钢-混凝土组合索塔压弯性能试验研究.pdf

第 3 4卷第 2期 2 01 2年 4月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f C i v i l 。Ar c h i t e c t u r a l En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V0l l 34 NO 2 Apr 2 01 2 钢一 混凝土组合索塔 压弯性能试 验研究 曾 耀 ， 吴 ( 同济大学 桥梁工程 冲 ， 周 家兴 系 ， 上 海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ： 设 计制 作 了 2类共 1 O个 带开孔 扳连接 件 的铜一 混凝 土组 合 索塔模 型试件 ， 并进 行 轴 压和 恒 定轴 力 下往 复荷 载试验 。试验展 示 了不 同真 实轴 压 比 下的 2类试件 承 受往 复荷 载作 用 时的极 限能 力和破坏形 态， 结果表 明： 根据轴压 比的不同， 所有试件破坏形态清楚的分为受压破坏和受拉破坏 2 类 ， 无轴 力和 过 高的轴 力都 会 明显 降低 构件在 往 复荷载 下的 力学性 能 ； 既作 为 连接 件 又作 为加 劲 肋 的开 孔板 能 有效地 限制 受压 试件 钢 板 局 部 屈 曲 波长 。 最后 ， 将 试 验 结果 与按 照规 范 计 算得 到 的 轴 力一 弯矩 关 系进 行 比较 。 关 键词 ： 组合 索塔 ； 开孔 板 ； 往复 荷载 ； 局部 屈 曲 ； 开裂 ； 承 载 能 力 中图分 类 号 ： TU3 9 8 ； U4 4 8 2 7 文献标 志 码 ： A 文 章 编号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 7 7 0 7 Expe r i m e nt al Ana l y s i s o n Be a m c ol um n Be hav i or o f St e e l - c o nc r e t e Co m p o s i t e Py l o n ZENG Y ao， W U Ch o n g，ZHOU J i a x i n g ( De p a r t me n t o f B r i d g e En g i n e e r i n g ，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，PRCh i n a ) Ab s t r a c t ： Te n s pe c i me n s wi t h pe r f o r a t e d r i b s，whi c h c a n b e di v i de d i nt o t wo s e r i e s，w e r e ma d e t o o bs e r ve t he be h a vi o r o f s t e e 1 一 c o nc r e t e c o m p os i t e py l on un de r a x i a l l o a d a nd c y c l i c l o a d r e s p e c t i v e l y The e xp e r i m e n t r e v e a 1 s t he uhi ma t e c a D a c i t y a nd f a i l u r e m o de of t wo t yp e s of s pe c i m e ns u nd e r t he c y c l i c l o a d wi t h d i f f e r e nt a c t u a l ax i a l l o a d l e v e 1 Fur t he r m o r e， i t c a n be c on c l u de d f r o m t he r e s u l t s t h a t t he f a i l u r e mo de c a n b e di v i d e d i nt o t wo t yp e s ，t ha t i s c ompr e s s i on f a i l u r e a n d t e ns i on f a i l u r e And t he b e h a v i or of t ho s