軸心受壓帶剪力鍵的不銹鋼鋼管混凝土短柱承載力試驗研究

岳鵬，何建，李豪強，周燕

哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001

在鋼管中澆筑素混凝土可形成鋼管混凝土組合結構構件，其外部的鋼管與內部的核心混凝土能相互作用并協同工作，共同承擔外荷載作用[1]。鋼管混凝土試件在受載的過程中，2種材料的性能得到大大改善。在該組合結構構件中，核心混凝土在外部鋼管的約束下強度顯著提高，塑性和韌性得到明顯改善。核心混凝土的存在也使得外鋼管的屈曲模態(tài)發(fā)生改變，提高了鋼管混凝土的穩(wěn)定性[2]。直接暴露在空氣中的鋼管需要進行防銹、防腐處理，會造成較高的維護成本，201奧氏體不銹鋼既有良好的防銹、防腐能力，又有足夠的塑性與強度，廣泛應用于各種結構工程之中，因此選用201奧氏體不銹鋼作為外鋼管材料。不銹鋼鋼管混凝土不僅具有一般鋼管混凝土的優(yōu)勢，外表美觀，還能解決因防銹、防腐蝕造成的維護成本較高的問題，因此不銹鋼鋼管混凝土有非常大的發(fā)展?jié)摿3]。

對于鋼管混凝土的力學性能的探索，國內外研究者都有開展相關研究，已有了大量的理論分析和試驗研究成果。文獻[4]對比了4種不同測量試件軸向變形的方法，研究了核心混凝土強度、不同加載方式以及鋼管上有小開口和溝槽對圓形鋼管混凝土力學特性的影響。文獻[5]分析了截面形式、局壓面積比和端板厚度對鋼管混凝土局壓承載性能的影響，并建立了相應的有限元分析模型。文獻[6]對加勁肋方鋼管混凝土進行了軸壓試驗，分析了在鋼管內部焊接加勁肋對鋼管混凝土承載能力、延性以及破壞模態(tài)等的影響。文獻[7]通過對6組鋼管混凝土短柱試件的軸心受壓試驗，研究了再生粗骨料取代率和截面長寬比對矩形鋼管再生混凝土短柱的力學特性的影響，并對矩形鋼管再生混凝土短柱建立相應的有限元模型。文獻[8]對凍融循環(huán)后不銹鋼鋼管混凝土短柱進行了軸壓試驗研究，研究了不銹鋼管截面類型及凍融循環(huán)次數對不銹鋼鋼管混凝土短柱的極限承載力、位移延性以及約束系數等的影響。文獻[9]對不同截面尺寸的矩形不銹鋼鋼管混凝土短柱進行軸壓試驗，得到了不同試件在軸向壓力下的破壞模式，分析了矩形截面長寬比對試件的承載力影響，得到了鋼管混凝土軸壓承載力計算公式。文獻[10]研究了帶單個剪力鍵的鋼管混凝土的力學性能，基于變形協調原理推導出了在彈性范圍內軸壓作用下鋼管混凝土的位移和應力公式。文獻[11]以圓不銹鋼混凝土短柱為鋼管壁厚和混凝土強度為控制變量，研究了軸壓作用下的承載力性能在兩個參量變化下的提升幅度，另外還探討了不同荷載約束效應下的荷載軸向位移曲線的變化及構件承擔荷載的分配方式。文獻[12]對鋁合金管混凝土進行了軸壓試驗研究，并將試驗結果與現行規(guī)范進行對比分析，最終得出指導鋁合金構件設計的現有規(guī)范偏于保守。文獻[13]提出了一種實現纖維分析的數值建模方法用于研究分析薄壁圓形鋼管混凝土在軸心受壓作用下的力學性能。并通過分析現有的圓形鋼管混凝土側壓力的試驗結果，建立了新的本構模型，并驗證了建模方案的準確性。影響不銹鋼鋼管混凝土承載力的潛在因素眾多，本試驗選取截面形式和不銹鋼薄壁厚度為主要2個參數進行試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗準備

