钢管高强混凝土组合柱受剪性能研究.pdf

分类号 TU398UDC密级编号.专业学位硕士学位论文钢管高强混凝土组合柱受剪性能研究专业学位名称 工程硕士（建筑与土木工程领域）钢管高强混凝土组合柱受剪性能研究摘要钢管高强混凝土组合柱是指在柱核心区域配置钢管的钢筋高强混凝土 柱，具有承载力高、刚度大、抗震性能好及耐火性好等优点，在实际工程 中得以广泛应用。工程中会出现因柱截面尺寸过大形成的短柱，短柱受到 横向荷载时易发生脆性的剪切破坏，会影响结构的正常使用甚至造成结构 的严重损坏，因此对柱构件的受剪性能进行研究具有非常重要的意义。现 阶段针对钢管高强混凝土组合柱受剪性能的研究尚未成熟，需要从多角度 对其做更深入的研究。钢管高强混凝土组合柱的管外混凝土与核心混凝土由于约束条件不 同，受力性能存在明显差异。在钢管高强混凝土组合柱中配置复合式箍筋，能增强横向钢筋对钢管外部混凝土的约束作用，使钢管内外混凝土具有更 好的受力协同性，从而使组合柱获得更好的承载能力。本文设计并制作了 13个钢管高强混凝土组合柱与1个钢筋高强混凝土 柱，并对其进行了受剪试验研究，考察了剪跨比、箍筋形式、体积配箍率、轴压比、钢管尺寸5个参数对试件破坏形态、承载力及变形性能的影响，并在试验基础上采用修正压力场理论（MCFT）分析，推导出钢管高强混凝 土组合柱受剪承载力计算方法，得出主要结论如下：（1）各参数对钢管高强混凝土组合柱的受剪性能均有不同程度的影响，其中剪跨比和轴压比的影响最为显著;(2)在钢管高强混凝土组合柱中配置复合式箍筋，对配置井字形复合 箍的试件与配置八边形复合箍的试件进行多角度对比分析，得知在相同的 体积配箍率下，前者拥有更好的受剪性能；(3)将修正压力场理论(MCFT)运用到组合柱的受剪性能研究中，用“分离一等效一叠加”的方法，迭代计算得到较精确的受剪承载力计算 值。本文基于试验结果讨论得出了钢管高强混凝土组合柱的体积配箍率与 轴压比限值的合理取值范围，对实际工程应用具有一定的指导作用；基于 修正压力场理论(MCFT)推导出钢管高强混凝土组合柱受剪承载力的迭代 计算方法，为组合柱受剪理论研究提供了一种新的思路。关键词：钢管混凝土组合柱高强混凝土复合式箍筋受剪性能基金项目：国家自然科学基金项目(51508112)IIStudy on Shear Performance of Steel Tube-Reinforced High-Strength Concrete ColumnsABSTRACTSteel tube-reinforced high-strength concrete col umns refers to the high-strength concrete col umns col l ocated with steel tubes in the core area of the col umn,being characterized by advantages of high bearing capacity,l arge rigidity,good seismic resistance performance and good refractory qual ity and being widel y appl ied in practical engineering.Short col umns wil l often appear in engineering due to overl arge sectional dimension of col umns.Brittl e fail ure by shear occurs when short col umns are subjected to l ateral l oads,which affects the normal use of the structure or even brings about serious damage to the structure,thus it is very significant to study the shear resistance of the col urnn component.The research on shear resistance of steel tube-reinfbreed high-strength concrete col umns is not yet mature at