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轴心受压下钢骨-钢管混凝土组合短柱承载力研究

2005年11月沈阳建筑大学(自然科学版)
第21卷第6期JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience)

NOV.2005

Vo].21,No.6
文章编号:1671—2021(2005)06—0640—04
轴心受压下钢骨一钢管混凝土组合短柱承载力研究
徐亚丰,姜桂兰2,向常艳,赫芳,陈兆才,马学东

(1.沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110004;2.呼伦贝尔学院建筑工程分院,内蒙古海拉尔021008)
摘要:目的提出钢骨一钢管混凝土柱的概念.解决钢骨一钢管混凝土组合柱的破坏机理,受
力性能问题,合理确定其承载力.方法对3个含钢率不同的轴心受压钢骨一钢管混凝土短柱
进行试验,并利用试验研究和理论分析的方法进行了分析.结果通过试验,明确了钢管一钢骨
混凝土柱的破坏特征.试验表明,含钢率越大,构件的承载力及延性相应增加.通过理论研究得
到承载力的计算公式,计算得出理论值与试验值吻合较好.结论当含钢率大于0.36%时,钢管
混凝土柱与其外测的钢骨混凝土能够共同工作直至破坏,其承载力明显高于钢管混凝土核心
柱的承载力,根据试验结果推导的钢骨一钢管混凝土柱承载力计算公式,为组合结构的发展提
供了一种新的结构型式.
关键词:钢骨一钢管混凝土柱;破坏机理;承载力;受力性能
中图分类号:TU398.2文献标识码:A

O引言
对钢管混凝土组合柱的研究,国外研究鲜于
报道,国内研究颇为活跃[卜n】,并取得了许多成
果,且应用于辽宁物产大厦等工程中,9】.但是,
其研究结论”钢管混凝土核心柱与外侧混凝土能
够共同工作直至破坏[9J”值得商榷.根据沈阳建
筑大学土木工程学院所做的”CFRP钢管混凝土
组合柱”试验的研究来看:在轴心受压的情况下,

(包裹两层CFRP)钢管外侧的混凝土与核心柱在
加载后期不能很好地共同工作.具体表现为核心
钢管外侧的混凝土首先破坏,丧失承载力,而此时
核心钢管混凝土柱尚未达到极限承载力[“】.因
此,是否可以判断认为,某些情况下,如钢管壁较
厚时,钢管混凝土组合柱的内外两部分不能很好
的共同工作哪?因此,钢管混凝土核心柱的内外
两部分如何更好地共同工作,是一个值得研究的
问题.为了解决这一问题,笔者提出了钢骨一钢管
混凝土组合柱的新型结构型式,见图1
钢管
钢骨
图1钢骨一钢管混凝土柱截面图

1试验概况

1.1试件制作
为了明确钢骨一钢管混凝土柱在轴心荷载作
用下的受力性能,本次试验制作了3个试件,见图

2(图中有偏心受压柱).
试件的截面尺寸为200mm×200mm,柱高
度为600mm,高宽比为3.试件的含钢管率均为

4.54%,钢管壁厚为4.5mm,直径为133mm,角
钢之间通过钢筋(箍筋)焊接,箍筋为西6@100.混
凝土采用现场搅拌,其28d时强度为C52.钢材材
质为Q235.试件的设计参数及具体材质见表1,
收稿日期:2005—07—12
基金项目:国家自然科学基金(50408032)
作者简介:徐亚丰(1963一),男,教授,博士后,主要从事结构工程研究

第21卷徐亚丰等:轴心受压下钢骨一钢管混凝土组合短柱承载力研究641
表2.
图2钢骨一钢管混凝土柱
表1试件参数一览表
注:含钢率指钢骨占柱截面面积的百分率
表2材料力学性能一览表
试件在制作时,为了方便振捣混凝土,钢骨置
于柱的外测,从而形成外包钢柱的型式.在试件制
作过程中,试件上下各放厚度为100mm的钢板,
钢骨与下端钢板焊接,箍筋与钢骨内侧焊接,混凝
土浇筑后其上部打磨平整,并露出钢管和钢骨.顶
端钢板利用结构胶粘牢.

