高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱單向偏壓性能研究

高維明 （中電建建筑集團(tuán)有限公司，北京 100120）

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，房屋建筑工程的建設(shè)速度大大加快，城市化進(jìn)程速率日益增長(zhǎng)，使得高層乃至超高層建筑數(shù)量層出不窮。目前，房屋建筑工程的需求已經(jīng)從量轉(zhuǎn)向質(zhì)，結(jié)構(gòu)形式也開(kāi)始向輕質(zhì)、高強(qiáng)的方向發(fā)展，因此，具有結(jié)構(gòu)斷面小、承載力大的結(jié)構(gòu)備受設(shè)計(jì)者的關(guān)注。鋼管混凝土和高強(qiáng)混凝土是目前主要的承重構(gòu)件，為了進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)的跨度、承載性能，高強(qiáng)鋼材和高強(qiáng)混凝土組合的高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱因其具有大幅縮小截面尺寸、擴(kuò)大空間面積的特性，被廣泛應(yīng)用于房屋建筑工程設(shè)計(jì)中[1-3]。因此，研究高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱的力學(xué)性能對(duì)于提升房屋建筑工程質(zhì)量及安全可靠性具有重要的工程實(shí)踐意義。

實(shí)際工程應(yīng)用中，建筑構(gòu)件通常會(huì)受到軸向荷載及偏心荷載的作用，使得高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱的單向偏壓性能關(guān)乎整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性。目前，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)展了大量的鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)柱力學(xué)性能方面的研究[4-5]，對(duì)高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土柱而言，主要集中于研究軸向受壓作用下的短柱力學(xué)性能[6-8]，對(duì)單向偏壓的高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土短柱力學(xué)性能的研究相對(duì)較少。鑒于此，本文開(kāi)展了不同鋼管屈服 強(qiáng) 度（456MPa、652.1MPa、765.4MPa）及 偏 心 距（10mm、30mm、50mm）條件下高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱荷載-中截面?zhèn)认驌隙惹€、極限承載力以及荷載-縱向應(yīng)變曲線的演變規(guī)律。對(duì)于高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的實(shí)際意義，有助于完善相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的制定。

1 高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱單向偏壓性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

為分析高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱單向偏壓性能隨鋼管屈服強(qiáng)度及偏心距的演變規(guī)律，共設(shè)計(jì)了5根高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱（以偏心距30mm 為基礎(chǔ)，改變鋼管屈服強(qiáng)度；以鋼材屈服強(qiáng)度652.1MPa為基礎(chǔ)，改變偏心距）。其中，試件截面的寬度為100mm，鋼管的壁厚為5mm，長(zhǎng)度為400mm，所測(cè)試件均采用C100 的混凝土進(jìn)行填充，上下端蓋板的長(zhǎng)×寬×高分別為200mm×300mm×30mm，且所用的所有鋼管均為冷彎方鋼管，彈性模量值均為205GPa。具體的高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱性能參數(shù)如表1所示。

表1 高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱試件參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

測(cè)試過(guò)程中，首先在試驗(yàn)裝置上下兩端采用刀鉸將試件固定，采用豎向軸力為5000kN 壓力，通過(guò)改變刀鉸的位置實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱的偏心受壓。

在所測(cè)試件1/2高度處布置橫向位移計(jì)測(cè)量，在下加載板對(duì)角處布設(shè)縱向位移計(jì)，在鋼管外壁1/2高度處布設(shè)電阻應(yīng)變片，先利用角磨機(jī)進(jìn)行打磨后，用502 膠水將應(yīng)變片粘貼在打磨平整的位置。然后對(duì)試件進(jìn)行檢查，待檢查校準(zhǔn)合格后方可進(jìn)行后續(xù)的測(cè)試。

1.3 加載方案

試件實(shí)際加載過(guò)程中，本文采用等速位移的分級(jí)加載模式開(kāi)展試驗(yàn)。首先預(yù)加載極限承載力的1/10，既消除試件內(nèi)部的應(yīng)力，又檢查裝置和測(cè)量?jī)x表的工作狀態(tài)；其次，先采用每級(jí)加載75%模擬極限荷載的1/10，持載3min；然后，采用勻速緩慢連續(xù)加載；最后，當(dāng)試件達(dá)到極限承載力之后，采用極限承載力的75%進(jìn)行加載，待試件損壞后，停止加載。本文測(cè)試過(guò)程中，采用UCAM70-A 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀器獲取所需的荷載、應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱破壞過(guò)程

根據(jù)高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土加載過(guò)程中的破壞現(xiàn)象，高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的單向偏壓破壞過(guò)程包括無(wú)現(xiàn)象階段、混凝土破壞階段及鋼管屈服階段。對(duì)于無(wú)現(xiàn)象階段而言，鋼管與混凝土的力學(xué)行為均呈現(xiàn)彈性行為，相互作用較小；對(duì)于混凝土破壞階段而言，初始試件產(chǎn)生細(xì)微脆裂響聲，隨后響聲頻率開(kāi)始增加；對(duì)于鋼管屈曲階段而言，鋼管開(kāi)始發(fā)生鼓曲且混凝土內(nèi)部出現(xiàn)連續(xù)的開(kāi)裂聲，直至試件兩側(cè)面出現(xiàn)顯著的鼓曲狀態(tài)[9-10]。

