內(nèi)襯管螺紋連接中空?qǐng)A鋼管混凝土的軸壓性能實(shí)驗(yàn)

王慶利，高行程，彭 寬

（1.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114044；2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500）

中空鋼管混凝土是指在鋼管內(nèi)澆筑混凝土形成中部帶有空心的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［1］，具有承載力高、剛度大及塑性好等優(yōu)勢(shì)，廣泛用于工程實(shí)踐［2］。由于此類構(gòu)件中部為空心，可以節(jié)省混凝土的用量，降低結(jié)構(gòu)自重的同時(shí)，便于在中空部分布置管線［3］。

在實(shí)際工程中，因鋼管原材料長(zhǎng)度、吊裝或運(yùn)輸能力的限制，需要在施工現(xiàn)場(chǎng)接長(zhǎng)鋼管。現(xiàn)階段常用的鋼管混凝土的接長(zhǎng)方式有焊接、法蘭盤連接和蓋板-螺栓連接等［4］，如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土鋼管的常用接長(zhǎng)方式Fig.1 Main lengthening methods of concrete filled steel tubes

焊接作為現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的連接形式，不受試件尺寸的影響，施工方便，但焊接處容易發(fā)生應(yīng)力集中等問(wèn)題［5］，并且焊接工藝易受人為、環(huán)境和氣候因素等影響，從而導(dǎo)致出現(xiàn)一些質(zhì)量問(wèn)題［6］。楊紅等［7］為了減小鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接工作量，提出基于法蘭連接和外設(shè)加強(qiáng)環(huán)的鋼管混凝土柱-鋼梁連接裝配方法。陳前等［8］通過(guò)2種內(nèi)外法蘭分別連接鋼管混凝土柱，以此來(lái)研究其抗彎承載力的變化，并建立有限元模擬，研究荷載傳遞機(jī)理以及連接螺栓、鋼管與混凝土的力學(xué)性能。法蘭盤連接方式會(huì)改變構(gòu)件的外觀，不利于荷載的傳遞，且在施工過(guò)程中不易裝配與拆卸［9］。Abdessamade 等［10］建立蓋板-螺栓連接處的三維有限元模型，研究鋼蓋板連接處的局部變形，再以螺栓位置為影響因素，對(duì)連接處荷載變化和變形能力進(jìn)行研究。蓋板-螺栓連接的構(gòu)造形式復(fù)雜、施工周期過(guò)長(zhǎng)，且螺栓打孔處易發(fā)生應(yīng)力集中等問(wèn)題［11］。

螺紋連接方式受力合理，在生產(chǎn)過(guò)程中可以采用標(biāo)準(zhǔn)化、流水線作業(yè)，在施工過(guò)程中組裝方便，節(jié)約工期的同時(shí)也可以充分保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因此，本文嘗試采用螺紋連接長(zhǎng)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。如果采用內(nèi)、外螺紋直接連接鋼管，螺紋連接處的強(qiáng)度至少被削弱一半，從而降低承載力。為了避免這種情況，本文設(shè)計(jì)內(nèi)襯管作為一種過(guò)渡用于連接管身，如圖2所示。

圖2 內(nèi)襯管螺紋接長(zhǎng)鋼管示意圖Fig.2 Schematic diagram of steel tube lengthened by thread through lined tube

螺紋連接圓鋼管混凝土最不利的受力形式應(yīng)為軸拉和扭轉(zhuǎn)，其次為拉-彎、純彎和壓-彎等，而軸壓和剪切強(qiáng)度最高。但軸壓性能是鋼管混凝土最核心、最重要和最基本的性能。本文以內(nèi)襯管螺紋連接中空?qǐng)A鋼管混凝土軸壓短柱為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析軸壓力-縱向壓縮量曲線、軸壓力-鋼管應(yīng)變曲線、軸壓承載力、剛度以及試件的破壞模態(tài)等。根據(jù)不同文獻(xiàn)提出的承載力計(jì)算式與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)內(nèi)襯管螺紋連接中空?qǐng)A鋼管混凝土承載力計(jì)算方法給出建議。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