present,which is in want of further study from more perspectives.There are obvious difl erences in mechanical properties between concrete outside of tubes and core concrete of steel tube-reinforced high-strength concrete col umns on account of different constraint conditions.The col l ocation of composite stirrups in steel tube-reinfbrced high-strength concrete col umns can enhance the restraining effect of l ateral reinforcement on concrete outside of steel tubes and make the concrete inside and outside the steel tubes have better incooperativity of mechanical property so that the reinforced col umn can get better bearing capacity.In this paper,thirteen steel tube-reinfbrced high-strength concrete col umns and one rebar and high-strength concrete col umn are designed and made for a shear test investigation.The infl uences of five parameters that are shear span ratio,stirrup form,vol umetric stirrup ratio,axial compression ratio,and steel tube size on damage form,bearing capacity and deformation performance of test pieces are observed and studied,and the cal cul ation method of shear bearing capacity of steel tube-reinforced high-strength concrete col umns is deduced on the basis of experiment by means of anal ysis with the theory of modified compression fiel d.Main concl usions are as fol l ows:(1)A11 parameters execute different effects on the shear resistance performance of steel tube-reinfbrced high-strength concrete col umns,among which shear span ratio and axial compression ratio bring the most remarkabl e effects;(2)In the course of col l ocation of composite stirrups in steel tube-reinfbrced high-strength concrete col umns,test pieces configured with wel l-shaped composite hoops are compared with test pieces configured with octagon-shaped composite hoops from mul ti-points of view and anal yzed,a concl usion is reached that the former has better shear