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6 2 低温建筑技术 2 0 1 1年第 1 2期( 总第 1 6 2期) 轴心受压配筋钢管混凝土短柱的试验研究 侯宇颖 ( 三江学院土木工程学院 。 南京2 1 0 0 1 2) 【 摘 要】 介绍分析了在钢管混凝土短柱中配置纵向钢筋的试验及结果， 研究表明， 与普通的钢管混凝土柱 相比， 配筋钢管混凝土柱的承载力和变形性能都有较大的提高， 因此可以采用在钢管内配置纵向钢筋的方法来减 小钢管的壁厚 ， 使得受火钢管退出工作后 ， 仍能成为钢筋混凝土柱而具有一定的承载能力。 【 关键词】 配筋钢管混凝土柱 ； 变形性能； 承载力 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 6 2 0 3 EXP ERD删TAL S TUDI ES OlF B AR RE FoRCED CONCRETE F正 D S TEEL TU BULAR S TUB COLUM NS UNDER AXI AL LoADS HOU Yu y i n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S a n j i a n g U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p a p e r i n t r o d u c e s a n d a n a l y z e s e x p e r i me n t a l r e s u l t s o f b a r r e i n f o r c 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 s t u b c o l u mn s u n d e r a x i a l l o a d s T h i s s t u d y s h o w s t h a t t h e c a p a b i l i t i e s a n d d e f o r ma t i o n p r o p e r t i e s o f b a r r e i n f o r c 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 c o l u mn s a r e g r e a tl y i mp r o v e d t h a n t h a t o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn s S o t h e u s i n g o f b a r r e i n f o r c 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 c o l u mn c a n r e d u c e s t e e l p i p e wa l l t h i c k n e s s A f t e r the s t e e l p i p e s a r e o u t o f wo r k b y t h e fi r e ，b a r r e i n f o r c 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 c o l u mn s c a n s t i l l b e r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s a n d h a v e a c e r t a i n b e a r i n g c a p a c i ty Ke y wo r d s ： b a r r e i n f o r c 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 c o l u mn；d e f o rm a t i o n p rop e r t i e s ；c a p a b i l i t y 钢管混凝土具有承载力高、 变形能力强、 施工周期短、 经济效益显著等一系列优点 ， 目前已广泛应用于工业厂房 和多、 高层建筑中， 钢管混凝土柱作为结构中最主要的承重 构件， 其承载力和安全性显得尤为重要。