設(shè)計(jì)制作12個(gè)內(nèi)襯管螺紋連接中空?qǐng)A鋼管混凝土軸壓短柱，內(nèi)螺紋位置分別設(shè)在中截面和端截面。為了對(duì)比，又設(shè)計(jì)制作了1個(gè)無(wú)連接中空?qǐng)A鋼管混凝土軸壓短柱，2個(gè)焊接中空?qǐng)A鋼管混凝土軸壓短柱，焊接位置分別設(shè)在中截面和端截面。部分試件的鋼部件結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，試件實(shí)物如圖4所示。

圖3 部分試件的鋼部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagrams of steel components of partial specimens

圖4 試件實(shí)物圖Fig.4 Physical images of specimens

試件詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。試件長(zhǎng)度L=399 mm，外鋼管直徑Ds=133 mm，外鋼管壁厚ts=6 mm，混凝土內(nèi)徑Dci=76 mm，內(nèi)襯管直徑Dis=126 mm，內(nèi)襯管壁厚tis=8 mm。螺紋長(zhǎng)度l分別取Ds/2、Ds/4和Ds/8；螺紋深度h分別取0.1ts和0.15ts。

表1 試件參數(shù)表Tab.1 Parameters of specimens

1.2 試件性能參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，試件的約束效應(yīng)系數(shù)ζ［12］為3.77，空心率ψ［13］為0.39。ζ和ψ的計(jì)算式

式中：As為鋼材截面面積；fy為鋼管屈服強(qiáng)度；Ac為混凝土截面面積；fck=0.67fcu為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度；Aci為混凝土內(nèi)壁包圍的面積；Asi為鋼管內(nèi)壁包圍的面積。

實(shí)驗(yàn)采用Q345 鋼材，并按照《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）測(cè)得外鋼管及內(nèi)襯管指標(biāo)如表2 所示。其中，fu為鋼管抗拉強(qiáng)度，Es為鋼管彈性模量，vs為鋼管泊松比，δ為鋼管拉斷伸長(zhǎng)率。

表2 鋼管性能指標(biāo)Tab.2 Performance indices of steel tube

混凝土配合比：水泥432 kg/m3，水168 kg/m3，砂 子558 kg/m3，石 子1 242 kg/m3。測(cè) 得fcu=51.71 MPa，混凝土彈性模量Ec=30 GPa，泊松比為0.21。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在3 000 kN壓力機(jī)上進(jìn)行，圖5為加載全貌。沿試件四周間隔90°布置4 個(gè)位移計(jì)，測(cè)量試件整體縱向變形；在鋼管外壁沿試件橫截面圓周間隔90°粘貼橫向和縱向應(yīng)變片各1 枚，測(cè)量鋼管橫向和縱向應(yīng)變。

圖5 試件加載全貌Fig.5 Full view of loading specimens

當(dāng)試件和設(shè)備調(diào)試完畢后，根據(jù)預(yù)估承載力［14］對(duì)試件分級(jí)加載。在彈性范圍內(nèi)，每級(jí)加載為預(yù)估承載力的1/10，持載2 min 后再進(jìn)行下一級(jí)加載，直至加載到預(yù)估承載力的60%；隨后以2 kN/s的速率加載，直至壓縮量達(dá)到30 mm停止實(shí)驗(yàn)。

2 試件破壞特征

2.1 普通試件和焊接試件

圖6 為普通試件和焊接試件的破壞模態(tài)。兩種試件的破壞模態(tài)類似，均是在靠近端板處的鋼管產(chǎn)生明顯的鼓曲，這是試件的端部效應(yīng)所致［15］。剖開(kāi)鋼管可見(jiàn)，均是內(nèi)層混凝土先壓潰，再逐漸向外層混凝土擴(kuò)展，直至整個(gè)截面的混凝土壓潰。因?yàn)閮?nèi)層混凝土雙向受壓，而外層混凝土由于鋼管的約束為三向受壓。混凝土壓潰部位與鋼管變形部位一致，表明混凝土與鋼管協(xié)調(diào)變形，且混凝土具有良好的塑性填充性能。