本試驗共設計有6個試件，分別為3個圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱和3個方形不銹鋼鋼管混凝土短柱，如圖1(a)、圖1(b) 所示；3種不銹鋼管薄壁厚度t，依次為 0.95、1.05、1.35 mm；不銹鋼管材采用201奧氏體不銹鋼，其中圓形不銹鋼空管的直徑D為100 mm，方形不銹鋼空管的邊長B為100 mm，如圖1(c)、圖1(d) 所示，空管試件高度h均為300 mm?？紤]201奧氏體不銹鋼表面比較光滑，為確保不銹鋼鋼管和核心混凝土之間黏結牢靠，在距離上下端口50 mm處各焊接有一道剪力鍵，來提高不銹鋼鋼管混凝土的承載力以及結構整體性。圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱剪力鍵均采用矩形截面，長度為 6 mm，寬度為 3 mm，焊接類型為角焊。試件模型尺寸構造布置如圖2所示。

圖1 鋼管混凝土短柱示意

圖2 鋼管混凝土尺寸構造

試驗采用設計強度等級為 C25的商品混凝土。按標準方法在不銹鋼空管中澆筑混凝土，澆筑方式采用人工振搗。試件放置在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，至標準齡期28 d時自養(yǎng)護室取出。圖3(a) 為澆筑混凝土時的照片，圖3(b) 為試件養(yǎng)護完成后的照片。養(yǎng)護完成的試件編號與具體參數見表1。

圖3 鋼管混凝土的制作

表1 試件信息 mm

1.2 試驗過程

1.2.1 試驗加載及測量裝置

本試驗是在哈爾濱工程大學土木工程材料實驗室完成的，采用長春科新YD2000型壓力試驗機進行加載，應變由DH3816靜態(tài)應變測試儀自動采集，加載實物如圖4(a)。在圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱上按圖4(b)、圖4(c) 所示位置在鋼管表面上中下部粘貼6個應變片，以測量鋼管混凝土短柱上部、中部以及下部的橫向和軸向應變。其中編號為奇數的3個應變片為橫向電阻應變片，編號為偶數的應變片為軸向電阻應變片（例如Y-1-1代表Y-1試件1位置的軸向應變片）。將試件短柱安放在壓力機的下承壓板上，短柱的承壓面與成型時的頂面保持垂直，短柱的中心應與壓力機下壓板中心對齊，上升壓力機工作臺，當上壓板與試件幾乎貼近時，調整球座，使接觸均衡，然后對短柱試件進行壓縮試驗。

圖4 不銹鋼管測點布置圖

1.2.2 試驗現象

在試驗受荷初期，圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱外觀無明顯變化。

當荷載逐漸增加接近極限承載力時，圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱Y-1和Y-2中下部明顯出現鼓曲變形，隨著荷載繼續(xù)增加，鼓曲變形和環(huán)形褶皺越來越明顯，在接近極限荷載時，試件內部有“沙沙”的聲音，最后到達極限荷載時會有“砰”的一聲，最終因為試件變形過大而破壞；圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱Y-3，隨著荷載增大，鋼管的腳部先出現鼓曲現象，中部變形比較小，試件破壞時，下部焊接的剪力鍵被剪斷。3個圓形鋼管混凝土試件均由局部屈曲而導致最終的破壞。圓形鋼管破壞模態(tài)的出現一定差異性，潛在原因有：1）鋼管試件在加工時焊縫接口處存在殘余應力；2）核心混凝土存在初裂紋等初缺陷。

方形鋼管混凝土短柱和Y-3試件的變形過程與破壞模態(tài)相似，方形不銹鋼鋼管混凝土短柱F-1、F-2和F-3共3個試件均從試件腳部發(fā)生鼓曲，隨著變形逐漸積累，短柱內部出現“沙沙”的聲音，最后試件發(fā)出“砰”的一聲后，在方管的棱邊上發(fā)生破壞，在鋼管下部焊接剪力鍵附近的混凝土被壓成碎塊，剪力鍵均斷開。

6個鋼管混凝土均未出現明顯的滑移剪切線，在上部剪力鍵位置附近，鋼管幾乎沒有變形，變形和破壞主要集中在中下部位置。方形不銹鋼鋼管混凝土短柱均在下部剪力鍵位置附近變形并發(fā)生破壞。圖5為圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱的破壞模態(tài)。

圖5 試件破壞模態(tài)

