两种钢管混凝土T形柱的轴压性能.pdf

2 0 1 1年 第 9期 (总 第 2 6 3 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T唧 0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 9 0 0 8 两种钢管混凝土 T形柱的轴压性能 刘林林 。屠永清 ( 北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 1 0 0 1 9 1 ) 摘要： 为了比较多室式钢管混凝土 T形柱及普通钢管 昆 凝土 T形柱轴压性能的优劣， 进行了3 组共 6 个短柱试件的轴压对比试验。 试验结果表明， 两种钢管混凝土 T 形柱的破坏均属于局部鼓曲破坏， 但多室式钢管混凝土 T 形柱的整体性能更为优 良， 承载能力和延性 性能均高于同截面尺寸的普通钢管混凝土 T形柱。 按照矩形钢管混凝土承载力公式对试件的承载力进行了验算， 发现计算结果偏于不安 全， 因此对钢管混凝土 T形柱有必要建立考虑多因素影响的承载力计算方法。 关键词： 钢管混凝土柱；普通 T形截面；多室式 T形截面；轴压；破坏形态；承载力；延性 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 2 5 0 4 Pr ope r t i e s of t w o k i n ds of T-s h ape d c onc r e t e- f i l l e d s t ee l t ubu l a r c ol um n s un der a xi a l l oa d LI U Lin- l i n， T U Yo n g - q i n g ( S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， B e ij i n g U n i v e r s i tyo f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， B e ij i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h in a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o a c q u i r e t h e c o mp a r i s o n s o n t h e p r o p e r t i e s b e t we e n n o r ma l 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 a r ( NT C F S T) c o l u mn s a n d mu l t i c e l l 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 a r( MT C F S T) c o lu mn s ， 3 g r o u p s o f a x i a l l y c o mp r e s s i v e e x p e ri me n t s we r e c o n d u c t e d T h e r e s u l t s d e mo n s t r a t e tha t t h e f a i l u r e mo d e s o ft h e s p e c i me n s we r e bo t h o fl o c a l b u l ki n g f a i l u r e an d MT CF ST c o l u mn s s h o w b e t t e r p r o p e r t i e s o fb e a r i ng c a p a c i t i e s and d u c t i l i ty than N T C F S T c o lu mn s T h e b e a ti n g c a p a c i ty f o r mu l a o f r e c t ang u l