bearing capacity;(3)In the study fbr shear resistance performance of the reinforced col umn to which modified compression fiel d theory(MCFT)is appl ied,the accurate IVcal cul ated val ues of shear bearing capacity are obtained by iterative cal cul ation with the method of separation-equival ence-superposition.This paper based on the resul t of experiment,discussion and get the reasonabl e val ues range of steel pipe high strength concrete assembl y between vol ume stirrup ratio and l imit val ue of axial compression ratio,has a certain guide function on actual engineer project appl ication;based on modified pressure fiel d theory(MCFT),reduction out the shear l oading force of iteration cal cul ate method of steel pipe high strength concrete assembl y col umn,this is new trying at assembl e col umn shearing theory.KEY WORDS:Steel tube-reinforced high-strength concrete columns;High strength concrete;Composite stirrups;Shear resistance performancev目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1 研究背景.11.2 相关研究进展.31.2.1 高强混凝土研究现状.31.2.2 钢管混凝土组合柱研究进展.41.2.3 受剪理论研究现状.513主要研究内容与创新点.71.3.1主要研究内容.713.2独创或新颖之处.8第二章钢管高强混凝土组合柱受剪性能试验研究.92.1 试验概述.92.1.1 试件的设计与制作.92.1.2 测量方案.132.1.3 加载与量测方案.142.1.4 材料性能试验.162.2 试验现象.162.2.1 各试件破坏过程.162.2.2 各试件最终破坏形态分析.282.2.3 试件破坏过程小结.312.3 本章小结.33第三章钢管高强混凝土组合柱受剪试验结果分析.343.1 试验结果汇总.343.1.1 各试件的荷载一位移曲线.343.1.2 试件延性系数与峰值荷载.363.1.3 各试件的荷载-应变曲线.373.2 各试验参数分析.40VI3.2.1 剪跨比.403.2.2 箍筋形式.443.2.3 体积配箍率.463.2.4 钢管截面尺寸.503.2.5 轴压比的影响.533.5本章小结.55第四章 基于修正压力场理论的钢管高强混凝土组合柱受剪承载力计算.574.1 压力场理论.574.1.1 应力平衡条件.584.1.2 变形协调条件.594.1.3 开裂混凝土与钢筋的本构关系.604.1.4 构件内力力平衡条件.604.2 修正压力场理论.62421应力平衡条件.634.2.2 变形协调条件.634.2.3 开裂混凝土与钢筋的本构关系.644.2.4 受剪设计中的运用.654.2.5 裂缝处应力平衡.674.3 修正压力场理论在钢管高强混凝土组合柱中运用.694.3计 算模型.694.3.2 核心区域的应变协调条件.704.3.3 应力平衡条件.714.3.4 核区域混凝土轴抗压强度.724.3.5 斜裂缝分析.734.3.6 本构关系模型.744.3.7 核心区域受剪承载力基本公式建立.754.3.8 钢管高强混凝土组合柱受剪承载力迭代计算.754.3.9 钢管混凝土叠合柱结构技术规程规范公式计算.794.4本章小结.80第五章结论与展望.80VII5.1 本文主要结论.805.2 对未来研究工作的展望.81参考文献.82致谢.86VIII广西大学工程硕士学位论文铜管高强混凝土组合柱 受剪性矩研究第一章绪论1.1研究背景随着我国城镇化进程的不断加快，城市人口密度正在不断上升，城市土地资 源越发紧缺，因此提高城市土地的使用效率势在必行。