圖6 普通試件和焊接試件的破壞模態(tài)Fig.6 Failure modes of common specimen and welded specimen

2.2 中截面內(nèi)襯管螺紋連接試件

圖7 為中截面內(nèi)襯管螺紋連接試件的破壞模態(tài)。此類試件都表現(xiàn)出相似的破壞模態(tài)，除了端截面附近鋼管的鼓曲之外，在管身對(duì)接處發(fā)生外翻變形，這表明中截面為試件最薄弱處。混凝土壓潰部位與鋼管鼓曲或者外翻部位一致。

圖7 中截面內(nèi)襯管螺紋連接試件的破壞模態(tài)Fig.7 Failure modes of specimens connected at middle section by thread through lined tubes

2.3 端截面內(nèi)襯管螺紋連接試件

圖8 為端截面內(nèi)襯管螺紋連接試件的破壞模態(tài)。此類試件都表現(xiàn)出相似的破壞模態(tài)，除了端截面附近鋼管的鼓曲之外，在內(nèi)襯管邊緣產(chǎn)生鼓曲。這表明該截面為試件薄弱處。混凝土壓潰部位與鋼管鼓曲或者外翻部位一致。

圖8 端截面內(nèi)襯管螺紋連接試件的破壞模態(tài)Fig.8 Failure modes of specimens connected at end section by thread through lined tubes

3 軸壓力-變形曲線分析

3.1 軸壓力-縱向壓縮量曲線分析

部分試件的軸壓力N-縱向壓縮量Δ位移曲線如圖9 所示。所有曲線在加載初期均處于彈性階段；當(dāng)試件進(jìn)入彈塑性階段后，試件的縱向壓縮量快速增長(zhǎng)；在到達(dá)峰值荷載后，荷載開(kāi)始緩慢下降。此趨勢(shì)與文獻(xiàn)［16］的一致。

圖9 部分試件軸壓力-縱向壓縮量曲線Fig.9 Axis pressure vs longitudinal compression volume curves of connected specimens

在彈塑性階段，焊接試件的承載力和剛度略高于普通試件。這是由于為了保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)的客觀性，焊接試件均采用全熔透焊縫，且焊角尺寸較大所致。而內(nèi)襯管螺紋連接試件的剛度與普通試件基本一致，并且承載力也不低于焊接連接試件。

試件承載力及主要指標(biāo)詳見(jiàn)表3。中截面內(nèi)襯管螺紋連接試件的承載力與焊接試件基本持平，平均值為1 325.5 kN；而剛度略低，平均值為776.833 kN/mm；端截面內(nèi)襯管螺紋連接試件承載力和剛度均不低于焊接試件，平均值為1 402.5 kN和948.087 kN/mm。

表3 試件的承載力及主要指標(biāo)Tab.3 Load capacity and main indicators of specimens

3.2 軸壓力-鋼管應(yīng)變曲線分析

圖10為所有試件的軸壓力N-鋼管應(yīng)變?chǔ)舠曲線。內(nèi)襯管螺紋連接試件的曲線與普通連接試件和焊接連接試件走勢(shì)無(wú)明顯區(qū)別。所有試件在加載的初始階段，橫向應(yīng)變約為縱向應(yīng)變的0.28倍，接近混凝土的泊松比。隨著荷載的持續(xù)施加，內(nèi)襯管螺紋連接試件的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值顯著增大，且增加幅度與焊接連接試件基本一致，說(shuō)明二者的鋼管管身對(duì)混凝土均有著良好的約束效應(yīng)。