a r CF S T c o l u mn s i s e mp l o y e d t o v e r i r y the u l ti ma t e l o a d o f the s p e c i me n s a n d g i v e s a n u ns a f e e s t i ma t e I t i s i n d i c a t e d that mo r e f a c t o r s s h o ul d be c o n s i d e r e d t o e s t a b l i s h a p r o p e r me t h o d f o r c a l c ul a t i n g the b e a r i n g c a pa c i tie s o fT CFS T c o l u mns K e yw o r d s ： c o n c r e fi l l e d s t e e l t u b u l arc o l u n ms ； NT s e c t i o n ； MT s e c t i o n； a x i a l c o mp r e s s i o n ； f a i l u r emo d e ； b e a r i n g c a p a c i t y ； d u c t i l i ty 0 引言 钢管混凝土结构中的钢管对混凝土提供了有效的侧向约 束， 使其具有较好的承载能力和抗震性能， 在国内外的各类建 筑中得到了越来越多的应用。 随着研究工作的不断深入 ， 钢管混 凝土构件的截面形式也越来越丰富， 例如为了便于空间布置 ， 更好地满足人们对建筑物的使用要求， 国内的研究者提出了钢 管混凝土异形柱的概念。 与普通( 圆形、 方形 ) 钢管混凝土柱类 似， 异形柱由通过在异形( T形或 L形及十字形) 钢管中直接填 充混凝土构成。 近年来 ， 对截面如 图 1 ( a ) 所示的普通钢管混 凝土 T形 柱 已 经开展了一定的研究工作。 赵毅和杜国锋等分别进行了短柱试 件的轴压试验， 吕西林等进行了滞回性能试验 ， 得出了一些初 步结论 l _ 3 ； 李学平等建立了核心混凝土的本构关系， 采用纤维 模型法对上述滞 回试验结果进行了验算 。 另外一些研究者针 对如何增强 T形截面内两种材料的相互作用 ， 提出了设置约束 拉杆或焊接加劲肋等改进措施， 并进行了试验研究【 l I5 J 。 总的看 来， 无论对普通钢管混凝土 T形柱还是改进的钢管混凝土 T形 柱的试验研究还较为欠缺， 对这两种构件工作机理的认识不够 充分， 有必要进行更进一步的探究。 设置约束拉杆或加劲肋能减小普通 T形截面中阴角及部 收稿 日期 ：2 0 1 l _ J 0 3 2 5 基金项 目：国家自 然科学基金项 目( 5 0 5 7 8 0 0 5 ) 分板件宽厚比较大对构件性能的不利影响， 试验结果表明上述 构造措施能显著增加构件延性但对承载能力的改善较小。 本研 究给出了一种对普通钢管混凝土 T形柱的新的改进形式 ， 即截 面如图 1 ( b ) 所示的多室式钢管混凝土 T形柱， 为便于描述 ， 将 普通 T形截面称为NT形截面， 多室式 T形截面称为 MT形截面。 MT形截面由钢板分隔成的三个分室及填充其 中的混凝土组 成， 当承载力相同时其截面尺寸比NT形截面要小， 这样在消除 NT形截面阴角的同时， 也可以减小板件的宽厚比， 利于构件整 体性能的发挥。 本研究以 3 组普通钢管混凝土 T形柱和多室式 钢管混凝土 T形柱为对象进行了轴压试验， 描述了各组试件的 破坏过程及破坏形态， 分析了其轴压性能的异同， 并应用矩形 钢管混凝土的强度承载力公式对这两种截面形式的试件的承 载力进行了验算。 1试 验研 究 1 ， 1试 验 概 况 将 N T 形截面和MT形截面的各边进行编号， 并将其划分为 翼缘和腹板两个部分， 见图 1 、 2所示。 两种截面的尺寸均包括 翼缘或腹板厚度即肢厚 o ， 腹板高度 b ， 翼缘外伸宽度 c 及钢管 厚度 。 