2 鋼管混凝土的力學性能分析

2.1 荷載–軸向位移曲線

圖6(a)、圖6(b) 分別為圓形和方形截面不銹鋼鋼管混凝土短柱在不同不銹鋼薄壁厚度下的荷載 (P)?位移 (s) 曲線圖，其結果和王堅[8]試驗所得曲線圖類似。對于圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱，隨著外加荷載增大，其荷載位移曲線和低碳鋼的壓縮曲線相似，在經歷過彈性階段和屈服階段后，圓形不銹鋼鋼管漸漸向外鼓曲發(fā)生變形，由于承接面積越來越大，曲線呈現上升趨勢，直到破壞為止；對于方形不銹管鋼管短柱，3種薄壁厚度的鋼管短柱荷載?位移曲線變化相似，在達到屈服階段過后，試件變形非?？欤休d力極速下降。圓形不銹鋼管混凝土短柱相比與方形短柱的軸向壓縮的位移變化更大，所能承受的荷載也更高。

圖6 荷載?位移曲線圖

2.2 荷載–應變曲線

圖7 為不同位置下試件的荷載 (P)?應變 (ε)曲線，應變以使電阻應變片拉伸變形為正值，壓縮變形為負值。圖7(a)、7(c)、7(e) 分別對不同壁厚的不銹鋼鋼管混凝土短柱的軸向應變進行分析比較，圖7(b)、7(d)和7(f) 分別對不同試件的橫向應變進行分析比較。由圖7(a)、7(b)、7(c) 可知，1）軸向粘貼的電阻應變片因混凝土短柱側向鼓曲的不同而受到拉伸和壓縮的效果不同；2）在彈性階段，受到壓縮變形的荷載?應變斜率大致相同；3）Y-2與Y-3圓管軸向粘貼的電阻應變片均為拉伸變形，并且Y-3的荷載?應變斜率會大于Y-2的相應斜率；4）Y-1圓管軸向粘貼的電阻應變片均為壓縮變形；5）由前 3）、4）結論可以得出，隨著圓形鋼管壁厚的增大，軸向貼放的電阻應變片會由壓縮變形轉到拉伸變形，并且壁越厚拉伸變形的荷載?應變斜率越大。由圖7(d)、7(e)、7(f) 可知：1）橫向貼放的電阻應變片均受拉伸變形；2）在彈性階段，F-1、F-2和F-3的荷載?變形斜率大致相同；3）在不斷加載的過程中，荷載?應變的斜率都呈現逐漸減小的趨勢，即荷載變化不大，應變迅速增長。

圖7 荷載?應變曲線

2.3 極限承載力–壁厚曲線

圖8為不同壁厚 (t) 的圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱的極限承載力 (P) 折線對比圖。不銹鋼管薄壁厚度對鋼管混凝土短柱的承載力有很大的影響，圓形和方形短柱試件的變化趨勢幾乎一樣，隨著不銹鋼薄壁厚度增大，鋼管混凝土的承載力都先經歷減小然后再恢復的過程，并且圓形短柱明顯要比方形短柱的承載力高出許多。

圖8 承載力?壁厚折線圖

3 結論

本文對不同截面形式與不同不銹鋼管薄壁厚度的鋼管混凝土短柱進行軸壓試驗，得到以下結論：

1）圓形和方形的不銹鋼管混凝土試件均是由于向外的屈曲變形過大而破壞，鋼管上部焊接的剪力鍵對混凝土起到了很好的約束效應，并且圓形不銹鋼管混凝土短柱約束作用顯著優(yōu)于方形不銹鋼鋼管混凝土短柱。

2）根據試驗得到的荷載?位移曲線數據不難看出，圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱明顯要比方形截面的承載力高出許多。

3）不銹鋼管薄壁厚度改變，對鋼管混凝土的承載力有很大的影響，本試驗選取了3個較小的薄壁厚度，鋼管混凝土短柱承載力并沒有因為薄壁變厚而增大，而是經過一個先減小再增大的過程。

文中僅考慮了不銹鋼薄壁厚度和截面尺寸對混凝土承載力、位移的影響，剪力鍵尺寸、剪力鍵個數及其間距等有可能是影響鋼管混凝土短柱受力變化的重要因素，還有待后續(xù)進一步探索。