配筋钢管混凝土 柱是在钢管内部的核心混凝土中加配纵向受力钢筋而形成 的构件， 与普通钢管混凝土柱相 比， 其承载力和变形性能都 有很大的提高。目前国内外对常温条件下钢管素混凝土柱 的受力性能已有大量的试验研究和理论分析 ， 但是尚没有 配筋钢管混凝土柱常温受力性能方面的相关研究， 在实际 应用方面也属空白。本文对 2个配筋钢管混凝土短柱和 1 个钢管混凝土短柱进行了轴心受压的试验， 研究了配筋钢 管混凝土短柱的受力性能、 变形能力和破坏形态， 并与钢管 混凝土短柱进行了对比。分析了钢管与核 混凝土在加载 中的相互作用过程以及加配钢筋的作用， 验证了轴心受压 配筋钢管混凝土短柱的理论计算公式。 1 试验简介 ( t ) 试件及材性 ： 试件共 3个 ， 1个钢管混凝土短柱 z 1 ， 2 个配筋钢管混凝土短柱 z 2 、 z 3 。试件 z 2 与 Z 3除混凝 土强度不同外， 其余都相同。钢管由 Q 2 3 5钢板卷成 ， 人工 焊接直缝， 采用商品混凝土， 试件配筋及材性见表 1 ， 试件见 图 1 。短柱的两端焊接相同的上、 下方形端承板 4 0 0 ra m 1 0 m m X 4 0 0 ra m， 端承板上钻孔以固定纵向钢筋位置。 表 1 试件配筋及材性 1 0 1 5 0 6 2 0 1 图I 试件尺寸及应变片、钢筋的布置 ( 2 ) 测点布置： 在钢管的外壁粘贴应变片， 如图 1 所 示 ， 试件 Z 2 、 z 3中的每根纵筋也在相应的 A、 0、 B高度处粘 贴了应变片， 每根箍筋也各粘贴了一个应变片。 2 主 要试 验结果 侯字颖 ： 轴心受压 筋钢 管混凝土短柱 的试验研究 6 3 ( 1 ) 宏观现象： 试验结果表明， 试件 Z 1的受力全过程 与试件 Z 2 、 z 3的不同， 分述如下 ： 试件 z 1在荷载达到 1 0 0 0 k N的时候 ， 钢管壁上泥浆开 始脱落； 荷载达到 2 0 0 02 5 0 0 k N时， 靠近端部 的钢管开始 局部微凸， 并随着荷载的加大而有所发展； 荷载达到极限荷 载之前， 除了钢管局部出现凸鼓并有所发展以外 ， 试件的外 观变化不大； 荷载达到极限荷载后， 试件变形急剧增长， 此 时在钢管混凝土柱的中下部 ， 突然出现较大的凸起 ， 并与水 平面成一定角度斜向发展。最终焊缝开裂， 试件破坏。试 件的极限承载能力为 5 3 8 5 k N， 破坏形态为典型的剪切破坏。 试件 z 2在荷载达到 3 5 0 0 k N时 ， 靠近端部 的钢管开始 局部微凸； 荷载达到 4 5 0 0 k N时凸起已经比较明显 ； 荷载达 到 6 5 0 0 k N左右时， 在开始凸起处的试件下部也出现凸起。 整个加载过程中钢管混凝土柱的外观变化很小， 钢管壁也 没有大量的鼓凸。在进入破坏阶段后， 钢管 中下部突然出 现较大的凸起， 并导致了焊缝的开裂。试件的极限承载力 为6 6 4 1 k N， 其破坏形态与 z 1的剪切破坏显然不同。 试件 Z 3与 Z 2类似， 在破坏阶段钢管的中下部突然出 现大的突出， 最终焊缝开裂。试件的极限荷载为6 7 1 8 k N， 破 坏形态基本与 Z 2完全一致。 ( 2 ) 轴向变形： 试件的轴心压力 一应变曲线见图2 。 ( 3 ) 钢管、 纵筋、 箍筋应变 ： 轴心压力与钢管壁应变曲 线如图 3所示。由于应变片的测量范围有限， 给出的应变上 限为 1 0 0 0 0 g ,e， 并且仅给出了极限荷载之前的应变情况。