1.2加载及测试方法
试验在沈阳建筑大学结构实验室5000kN压
力机上进行,试件上下各设一个球铰,竖向变形通
过竖向设置直接支顶于压力机顶班和底板的位移
计进行控制,量测试件全高范围内的纵向压缩变
形.侧向变形通过表架上的位移计控制,见图3.
采用分级加载,每级加载为预计极限荷载的

10%左右,在试验时取200kN.于每级加载后持续

3～5min再进行下一级加载.当荷载达到大约极
限荷载的60%时,每级加载取100kN.临近极限
荷载前,级差更小,最后徐徐连续加载,荷载一变
形曲线出现明显的下降段后停止加载.
图3测试中的钢骨一钢管混凝土柱

2试验现象及分析

2.1试验现象
试件在加载的初期处于线弹性状态.在达到
极限荷载的60%左右时,出现第一条可视裂缝,
随着荷载的增加,裂缝越来越大,破坏特征不是表
现为保护层混凝土开始逐渐剥落,而是裂缝逐渐
加深.大块混凝土剥落.各试件的钢管,钢骨和箍
筋的屈服荷载,见表3.
表3钢管,钢骨和箍筋屈服荷载
从表中可以看出,随着荷载的增加钢管首先
屈服,其屈服荷载大约为极限荷载的70%左右,
而钢骨和箍筋的屈服荷载大约为极限荷载的

90%左右.说明钢骨一钢管混凝土柱的承载力主
要由核心钢管混凝土柱提供.
从3个试件的钢管横向变形来看,其应变始
终很小达不到屈服,说明钢骨一钢管混凝土柱的
破坏主要是纵向的破坏.
钢管与钢骨先后屈服,箍筋和钢管横向应变
明显增大.从荷载一位移曲线来看,在达到极限
荷载的90%左右时,试件荷载一位移曲线比较明
显地开始进入水平段.此后,荷载增加很慢,试件
的位移则增加很快,呈现一个明显的强化过程.在
试件达到极限荷载后,荷载缓慢下降.试验结束
时,钢管,钢骨,箍筋均进人流塑状态,破坏形态表

642沈阳建筑大学(自然科学版)第21卷
现为试件中下部混凝土压碎,混凝土大面积剥落,
钢骨向外屈曲,见图4.
图4试件典型破坏形态

2.2试验现象分析
从试验过程来看,试件从加载到破坏基本可
以分为3个阶段:

(1)弹性阶段(OA)在此阶段,钢管,钢骨与
混凝土均处于弹性工作状态,A点大致相当于钢
材进入弹塑性阶段的起点.

(2)弹塑性阶段(AB)进入此阶段后,核心混
凝土在纵向压力作用下,微裂缝不断扩展.到达B
点时,钢材一般进入弹塑性阶段.

(3)塑性下降段(BC)钢管与钢骨进入塑性阶
段屈服后,含钢率越大下降段越平缓.
试验测得的荷载一位移曲线见图5.由图可
见,大部分试件具有较好的塑性变形发展阶段,承
载力随着含钢率的提高而提高,显示了钢骨一钢
管混凝土组合柱对构件承载力和变形能力的贡
献.
位移/mm
图5钢骨一钢管混凝土柱荷载一位移曲线
从本次试验的荷载一位移曲线中,还可以看
出曲线没有卸载过程,表明在受力过程中,一定含
量的角钢对混凝土的约束作用比较明显,钢管混
凝土与其外测的钢骨混凝土能够共同工作,直至
破坏.