高层与超高层建筑能有效 地节约城市土地资源，因此得到了大力推广。高层与超高层建筑的低楼层柱承受 着巨大的纵向荷载与横向荷载，若其承载力或延性不足，将导致建筑物在地震中 严重损坏甚至倒塌，造成严重的经济损失和人员伤亡。为了使承担着巨大轴压力的低楼层柱满足规范中轴压比限值的要求，通常需 要增加柱的截面尺寸或提高柱的混凝土强度。在柱高保持不变的情况下，过大的 柱截面尺寸将会形成剪跨比较小的短柱，短柱延性较差，对结构抗震不利，并且 不利于建筑空间的有效利用。为了使柱构件在不改变截面尺寸的情况下满足轴压 比限值的要求，可以使用高强混凝土来提高柱的承载力，但高强混凝土材料存在 着脆性高、延性差的特点。有研究表明，处于三向受压状态的混凝土的各项力学 性能均会显著提高，因此可采取措施增强对高强混凝土的横向约束，使其处于三 向受压状态，以克服其延性差的缺陷。基于这样的工程背景，钢管高强混凝土组 合柱应运而生。钢管高强混凝土组合柱属于管内外混凝土同期施工的钢管混凝土叠合柱，是 一种将钢管混凝土置于钢筋混凝土柱内部的叠合构件。钢管高强混凝土组合柱很 好地发挥了构件中钢材和混凝土各自的性能，并能产生+的效果：管内 的高强混凝土由于受到钢管的套箍作用，处于三向受压状态，脆性得到缓解，并 具有更好的受力性能；钢管由于高强混凝土的支撑和加劲作用，几何稳定性和抗 屈曲能力得到增强。得益于两种材料的充分发挥与相互配合，钢管高强混凝土组 合柱不仅轴心抗压承载力高、受剪和抗扭性能好，还具有良好的抗震性能。钢管 高强混凝土组合柱主要有以下三种截面形式（如图1-1所示）。管力混凝三、管外渡及土B ,B /D方套圆 方套方 圆套圆图1-1微面形式广西大学工程硕士学位论文钢 管高强漉凝土组合柱受剪性能研究钢管高强混凝土组合柱拥有诸多优势，并已被国内多项工程采用（如图1-2 所示），工程实例有深圳绿景纪元大厦、沈阳奥体万达广场和大连奥泰中心等。钢管混凝土组合柱在工程领域中快速普及，拥有着广阔的应用前景。与其他形式 的钢-混凝土组合柱相比，钢管高强混凝土组合柱有以下优势：（1）与钢管混凝土柱相比，外包混凝土的组合柱有更好的耐火性和耐久性,能节省高昂的钢管防腐和后期维护的费用，还能一定程度地节省用钢量；（2）与其他形式钢骨的钢骨混凝土柱相比，钢管高强混凝土组合柱可以实 现任意角度梁在节点处的汇聚，并且梁纵筋易于穿过节点，使得节点区梁柱配筋 构造处理简单，降低施工难度；组合柱更能充分发挥钢材的性能，各个方向的刚 度更均匀，更有利于克服地震的偶然偏心产生的扭转作用。图1-2实际工程应用国内外关于组合柱管外箍筋的研究还比较少，管外箍筋对组合柱的力学性能 的影响尚未有定量的认识。由于管内混凝土处于三向受压的应力状态，具有较好 承载力和延性；而管外混凝土仅有箍筋约束，箍筋的约束能力与钢管相比相对较 弱，对管外混凝土受力性能的提升作用有限，会使得钢管内外混凝土受力性能存 在一定的差异。当管外混凝土到达极限承载力破坏剥落时，核心混凝土仍有较大 的承载力富余，但此时柱构件已不适宜继续承载或正常使用了，这就造成了设计 成本的浪费。为了解决这一问题，可将复合式箍筋运用到钢管混凝土组合柱中。与普通箍筋相比，复合式箍筋对管外混凝土有着更强的约束力，能延缓外层混凝 土破坏剥落的进程，使钢管内外的混凝凝土能更好地协同工作。八边形复合式箍 筋与井字型复合箍筋（如图1-3所示）在实际工程中已得到了较广泛的运用。与 井字形复合箍相比，八边形复合箍所约束的混凝土区域较大，对构件承载力的提 升作用更明显，建议将八边形复合箍作为研究的重点。2广西大学工程硕士学位论文钢管高强混凝土组合槎受剪性能研究(a)井字形复合箍形式(b)八边形形复合箍形式图1-3常用复合式箍筋形式受剪是柱构件的一种重要的受力形式，其机理较为复杂，而钢管高强混凝土 组合柱复杂的截面形式使得受剪研究工作更加困难。现阶段对组合柱受剪研究尚 未成熟，规程中的钢管混凝土组合柱受剪承载力计算公式仅能保证一定的可靠 度，缺乏足够的精度，相关规范条文有待优化和完善。