各 图中的虚线为相应的屈服应变； 图 3中“ t l 、 、 ( j ” 分别表示 在柱高 A、 O、 B处布置的三组应变片实测应变的平均值。图 4 a示出了 6根纵向钢筋的竖向压应变， 其平均压应变如图 4 b所示。箍筋的拉应变曲线如图5所示。可见， 在试件 z l 、 Z 2 、 Z 3破坏时， 钢管竖向已受压屈服， 环向已受拉屈服； 纵向 钢筋竖向也已屈服 ； 箍筋已受拉屈服。图6给出了用位移计 测得的轴向平均应变、 钢管壁竖向应变和纵筋应变实测值。 6 O o o Z - R 4 0 0 0 黎 2 O 0 o 0 o 1 o o o o 2 0 0 3 0 0 0 0 轴向平均应变， 图2轴心压力一 轴向平均压应变曲线 3研究分析 ( 1 ) 受力全过程 ： 试验表明， 轴心受压配筋钢管混凝 土短柱的受力全过程与普通的钢管混凝土轴压短柱的一 样 ， 分为弹性、 弹塑性和破坏三个受力阶段， 当套箍系数 = La 。 A 。 较J l , n ,- l ， 破坏阶段中有下降段， 否则就没有。 从图 2可知， 所有试件的变形分为弹性、 弹塑性和破坏 三个阶段， 而试件 z l 在下降段之后还有微弱的上升段 以试件 Z 2为例， 从图3一图5中可见， 配筋钢管混凝土 6 0 o 0 Z 崔 4 0 0 0 黎 2 o o 0 0 0 -2 0 0 0 40 0 0 6 o o 0 -8 0 0 0 ( a ) 竖向应变 6 0 o o Z 妻 4 O O O 暴 2 0 0 o O 6 O o o Z 襄4 0 0 0 屏 2 O 0 o O O 一2 O o0 4 0 0 0 6 0 o 0 ( b ) 环向应变 图3 钢管壁的应变曲线 0 - 2 0 00 4 0 o 0 6 0 o 0 -8 0 0 0 ( a ) 单筋值 6 O 0 o z 4 0 0 0 t q 霹 2 0 o o O O 一 2 O o 0 - - 4 0 0 0 6 0 o 0 ( b ) 平均值 图4 纵筋的实测应变曲线 Z 妄4 0 0 0 需 2 O 0 o O 0 1 O 0 o 2 0 o o 3 o o 0 4o o O 图5 箍筋的实测应变曲线 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 l 2期( 总第 1 6 2期) 6 O o 0 Z 妄 0 0 o 暴 2 O oo 0 0 - 4 0 0 0 8 0 0 0 1 2 0 00 图6 轴向平均应变与实测应变的比 较 柱 Z 2在加载的初始阶段 ， 试件处于弹性状态， 钢管、 纵筋和 箍筋的应变均近似为线性增加 ， 其 中钢管竖向压应变和纵 筋压应变基本相等， 且钢管的竖向压应变比环向拉应变增 长的大， 箍筋拉应变的增长幅度最小； 当轴力增加到 3 5 0 0 4 0 0 0 k N左右时， 核心混凝土和钢筋均处于弹性阶段 ， 试件整 体上仍处于弹性工作阶段， 各应变值包括钢管壁的竖向应 变仍然为线性增加， 直到轴力达到4 0 0 0 k N左右为止。 轴力超过4 0 0 0 k N之后， 核心混凝土首先进入弹塑性阶 段 ， 使得混凝土承受压力的比例减小而纵筋承受的比例增 加 ， 造成钢筋的应变迅速增加( 见图4 ) ， 同时混凝土的横向 膨胀也进入迅速增长的阶段， 导致钢管壁的环向应变和箍 筋应变也在很快增长。当轴力超过 5 0 0 0 k N以后， 就进入破 坏阶段， 这时钢管壁环向屈服， 部分纵筋 也开始屈服， 之后 箍筋也逐步开始屈服， 到轴力达到 6 0 0 0 k N时， 所有的纵筋 和箍筋均已屈服。6 0 0 0 k N之后 ， 试件的承载能力还有提高。 ( 2 ) 破坏形态： 试件 z l为无配筋的钢管高强混凝土 柱， 其破坏形态为剪切破坏。这是由于采用高强混凝土后 ， 柱的套箍系数不大， 故出现剪切破坏。 试件 z 2 、 z 3破坏形态与 z 1 显著不同， 既不是多折腰鼓 形破坏， 也不是剪切破坏。