组合式十字形钢管混凝土柱轴压力学性能试验研究_谢力.pdf

Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期133组合式十字形钢管混凝土柱轴压力学性能试验研究*谢力1，2方旭2陈梦成1，2杨超1，2黄宏1，2(1华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，南昌330013;2华东交通大学土木建筑学院，南昌330013)摘要:基于钢筋混凝土异形柱的设计思路，提出了一种组合式十字形钢管混凝土柱。利用方钢管和槽钢焊接形成有多腔室的钢管混凝土柱。以试件长度和截面形式为主要参数，共设计制作 5 个试件。通过对其进行轴心受压试验研究，考察了试件的破坏形态和荷载应变关系曲线，并分析了各参数对此新型截面形式钢管混凝土柱轴压承载力和延性的影响。组合式十字形钢管混凝土试件最终破坏形态为沿试件长度方向分布多个较小鼓曲。试验结果表明，钢管对混凝土约束良好，该组合形式有效提高了十字形异形柱的承载力并改善了其延性;相同截面形式的组合式十字形钢管混凝土极限承载力随着柱高的增加，略有下降;相同柱高、不同截面形式的钢管混凝土柱，随着柱肢长度的增加，其极限承载力显著增加;在现行规范的基础上，提出了组合式十字形钢管混凝土柱轴压承载力计算公式，根据该公式计算所得理论值与试验值吻合较好。关键词:异形柱;钢管混凝土;组合式十字形;承载力;延性DOI:10.13204/jgyjz2018121501Experimental esearch on Mechanical Properties of Composite CrossShapedConcrete Filled Steel Tubular Column Under Axial CompressionXIE Li1，2FANG Xu2CHEN Mengcheng1，2YANG Chao1，2HUANG Hong1，2(1State Key Laboratory of Performance Monitoring Protecting of ail Transit Infrastructure，East China JiaotongUniversity，Nanchang 330013，China;2College of Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)Abstract:Bosed on the design concept of reinforced concrete special-shaped column，a composite cross-shapedconcrete filled steel tubular column formed by the welding of square steel tube and channel steel was put forwardTaking the length and cross-section form as the main parameters，5 specimens were designed and fabricatedThrough the axial compression test，the failure modes and load-strain curves of the specimens were investigated，and the effects of various parameters on the bearing capacity and ductility of the new section concrete filled steeltubular columns under axial compression were analyzed The final faiure mode of composite cross-shaped concretefilled steel tube specimens was a number of small bulge distributed along the specimen length The results showedthat steel tube had good restraint to the concrete，this combination was effective to improve the bearing capacity ofcross-shaped column and improve its ductility The ultimate bearing capacity of specimens with the samecross-seotion form slightly decreased with the increase of column