因此有必要对钢管高强混 凝土组合柱受剪性能进行更深入的研究。L2相关研究进展1.2.1 高强混凝土研究现状随着高层与超高层建筑的不断推广，普通混凝土已经无法满足所有工程的需 求，高强混凝土开始被应用到一些高层、超高层和特种结构中。高强混凝土具有 强度高、变形小、稳定性强和耐久性好等优势，但同时具有延性差、高轴压比下 对构件抗力贡献不足的缺陷。国内外学者对高强混凝土力学性能与本构关系做了 大量的研究，取得了一定的理论成果。康洪震UZ提出了在计算组合柱轴压承载力时引入一个折减系数来考虑管内 外混凝土非同步到达峰值应变的影响，并基于相关的本构模型拟合出了该折减系 数并推导出承载力计算公式，理论计算值与文献13中试件的试验值吻合度良好。周文峰4】对国内外较为典型的约束混凝土本构模型进行分析，总结出各模型 间的共通点与差异，并提出差异可能是由于材料的离散性、试验方法和试验参数 的不同造成的。周俊将内时理论与损伤力学相结合，提出了高性能混凝土内时损伤本构模 型。Yang等提出了适用于从普通强度到超高强混凝土的等效矩形应力图模型，并提出了针对高强混凝土本构模型的相关系数的建议取值。3广西大学工程硕士学位论文钢管离强混凝土组合柱受剪性能研究XiaobinL正力通过试验分析了不同加载路径对高强混凝土三轴受压性能的影 响，根据照萨恩斯方程推导出了高强混凝土低围压状态下的本构方程。Legeron和Paul treK在应变协调和横向力的平衡的基础上提出了适用于各种 常用强度的混凝土的单轴受压时的受力模型。引入箍筋约束指标来考虑混凝土强 度、体积配箍率、纵筋配筋率对混凝土受压本构关系的影响。QingbinLiU。进行了高强混凝土三轴受压试验，通过分析试验结果得知，若 围压的增加，高强混凝土的强度退化速度会随之变缓。还推导出了三向应力状态 下高强混凝土的本构关系。高强混凝土作为钢管高强混凝土组合柱重要的组成部分，建立其合理的本构 模型对试件受力性能的研究尤为重要。组合柱中的混凝土受到钢管与箍筋的约 束,在选取本构模型时应考虑约束条件的影响，使本构模型具有合理性与适用性。1.2.2 钢管混凝土组合柱研究进展高强混凝土脆性性质明显，可采取有效措施增加其横向约束，使其处于三轴 受压的状态，从而改善其延性。基于这一工程背景，钢管高强混凝土组合柱这种 构件形式应运而生，相关研究成果已经相当丰富，对实际工程有较好地指导性作 用。东南大学林拥军“广制作了 29根内置圆钢管的高强混凝土短柱并对其施加 水平荷载，研究剪跨比、含钢率和配箍率等参数对其斜截面承载力的影响，并采 用了先拆分研究后叠加的方法来计算斜截面承载力，最后通过参数的回归分析推 导出相关的计算公式。大连理工大学赵国藩同等制作了 38根芯柱为钢管高强混凝土柱的叠合柱，并对其施加周期水平荷载，通过整理分析试验数据得出了影响叠合柱承载力和延 性的主要因素，并细化地分析了叠合柱的破坏机理，并对试件的含管率、轴压比 和体积配箍率的合理取值区间提出了建议。陈周熠的对钢管混凝土核心柱进行抗震性能试验，发现在高强混凝土柱的 核心部位配置钢管能极大地改善试件的延性，并提出了两种正截面与斜截面的承 载力计算方法。李鹏口71对内置钢管的短柱在小偏心受压下的力学性能进行研究，对含钢率、位置系数、体积配箍率等参数对受力性能的影响进行分析，并建议在端部加密箍 4广西大学工程硕士学位论文钢管高强混凝土组合柱受剪性能研究筋以改善其受力性能。哈尔滨工业大学李惠/22等对钢管高强混凝土叠合柱进行低周反复试验，发 现影响叠合柱延性的一个重要因素是管内外混凝土的叠合方式，并给出了名义轴 压比限值的取值范围，得到了叠合柱正截面与斜截面的承载力计算公式。Han和工24对钢管混凝土组合柱进行轴压、偏压和低周反复试验，分析了 钢管强度、钢管面积比、钢管含管率、体积配箍率、纵筋配筋率和混凝土强度对 受力性能的影响，提出了相应的计算公式。清华大学江枣2527、钱稼茹2832通过建立钢管混凝土组合柱的屈服曲率和极 限曲率的计算公式，进一步研究了其变形能力。通过研究证明了钢管混凝土组合 柱的屈服曲率与受拉纵筋的屈服应变、配箍特征值、柱截面高度、钢管含管特征 值和柱截面高度有关，极限曲率与含管特征值、轴压比、柱截面高度和配箍特征 值有关。韩林海明等报道了组合柱动力性能试验研究成果，研究表明轴压比对组合柱 的动力性能具有显著影响，组合柱的抗震性能介于钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱 之间。