e s p e c i me n s und e r c v c l i c l o a d i s i n f l ue n c e d s i g ni f i c a nt l y un de r h i gh a xi a l l o a d o r wi t h ou t a x i a l l o a d a t a l 1 I n a d di t i o n， D e r f o r a t e d r i b s wi l l p r e v e n t t h e p l a t e s u n d e r c o mp r e s s i o n f r o m o v e r a l l B u c k l i n g e f f e c t i v e l y b a s e d o n t h e ob s e r va t i on t ha t t h e wa v e l e n gt h o f pl a t e i s l i m i t e d b e t we e n t wo n e i g hb or i n g p e r f o r a t e d r i bs , At l a s t ， c o mDa r i s on o n t he i nt e r a c l i o n b e ha v i o r s o f t he a xi a l l o a d ( N ) v e r s us mome n t (M ) i s ma d e b e t we e n t he r e s u l t s o f e x pe r i m e n t a nd c a l c ul a t i o n a c c o r d i n g t o t he c r i t e r i a Ke v WO r d s ： c o mp o s i t e p y l o n；p e r f o r a t e d r i b s ；c y c l i c l o a d s ；l o c a l b u c k l i n g；c r a c k i n g；b e a r i n g c a p a c i t y 钢 与混 凝 土组 合结 构 已经在 桥 梁工 程 中广 泛使 用 ， 但大多应用于以承受弯矩为主的组合梁 ， 以充分 发挥钢材抗拉的性能。在 日本和 台湾地 区， 有将作 为 压弯构 件 的钢 和普 通 钢筋混 凝 土组 合 箱 型柱 作 为 桥墩应用于桥梁工程 ， 其使用外层钢板或内外双 层钢板来提高结构的整体承载能力 ， 这种形式的 构 件在 混凝 土 浇筑 过 程 中 ， 内外 钢 板 同 时 也 作 为施 工模 板 ， 可节 省施 工 时间 和建设 费 用 。为 1 9 9 2年世 博会修建的阿拉米罗大桥索塔原先计划为钢筋混凝 土 构件 ， 由于需 要 配 置 的钢 筋 过 多 以 及 索 塔 的横 截 收 稿 日期 ： 2 0l l 一 0 9 1 2 基金项 目 ： 国 家 8 6 3计 划项 目( 2 0 0 7 AA1 1 Z 1 0 5 ) ； 国 家科 技 支 撑 计 划 项 目 ( 2 0 0 9 B AG1 5 B 0 2 ) ； 江 西 省 交 通 科 技 项 目 ( 201 0 C00 15 ) 作者简 介 ： 曾耀 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 博 士生 ， 主要从事钢与组合结构桥梁研究 ， 吴 冲( 通讯作者) ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， ( E - ma i l ) c wu ma i l ( E ma i l ) b r i d g e z y g ma i l C O I I 1 。 t o n g j i e d u e n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 土 木 建 筑 与 环 境 _Y -程 第3 4卷 面外形复杂 ， 后修改为具有外层钢板 的钢一 混凝 土组 合索塔 以减少配筋和方便索塔造型 ； 索 塔横截面 内 设 有 圆形 的空 心 部分 ， 钢板 与混 凝 土 之 间 采 用 圆柱 头焊 钉 和加劲 肋作 连接 件 。