轴心受压下钢骨钢管混凝土组合短柱承载力研究.docx

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.2005Vo.21,No.6文章编号:16712021(2005)06064004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:AO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200mm200mm,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6100.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:20050712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35min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.参考文献:1徐亚丰,贾连光,王连广.梁力钢骨高强混凝土框架节点抗剪承载力的计算J.东北大学(自然科学版),2005,26(2):167170.GreenTP,RassatiGA.BidirectionalTestsonPartiallyRestrainedCompositeBeamtoColumnConnectionsJ.JournalofStructuralEngineering,2004,130(2):320327.RassatiGA,LeonRT,NS.ComponentModebngofPartiallyRestrainedCompositeJointsunderCyclicandDynamicLoadingJ.JournalofStructuralEngineefing,2004,130(2):343351.徐亚丰,于淑芹,向常艳,等.钢骨高强?昆凝土框架边节点的损伤分析J.沈阳建筑大学(自然科学版),2004,20(4):306309.蔡健,谢晓锋,杨春.核心高强钢管混凝土柱轴压性能的试验研究J.华南理工大学(自然科学版),2002,30(6):8286.6徐亚丰,王连广,刘之洋.钢骨高强混凝土框架节点抗剪承载力的理论分析J.东北大学(自然科学版),2003,24(4):386388.7赵国藩,张德娟,黄承适.钢管混凝土增强高强混凝土柱的抗震性能研究J.大连理工大学,1996,36(6):759766.8FamAZ,SamiH.Rizkalla.ConfinementmodelforaxiallyloadedconcreteconfinedbycircularFRPtubesJ.ACIStructureJournal,1998,(4):451461.9陈周熠.钢管混凝土核心柱设计计算方法研究D.大连:大连理工大学土木工程学院,2002.10WangLJ,ChiYH.ExperimentalresearchonthebearingcapacityofaxiallyloadedcompositecolumnsthconcretecoreencasedbysteeltubeJ.Advancesinsteelstructures,proceedingsofthefourthinternationalconferenceonadvancesinsteelstructures,2005,(6):593598.11WangQL,XuJ,NingYF.TheoreticalanalysisaboutconcentricallycompressedconcretestubcolumnreinforcedbyconcretefilledCFRPsteeltubeJ.Advancesinsteelstructures,proceedingsofthefourthinternationalconferenceonadvancesinsteelstructures,2005,(6):677682.CapacityStudyunderAxialLoadofCircularSteelTubeCompileShortColumnFilledWithSteelReinforcedConcreteXUYa.feng,JIANGGui.1an2,XIANGChang-yan1,HEFang(1.SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,China110168;2.ConstructionEngineeringDepartment,HulunbeierInstitute,Halaer021008)Abstract:Tosolvetheproblemofcircularsteeltubecompilecolumnfilledwithreinforcedconcrete,anewrenovatecolumnofcircularsteeltubecompositeshortcolumnfilledwithsteelreinforcedconcretehasbeenbroughtforward.Thedamageandcapacityofcircularsteeltubecompositeshortcolumnfilledwithsteelreinforcedconcretearestudied.Theexperimenthasbeendoneuponaxialloadcircularsteeltubecompileshortcolumnfilledwithsteelreinforcedconcretewhichhasthreetypesofsteelratio.Theexperimenthelpstoknowthedamagecharacterofthecircularsteeltubecompileshortcolumnfilledwithsteelreinforcedconcrete.Thehigherthesteelratio,thehigherthecapacityandductility.Thecalculatingformulaofcapacityhasbeenobtainedbasedonthestudy.TheresultsoftheoreticalanalysisareprovedtofitthoseoftheforlTlertest.Itindicatesthatthecircularsteeltubeconcretecolumnandthesteelreinforcedconcretecanworktogetherwellwhensteelratioishigherthan0.36%anditscapacityishigherthanthecapacityofthesteeltubecompositecolumnfilledwithreinforcedconcrete.Thecapacitycalculatingformulahasbeensuggestedbasedontheexperiment,whichprovidesanewtypeofstructureforthedevelopmentofcompositestructure.KeyWords:circularsteeltubecompositeshortcolumnfilledwithsteelreinfc)rcedconcrete,damagereason,capaoty,bearingtorcecapability