廖飞宇和韩林海34利用有限元软件研究了组合柱的滞回性能，数值模拟结果 与试验结果吻合良好。如今国内外学者对钢管混凝土组合柱的研究主要集中在轴压性能与抗震性 能上，对组合柱的受剪性能的研究相对较少，且受剪理论深度仅停留在归纳试验 数据进行回归分析的层面，因此有必要深化组合柱的受剪理论研究。1.2.3 受剪理论研究现状钢筋混凝土构件受剪理论的研究具有相当的难度。钢筋混凝土构件在工程中 一般处于弯矩、剪力和轴力共同作用的复合受力状态，且构件开裂后开裂区与非 开裂区是截然不同的两种应力状态，加之随着荷载的增加试件内应力重分布一直 在动态发展以及混凝土材料的离散型，都让受剪理论的研究难以有实质性的突 破。由于影响因素众多，受力机理复杂，钢筋混凝土构件受剪破坏一直是研究的 一个热点，众多试验和理论研究不断展开，但学术界至今仍未能给出一个统一的 让人信服的结论。大多数国家钢筋混凝土结构设计规范受剪公式的制定仍是基于 试验结果的半理论半经验公式，只能满足一定的保证率而不能精确描述各参数对 5广西大学工程硕士学位论文钢 管高强混凝土组合柱 受剪性能研究受剪性能的贡献与影响，仍有很大的改进空间。目前，关于钢筋混凝土结构的受 剪理论主要分为统计分析法、极限平衡理论、非线性有限元分析法和桁架理论。(1)统计分析法由于钢筋混凝土构件受剪研究涉及到复杂的应力场分布及传力机制，且影响 其受剪承载力的因素众多，想要建立理想的力学模型并推导出能精确计算构件的 受剪承载力的公式存在一定的困难。目前国内外对于受剪承载力的研究，大部分 是基于数理统计的方法对实验数据进行回归分析，从而推导出具有一定保证率的 经验公式。统计分析法推导出的公式物理意义明确且简单实用，在实际工程中得 到最广泛的采用。(2)极限平衡理论极限平衡理论通过分析构件在破坏阶段内外力极限平衡状态，建立相关的平 衡方程，从而推导出构件受剪承载力。1946年，前苏联的学者根据极限平衡理论提出了“简单刚体一塑性机理”。经过对已有研究成果的整合与分析，前苏联的学者于1971年对极限平衡理论做 了进一步的研究，对复合受力状态下的斜截面破坏机理做了更准确更详尽的描 述。该理论在平截面假定的前提下进行分析，能够较准确地反映出弯矩及纵筋对 受剪承载力的影响，但由于涉及到的方程数量过多，计算量过大而不适宜在实际 工程中使用。(3)非线性有限元分析法随着计算机技术的发展，建筑结构研究电算化已经成为一种趋势，复杂的受 剪研究问题可以通过非线性有限元软件进行模拟分析。该方法能对受剪构件各阶 段的受力机理进行较精确地模拟，并能得到各个力学指标的具体数值。由于非线 性有限元法降低了理论分析难度且具有较可靠的精度，现已越来越多地被使用到 构件受剪研究中来。(4)桁架理论a.古典桁架模型古典桁架理论将开裂后的钢筋混凝土梁简化成具有弦杆和腹杆的桁架模型，其中假定上下弦杆平行，腹杆与构件的夹角呈45,因此该模型也被称为45。桁 架模型。在此基础上考虑构件的相对刚度，将古典桁架模型的上弦杆倾斜一定的 6广西大学工程硕士学位论文钢管高强混凝土组合柱受剪性能研究角度，并认为受压腹杆的倾角也是可以变化的，优化了模型的精度。b.压力场理论20世纪70年代Col l ins35381等提出的拉力场理论的基础上，推导出钢筋混凝 士受剪构件的变形协调条件与斜向压力角度的计算公式，再选择适用的本构模型 后，得到了压力场模型。C.修正压力场理论Col l ins与VeccioPEZ在压力场理论的基础上做进一步的研究，提出了修正 压力场理论（MCFT）。修正压力场主要做了三方面的修正：开裂后的混凝土由 于残余应变的存在仍具有一定的抗拉强度；增加了校核裂缝处局部应力状态的方 程；对本构模型重新进行选取。d.软化桁架模型软化桁架模型考虑了混凝土的软化效应，对受剪性能分析精度较高。该理论 同样需要将受力平衡条件、变形协调条件和本构模型结合进行求解。软化桁架模 型分为定角软化桁架模型和转角软化桁架模型。统计分析法简单易用，在实际工程中得到广泛采用，但该理论缺乏足够的精 度，不利于受剪机理的精细研究与受剪理论的进一步深化；极限平衡理论涉及到 的方程数量众多，计算量过于庞大，不适宜在实际工程中使用，且理论计算结果 与实际仍存在一定的偏差；非线性有限元分析法依赖于计算机电算，能对受剪构 件各阶段的受力状态进行较精确地模拟，但不能形成系统的受剪理论指导实际工 程；桁架理论中的修正压力场模型是本文着重研究的对象，该理论能推导出精度 较高受剪承载力计算方法，且对构件受剪机理的描述较为准确。