试件设计时， 同组的两个试件取相同的截面尺寸值， 同时 为了考察截面尺寸对构件性能的影响， 同种截面类型的 3个试 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m T _- 4 一 ( a ) N T 形截面 I _ 下_ J 一 一 ( b ) MT 形截面 图 1 两种钢管混凝土 T形柱截面 翼缘 图 2 翼缘和腹板示意图 件均在第 2组试件( NT 一 2或 MT 一 2 ) 基础上变化了其翼缘或腹 板的尺寸。 加工试件时先用钢板弯折、 拼焊而成 NT或 MT形截 面钢管 ， 保证钢管两端部平整及试件的垂直度 ， 然后在钢管一 端焊接一块厚度为 1 0 mm的矩形盖板。 采用人工浇筑混凝土， 并用振捣棒振实， 混凝土养护两周后 ， 将试件的端 口磨平再焊 上另一盖板， 以保证钢材和混凝土在加载初期即共同工作。 材料 性能均按标准试验方法 测得， 焊缝按 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 钢结 构设计规范 进行设计。 各试件的截面尺寸值及材I =生 指标见表 1 ， 其中 为试件高度 、 分别为钢材屈服强度及混凝土轴心抗 压强度标准值。 试验在 5 0 0 t 压力机上进行， 加载装置如图 3 所示。 试件的 上下两端均采用刀铰， 加载线经过组合截面的形心。 在压力机上 下两端板和试件两盖板之间、 沿组合形心轴方向上在试件两侧 各布置一个量程为 1 c m 的位移计， 用以测量试件的纵向变形。 同时 ， 在第 2组的两个试件 8个面上的柱中处贴纵、 横向应变 片各一片以监测试件各面的应变发展情况， 采用 I MP数据采集 系统记录加载过程中的荷载、 位移及应变值。 先对试件在弹性阶 段进行预加载， 然后采用力控制的方式分级加载， 每级荷载为 预计极限荷载的 1 1 0 ， 持荷 2 mi n ； 当荷载达到预计极限荷载的 8 0 后， 每级荷载为预计极限荷载的 1 2 0 ， 持荷 2 rai n ； 接近破 坏时缓慢连续加载， 直至试件最终破坏时停止试验。 表 1 试件参数和承载力表 图 3 试件加载装置 1 2 试验现 象及讨论 截面类型相同的试件在加载过程中的变形情况与破坏形 态较为类似。 NT形截面试件在加载到极限荷载的 6 0 以前 ， 试 件表面均无明显变化， 继续加载可以听见较为连续的响声， 表明 局部的混凝土已被压碎。 之后各试件在翼缘的 8面上首先出现 沿水平方向的局部鼓曲。 荷载继续增大到极限荷载的 8 0 左右 时， 在 2 、 3 、 5 、 6 面上也出现了近似水平的局部鼓曲， 达到极限 荷载后 ， 荷载下降速度较快， 试件的纵向变形迅速增大， 上述局 部鼓曲也随之加剧， 最后因纵向变形过大引起腹板的 4 、 5面交 界处的焊缝被拉裂而破坏。 MT形截面试件在加载到极限荷载 的 8 0 以前， 其表面均没有发生明显变化， 继续加载到极限荷 载的过程中， 也可听见局部混凝土压碎的响声 ， 随后在腹板的 3 、 5 面及与其相邻的翼缘的2 6 面上先后出现局部鼓曲， 达到极 限荷载后， 荷载下降速度较慢， 随着纵向变形的增加， 部分板件 出现多波鼓曲， 腹板各面的变形程度高 于翼缘的 8面， 最终也 2 6 因腹板 4 、 5面交界处的焊缝被拉裂而破坏。 试件的最终破坏状 态如图 4所示 。 ( a ) 试件NT 2 ( b ) 试件MT 一 2 图 4试 件破 坏 状 态 试验中还发现， 对NT形截面试件而言翼缘是其较薄弱的位 置， 鼓曲变形首先发生在 8面， 且随着翼缘宽度 a + 2 c的增大有 越早发生的趋势。 N T形截面阴角处的外鼓变形不如预期明显， 因板件宽厚 比较大引起的局部鼓曲已成为试件的主要变形模 式， 其破坏状态可认为属于局部鼓曲破坏。 而对于MT形截面试 件来说腹板是其较薄弱的位置 ， 局部鼓曲首先发生在 3 、 5而 ， 且其变形不均匀程度随腹板高度6的增加而加剧， 试件承载能力 的下降是由于部分板件出现了多段鼓曲所致， 也可视为局部鼓曲 破坏 。 腹板上 3 、 4面或 4 、 5面交界处的焊缝容易破坏， 属于较为 不利的位置 因此实际应用时不宜在此处布置焊缝。 这与文献 2 中所得的结论是一致的。 所有试件在达到极限荷载前均出现了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 局部鼓曲， 说明对两种截面中板件的宽厚 比有必要加以进一步 的限制。 