对于 高达 2 9 8 m 的 昂船 洲大桥 索塔的 上塔柱 来说 ， 由外 层不锈 钢板 和混凝 土 以及 内部钢 锚 箱 共 同 承受 荷 载 ， 形 成 钢一 混 凝 土组 合 索塔， 不锈钢板与混凝土之间采用圆柱头焊钉连接 。 钢 板 屈 曲 是矩 形 截 面钢一 混 凝 土 组合 柱 的典 型 破坏 形态 之一 。为 了提 高 构 件 整 体 承 载 能 力 ， 有研 究者 使 用不 同 的方 法 来 提 高 矩 形 截 面 钢一 混 凝 土 组 合 柱 中钢 板 构 件 抵 抗 屈 曲 的 能 力 ， Ge_ 4 、 T a o 、 Da b a o n E 、 Z h a n g ： 和郭 兰 慧 使 用 加劲 肋 ； T a o _ 6 j 使用加劲 肋 、 对拉 棒 和 锚 固 棒等 措 施 共 同作 用 ； Na k a n i s h i _ 1 。 使 用 圆 柱 头 焊 钉 ； Hu a n g 副在 钢 板 四 角焊 接 连 接 棒 ； C a i _ 1 、Hs u _ 1 。 采 用 双 向对拉 棒 ， 其 中大多数 方 法仅仅 适用 于建 筑结构 中横截 面 尺寸 相 对 较小 的实 心截 面 组 合 柱 ， 可 能 不 太 合适 于缆 索 支 撑 桥梁 的索 塔 。 开孔板常作为剪力连接件在桥梁工程 中使用 ， 圆形开孔的构造形态使开孔板连接件具有各 向同性 的受 力特 征 ， 不像 焊 钉 连 接件 那 样 具 有 不 同 的 抗 剪 和抗 拉拔 能 力 ， 因此 能 够 更 好 的在 复杂 的受 力 状 态 下 工作 。在 以受 压 为 主 的结 构 中 ， 开孔 板 不 仅 作 为 连接件使混凝土和钢板共同工作 ， 而且本身可 以作 为钢板的加劲肋承载 ， 同时延缓钢板屈曲， 提高构件 的承 载能力 。本 文 主要研 究具有 内外 双 层 钢箱 和外 层钢 箱 2类 使 用 开 孔 板 连 接 件 的组 合 索 塔 压 弯 行 为 。通过 轴压 和 恒定 轴 力 下 往 复 荷 载作 用试 验 ， 了 解 此类结 构 的极 限能 力 、 破 坏形 态 以及 开 孔 板 在 组 合 索塔 中 的性能 ， 并揭 示其受 力特 性与 破坏机 理 。 1 试验概 况 1 1试件 设计 与制 作 试验共设计制作了 1 o个组合索塔模 型试件 ， 包 括 5个 内外双 层钢箱 截 面试件 和 5个外 层 钢箱 截面 试 件 ， 分 别命 名为 D P系列试 件和 S P系列 试 件 。所 有试 件 均 具 有 相 同 的 外 形 尺 寸 ， 横 截 面 设 计 如 图 1 3 所示 。试件的两端设置有加劲肋和横隔板， 以 保证 外 部荷载 能均 匀 的传递 给模 型试 件 。开孔 板 开 孔 直径 为 3 0 1T i m， 在开 孔 后 采用 熔 透 焊 焊接 在 钢 箱 壁 板上 ， 钢 箱 制 作 时 的 焊 缝 也 全 部 熔 透 ， 为 加 工 方 便 ， 在水平荷载作用方 向上 的钢板每边各 留 5 mi i 1 的焊 接空 间 ， 同时 ， 所有 试件 端板 均 开有 圆孔 以浇 筑 内部 昆凝土。在双层钢箱试件中， 内外钢箱同时作 为混凝 土 浇筑模 板 。对 无 内部钢 箱 的 S P系 列试 件 来说， 使用普通钢筋混凝土来模拟实际结构构造， 在 混凝 土 截 面配 有 一 层 8 mm 普 通 钢筋 ； 浇筑 混 凝 土 时 ， 试 件 中空部 分 放 置 木 模 ， 浇 筑 完 成 7 d后 拆 除 ， 自然 养护 。 圈 菩 一 葛 ( a 】 图 1 立 设 计 ( 0 8mm 箍筋 暑 岳 卫 Z ! ! Q ( 图 2 S P系列试件横截面设计 图 3开 子 L 板 1 2材料 特性 测试所 用 的试件 钢板 以及 开孔板 均 来 自于 同一 批 产品 ， 测 得 4 mm 钢板 屈服 强度 为 3 4 2 4 MP a ， 极 限 抗 拉 强 度 为 4 6 3 7 MP a ， 弹 性 模 量 为 2 o 3 1 0 MP a ； 8 mm 普 通 钢 筋 屈 服强 度 为 3 3 5 6 MP a ， 极 限抗 拉 强 度 为 4 8 9 6 MP a ， 弹 性 模 量 为 1 9 8 x 1 0 MP a 。 试件中填充的混凝土也是 同一批产品， 均 在 一 天 内浇 筑完 成 。在 混凝 士 浇 筑 完成 2 8 d后 ， 测 得 边 长 为 1 5 0 mm 标 准 立 方 体 混 凝 土试 块 强 度 为 5 O 7 MP a ， 弹性 模量 为 3 3 4 1 0 MP a 。 