1.3主要研究内容与创新点13.1主要研究内容为研究钢管高强混凝土组合柱的受剪机理与受剪承载力，本试验设计并制作 了 13根钢管高强混凝土组合柱和1根钢筋混凝土柱，混凝土强度采用C60,变 化参数为箍筋形式、剪跨比、轴压比、体积配箍率及钢管尺寸，并对其做受剪试 验。本文主要研究以下内容：（1）观察钢管高强混凝土组合柱的破坏形态，对其跨中位移、裂缝出现的时 机及数量、裂缝间距、裂缝宽度、裂缝走势、裂缝角度及混凝土破坏状态等进行 7广西大学工程硕士学位论文钢管高强混凝土组合柱受剪性能研究描述与分析，研究钢管高强混凝土组合柱在不同变化参数下的受剪破坏机理。(2)研究各参数对钢管高强混凝土组合柱荷载-位移曲线、荷载-应变曲线、受剪延性系数的影响，并对相关参数的合理取值区间进行讨论。(3)对压力场模型与修正压力场模型的平衡条件、协调条件、本构关系和裂 缝局部应力平衡条件进行论述和探讨，并结合钢管高强混凝土组合柱特性进行修 正，使得修正压力场模型能适用于组合柱的受剪承载力计算。132独创或新颖之处本文有以下创新点：(1)在钢管高强混凝土组合柱中配置复合式箍筋，研究复合式箍筋对组合 柱破坏机理和受剪性能的影响；(2)基于修正压力场理论，运用“分离一等效一叠加”的研究手段，推导 出钢管高强混凝土组合柱受剪承载力的迭代计算方法，为组合柱受剪理论研究提 供了一种新的思路。8广西大学工程硕士学位论文钢管高强混凝土组合柱 受剪性熊研究第二章钢管高强混凝土组合柱受剪性能试验研究2.1 试验概述2.1.1 试件的设计与制作(1)截面尺寸与截面形式本试验设计并制作了 13个钢管高强混凝土组合柱与1个钢筋高强混凝土柱。试件的截面尺寸与配钢布置如图2-1所示。为了防止试件发生锚固失效破坏，试 件在端部100mm长度范围内进行了箍筋加密，并采用点焊的方法进行加固处理。d=10/140/号。6122500/750/1000(a)CC1-CC3700/950/1200/500/750/1000/(b)CC4CC6、CC10-CC12(c)CC79广西大学工程硕士学位论文钢管高强混凝土组合柱受剪性能研究(e)CC9(f)CC13(g)Cl图2-1试件的截面尺寸及配钢布置10广西大学工程硕士学位论文钢管高强混凝土组合柱受剪性能研究本文设计八边形复合式箍时，考虑采用断开式（即不含与方箍重叠的部分）以方便工程施工，但由于试验采用缩尺试件，试件截面尺寸过小，在试件制作过 程中断开式八边形复合箍不便于绑扎，因此最后采用了整体式八边形复合箍（即 含有与方箍重叠的部分）。（2）参数设置本试验设计的主要参数为：轴压比、体积配箍率、剪跨比、配箍形式、钢管 尺寸。查阅钢管混凝土叠合柱结构技术规程33,轴压比计算公式如下：尸 M。/（几 4）（Z1）式中NjN-N”N _ 叫4（1+1.86）“纥。4+/心（1+L）4/（几 4）式中，N为作用在柱顶的轴力；Ncc、乂。分别为钢管的内、外混凝土承担的轴力；启、为为钢管内外混凝土轴心抗压强度；Ec。、及c分别为钢管内、外混凝土弹性 模量；4、4八4。和4分别为截面总面积、钢管内、外混凝土截面面积和钢管 截面面积。查阅规程得知，钢骨混凝土柱在抗震等级为一级时的设计轴压比限值 为0.65,但由于本实验采用的实测强度为78Mpa的高强混凝土，且试件的剪跨 比均不大于2.0,应按规程规定对轴压比限值进行调整，调整后抗震等级一级对 应的轴压比限值为0.50,将设计值换算成试验值后约为0.3,因此将0.3设为试 验轴压比的上限值，再按梯度变化再设置0、0.1、0.2三个试验轴压比。当试验 轴压比为0、0.1、0.2、0.3时，对应的轴压力分别为0kN、434kN、872kN、1304kN,各试件的轴压比设置见表2-1 o体积配箍率的计算根据规范公式AJI）确定，式中4为单肢箍筋的 截面面积；/为箍筋间距s距离范围内箍筋总长度，长度应按规范规定扣除重叠 部分的长度；4”箍筋包裹的的管外混凝土的截面面积；s为箍筋间距。本文设 定的八边形复合箍试件的体积配箍率值为1.33%、1.63%、1.93%、2.23%,对应的 11广西大学工程硕士学位论文钢管高强混凝土组合柱受剪性熊研究箍筋间距分别为110mm、90mm、76mm、66mm；设置井字形复合箍试件作为对 比组，其体积配箍率为1.63%,对应的箍筋间距为122mm。各试件的体积配箍 率设置见表2-1 o关于剪跨比、配箍形式、钢管尺寸的具体参数的设置见表2-1。