height while the specimens with the same columnheight and different cross-section forms significantly increased with the increase of column leg length，on the basisof current norms，the calculation formula for the bearing capacity of composite cross-shaped concrete filled steeltube columns under axial compression was proposed，the calculated results agreed well with the experimentalresultsKeywords:composite cross-shaped;concrete filled steel tube;composite cross-shaped;bearing capacity;ductility*国家自然科学基金项目(51378206);江西省自然科学基金重点项目(20171BAB216044)。第一作者:谢力，男，1978 年出生，高级实验师。电子信箱:boshini 163com收稿日期:201812150引言随着城市化进程的不断加深，人们对建筑物使用面积和居室的美观性也越来越重视，传统的方形、圆形柱应用于高层建筑时容易出现棱角外露而给建筑物的平面布局和美观性带来诸多不便。异形截面钢管混凝土柱作为一种新型结构形式，不仅具有普通钢管混凝土柱的优点，而且还可使柱肢与填充墙等厚，避免室内出现棱角，满足建筑平面美观的要求，增大房屋使用面积。根据柱在建筑物内所处的位置不同，异形柱可分为 L 形、T 形和十字形。134工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期钢管混凝土异形柱是通过向异形钢管中浇筑混凝土而成的。在保证异形钢管对混凝土充分约束作用的前提下，钢管混凝土异形柱的承载力较高。钢管混凝土的约束效应系数 越大，外钢管对混凝土的约束作用越强，其峰值应力及其对应的应变较大，延性较好，初始刚度较小，耗能能力更强1。为了加强异形钢管对混凝土的约束作用，相关学者212提出了不同的构造措施，来延缓或阻止局部屈曲现象。主要措施有:1)设置约束拉杆:如蔡健等23通过设置约束拉杆来增强约束效果，基于大量试验探讨带约束拉杆 L形、十字形、T 形截面钢管混凝土柱核心混凝土的本构关系;左志亮等4分析了不同截面形式的异形钢管混凝土短柱轴压、偏压力学性能;林云峥5和苏广群6分别对带约束拉杆的十字形钢管混凝土异形柱进行了轴压和偏压性能研究;2)设置加劲肋:如黄宏等7研究了设置加劲肋的宽厚比对方钢管混凝土短柱轴压力学性能的影响;林震宇等8研究了设置加劲肋对 L 形钢管混凝土短柱承载力和延性的影响;王玉银等9对设置钢筋加劲肋 T 形钢管混凝土柱的抗震性能进行了研 究;3)型 钢 组 合:如 徐 礼 华10和 屠 永 清等11研究了将方矩形钢管组合焊接成 T 形柱的轴压力学性能;杨勇等12将两个弯制成“L”形的钢板焊接成 U 形，然后将 U 形钢管和方钢管焊接组合成多腔室的十字形截面柱，并研究其在不同轴压比和防火层厚度下的耐火性能。这些构造措施在一定程度上提高了试件的承载力并改善了其延性。以上研究主要集中在 L 形和 T 形钢管混凝土异形柱，对十字形钢管混凝土异形柱的研究少见报道，且已知的十字形钢管混凝土异形柱焊缝数量较多，不仅力学性能受焊缝质量影响较大，更加大了施工装配的难度。为了提高钢材对混凝土的约束效果并减少焊缝的数量，提出了由方钢管混凝土芯柱和四周矩形钢管混凝土翼柱组合焊接而成的一种新的钢管混凝土异形柱截面形式13。该截面形式可以根据实际工程设计要求，通过增加槽钢数量来增加柱肢的长度。为了验证该组合式十字形钢管混凝土柱的工作性能。本文以试件长度和截面形式为主要参数设计了 5 根试件，对其进行轴压试验，通过观察试件破坏形态以及对比分析荷载应变曲线，讨论了截面形式和柱长对试件轴压力学性能的影响，并在此基础上建议了该类试件的轴压承载力简化计算方法。1试验概况1.1试件的设计与制作试验共设计了 5 根试件，主要考察试件长度和截面形式对组合式十字形钢管混凝土柱轴压力学性能的影响。试件具体设计参数及轴压极限荷载见表1。试件的混凝土强度由与其同批次浇筑和同条件养护 28 d 后的标准试块测得，混凝土试块的立方体抗压强度 fcu，k为 49.4 MPa;分别从方钢管和槽钢余料上取材制作标准拉伸试件，按照 GB/T 228.12010金属材料拉伸试验第 1 部分:室温试验方法 测得方钢管屈服强度 fy为338.3 MPa，槽钢屈服强度 fy为458.6 MPa。