1 3加载 设 备 试验 使 用 的 MT S系统 具 有 竖 向 2 0 0 0 0 k N 和 水 平2 0 0 0 k N 的加载 能力 ， 两 个 方 向均 可 使 用 力 或 位移控制加载 ， 最大水 平加 载位移为 5 0 c m。试件 上端与反力架连接 ， 试件下端通过专 门设计 的柱铰 与 MT S台座 连 接 ， 用 于 荷 载 的施 加 。试 件 与 柱 铰 之问， 试件与反力架之问全部采用高强螺栓连接 ， 如 图 4所示 。 1 4加载 方案 1 4 1 轴压试 验轴 压 试 件 为 1 个 双 层 钢箱 截 面 四 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 曾耀 ， 等 ： 钢 一 混凝 土 组合 索塔 压 弯性 能试 验研 究 7 9 反 力裂 加劲肋 弋 血 i 暑 横隔板 _ 8 = 横隔板 0 加劲肋一 是 柱铰 _ f M r S 作动器1一 t M T S fl 器 2 t 图 4试 验装置 试 件 和 1个 外 层 钢箱 截 面 试 件 ， 分 别命 名 为 D P - 1 0 0 和 S P - 1 0 0 ， 试件名称中数字代表试验时的轴力与轴向 极限能力 比值的百分数。轴压试验使用 2步加载： 1 ) 轴 向 预 载 ： 以 5 k N s的 荷 载 速 率 加 载 至 1 0 0 0 k N， 持荷 3 mi n ， 然 后 卸载 ； 2 ) 轴 向 加 载 ： 以 5 k N s的 荷 载 速 率 加 载 至 1 5 0 0 k N 后 ， 转 换 为 0 0 1 t I l I I l S的位 移 增 量 加 载 ， 直至试件破坏 。 1 4 2 往复荷载试验共对 8个模 型试件进行恒 定 轴 力下 的往 复 荷 载试 验 ， 包 括 4个 双 层 钢 箱 截 面 试件和 4 个外层钢箱截面试件。恒定轴力值大约为 轴 压 试验 得到 的 极 限承 载 能 力 的 0 、 2 0 、 4 0 以及 6 O ， 试件命名规则如 同轴压试验 。往复荷载试验 与轴压试验在同一设备上进行 ， 使用 3 步加载 ： 1 ) 轴 向预 载 ： 以 5 k N s的荷 载 速率 加 载 至 1 0 0 0 k N， 持荷 3 mi n ， 然 后卸 载 ； 2 ) 轴 向加 载 ： 以 5 k N s 的荷 载速 率加 载 至指 定 轴 力 ； 3 ) 水平 往 复 加 载 ： 保 持 轴 力 恒 定 ， 水 平 加 载 ， 直 至 试 件破 坏 。 由于试 件 无 明显 水 平 屈 服力 ， 往 复 倚 载 全 部 使 用 位 移加 载 ， 加载位 移 为 5 mm 的整 数倍 ， 典 型 的位 移 加 载历 程 如 图 5所 示 ： 1 1 量 置 潍 一 一 1 一 l 图 5位移加载历程 2 试 验 结果 2 1 轴 压试 验结 果 试件 D P 一 1 0 0和 S P 一 1 0 0的轴 向极 限承载 能力 分 别为 7 9 5 2 k N 和 7 2 9 3 k N。D P 1 0 0试件 由 于柱 铰 支承 附近钢 板 局 部屈 曲后 整 体 屈 曲 相 应 位 置处 混 凝 土压 碎 而无法 继 续 承 载 ， 但 钢 板 的局 部 屈 曲波 长 被 限制在开孔 板和 钢板 壁之 间 ， 如 图 6所示 。S P 一 1 0 0 试件 由于混凝 七无 内部 钢箱 约束 而 在试 验过 程 中出 现压碎 脱落 的现 象 ； 同时 ， 柱铰 支 承端 附 近的 钢板 也 局部 屈曲后整体屈 曲 ， 相应位置 处角 焊缝 逐渐受 压开 裂 ， 裂缝 的长度随着荷 载的增加而增加 ， 如图 7 所示 。 图 6试件 D P - 1 0 0钢板局部屈 曲 图 7 试 件 S P - 1 0 0钢 板 焊 缝 开 裂 2 2 往 复荷载 试验 结果 通常的轴压 比由轴向极限承载能力 的理论值确 定 。为获 得构 件较 为真 实 的 弯矩一 轴 力关 系 ， 往 复 荷 载试 验时 利用 相 同试 件 轴压试 验得 到 的实 际轴 向极 限承 载能 力来 定义 真实 的轴压 比， 如表 1所示 。 表 1 试 验轴 压比 所 有往 复 荷 载 试 验 试 件 的 水 平 荷 载一 位 移 曲 线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 4卷 如图 8 所示 ， 所有试件在试验结束 时均无法维持相 应的轴 向荷 载 ， 几 乎 完全 丧 失 承 载 能 力 。