构件彻底破坏之前， 包括屈服后 部分阶段， 除端部以外的主体部分在外观上没有钢管鼓 曲 等明显变化， 焊缝开裂后也可看到内部混凝土保持均匀膨 胀的整体， 其开裂沿纵筋方向， 而不是形成斜向剪切裂缝。 据此可认为配筋钢管混凝土轴压短柱在配筋适当情况下其 破坏形态是区别 于普通钢管混凝土柱的一种新的破坏形 态， 这种破坏形态介于多折腰鼓形破坏和剪切破坏之问。 ( 3 ) 配筋的作用： 从图2可以看出钢管内部加配钢筋 以后不但可以极大的提高钢管混凝土柱的极限承载力 ， 而 且对柱的变形能力也有很大程度的提高。加配的纵筋不 但可以完全发挥其抗压强度， 而且与箍筋组成的钢筋骨架 可以明显改善混凝土的受力和变形性能， 减小混凝土材料 不均匀性造成的影响， 防止混凝土出现整体的剪切破坏面， 从而提高了混凝土的极限抗压强度； 在配筋钢管混凝土 柱达到极限承载力之前 ， 加配的箍筋已经逐步屈服， 这样可 以充分发挥其对核心混凝土的约束作用 ， 进一步增强了核 心混凝土的抗压强度。 ( 4 ) 承载力： 由于配筋钢管混凝土柱的受力性能比较 复杂， 试验研究数量也有限， 所以很难给出一个准确的计算 公式 ， 需要加强这方面的研究。对于轴心受压配筋钢管混 凝土短柱， 可采用叠加钢管混凝土和内配钢筋二者承载力 的方法进行计算， 为了保持与偏心受压构件承载力计算具 有相近的可靠度引入系数 0 9 ， 并取 西=1 0 ， 即： N = 0 9 ( A + 厂 4 。 ) ( 1 ) 式中， u 为轴压强度承载力 为圆钢管混凝土轴压强 度指标 ； 为钢管和核心混凝土截面面积之和； 厂为内配纵 向钢筋抗压强度设计值( N m m ) ； A 为内配纵向钢筋的截 面面积 ( m m ) 。 表2是各个轴心受压试件的试验结果， 从表中可以看出 实际承载力与公式( 1 ) 的计算结果接近 ， 说明公式( 1 ) 能正 确反映配筋钢管混凝土柱的实际承载力， 结果偏于安全。 表 2 试件承载力试验结果 4结语 普通钢管高强混凝土柱的轴压破坏一般为剪切破坏 ， 而配筋钢管高强混凝土柱的轴压破坏介于多折腰鼓形破坏 和剪切破坏之间； 钢管混凝土柱内部加配钢筋不但可提高 其极限承载力 ， 且可显著提高其变形能力； 配筋钢管混凝土 柱达到极限承载能力之前 ， 钢管、 纵筋和箍筋均先后达到屈 服 ， 所以在其内部加配的钢筋可以充分发挥其强度； 配筋钢 管混凝土柱的承载力大致等于无配筋钢管混凝土柱承载力 与纵筋承载力之和， 可按公式( 1 ) 计算。这是由于加配箍筋 对核心混凝土起到一定约束作用， 且钢筋骨架防止 了混凝 土出现剪切破坏 ， 提高了混凝土极限抗压强度。 参考文献 1 钟善桐 钢管混凝土结构 M 北京 ： 清华大学出版社， 2 0 0 3 【 2 余志武， 丁发兴， 林松 钢管高性能混凝土短柱受力性能研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 2 ， ( 2 ) ： 4 1 4 7 【 3 程文壤， 康谷贻 混凝土结构混凝土结构设计原理 M 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2： 2 4 2 5 4 D L一 5 0 8 5 T 一1 9 9 9 钢 一 混凝土组合结构设计规程 s 5 顾维平， 蔡绍怀， 冯文林 钢管高强混凝土的性能与极限强度 J 建筑科学， 1 9 9 1 ， ( 1 ) ： 2 3 2 7 6 韩林海 钢管高强混凝土轴压力学性能的理论分析与试验研 究 J 工业建筑， 1 9 9 7 ， ( 1 1 ) ： 3 9 4 4 7 韩林海， 钟善桐 钢管混凝土力学 M 大连： 大连理工大学出 版社 ， 1 9 9 6 【 8 蔡绍怀， 焦占栓 钢管混凝土短柱的基本性能和强度计算 J 建筑结构学报 ， 1 9 8 4 ， ( 6 ) ： 1 32 9 收稿日期 2 0 1 1 - 0 8 一l 9 作者简介 侯宇颖( 1 9 7 8 一) ， 女， 江苏靖江人， 讲师， 从事结 构工程教学研究。