钢管混凝土T形短柱轴压力学性能试验研究.pdf

第2 5 卷第3 期 2 0 0 8年 9月 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n) Vo 1 2 5 NO 3 S e p 2 0 0 8 钢管混凝土 T形短柱轴压力学性能试验研究 杜国锋 ，一 ，徐礼华 2 ，徐浩然2 ，温 芳2 ( 1 长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 ；2 武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要：异形钢管混凝土柱应用于实际工程显示出良好的发展前景。本文在考虑肢厚、肢宽、管壁厚度和腹板 宽度等参数的基础上，设计制作 6个钢管混凝土 T形短柱试件。通过轴心受压试验，考察试件的破坏形态，实 测试件的荷载一平均纵向变形曲线和极限承载力，分析各参数对钢管混凝土 T形短柱轴心受压力学性能的影 响。参考国内外有关矩形钢管混凝土柱承载力的计算理论和计算方法，在分析试验数据的基础上，建立了钢管 混凝土 T形短柱轴心抗压极限承载力计算公式，公式可供实际工程设计参考。 关键词：钢管混凝土 T形柱；轴心受压；力学性能；短柱 中图分类号：T U 3 9 8 + 9 ；T U3 1 7 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 3 0 1 8 8 - 0 3 近年来，异形截面钢管混凝土柱已成功应用 于广州新中国大厦、广州市名汇商城、江门中旅 大厦等工程 中，避免了结构产生肥梁肥柱、房 间出现棱角，有利于建筑布局，提高房间使用面 积，显示出良好的发展前景 。 目前，对异形截面钢管混凝土柱的研究还处 于起始阶段，T形截面的钢管混凝土柱又是异形 钢管混凝土柱最具代表性的形式，本文以长细 比 小于 8 0的 6个 T形截面钢管混凝土柱试件为对 象，对其极限承载力进行 了试验研究，探讨了极 限承载力的计算方法 ，建议了相应计算公式，研 究成果可为工程设计提供参考 。 1 试验概况 1 1 试件设计与制作 本次试验设计了 6个试件，主要考察管壁厚 度 t( 按参考文献 2 】 可转化为约束效应系数 ) ， 肢长 b 和肢厚 厂等参数对试件力学性能的影响， 试件编号、各参数及实测承载力值见表 1 ，试件 断面如图 1 所示。 按标准试验方法 3 】 测得试件混凝土立方体抗 压强度为 4 9 9 6 MP a ，钢板的屈服强度约为 3 0 0 MP a ，极限强度 4 1 5 MP a 。 T形钢管柱 由钢板弯折后对接焊接而成，再 按设计长度截断，所有试件长度均为 4 5 0 mm， 并保证两端平整 ，对应每个试件加工两块厚 1 0 mm 的方形盖板 ( 图 1 ) ，先在空钢管一端将盖板 焊上，然后浇灌混凝土，待混凝土养护两周后将 端 口磨平或填补高强水泥砂浆，最后焊上另一盖 板，以期尽可能保证钢管与核心混凝土在试验加 载时共同受力 。 所有焊缝均按 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢 结构设计规范 4 1 进行设计，并保证焊缝质量 。 表 1 试件参数及承载力实测值 B 图 1 试件断面图 1 2 承载力试验 试验在 5 0 0 0k N压力试验机上进行 ，上 、下 收稿 日期：2 0 0 8 0 6 3 0 作者简介：杜国锋 ( 1 9 7 5 一 ) ，男，吉林伊通人 ，讲师 ，博士，研 究方向为钢 与混凝 土组合结构，g f d _ l 1 2 5 1 2 6 c o m。 第 3期 杜国锋等： 钢管混凝土 T形短柱轴压力学性能试验研究 1 8 9 主 端采用平板铰加载，加载现场如图 2 。加载中 为 T形试件的截面形心。试验初始阶段采用力 空 制方式分级加载【5 J ，每级荷载为预计极限荷载 向1 1 0 ，持荷时间为 2 mi n ；当荷载达到估算极 艮 荷载的 7 5 以后改为位移控制加载， 每级位移 勺 预计总变形的 1 2 0 ，持荷时间为 2 mi n 。在试 牛 的柱头和柱脚间设置 4块百分表 ，分别测定试 牛 两个对角边柱头和柱脚 间的相对位移，如图 2 1斤 示。为准确地测量试件的应变，在每个试件钢 外壁中截面处沿周长布置纵向和环 向电阻应变 午 共 l 6片，如图 3 ，采用静态数据采集系统采集 变数据。 图 2 试验加载照片 1 3 7 4 一 横 向应变片I纵 向应变片 图 3 应变片布置 ： 试验结果与分析 ， 1 试验现象与试件破坏形态 从加载之初到极限荷载 的 7 5 之前试 件外 见 没有明显变化，但钢管与核心混凝土空鼓现象 逐步增多，范围逐步扩大 ，加载过程中可 以清 查 地听到钢管与核心混凝土剥离的声响。随着荷 戋 增加，混凝土变形增大并产生局部压碎，试件 苎 到极限承载力。试件最 冬 破坏是 由于 内部混凝土 碎 ，管壁不能约束核心 晃 凝土的横 向膨胀 ，柱中 横 向变形呈发射状 向四 司 扩散引起的，试件破坏 眵 态呈腰鼓形，如 图 4所 。 