軸壓、壓扭荷載作用下內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的受力性能研究*

聶影 皮正波 陶修 羅崯滔 趙軒 陳春君 王宇航

1.中冶賽迪工程技術股份有限公司 重慶 400013

2.湖南工程學院建筑工程學院 湘潭 411104

3.重慶大學土木工程學院 400045

引言

鋼管混凝土按照截面形式的不同分為圓鋼管混凝土，方、矩形鋼管混凝土以及多邊形混凝土等多種形式［1］，因其力學性能優(yōu)異而被廣泛用于各種結構中，Lai Zhichao 和Varma Amit H.［2］、Roeder Charles W.、Lehman Dawn E.和Erik Bishop［3］、Chen Baochun［4］等、Ayough Pouria 等［5］國內(nèi)外學者對鋼管混凝土進行了多工況下的受力性能分析。蔡紹懷和焦占拴［6］對57 個圓鋼管混凝土短柱軸壓試驗，通過變化“套箍指標”、加載方式以及試件高度等參數(shù)，分析得到了“套箍指標”是影響其承載能力和變形能力的主要因素；蔡紹懷和顧萬黎［7］對26 個圓鋼管混凝土長柱軸壓試驗，通過變化長細比，推導了軸心受壓長柱的承載力簡化計算公式。韓林海和楊有福［8］對24 個矩形截面鋼管混凝土短柱進行了軸壓試驗，通過變化約束效應系數(shù)以及截面的長寬比分析矩形鋼管混凝土柱的力學性能和強度承載力。還有Ekmekyapar Talha 和Hasan Hussein Ghanim［9］、王清湘等［10］、毛文婧等［11］、朱美春［12］等對鋼管混凝土柱進行了軸壓試驗，通過變化含鋼率、混凝土強度以及是否內(nèi)嵌鋼骨等參數(shù)，分析了不同參數(shù)變化對柱承載力、延性以及剛度的影響。韓林海［13］對鋼管混凝土構件進行了壓扭試驗，揭示了鋼管混凝土構件在壓扭作用下的工作性能，為后續(xù)研究提供了本構關系。蘇義峰［14］等對新型鋼管混凝土構件進行了壓扭試驗，通過有限元建模分析，提出了抗扭承載力計算方法與數(shù)值模擬的結果吻合良好。史艷莉［15］等對內(nèi)配三種型鋼鋼管混凝土壓扭構件進行了有限元分析，提出了含鋼率是影響構件承載力的主要因素。陳全有等［16］、王靜峰［17］等、王先鐵［18］等人對傳統(tǒng)鋼管混凝土組合柱進行了結構形式的優(yōu)化，對新型構件進行了有限元以及試驗研究。由于鋼與混凝土的組合形式較廣泛，尚未有學者對內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱進行相關力學性能的研究。

本文擬在鋼管混凝土組合結構的基礎上進一步進行試驗研究，通過在鋼管混凝土柱中加入H型鋼，記錄試件在加載過程中的試驗現(xiàn)象，分析其在軸壓和壓扭工況下其失效模式、扭矩-扭轉角滯回關系曲線、扭矩-扭轉角骨架曲線等多方面的受力性能。

在普通鋼管混凝土組合結構中內(nèi)嵌H 型鋼，與未內(nèi)嵌的組合柱相比較而言，由于內(nèi)置型鋼對整個試件的強度、剛度提升，考察其力學性能指標，擬對復雜使用環(huán)境下的組合柱進行改良設計。目前國內(nèi)外學者對在鋼管混凝土中內(nèi)嵌型鋼的研究較少，且較多仍出于有限元模擬階段，本文對其進行試驗研究，分析其多個受力性能指標。

本文簡要分析了鋼材料與混凝土材料相互組合的組合效應，整理了部分學者對于鋼管混凝土的受力性能研究，在已有研究基礎上，提出了內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱新型組合結構，并對其進行軸壓、壓扭荷載作用，分析研究兩種工況下受力性能。共設計制作了3 個試件，其中一個用于軸壓試驗，其余兩個用于壓扭試驗，3 個試件的高度與回轉半徑均保持一致，對于壓扭試驗，設置了不同的軸壓比，對比分析不同軸壓比下試件的破壞形態(tài)和受力性能。重點分析了壓扭試件的扭矩-扭轉角滯回曲線，其滯回曲線非常飽滿，強度和剛度的損傷退化程度較低，具有良好的耗能能力。簡要分析了壓扭試件的扭矩-扭轉角骨架；力學特征以及扭轉剛度退化。

1 試驗概況

1.1 試件制作

試驗中設計了3 個內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱試件，試件總高度均為975mm，內(nèi)嵌H 型鋼的尺寸為80mm ×80mm ×3.7mm ×3.7mm。在制造過程中，為保證鋼管以及H型鋼與底板和頂板有良好的抗環(huán)向剪切性能，故采用焊接連接的方式。用氣保焊將試件連接至頂板和底板，通過頂板的孔洞將混凝土澆筑至鋼管內(nèi)部，并將其振搗密實，其截面構造見圖1。