轴 压 比在 2 O 左 右 的 2个 试 件 展 现 出 良好 的 力学 性 能 ， 其 不 仅具有 较 高 的水 平 承载 能力 ， 而且 荷 载一 位移 曲线饱 满 ， 无 明显 捏缩 现象 。图 9和 图 1 O展示 了 2种 典 型 破 坏形态 ： 受 拉破 坏 和 受 压 破 坏 。受 拉 破 坏 主 要 表 现 为焊缝 和钢 板在 往复 荷载作 用下 发 生低 周 疲 劳开 裂 ， 开 裂从 角焊缝 端部 沿试件 横截 面 方 向开 始 发展 ， 耋 耋 0 ： 一3 0( ) -4 0 0 随着荷 载和循 环 次 数 的增 加 ， 直 至 几 乎 贯 穿 整 块 钢 板 ； 同时 ， 内部 混凝 土也 往复 受拉开 裂 破坏 。受 压 破 坏 主要 表 现为 水平 荷 载 方 向钢 板 局 部 屈 曲 ， 内部 混 凝土 压碎 ， 但局 部 屈 曲 波长 和 轴 压 试件 一 样 被 限制 在 开孔板 和钢 板 壁之 问 ， 无 纵 向焊 缝 破 坏 。轴 压 比 在 6 0 左右的 2个试件出现明显的剪切破坏行 为， 如图 l l 所示 ； 尽管它们具有较高的水平承载能力， 但几乎未表现出任何耗能能力和延性性能。 图 8水平荷载一 位移 曲线 图 9试 件 DP - 2 0受 拉 破 坏 图 1 0 试件 D P 一 4 0局部屈 曲 图 1 1试 件 S P - 6 0剪切 破 坏 骨架 曲线是 连接 每级循 环 的荷 载最 大 峰值 点所 形成的曲线， 两类试件的骨架曲线如图 1 2所示。在 加载初期 ， 荷载一 位移关系基本为线性 ， 随着 荷载的 增加 ， 非线性效应逐渐明显 。除无轴力的试件外， 轴 压 比对各类 试 件 的初 期 刚 度 影 响 不 大 ， 但 后 期 刚 度 随着 轴 压 比 的增 加 而 增 加 ； 而 无 轴 力 作 用 的 试 件 D P 0 0和 S P O 0的 刚度和 承载 能力 均 低 于其 他 各 个 试件 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 曾 耀 ， 等 ： 钢一 混 凝土 组合 索塔 压 弯性能 试验研 究 8 l Z 繇 迓 一 Z 螺 迄 位移 H l m 2 5 0 】 5 0 。 5 0 - - a1 0 0一 o 5 O i 0 0 l +DP O O 斗- DP 一 2 0 +D P _ 4 0 夸- D p 一 6 O 位移 ra m 图 l 2试件骨架 曲线 3受力特性与破坏机理 3 1受拉 破坏 试件 混凝土内填于外部钢箱 中， 水平荷载 引起 的端 部弯矩首先 由与荷载方 向垂 直的试件外 部钢板承 受 ， 而不像钢筋埋在混凝 土中的普通钢筋混凝土构 件那 样弯 矩首 先 由混凝 土 承受 。对 于无 轴 力 试件 来 说 ， 试 件 钢板横 截 面两端 焊缝 刚度较 大 ， 而 中问截 面 刚度 相对 较小 ， 试 件 钢 板 所 承 受 的 弯 矩 主 要 由纵 向 焊 缝 分担 ， 试件 初 始 刚 度较 小 。而对 轴 压 比为 2 0 左右的试件来说 ， 轴压 的存在使钢板和混凝土截面 共 同 承载 ， 试件 初始 刚度 要 大于无 轴 力试 件 。 对无轴力试件来说 ， 在水平往复加载初期 ， 试件 截 面受 拉 区域 混凝 土开 裂 ， 受 拉 区主 要 由钢 板 承 载 ， 而受压区钢板与混凝土共同工作 ， 因此， 受拉 区钢板 先 于受 压 区钢 板 屈 服 。试 验 过 程 中 ， 混 凝 土 裂缝 在 反向加载时， 由于钢板和焊缝的塑性 伸长而难 以完 全 闭合 ， 张 开 的裂缝 在受 压 区一直 存 在 ， 直到 受 压 钢 板有 较 大 面 积 屈 服 后 ， 裂 缝 有 一 定 程 度 的 闭 合 ， 此 时 ， 混凝 土才 承 受 一 定 压 力 。受 压 区 中难 以完 全 闭 合 的混凝 土张 开 裂 缝 的存 在 是 试 件 荷 载一 位 移 曲线 出现 明显捏缩现象的因素之一 。随着水平位移和循 环次数的增加， 试件焊缝 因低周疲劳而沿横截 面方 向出现开裂 ， 外部荷载完全转移到未开裂 的钢板截 面和混凝土 部分。在外 部钢板裂缝 不断发 展 的同 时 ， 由于 缺少 外部 钢板 的有 效 约束 ， 较 大 的水 平 位移 导致 试件 截 面开裂 混凝 土 沿张 开裂 缝 相对 滑 移 和错 动 ， 这是 引起 试件 荷 载一 位 移 曲线 出 现 明显 捏 缩 现象 的另一重 要 因素 。