圖10 所有試件的N-εs 曲線Fig.10 N-εs curves of all specimens

4 影響因素分析

圖11為螺紋長(zhǎng)度對(duì)內(nèi)襯管螺紋連接中空?qǐng)A鋼管混凝土軸壓短柱軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響。

圖11 螺紋長(zhǎng)度對(duì)試件軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響Fig.11 Effect of thread length on axis pressure vs longitudinal compression volume curves of specimens

試件的剛度和承載力隨著螺紋長(zhǎng)度的增加而增大。這是由于螺紋長(zhǎng)度越大，其內(nèi)襯管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，螺紋區(qū)段對(duì)混凝土的約束效應(yīng)更大，因此對(duì)試件的剛度和承載能力都有一定的增強(qiáng)作用。這表明此類連接沒(méi)有弱化軸壓短柱強(qiáng)度。

圖12為螺紋位置對(duì)內(nèi)襯管螺紋連接中空?qǐng)A鋼管混凝土軸壓短柱軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響。從加載初期至試件達(dá)到峰值荷載階段，端截面連接試件的剛度和承載力高于中截面連接試件。原因在于內(nèi)襯管的存在提高了試件的剛度和承載力，而端截面內(nèi)襯管螺紋連接試件采用兩個(gè)內(nèi)襯管，從而提升程度更高。

圖12 螺紋位置對(duì)試件軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響Fig.12 Effect of thread position on axis pressure vs longitudinal compression volume curves of specimens

圖13為螺紋深度對(duì)內(nèi)襯管螺紋連接中空?qǐng)A鋼管混凝土軸壓短柱軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響。隨著螺紋深度增加，承載力與剛度略有提高。這是由于螺紋深度的增加對(duì)混凝土的約束效應(yīng)更大，因此對(duì)試件的剛度和承載能力都有一定的增強(qiáng)作用。但本次試件螺紋深度參數(shù)分別為0.6 mm和0.9 mm，兩種螺紋深度相差較小，所以對(duì)承載力的增幅影響不明顯。

圖13 螺紋深度對(duì)試件軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響Fig.13 Effect of thread depth on axis pressure vs longitudinal compression volume curves of specimens

5 軸壓承載力計(jì)算

對(duì)于實(shí)驗(yàn)用軸壓短柱來(lái)說(shuō)，連接長(zhǎng)度占試件整體長(zhǎng)度比較大，但在實(shí)際工程中連接長(zhǎng)度占比很小。因此，可以忽略螺紋連接處內(nèi)襯管厚度的影響，按照管身的厚度計(jì)算承載力。試件的承載力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表4。其中，Nue為承載力實(shí)驗(yàn)值的峰值荷載，Nuc為承載力理論計(jì)算值，分別采用文獻(xiàn)［17，15，18，19］中的計(jì)算方法。按照文獻(xiàn)［17］和［15］方法計(jì)算結(jié)果與本文的實(shí)驗(yàn)值吻合最好。

表4 試件的承載力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Tab.4 Comparison between calculated value and test value of load capacity of specimens

6 結(jié) 論

（1）所有試件的軸壓力-縱向壓縮量曲線在加載初期均處于彈性階段；進(jìn)入彈塑性階段后，試件的縱向壓縮量的增長(zhǎng)速度加快；在到達(dá)峰值荷載后，荷載開(kāi)始緩慢下降。

（2）內(nèi)襯管螺紋連接試件的承載力和剛度與無(wú)連接試件或者焊接試件基本持平。

（3）在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi)，端截面內(nèi)襯管螺紋連接試件的剛度和承載力均高于中截面內(nèi)襯管螺紋連接試件的，試件的承載力和剛度隨著螺紋長(zhǎng)度與深度的增加而增大。

（4）給出內(nèi)襯管螺紋連接中空?qǐng)A鋼管混凝土軸壓承載力的計(jì)算建議。