2.2 高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土柱荷載-中截面?zhèn)认驌隙惹€

利用上述的方案獲取不同類型鋼管及偏心距的高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱荷載-中截面?zhèn)认驌隙惹€如圖1 所示。從圖1 可知，所有試件的荷載-中截面?zhèn)认驌隙惹€基于一致，隨著側(cè)向撓度的增加，荷載均呈現(xiàn)先線性增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng)最后緩慢下降的趨勢(shì)。這是由于加載初期，試件呈現(xiàn)為彈性行為，故中截面的側(cè)向撓度發(fā)展緩慢；隨著荷載的增加，試件呈現(xiàn)彈塑性行為，鋼材達(dá)到屈服且出現(xiàn)顯著的鼓曲，使得中截面?zhèn)认驌隙妊杆僭黾?；最后，待試件達(dá)到極限承載力后，中截面的側(cè)向變形隨著荷載的降低持續(xù)發(fā)展[11-12]。

圖1 不同條件下短柱荷載-中截面撓度曲線

從圖1可知，高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力與鋼材屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與偏向距呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。且荷載-中截面?zhèn)认驌隙惹€的下降段隨著偏心距的增大更加平緩，表明高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的延性與偏心距呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

2.3 高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土單向偏壓短柱極限承載力

根據(jù)圖1 中的不同類型鋼管及偏心距的高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱荷載-中截面?zhèn)认驌隙惹€可知，其不同條件下的柱極限承載力如圖2所示。從圖2可知，鋼材屈服強(qiáng)度由456MPa增加至652.1MPa，極限承載力從1910.2kN 提升到2210.2kN，增幅達(dá)到15.7%；鋼材屈服強(qiáng)度由652.1MPa 增加至765.4MPa，極限承載力從2210.2kN提升到2321.2kN，增幅達(dá)到5.0%；高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力隨鋼材屈服強(qiáng)度的增加率約為1.25kN/MPa。偏心距由10mm 增加至30mm，極限承載力從1712.5kN 提升到2210.2kN，增幅達(dá)到29.0%；偏心距由30mm 增加至50mm，極限承載力從2210.2kN 提升到3321.2kN，增幅達(dá)到50.2%；高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力隨鋼材屈服強(qiáng)度的增加率約為40.2kN/mm。通過(guò)對(duì)比鋼材屈服強(qiáng)度及偏向距對(duì)高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱極限承載力的影響程度，表明偏心率對(duì)短柱極限承載力的影響程度更加顯著。

圖2 不同條件下短柱極限承載力

2.4 高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱荷載-縱向應(yīng)變曲線

利用上述方案獲取不同類型鋼管及偏心距的高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱荷載-縱向應(yīng)變曲線如圖3 所示。從圖3可知，所有試件的荷載-應(yīng)變曲線基于一致，隨著縱向應(yīng)變的增加，荷載均呈現(xiàn)先線性增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng)最后緩慢下降的趨勢(shì)。偏心距為10mm 的短柱在加載初期應(yīng)變呈現(xiàn)負(fù)向增長(zhǎng)，表明試件截面呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，隨后又發(fā)展為正值，即試件開(kāi)始呈現(xiàn)受拉狀態(tài)；其余的試件應(yīng)變均為正值，即在加載過(guò)程中試件均表現(xiàn)為受拉狀態(tài)。

圖3 不同條件下短柱荷載-應(yīng)變曲線

從圖3（a）中可知，受壓區(qū)鋼管的縱向應(yīng)變進(jìn)入屈服階段所需的荷載隨鋼材屈服強(qiáng)度的增加而增大，較晚進(jìn)入屈服狀態(tài)。從圖3（b）中可以看出受壓區(qū)鋼管的縱向應(yīng)變進(jìn)入屈服階段所需的荷載隨偏向距的增加而降低，較早進(jìn)入屈服狀態(tài)，且試件的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度隨著偏心率的增大而降低。不同鋼材屈服強(qiáng)度的短柱鋼管在下降段的90%～95%極限荷載位置處發(fā)生屈服，而不同偏心距短柱鋼管在下降段的85%～90%極限荷載位置處發(fā)生屈服，同樣表明偏心距對(duì)受拉區(qū)鋼管屈服的影響程度比鋼材屈服強(qiáng)度的影響程度顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的單向偏壓破壞過(guò)程包括無(wú)現(xiàn)象階段、混凝土破壞階段及鋼管屈服階段。隨著側(cè)向撓度的增加，所有試件的荷載均呈現(xiàn)先線性增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng)最后緩慢下降的趨勢(shì)；高強(qiáng)方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力與鋼材屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與偏向距呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。偏心率對(duì)短柱極限承載力的影響程度更加顯著。隨著縱向應(yīng)變的增加，所有試件的荷載均呈現(xiàn)先線性增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng)最后緩慢下降的趨勢(shì)；偏心距為10mm的短柱先表現(xiàn)受壓又表現(xiàn)受拉狀態(tài)；受壓區(qū)鋼管的縱向應(yīng)變進(jìn)入屈服階段所需的荷載隨鋼材屈服強(qiáng)度的增加而增大，較晚進(jìn)入屈服狀態(tài)；受壓區(qū)鋼管的縱向應(yīng)變進(jìn)入屈服階段所需的荷載隨偏向距的增加而降低，較早進(jìn)入屈服狀態(tài)；偏心距對(duì)受拉區(qū)鋼管屈服的影響程度比鋼材屈服強(qiáng)度的影響程度顯著。