混凝 土截 面受拉 开 裂和 钢板 低 周 疲 劳 开裂 明显 削 弱 了试 件 横 截 面 性 能 。 导 致 试件 水 平 极 限荷载要 小 于有轴 力 的试验 试件 。 轴压的存在不仅能有效延迟混凝土截面受拉开 裂和 钢板低 周 疲 劳开 裂 ， 而且 能 促 进 混 凝 土 张 开裂 缝 的 闭合 ， 同时 阻 止 开裂 混 凝 土 沿 张 开 裂缝 相 对 滑 移 和错 动 。因此 ， 轴 压 比为 2 O 左右 的试 件荷 载一 位 移 曲线不 仅饱 满 且无 捏 缩 现 象 发 生 ， 试 件 的 水 平极 限能力 也 高于无 轴力 试 件 ； 但 2 0 左 右 的轴压 比不 足以改变试件的受拉破坏形态。 3 2受压破 坏试件 对轴 压 比为 4 O 左 右 的试 件 来 说 ， 加 载 初 期 ， 轴 向压 力 的存在 使钢 板和 混凝 土共 同承 载 。随 着水 平 位移 和循 环次 数 的增 加 ， 试 件 端 部受 压 钢 板 开 始 出现局部屈曲， 荷载逐渐由钢板传递到混凝土截面， 在较大的轴力作用下， 混凝 土截 面几乎不承受拉伸 荷载 。随 着水平 位 移 的增 加 ， 钢 板 屈 曲引 起 的 鼓 曲 继续增 大 ， 并 逐 渐 屈 服 ， 但 仍 然 被 限 制 在 开 孔 板 之 间 ； 内部混凝 土在 往复 荷载 作用 下 开裂 、 压 碎 。由 于 内部混凝 土压 碎 后 对 开 孔板 的约 束 减 弱 ， 而开 孔 板 自身又无足够的能力约束钢板的屈曲 因此 ， 钢板在 压力作用下发生整体屈曲。试件破坏时的塑性铰 区 域位 于试 件承 受 弯 矩 的端 部 ， 长 度 大 约 为 一 个 横 向 局部 屈 曲波长 ， 即两 开孔 板之 间距离 。 而对 轴压 比为 6 O 左 右 的试 件来 说 ， 在 轴 力 的 加载过 程 中 ， 试 件端 部钢板 已经 开始 出现局 部 屈 曲 ， 因此 ， 在水 平加 载开始 时 ， 外部荷 载 几乎 完全 由混凝 土截 面承受 。随着 水 平 循 环位 移 的增 加 ， 试 件端 部 钢 板局 部屈 曲更 加 明显 ， 但 同样 被 限 制 在 开 孔板 之 问 。同时 ， 钢板沿 试件 长度 方 向出现 多 处局 部 屈 曲 ， 局 部屈 曲 引起 的鼓 曲在 钢板 横 截 面 沿 4 5 。 角 斜直 线 排 列 ， 试 件开 始 出 现 剪 切破 坏 现 象 。在 到达 极 限承 载能力后， 试件在轴压与水平荷载共 同作用下 突然 发 生脆 性破 坏 ， 承 载能 力急 剧下 降 ， 且无 确定 的 塑性 铰 位置 。 在 较大 的轴 力 作用 下 ， 受 压 钢 板 的局 部 屈 曲和 混凝 土 的双 轴 受 力 特 性 降 低 了试 件 荷 载一 位 移 曲线 的饱 满 程度 ， 这种 现 象在 轴 压 比为 6 O 左 右 时表 现 得最 为 明显 。 4 轴 力一 弯矩关 系 为 了防止 钢板 过 早 屈 曲而 影 响 钢一 混 凝 土 组 合 柱 承载 能力 ， 各 主要 规 范 均对 钢板 的宽 厚 比进 行 限 制 。AI S C L RF D 1 9 9 9 规 范 对 组合 柱 的钢 板宽 厚 比限制 为 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 4 卷 b ， 3 E 了 了 根 据 Uy 的研 究 成 果 ， AI S C 2 0 0 5规 范 ” 对 组合 柱钢板 宽 厚 比限制放 宽为 ： 争 2 z e ( 2 ) Eu r o C o d e 4规范 对组合柱钢板宽厚 比限制 为 ： b ： l 2 3 5 _ _ ( 3 ) 上 述公 式 中 的 E 为 钢材 弹性 模 量 ， 厂 为 钢 材 屈服强 度 。轴压 试验 和往 复荷载 试 验均 表 明开 孔板 具有使钢板和混凝土 良好 的共同工作 ， 有效限制钢 板 局部屈 曲的性能 ， 可作 为钢 壁板 的 连续 支承 边 界 。 因此 ， 试 件 钢 板 宽 厚 比 由 9 0降 低 为 3 0 ， 满 足 AI S C 2 0 0 5规 范和 E C 4规 范 要 求 ， 按 照 规 范 计 算 压 弯承 载能 力时认 为钢 板截 面全 截面 有效 。 