表2-1试件参数试件编号%N/kNA/%s/him2箍筋 形式钢管尺寸AnmxmmdCC10.28721.631221.0井字形140*3.50.240CC20.28721.631221.5井字形140*3.50.240CC30.28721.631222.0井字形140*3.50.240CC40.28721.63901.0八边形140*3.50.240CC50.28721.63901.5八边形140*3.50.240CC60.28721.63902.0八边形140*3.50.240CC70.28721.331101.0八边形140*3.50.240CC80.28721.93761.0八边形140*3.50.240CC90.28722.23661.0八边形140*3.50.240CC100.313041.63901.0八边形140*3.50.240CC11001.63901.0八边形140*3.50.240CC120.14341.63901.0八边形140*3.50.240CC130.28721.34901.0八边形114*3.80.369C10.28720.99901.0八边形无无注：1）CC1CC13为 钢管高强混凝土组合柱，C1钢筋高强混凝土柱；2）%为试件剪跨比；。为钢管外径；f为钢管壁厚；8为套箍系数，e=4必4瓶），力和为分别为钢管 屈服强度和管内混凝土轴心抗压强度，4和/ci分别为钢管和管内混凝土的横截面积。（3）试件制作本试验所有试件均采用华润牌商业混凝土进行现场浇筑完成，用胶合木模板 支模，用插入式振捣棒进行人工振捣。为了使钢管内混凝土能浇筑密实，先将混 凝土灌入钢管并进行振捣，待管内混凝土振捣密实后再浇筑管外混凝土。浇筑成 型后，在自然条件下养护超过28d。试件制作部分照片如图2-2所示。12广西大学工程硕士学位论文钢管高强混箕土组合柱受剪性能研究图2-2试件的制作2.1.2 测量方案(1)贴片方案由于本试验的试件主要为受剪破坏，破坏区段为剪跨区，因此应变片主要布 置在试件的剪跨区。具体的位置如图2-3所示。所使用的钢材应变片均为电阻为 120c的箔式胶基电阻应变片，贴片前先用打磨机将钢筋和钢管的贴片部位打磨 平整，然后用棉花球沾酒精将贴片部位的污渍清洗干净，待酒精风干后将应变片 用502胶水粘在钢筋与钢管的贴片部位中。贴好片后，涂上环氧树脂将应变片覆 盖起来，然后用纱布包裹保护起来，待环氧树脂硬化后方能开始绑扎试件。(2)网格布设为了能更直观、更清晰地观测出试件的裂缝的走势、倾角、长度、宽度和相 对位置，将试件用天然乳胶漆刷白，待乳胶漆风干后，用铅笔与长直尺在试件的 观测面描出50mmx 50mm的方格网。13广西大学工程硕士学位论文钢管高强混凝土组合柱受剪性熊研究a.钢管应变花位置 b.箍筋及纵筋应变片位置(23道)c.混凝土应变花位置d.横截面应变片视图图2-3应变片布置图2.1.3 加载与量测方案(1)加载装置各试件的受剪试验均在广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室 YE-10000F液压试验机上进行。试验加载装置如图2-4所示。试件的两端用自制 反力架加以固定，在反力架的一端用液压千斤顶为试件施加轴向压力，千斤顶在 试验前标定好，采用力控的方式持续稳定地施加轴向荷载，其大小根据试验轴压 比%数值确定。待轴向压力数值稳定，静置两分钟初次采样后，方能用液压试验 机为试件施加剪力。剪力加载采用单调连续加载的方式，正式加载前采用力控制 进行预加载，目标为预估试件受剪承载力的10%，正式加载采用以位移控制的加 载方式，加载速率为0.5mm/min,直到试件承载力到达峰值后降低至峰值荷载的 85%后停止加载。为保证试件在加载过程中不发生局部承压破坏，在加载点处设 置了 250mmX 50mmX 1.5mm的刚性垫块，查阅混凝土结构设计规范 6.6.1663,验算得知加设垫块后试件局部受压承载力能满足试验要求。14广西大学工程硕士学位论文钢 管 高强混凝土组合柱 受剪性能研究(2)测量内容试验直接测量的试验数据如表2-2所示。表2-2直接测量的试验数据试验数据测量仪器仪器布置位置试件集中剪力力传感器压力机自带试件跨中位移位移传感器试件跨中底部试件支座区位移位移传感器试件两端支座上部混凝土剪跨区应变混凝土应变片试件外侧混凝土剪跨区中部钢管剪跨区应变钢材应变花见图2-3纵筋应变钢筋应变片见图2-3剪跨区箍筋应变钢筋应变片见图2-3a.试验加载装置