3承载力的计算
文献[9]给出了钢管混凝土轴压组合短柱的
承载力计算公式

N=Aif.1+Ac2厂c2(1+1.8)(1)
式中:A1为外围混凝土净面积;厂.1为外围混凝
土强度;Ac2为钢管混凝土面积;厂c2为钢管混凝
土抗压强度;钢管混凝土套箍系数,且=

,As2为钢管截面面积;厂s2为钢管屈服强

C2c2
度.
分析该公式,可以发现虽然考虑了钢管的套
筒效应,但是却没考虑混凝土对核心钢管的约束
作用,因此该公式尚不完善.对于钢骨一钢管混
凝土组合柱的承载力计算公式,由于钢骨对混凝
土具有约束作用,可以在此基础上进行修改:

N=As1厂s1+?Ad厂c1+Ac2(1+1.8)(2)
式中:A1为钢骨截面面积;厂s1为钢骨屈服强度;
为综合考虑钢骨对混凝土承载力及外围钢骨混
凝土对核心钢管}昆凝土柱承载力的提高的影响系
数.利用回归分析可以求出值,=1.2+

0.3x,式中:为含钢率.
计算值与试验值的比较见表4,表中数据显
示计算结果与试验结果吻合较好.
表4计算值与试验值的比较

4结论
钢骨一钢管混凝土组合柱是一种新的结构形
式,已经申报了国家专利,通过以上的研究得出:

(1)由于钢骨的约束作用,钢骨一钢管混凝土
组合柱的承载力明显高于钢管混凝土组合柱,其
延性也得到了提高;

(2)在其他条件不变的情况下,随着含钢率的
提高,其承载力也提高;

第21卷徐亚丰等:轴心受压下钢骨一钢管混凝土组合短柱承载力研究643

(3)经过合理设计后,在竖向荷载作用下,钢
骨一钢管混凝土组合柱的内侧钢骨混凝土核心柱
与外测钢骨混凝土柱能够共同工作,直至破坏;

(4)钢骨一钢管混凝土柱的理论计算公式与
试验结果吻合较好,可以应用于工程之中.
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CapacityStudyunderAxialLoadofCircularSteelTube

CompileShortColumnFilledWithSteelReinforcedConcrete

XUYa.feng,JIANGGui.1an2,XIANGChang-yan1,HEFang

(1.SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,China110168;2.ConstructionEngineeringDepart—

ment,HulunbeierInstitute,Halaer021008)

Abstract:Tosolvetheproblemofcircularsteeltubecompilecolumnfilledwithreinforcedconcrete,anew

renovatecolumnofcircularsteeltubecompositeshortcolumnfilledwithsteelreinforcedconcretehasbeen

broughtforward.Thedamageandcapacityofcircularsteeltubecompositeshortcolumnfilledwithsteelre—

inforcedconcretearestudied.Theexperimenthasbeendoneuponaxialloadcircularsteeltubecompileshort

columnfilledwithsteelreinforcedconcretewhichhasthreetypesofsteelratio.Theexperimenthelpsto

knowthedamagecharacterofthecircularsteeltubecompileshortcolumnfilledwithsteelreinforcedcon—

crete.Thehigherthesteelratio,thehigherthecapacityandductility.Thecalculatingformulaofcapacity

hasbeenobtainedbasedonthestudy.TheresultsoftheoreticalanalysisareprovedtofitthoseoftheforlTler

test.Itindicatesthatthecircularsteeltubeconcretecolumnandthesteelreinforcedconcretecanworkto—

getherwellwhensteelratioishigherthan0.36%anditscapacityishigherthanthecapacityofthesteel

tubecompositecolumnfilledwithreinforcedconcrete.Thecapacitycalculatingformulahasbeensuggested

basedontheexperiment,whichprovidesanewtypeofstructureforthedevelopmentofcompositestruc—

ture.

KeyWords:circularsteeltubecompositeshortcolumnfilledwithsteelreinfc)rcedconcrete,damagereason,

capaoty,bearingtorcecapability