由于嵌 入混 凝 土 中的开孔 板承 载 能力无 明确 的 计算方法 ， 在理论分析时分别考虑 2种情形 ： 一种是 较为保守的不考虑开孔板加劲肋对承载能力的任何 贡 献 ， 即计算 构件 能力 时 ， 将 加劲肋 的横截 面 面积 作 为混凝 土计算 。基 于 这种假 设 的规范 计算 值 和试 验 值 的比较结 果如 图 1 3所示 ， 在无 轴 力 的情 况 下 ， 试 验 结果 和理 论 预测 值 吻 合 相 对较 好 ， 但 随着 轴 压 比 的增大， 试验值越来越偏离规范计算值 ， 且极限弯矩 随轴 压 比的增 加而增 加 。 图 1 3试件轴力一 弯矩 曲线 另一种非保守的计算方法是假定开孔板全截面 有 效 ， 即忽 略开孔 板 中开孔 的存 在 ， 基 于 这个 假定 的 理论预测值和试验值的比较结果如图 1 4所示 ， 在轴 压比大约为 2 0 的时候 ， 试 验结果和规范计算值 吻 合较 好 ， 但 其 轴 力一 弯 矩关 系 的趋 势 变 化 与前 者 相 同 。 长 髯 J 1 i ( k N m1 图 1 4 试件轴力- 弯矩曲线 5 结 论 通过轴压和往复荷载下的钢混组合索塔压弯性 能试 验研究 、 机 理分 析 以及 与规 范计 算 结果 比较 ， 得 到如 下结论 ： 1 ) 开孔板可既作连接件又作加 劲肋 ， 能有效地 提高钢板抗局部屈曲性能 。 2 ) 钢板 低 周疲劳 开裂 和混凝 土 受拉 裂 缝 明显 降 低无 轴力试 件 的力学 性能 ； 相反 ， 过 高 的轴 力 导致 钢 板 过早局 部屈 曲和 混凝 土双 轴 受 力 ， 从 而 降 低 轴 压 比为 6 0 左右试 件 的力学 性能 。 3 ) 轴 压 比是 影 响构 件 能 力 的一 个 主 要 因 素 ， 它 不 仅影 响构件 的极 限弯 矩 、 延 性和 耗能 能 力 ， 而且 还 控 制构件 的破 坏形 态 。实际结 构设 计 时应 选 择合 适 的轴压 比， 对 于 可能 承 受 往 复荷 载 的索 塔 来 说 更 应 如 此 。 4 ) 是否考虑开孔板的横截 面贡献对计算低轴力 和无轴力试件的弯曲能力有明显影响。 参 考 文献 ： 1 KI T AD A T Ul t i ma t e s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y o f s t a t e o f a r t o n c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l b r i d g e s p i e r s i n J a p a n J 3 Eng ng St r uc t ，1 9 98： 2 0( 4 - 6)：3 47 35 4 2HS U H L，L I N J L E x p e r i me n t a l e v a h l a t i o n o n 9 8 7 6 5 4 3 2 l 互 幂 9 8 7 6 5 4 3 2 z 一簿 9 8 7 6 5 4 3 2 髯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 曾 耀 ， 等 ： 钢一 混凝 土组 合 索塔 压 弯性 能试 验研 究 8 3 s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f s a n d w i c h b o x c o l u mn s J Ea r t hq ua k e Eng ng St r uc t Dy n，19 99， 2 8( 8)： 823 8 40 【3 NA KANI S HI K， KI T AD A T， N AKAI H Ex p e r i me n t a l s t u d y o n u l t i ma t e s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l c o l u mn s u n r s t r o n g e a r t h q u a k e E J J C o n s t r u c t S t e e l R e s ，1 9 9 9 ， 5 1 ( 3 ) ：2 9 7 3 1 9 4GE H B ，US AMI TS t r e n g t h o f c o n c r e t e f i l l e d t h i n wa