而在截面尺寸相同时， MT形截面试件中局部鼓曲的出 现要迟于 NT形截面试件， 各面上的变形程度及荷载下降的速度 也较后者更为均匀 ， 这说明前者因截面分成多室， 消除了阴角， 减小了N T形截面中 8面的宽厚比， 使得其整体性能较普通钢管 混凝土 T形柱更为优良， 可视为对后者的一种较为简便易行的 改进形式 。 2 结果分析 2 1 轴 向压 力一 应 变 曲线 因加载过程中某些试件盖板间的两个位移计读数不稳定， Z 厘 黎 应 变 L L ( a ) Z 厘 暴 统一取压力机端板之间两个位移计读数的平均值作为试件的 平均纵向位移 ， 再除以高度 即得到试件的平均纵向应变。 3组 试件的轴向压力一 应变曲线见图 5 ， 与普通钢管混凝土柱类似， 该 曲线也由弹性段、 弹塑性段、 下降段三部分组成。 定义试件的名 义承载力为 A ( 其中A 、 分别为钢管和核心混凝土 的面积) ， 试件的承载力实测值为 e ， 则其提高系数为 e u 。 由 表 1 可知 6个试件承载力实测值均高于其名义承载力 ， 但 N T 形 截面试件的提高程度较 MT形截面试件小 ； 同时由图 5中可知 ， NT形截面试件曲线的下降程度要 比 MT形截面试件陡峭一 些， 即其延性性能较差。 这都表明 MT形截面试件中钢管对混凝 土的约束作用要高于 NT形截面试件。 应变 u ( b ) 图 5 轴 向压力一 应变曲线 由图5中还可以发现， 截面边长比的变化对两种截面试件的 性能均有所影响。 由试件NT 1 、 NT 2及 N T 2 、 N T 3的对比可见， NT形截面试件的轴压性能受 b a的影响不明显而受 c a的影响 较大， 其延性随c a的增大而降低。 由试件 MT 一 1 、 MT 一 2及 MT 2 、 MT 3的对比可见， b a 、 c a 对 MT形截面试件的轴压性均有较大 影响， 减小 b a 或 c a 增大对试件性能均会产生较为有利的影响。 2 2 应变分析 图 6所示为试件 NT 2及 MT 一 2的 8 个面的纵、 横向应变发 展情况。 其中横向应变为正 ， 纵向应变为负。 由图中可见， 两个 试件各面的纵向应变的发展并不均衡， 因此不能像普通钢管混 凝土柱中取各面纵向应变均值作为试件的平均纵向应变。 两试 件在达到极限荷载的 6 0 以前各面纵向应变均相差不多， 可视 为仍处于弹性段 ， 达到极限承载力时 ， 其各面的纵向应变的最 小值也在 2 5 0 0 左右， 表明此时钢管均已屈服， 试件也已进 人塑性阶段 。 各面上横 向应变的发展情形与纵向应变类似 ， 但 MT形截面试件的横向应变值相对比较接近， 说明其横向变形 比 NT形截面试件更为均匀。 Z 匠 承 Z 匠 暴 应变 jx t 应变 t z e ( a ) ( b ) 图6 轴向压力一 纵向、 横向应变曲线 2 3 承载力验算 目前 ， 还没有出现适合于钢管混凝土 T形柱强度承载力的 计算方法 ， 因此本研究采用普通钢管混凝土柱的承载力公式对 试件的承载力进行验算。 在材料性能和面积一定时， 矩形钢管混 至 、 H 董 厘 暴 应变 s ( c ) 凝土的承载力较圆形、 方形钢管混凝土低， 其表达式为s 1 ： ： 4 。 = ( 1 1 8 + 0 8 5 ) J ( 。A。 ) ( 1 ) 式中： 构件的约束效应系数， A ( A 。 ) 。 按式( 1 ) 所得的承载力计算值见表 1 ， 计算值均高于实测 值， 说明钢管混凝土 T形柱的承载力要低于同约束效应系数的 普通钢管混凝土柱 ， 即使按照矩形钢管混凝土的承载力公式计 算其承载力也是偏不安全的。 无论是普通钢管混凝土 T形柱还 是多室式钢管混凝土 T形柱 ， 轴压承载力受边长比的影响较大， 其截面形状的不规则导致很难定义一个类似 的综合指标来 反映截面特性 ， 因此建立合理的钢管混凝土 T形柱的承载力计 算方法时， 必须要考虑多个参数的影响。 3结 论 ( 1 ) 普通钢管混凝土 T形柱及多室式钢管混凝土柱中钢管 对混凝土存在一定的约束作用， 试件仍具有较好的承载能力 ， 且 均受截面边长比的影响较大， 但后者相对于前者的轴压性能尤 其是延性性能更为优良。 ( 2 ) 轴压下这两种钢管混凝土 T形柱的破坏均属于局部鼓 曲破坏。 普通钢管混凝土 T形柱阴角处的变形不显著 ，对构件 承载力影响不大， 而对构件延性的影响较大； ( 3 ) 为保证组合截面性能的充分发挥 ， 有必要对这两种钢 管混凝土 T形柱中板件的宽厚比及截面的边长比加以限制或 采取相应的构造措施。 ( 4 ) 腹板上的板件交界处是两种钢管混凝土 T形柱所共有 的不利位置， 实际应用时应避免在此处布置焊缝。 ( 5 ) 普通钢管混凝土柱的承载力计算公式并不适用于钢管 混凝土 T形柱， 不能完全反映钢管混凝土 T形柱的截面特性， 其 计算结果偏于不安全。 参考文献： 1 】 赵毅 异形钢管混凝土短柱轴压性能研究f D 哈尔滨： 哈尔滨工业大 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学， 2 0 0 7 2 】 杜国锋 ， 徐礼华， 徐浩然 ， 等 钢管混凝土T形短柱轴压力学性能试 验研究 J 1 华中科技大学学报： 城市科学版， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 3 ) ： 1 8 8 1 9 0 3 王丹， 吕西林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 5 4 】 李学平， 吕西林r r L 形钢管混凝土柱的本构模型及非线性分析研 究J 健 筑钢结构进展， 2 0 0 8 ， 1 0 ( 4 ) ： 5 6 6 2 5 陈德明 带约束拉杆异形钢管混凝土柱的基础力学研究 D 厂州 ： 华 南理工大学， 2 0 0 0 6 】 G B T 2 2 8 -2 0 0 2 ， 金属材料室温拉伸试验方法 s 】 E 京： 中国标准出 上接第 2 4页 1 0 0 蚕8 0 6 0 摹 o 2 0 0 1 0 0 堇8 0 6 0 o 2 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 O 0 0 0 应 变 Ix e ( a ) L1 版社， 2 0 0 2 7 】 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验标准f s 】 E 京： 中国建 筑工业出版社， 2 0 0 3 8 韩林海 冈 管混凝土结构一 理论与实践 M 第二版 E 京： 科学出版 社， 2 0 0 7 作者简介 联 系地址 联 系电话 刘林林( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 博士生。 北京市海淀区学院路 3 7 号 北京航空航天大学土木工程系 ( 1 0 0 1 9 1 ) 1 3 81 0 3 8 7 9 0 4 1 0 0 圣8 0 60 摹 o 2 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 0 应变 ， 8 ( b ) L 2 2 0 0 0 4 0 0 0 应 变 u ( c ) L 3 圈 6 荷载一 混凝土拉应变曲线对 比图 裂后的一、 二级荷载下 ， 由于梁跨中底部混凝土基体开裂， 应变 片裂开， 应变溢出， 无拉应变。 3 5 裂缝及破坏形态 裂缝的分布和发展是受弯试验研究中的重要方面， 通过对 裂缝的出现和发展趋势的观察 ， 可以确定构件的破坏形态 ， 更好 地分析构件受力。 有限元中对裂缝的处理采用弥散裂缝模型 ， 主拉应变采用平均值 ， 无法对单条裂缝的出现和发展进行模拟。 但从理论上讲 ， 裂缝的发展与梁中主应变是相对应的， 从有限 元后处理混凝土裂缝分布图可以看出， R P C梁破坏时裂缝基本 分散在纯弯段及附近， 与试验中裂缝相对应的是 ， 有限元模型 中裂缝分布更密， 主拉应变更大， 而此时实测的主拉应力 ， 由于 梁开裂， 其应力很小或无主应力分布。 以 L1 为例， 分别对极限 荷载下有限元分析的裂缝分布( 图 7 ) ， 主应变图( 图 8 ) 与试验 实测裂缝及破坏图( 图9 ) 进行比较。 