圖1 截面構造Fig.1 Cross-sectional structure

本試驗中針對3 個圓形截面進行軸壓、壓扭荷載作用，其中一個用于軸壓試驗，另兩個用于壓扭試驗，試件編號及試驗參數(shù)見表1。在控制3 個試件的高度一致情況下，在壓扭試驗中，通過變化軸壓比的大小來分析不同軸壓比作用下，內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的受力性能；此外通過與只有軸力作用下的試件進行對比，定性分析兩種不同工況下的破壞現(xiàn)象與受力機理。

表1 內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱試件編號及試驗參數(shù)Tab.1 Specimen number and test parameters of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

1.2 材料力學性能

采用C40 混凝土，根據(jù)混凝土立方體強度值測量方法，在澆筑試件的過程中，同時取3 組尺寸為150mm ×150mm ×150mm 混凝土立方體試塊，實測其28d立方體抗壓強度為40.7MPa。

鋼材強度由標準拉伸試驗確定，測量試件從同批鋼管中抽取，每組抽取3 個，測得試件鋼管和H型鋼鋼材的屈服強度、抗拉強度以及彈性模量見表2。

表2 材料力學性能Tab.2 Mechanical properties of materials

1.3 試驗裝置及加載制度

本試驗在重慶大學土木工程學院振動臺實驗室進行，制作并使用了一套可施加軸壓、壓扭等多工況荷載的試驗裝置，加載裝置示意圖和加載現(xiàn)場如圖2 所示。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

在試驗過程中，數(shù)據(jù)采集使用高精度直線位移傳感器（LVDT）和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。其中LVDT1 量測水平液壓伺服器的水平位移，而LVDT2 和LVDT3 布置在鋼梁底部，用于量測豎向位移。LVDT4 布置在柱頂鋼梁豎向約1／2 高度處，用于量測柱頂水平方向位移。測點布置詳圖如圖3 所示。

圖3 位移量測Fig.3 Displacement measurement

對于此次試驗中的軸壓作用試件，采用預加載方法，首先加載至200kN，然后卸載至0，重復兩次后開始加載。對于此次試驗中的壓扭作用試件，由于內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉角和水平位移之間存在近似線性相關關系，試件CH2-CT1 和試件CH2-CT2 的等增量扭轉角Δθ 為±0.86°，故使用水平方向的位移來控制加載過程，對試件施加循環(huán)扭矩。水平位移的加載速度控制為4mm／min。當達到每個循環(huán)次數(shù)的最大或最小扭轉位移時，暫停1min 用于拍照和記錄數(shù)據(jù)，加載整個過程使用固定攝影機位記錄。當試件發(fā)生破壞或試件承載力小于85%最大承載力時停止加載。

2 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試件CH2-C受單向軸壓力作用，由于在鋼管混凝土柱中加入了H型鋼，整個試件的含鋼率較高，故整個試件的破壞形式與鋼結構破壞形式接近。由圖4中可以看到，試件在軸力作用下發(fā)生了豎向彎曲，其豎向位移達到了21.7mm，試件失效。

圖4 CH2-C失效模式Fig.4 Failure mode of CH2-C

試件CH2-CT1 受壓扭組合作用，為了得到更加清晰的試驗破壞現(xiàn)象，試件失效后，首先將外鋼管剝落，分析記錄內(nèi)部混凝土的裂縫開展情況；其次將內(nèi)部混凝土剝落，分析記錄內(nèi)嵌H 型鋼的破壞模式。試驗開始后，在扭轉角達到17°時，試件破壞，外鋼管發(fā)生三種不同方向的鼓屈：斜向鼓屈、豎向鼓屈和環(huán)向鼓屈，如圖5 所示。將外鋼管剝落，觀察試件發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土有壓碎以及開裂現(xiàn)象，其中上下部與支座連接的混凝土被壓碎，中部混凝土呈現(xiàn)單向斜裂縫，未發(fā)現(xiàn)X 形破壞。將內(nèi)部混凝土剝落，觀察試件內(nèi)嵌H型鋼的破壞形態(tài)，從試件中可以看到H型鋼發(fā)生了多處屈曲破壞，在與支座相連，與壓碎混凝土同等高度處的H 型鋼發(fā)生翼沿屈曲。對于整體內(nèi)部H型鋼發(fā)生了整體屈曲破壞，在H 型鋼上方約1／3處，其腹板部分發(fā)生屈曲破壞。

圖5 CH2-CT1 失效模式Fig.5 Failure mode of CH2-CT1

試件CH2-CT2 受壓扭組合作用，試驗方法與觀察分析方法與試件CH2-CT1 保持一致。與試件CH2-CT1 不同之處在于，兩者控制的軸壓比不同，CH2-CT2 軸壓比為0.48，CH2-CT1 軸壓比為0.24。試驗開始后，在扭轉角達到11°