l l e d s t e e l b o x c o l u mn s ：e x p e r i me n t J J S t r u c t E n g n g，AS CE，l 9 9 2 ， 8( 1 1 ) ： 3 0 3 6 3 0 5 4 5 T AO Z ， HAN L H， WANG Z B E x p e r i me n t a l b e h a v i o u r o f s t i f f e n e d c o n c r e t e f i l l e d t h i n - wa l l e d h o l l o w s t e e l s t r u c t u r a l ( HS S ) s t u b c o l u mn s E J J C o n s t r u c t St e e l Re s ，2 005， 6 1( 7)： 9 62 - 9 83 6T A0 Z ， HAN L H，WAN G D Y E x p e r i me n t a l b e h a v i o u r o f c o n c r e t e r f i l l e d s t i f f e n e d t h i n wa l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn s J T h i n Wa l l e d S t r u c t 。2 0 0 7 ， 4 5 ( 5)： 5 17 - 52 7 7 TAO Z， UY B ，HA N L H，a t a 1 An a l y s i s a n d d e s i g n o f c o n c r e t e f i l l e d s t i f f e n e d t h i n - wa l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn s u n d e r a x i a l c o mp r e s s i o n J Th i n _ wa 1 l e d St r uc t ，2 0 09，47( 1 2)： 1 5 44 1 5 56 8 TAO Z ， HAN L H， WANG D Y S t r e n g t h a n d du c t i l i t y o f s t i f f e n e d t hi n wa l l e d h ol l ow s t e e l s t r u c t ur a l s t u b c o l u mn s f i l l e d wi t h c o n c r e t e J 3 Th i n Wa l l e d S t r u c t ，2 0 0 8 ， 4 6 ( 1 0 )：1 1 1 3 - 1 1 2 8 r 9 DAB A0N， EL B OGHDADI M ， HAS S ANEl N M Ex p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n o n c o n c r e t e - f i l l e d s t a i n l e s s s t e e l s t i f f e n e d t u b u l a r s t u b c o l u mn s J E n g n g St r u c t ，20 09， 31：30 0 3 07 1 O Z HAN G Y C， X U C，L U x Z E x p e r i me n t a l s t u d y o f h y s t e r e t i c b e h a v i o u r f o r c o n c r e t e f i l l e d s q u a r e t h i n 。 wa l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn s E J J C o n s t r u c t S t e e l Re s ，20 07， 6 3( 3)： 317 - 3 25 E n 郭 兰慧 ， 张素 梅 ， 徐政 ， 等带有 加劲肋 的大 长宽 比薄 壁矩 形钢管混凝土试验研究 与理论分 析 J 土木工程 学 报 ， 2 0 1 1 ， 4 4 ( 1 ) ： 4 2 4 9 GU( )LAN H UI ，ZHANG SU M