五个试件破坏形态均 l口 此， 说明这种类型的柱， 壁对核心混凝土的约束 图4 腰鼓形破坏 能较差， 不能充分发挥混凝土的三向受压作用， 性能低于圆 ( 矩)形截面钢管混凝土柱。 2 试验结果分析 2 1 管壁厚度对试件极 限承载力的影响 钢管混凝土柱承载力之所 以高于钢管与其核 心混凝土承载力之和，关键在于钢管对其核心混 凝土产生的约束作用会使混凝土处于三 向受力状 态 ，大大提高抗压能力 。这种约束作用通常用约 束效应系数 ( 见 1式) 来表达，式中符号意义见 文献【 2 】 。本文试验的各试件采用壁厚分别为 2 9 mm、3 8 n l r n和 4 6 r l l l T l 的钢管 ，对应 T l至 T 6 试件的约束效应系数分别为：0 9 7 ，1 1 0 ，1 2 2 ， 1 1 9 ，1 3 5和 1 5 3 。根据管壁厚度的变化 ，图 5 绘制了试件 T1 ，T 2和 T 3的荷载一 应变关系曲线， 从图 5可以看出：随着约束效应系数增大 ，试件 承载力能力增强 ；约束效应系数大的试件后期承 载能力较强。 ： ( 1 ) 一一 I l ， A c 一 图 5 试件 T l ，T 2和 T 3荷载一 应变关系 曲线 2 2 2 肢厚对试件极限承载力的影响 为分析肢厚【 6 对钢管混凝土 T形柱极限承载 力的影响，在保持管壁厚度、混凝土强度和腹板 宽度不变的情况下改变肢厚 厂，制作 了 T 4和 T 5 两个试件 。图 6绘制了两试件荷载一 应变关系曲 线 ，从图 6可 以看 出：随着肢厚增大，试件 的极 限承载力增大 ，肢厚增大 1 5 ml T l ，试件极限承载 力提高 1 2 5 k N左右。 L L 图 6 T 4和 T 5 试件荷载一 应 变关系 曲线 2 2 3 腹板宽度对试件极 限承载力的影响 为分析腹板宽度对钢管混凝土 T形柱极限承 载力的影响，在保持管壁厚度 、混凝土强度、肢 长、肢宽和腹板高度等参数不变的情况下改变腹 板宽度 b ，制作了 T 2 ，T 4和 T 5三个试件 。图 7 1 9 0。 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 绘制了三试件荷载 应变关系曲线， 从图7 可以明 显看出：当其他参数不变的情况下，随着腹板宽 度增大，试件的极限承载力增大，增大幅度与腹 板宽度呈现非线性关系。 图7 T 2 ，T 4和 T 5试件荷载 应变关系曲线 3 极限承载力计算 3 1 规范计算方法 比较 目前国内外有关钢管混凝土的计算理论主要 有拟钢理论 、拟混凝土理论、统一理论和叠加理 论等，基于这些理论形成的设计规范和规程都未 涉及 T形截面钢管混凝土柱的设计计算方法 ，作 为 比较和参考 ，本文采用美国混凝土协会 AC I ( 1 9 9 9 )规范 、欧洲 的 E C 4( 1 9 9 4 )规范 j 、 美国钢结构协会 A I S C制定的 L R F D ( 1 9 9 9 )、 日 本建筑学会 AI J ( 1 9 9 7 ) 规范 J 、 和我国 C E CS 1 5 9 2 0 0 4 矩形钢管混凝土结构技术规程u 州 中的方 ( 矩 ) 形钢管混凝土公式计算各试件的承载力 Nu ， 并与试验值N s 进行比较， 表 2 列出了A C I ( 1 9 9 9 ) 、 A U ( 1 9 9 7 )和 E C 4( 1 9 9 4 )的计算结果。 表 2 承载力计算值与试验值比较 试 件 苎垒 竺垫垒 竺 垫呈 ! 墨 NJ k N NJ N u Nu k N N N u N u l k N Ns U u 由表 2可见， 计算值都小于试验值， 其中 AI J ( 1 9 9 7 ) 的计算值最大、 E C 4 ( 1 9 9 4 ) 和 AC I ( 1 9 9 9 ) 计算结果很接近 ，但远小于试验值 。这是由于这 些规范或规程考虑管壁对核心混凝土的约束作用 大小存在较大差别，AI J( 1 9 9 7 )规范可供本文计 算参考 。 3 2 本文计算公式 从本文第二部分的分析中可以看出， 在肢厚、 肢宽、 腹板宽度和腹板高度等 比例协调的情况下 ， 钢管混凝土 T形短柱的破坏形态是一致的，不会 产生局部受压破坏或失稳破坏 。鉴于 A U ( 1 9 9 7 ) 的计算理论和方法，根据所测得的试验数据 ，考 虑管壁钢材对核心混凝土 的约束效应，确定混凝 土抗压承载力提高系数，得到钢 管混凝土 T形短 柱极限承载力计算公式： = + 1 0 5 厂 c k ( 2 ) 式中， J l 。 为构件轴压强度承载力； 为钢材屈 服强度实测值； 厂 c k 为混凝土轴心抗压强度标准 值 ；A为管壁截面面积；A 为混凝土截面面积 。 由此计算 出试件 T 1 至 T 5的极限承载力值， 试验 结果与公式计算结果之 比的平均值为 1 1 1 ，均方 差为 0 0 5 5 。式 ( 2 )可为工程设计提供参考。 4 结论 ( 1 )钢管混凝土 T 形短柱在轴向力作用下 均为腰鼓型破坏 ，说明阴角部位钢管对核心混凝 土的约束作用很小。 ( 2 ) 随着管壁厚度增大， 试件极限承载力增 大， 荷载一 纵向应变 曲线下降段也相应变得更加平 缓 ，试件延性增强。 ( 3 ) 增加腹板宽度、 肢厚可 以提高试件极 限 承载力，增加腹板宽度提高效果更明显。 ( 4 )对比国内外相关规范或规程计算结果， 建立 了钢管混凝土 T形短柱承载力计算公式 ，为 工程设计人员提供参考 。 参考文献 【 1 】 龙跃凌，蔡健带约束拉杆 L形钢管混凝土短柱 轴压性能的试验研究【 J 华南理工大学学报( 自然科 学版) ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 1 ) ： 8 7 9 2 【 2 】 韩林海钢管混凝土结构理论与实践【 M】 北京：科 学出版社， 2 0 0 4 【 3 】 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ，普通混凝土力学性能试验方法 标准 S 】 【 4 】 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ，钢结构设计规范【 S 】 【 5 】 姚谦峰土木工程结构试验( 第二版) 【 M1 北京：中 国建筑工业 出版社 2 0 0 8 ( 下转第 1 9 4页) 粥 如 卯 5 1 5 3 8 6 ：合 乃 n L L L L 7 6 3 O 9 6 =兮 l 1 l 1 1 1 勰如 6 8 l 2 l 7 ：2 勰 8 9 l 7 8 3 1 1 2 l 1 2 n l 2 1 9 4 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 ma xi m u m ho riz o n t a l di s pl a c e me n t a t i s ol a t o r s ，t h e max i mu m r e a c t i on s a t s u p p or t s a nd t he s t r uc t u r a l e l e m e n t a x i a 1 f o r c e s we r e c alc u l a t e d u nd e r r a r e e a r t h q ua k e s Th e r e s ul t s h a v e i nd i c a t e d t ha t t wo k i n ds o f i s o l a tio n d e v i c e s c a n c o n t r o l the r e a c t i o n s o f S c h we d l e r l a t t i c e d s h e l l e ffe c t i v e l y Da mp e d s p ri n g s u p p o rts C an als o r e d u c e th e di s pl a c e me nt s a t t h os e i s ol a t e d s u p po rts a n d the d i s p l a c e me n t s o f the i s o l a t e d s he l l s i g ni fic an t l y I s ol a t i o n i s e ffe c t i v e f o r r e du c i ng t h e v i b r a t i o n o f l a r g e s pa n s he l 1 Ke y wor ds ： s c hwe d l e r l a t t i c e d s h e l l ；i s ol a t i o n c on t r ol ；dy na mi c r e s p on s e ；s pr i n g s u p p or t ；d a mp e d s prin g s u p p o rt ( 上接第 1 9 0页) 王丹 T形、L形钢管 混凝土柱抗震性 能试验研究 【 J 】 建筑结构学报， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 4 ) ： 3 9 - 4 4 ACI 31 8 - 99， Bui l d i n g Cod e Re q ui r e me nt s f or S t r u c t u r a l C o n c r e t e a n d C o m me n t a r y S Eur o c od e 4，1 99 4，De s i gn o f Co mpos i t e S t e e l a nd Co n c r e t e S t r u c t u r e s P a r t 1 1 ： Ge n e r a l Ru l e s a n d Ru l e s f o r Bu i l d i n g s S 【 9 】 AI J ， 1 9 9 7 ， Re c o mme n d a t i o n s for De s i g n and Co n s t r u c t i o n o f Co n c r e t e Fi l l e d S t e e l Tu b u l a r S t r u c t u r e s S 【 1 0 】 C E C S 1 5 9 2 0 0 4 ，矩形钢管混凝土结构技术规程 S 】 T e s t S t u d y o n Be h a v i o r o f T - s h a p e d Co n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b u l a r S h o r t Co l u mn s u n d e r Ax i a l Co mp r e s s i o n DU G u o -f e n g 。 ， XUL i h u a ， WE NF a n g ， XUHa o r a n ( 1 S c h o o 1 o f Ur b a n Co n s t r u c t i o n ， Yang t z e Un i v e r s i t y , J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， Ch i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Wu h an U n i v e r s i t y , Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e a p p l i c a t i o n o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b u l a r c ol u mn wi th s pe c i al s h a p e d s e c t i o n t o t h e t a l l b u i l d i n g s s h o ws g o o d d e v e l o p me n t i n p r a c t i c e Co n s i d e rin g s e v e r a l f a c t o r s i n c l u d e t h i c k n e s s o f s t e e l ， wi d t h o f s t e e l ，t h i c kn e s s of s t e e l p i p e ，wi dth o f we b a n d S O o n，6 T - s h a p e d c o n c r e t e fil l e d s t e e l t ub u l a r s ho r t c o l u mns we r e d e s i g n e d an d man u f a c tur e d， ax i al c omp r e s s i o n t e s t s we r e c a r r i e d o ut a nd the l oa d - a v e r a g e l o n gi tud i n a l de f o r ma tio n r e l a t i o ns h i p c u r ve s a s we l l a s u l t i ma t e b e a r i n g c a pa c i t y we r e t e s t e d ， an d the n ，the f a i l ur e mo d es of s p e c i me n s we r e i n ve s tig a t e d a nd the e ffe c t s o f e a c h i n f l u e n c e f a c t o r s o n t h e me c han i c p r o p e r t i e s o f th i s t yp e of s h o r t c o l u mns we r e a n aly z e d Ba s e d o n t h e t h e o r y an d me th o d o f c o mp ut a tio n a t ho me an d a b r o a d，the f o rm u l a for the ax i al c o mp r e s s i o n be a r i n g c a pa c i t y o f T- s ha pe d c o nc r e t e fil l e d s t e e l t ub u l ar s ho r t c o l u mns wa s d e d u c e d t h r o u g h the an aly s i s o f e x p e rime n t a l da t a， a n d t h e f o r mu l a i s valu a b l e t o the e n gi n e e ring d e s i g n Ke y W o r d s ： T - s h a p e d c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l ar c o l u mns ； a x i al c o mp r e s s i o n ； me c h an i c s p e r f o rm an c e ； s h o rt C O l u mn