图 7 极限荷载下有 限元计算裂缝分布图 a 1 ，00 ， _0 口l： 图 8 极限荷载下主拉应 变云 图 图 9 试验实测裂缝分布及破坏图 由图 7 - 9及相关试验梁的计算结果与试验结果比较可以看 出， R P C梁的有限元分析较好地验证了试验所得结果， 采用弥散裂 缝进行构件全过程的分析虽然无法得到单条裂缝的发展， 但通过主 2 8 Z 柩 控 告 磐 拉应变的变化图可以得到大致的裂缝分布图， 与试验结果基本吻合。 4结论 用 A NS YS软件对试验梁进行了有限元模拟 ， 并对有限元计 算结果与试验结果进行比较， 并得出以下结论 ： ( 1 ) 挠度试验值与A NS YS 分析值发展趋势一致， 在线性阶段 吻合较好， 开裂后两者则略有区别， A NS YS 分析值较试验值小。 ( 2 ) 混凝土拉应变在线弹性阶段， 试验值与分析值的发展 趋势一致， 也较为吻合 ， 在混凝土开裂后 ， 两者有较大区别， 在 相同荷载下， 分析值比试验值大， 而此时实测的主拉应力， 由于 梁开裂， 应力很小或无主应力分布。 ( 3 ) 试验梁破坏时裂缝基本分散在纯弯段及附近 ， 与试验 中裂缝相对应， 有限元模型中裂缝分布更密。 结果表明： 有限元分析能较好地对无黏结预应力 R P C简支 梁进行非线性仿真模拟， 可在一定程度上有效代替试验分析， 为 实际工程设计提供参考依据和理论指导。 参考文献： 【 1 】 江见鲸， 陆新征， 叶列平混凝土结构有限元分析 M 北京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 5 【 2 12 司炳君， 孙治国， 谢永杰A N S Y S 车 欠 1牛 在无黏结预应力混凝土箱型梁 承载力分析中的应用l J 1 四川建筑科学研究， 2 0 0 6 ， 6 ( 3 2 ) ： 8 - 1 1 2 3 3 胡成 冈 筋混凝土板的非线性有限元分析与计算 J 1 合肥工业大学学 ，1 9 9 8 ( 1 2 ) ： 8 6 8 9 4 Z HO U S ， R I Z O S D C ， P E T R O U M F E f f e e t s o f s u p e r s t r u c t u r e f l e x i b i l i t y o n s t r e n g t h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b ri d g e d e c k s C o m p u t e r s a n d S t r u e - t u r e s ， 2 0 0 4 ， 8 2 ( 1 ) ： 1 3 2 3 【 5 】陆新征， 江见鲸 用 A N S Y S S o l i d 6 5 单元分析混凝土组合构件复杂应 力l J 1 _建筑结构， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 6 ) ： 2 2 2 4 6 】S A N T H AK U MA R R， C H AN D R A S E K AR A N E ， D HA N AR A J R An a l y s i s o f r e t r o fit t e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s he a r b e a ms u s i n g c a r bo n f i b e r e o m p o s i t e s J E l e c t r o n i c J o u r n a l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e r i n g 。 2 0 0 4 ( 4 ) ： 6 6 7 4 作者简介： 金凌志( 1 9 5 9 一 ) ， 女， 教授， 高级工程师， 国家一级注册结构 工程师。 联系地址： 厂西桂林市建干路 1 2 号 桂林理工大学土木与建筑工程 学院( 5 4 1 0 0 4 ) 联系电话 ： 1 3 3 1 7 7 3 9 3 3 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m