給鋼板，使拉桿的點(diǎn)狀約束轉(zhuǎn)化為加勁肋的線狀約束，對(duì)核心混凝土的約束作用明顯增強(qiáng)，減緩了鋼管的縱橫向應(yīng)變發(fā)展；達(dá)到極限荷載后，拉桿應(yīng)變迅速增加，鋼管縱橫應(yīng)變發(fā)展變慢，鋼管壁局部屈曲發(fā)展減緩，混凝土壓碎延遲。說明穿孔肋拉桿在達(dá)到極限荷載后對(duì)鋼管壁的屈曲和破壞起到了明顯的遏制作用。

3 結(jié)語

(1)穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱同時(shí)設(shè)置了拉桿和加勁肋，通過穿過開孔加勁肋的拉桿約束鋼管壁，對(duì)鋼管壁形成線狀約束后，對(duì)核心混凝土的約束作用明顯增強(qiáng)，減緩了鋼管的局部屈曲，使混凝土壓碎延遲。說明穿孔肋拉桿在達(dá)到極限荷載后對(duì)鋼管壁的屈曲和破壞起到了明顯的遏制作用，能有效改善僅設(shè)拉桿或僅設(shè)加勁肋的方鋼管混凝土柱的不足。

(2)與普通方鋼管混凝土柱相比，僅設(shè)加勁肋的方鋼管混凝土柱的軸壓極限承載力提高了11%，延性提高了44%；僅設(shè)約束拉桿的方鋼管混凝土柱的軸壓極限承載力提高了14%，延性提高了33%；穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱的軸壓極限承載力提高了21%，延性提高了63%；說明穿孔肋拉桿的設(shè)置顯著提高了方鋼管混凝土柱的軸壓極限承載力和延性。

(3)當(dāng)試件截面含鋼率相同時(shí)，與僅設(shè)加勁肋的方鋼管混凝土柱相比，穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱的軸壓極限承載力提高了7%，延性提高了30%；與僅設(shè)約束拉桿的方鋼管混凝土柱相比，穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱的軸壓極限承載力提高了10%，延性提高了19%；說明在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，采用穿孔肋拉桿約束方鋼管混凝土柱不僅能有效減少鋼材用量，降低工程造價(jià)，而且具有較好的抗震性能。