時，試件破壞，外鋼管發(fā)生三種不同方向的鼓屈：整體豎向屈曲、斜向鼓屈、環(huán)向鼓屈，如圖6 所示。將外鋼管剝落，觀察試件發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土上部多處開展微裂縫，在試件中部有兩條斜裂縫，斜裂縫方向與水平方向約成45°且兩條裂縫互成約90°，成X狀裂縫。將內(nèi)部混凝土剝落，觀察試件內(nèi)嵌H型鋼的破壞形態(tài)，從試件中可以看到H型鋼發(fā)生了3 處屈曲破壞，在與支座相連的H型鋼上下端呈現(xiàn)翼沿屈曲破壞，對于整體內(nèi)部H型鋼則發(fā)生整體屈曲破壞。

圖6 CH2-CT2 失效模式Fig.6 Failure mode of CH2-CT2

3 扭矩-扭轉角滯回曲線及分析

壓扭作用下內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的扭矩-扭轉角滯回關系曲線見圖7 所示。

圖7 內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱扭矩-扭轉角滯回曲線Fig.7 Torque-torsional angle hysteresis curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

從圖7 中可以看出，內(nèi)嵌H型鋼圓形截面鋼管混凝土柱的滯回曲線非常飽滿，沒有產(chǎn)生“捏攏”現(xiàn)象，卸載剛度幾乎等于初始彈性剛度，試件的強度和剛度的損傷退化程度較低，在往復荷載作用下具有良好的耗能能力。

4 扭矩-扭轉角骨架與力學特征

由圖8 和表3 可知，在軸壓力和往復扭轉作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭矩-扭轉角骨架曲線主要呈彈性和塑性兩階段。對比兩個壓扭作用試件可以發(fā)現(xiàn)，在軸壓比相對較高的情況下，試件的屈服扭轉角會有較明顯的提升，但試件的峰值扭轉角則會有下降，整個試件的延性變差。

圖8 扭矩-扭轉角骨架曲線Fig.8 Torque-torsion angle skeleton curve

表3 壓扭作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱力學特征Tab.3 Mechanical properties of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

5 扭轉剛度退化

文獻［19］對鋼管混凝土柱進行了復雜工況的加載試驗，提出了扭轉退化剛度的計算公式。內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉退化剛度kθ定義為最大扭矩Ti與扭轉角θi之間的相關關系：

內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱退化剛度見圖9 所示。由圖9 可知：1）當扭轉角與屈服扭轉角之比（θ／θy，θy取純扭下屈服扭轉角）≤4 時扭轉剛度與屈服扭轉剛度之比（Kθ／Kθe，Kθe取純扭下屈服扭轉剛度）隨θ／θy的增大而急速降低，當θ／θy＞

圖9 內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的扭轉剛度退化Fig.9 The torsional stiffness degradation of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

4 時Kθ／Kθe衰減變緩，表明內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的混凝土的剪切變形能力低，而混凝土早期的剪切變形失效加速了扭轉剛度的衰減；2）長細比較大的內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉剛度隨θ／θy的增大而衰減程度更快。

6 破壞機理

壓扭作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的破壞機理見圖10。軸力作用下內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱截面受到均勻壓應力作用，因鋼管的約束作用柱內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)（σ1＞σ2＝σ3），鋼管因豎向軸壓力和管內(nèi)混凝土的橫向膨脹而處于豎向受壓而環(huán)向受拉的雙向壓-拉應力狀態(tài)，H型鋼因豎向軸壓力而處于壓應力狀態(tài)。純扭作用下柱截面鋼管、H 型鋼和混凝土處于純剪應力狀態(tài)，混凝土的最外側剪應力最大而中心位置最小。

圖10 破壞機理Fig.10 The failure mechanism

軸壓力和扭矩作用下，因軸壓力的壓效應和扭矩的剪切效應，柱截面鋼管沿縱向和環(huán)向分別受到壓剪應力和拉剪應力，混凝土沿縱向和環(huán)向均受到壓剪應力，而H 型鋼受到單向壓剪應力。軸壓力沿柱截面產(chǎn)生環(huán)向膨脹和沿豎向產(chǎn)生整體屈曲的壓效應，而扭矩沿柱截面產(chǎn)生環(huán)向剪切效應，因而可總結軸壓和往復扭轉作用下破壞機理為：軸壓力的壓效應和扭矩的剪切效應導致內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的混凝土和鋼管沿斜向的主壓應力方向的垂直方向產(chǎn)生鼓屈破壞；軸壓力的壓效應導致構件產(chǎn)生整體屈曲破壞。

7 結語

本文完成了3個內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱在軸壓、壓扭荷載作用下的擬靜力加載試驗，對試驗結果進行了定性分析。對于壓扭的兩種工況，隨著軸力的增大，試件的峰值扭轉角等力學特征指標降低，且整個試件的延性系數(shù)降低明顯。試件扭轉剛度在實際工程中使用內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱時，組合結構的剛度以及抗火性能、耗能能力也更有一定優(yōu)勢。實際使用內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱時，應合理控制軸壓比，使結構的整體性能更優(yōu)。