组合式十字形钢管混凝土柱由方钢管和槽钢组合焊接而成，为保证截面平整度和试件的垂直度，在试件一端焊接一块厚度为 15 mm 的方形盖板，并作为混凝土浇筑的底模。混凝土养护两周后，将上部混凝土凿毛并填补高强环氧砂浆，待高强环氧砂浆硬化后打磨平整并焊上盖板，以保证试件在加载初期即能共同受力。所有焊缝均按 GB 500172017钢结构设计标准 进行设计，以保证焊缝质量。表 1试件参数及极限荷载实测值Table 1Test parameters and measured values ofultimate load试件编号L/mmats/mmNue/kNS5005001003.69.442 872S7007001003.613.222 764S9009001003.617.002 656SSA7007001003.614.363 763SSA9009001003.618.473 371表中 S、SSA 分别表示 S 形截面(十字形截面)和 SSA 形截面(十字形加肢截面);L 为试件长度，a 为芯柱钢管边长，ts为芯柱钢管壁厚，其他尺寸各试件取值相同，即 h 为槽钢高度，取 80 mm，d 为槽钢腰(腹板)厚度，取 3.1 mm，b 为单槽钢腿(翼缘)长度，取 40 mm，tc为钢腿平均厚度，取 5.3 mm;为绕 X 轴方向长细比(对于 SSA 形截面，其弱轴为 X 轴)，计算方法参照文献 10，Nue为试验实测极限荷载。1.2加载方案及测点布置试验加载布置如图 1 所示。试件安装过程中需使试件的形心与加载装置底座的中心重合以保证几何对中，针对减小试件偏心或不均匀受压对轴压试验的影响，在试件放置过程中需要保持试件的轴心与加载装置底座的中心重合进而保证试件和加载装置几何对中并在盖板顶部加少量石英砂，以理论极限荷载的 10%对试件预加载;通过读取试件中间对称位置的应变值，并以应变值保持一致为标准。若未满足试验的力学对中再进行分级加载时，每级加载持荷2 min。前期加载过程中，每级加载值为理论极限荷载值的 1/10;当加载至理论极限荷载值的组合式十字形钢管混凝土柱轴压力学性能试验研究 谢力，等13580%时，每级加载值减小为理论极限荷载值的1/20，持荷2 min;当加载值接近试件理论极限荷载值时，不再分级加载，而是开始缓慢连续加载，以便记录到峰值荷载，直至荷载下降到峰值荷载的 80%(或纵向应变超过 0.02)时，停止加载并卸载。图 1试验加载布置Fig1Test loading set-up为了便于记录数据和分析描述，按顺时针方向将试件四个面分别标为 17 号面，其标号、位移计和应变片测点布置如图 2 所示。试件下端对称布置4 个位移计，测量其纵向相对位移;在 14 号面的中截面处垂直高度方向布置纵向应变片和横向应变片，测量试件的应变。aS 形截面测点布置;bSSA 形截面测点布置。图 2试件测点布置Fig2Arrangements of measurement points2试验结果及分析2.1试验现象观察 5 组构件轴压试验全过程发现，从试验开始到加载到 90%的极限承载力，所有试件表面都没有出现明显变形、屈曲等变化。以试件 S700 的试验现象为例，加载至 2 185 kN(79%的极限承载力)时，2 号面和 3 号面之间的阴角焊缝处有少量焊渣脱落;轴向荷载从 2 490 kN(90%的极限承载力)增加至2 626 kN(95%的极限承载力)的过程中，试件端部最先出现轻微鼓曲，鼓曲位置为 2 号面距试件底端约 150 mm 处。随后，试件其他面依次出现小鼓曲现象，分别为:3 号面中间部位，3 号面靠近上盖板处，1 号面距试件底端约 180 mm 处，4 号面距试件底端约 150 mm 处。继续持荷至极限荷载的过程中，3 号面下部又出现了明显的新鼓曲，4 号面和 1号面的小鼓曲有较明显的发展，其他已生成小鼓曲无明显变化。推测原因为，此阶段加载过程中，由于3 号面所处的翼柱混凝土为整个试件较薄弱位置，首先发生较大变形，导致试件由轴心受压转变为偏心受压，较大的力由 3 号翼柱分担。而 3 号翼柱首先发生较严重变形的原因是混凝土浇筑不均匀导致。达到极限荷载之后持续加压，轴向变形持续增大，荷载下降缓慢，直至钢管内部混凝土破碎，退出工作，外部槽钢腰壁鼓曲迅速发展并出现多个明显的鼓曲，试件破坏。整个加载周期内，5 组试件出现鼓曲、小鼓曲发展的过程相似。由于端部效应的影响，最早出现的局部鼓曲均位于试件端板附近，随后向试件中部蔓延，中部鼓曲的发展一般较快，沿径向方向的鼓曲程度基本相同。试件最终破坏形态表现为翼柱槽钢外表面多处局部鼓曲，部分试件有槽钢撕裂的情况，表现为剪切型破坏和局部屈曲型破坏10，如图 3 所示。a正视图;b左视图。图 3各试件的破坏形态Fig3Failure modes of specimens对比 S 形截面的 3 组试件可知:S500、S700 和S900 的大部分鼓曲均集中在端部，最终导致试件端部严重鼓曲，S500 的端部效应最明显，焊缝开裂，槽钢腹板撕裂;随着柱长的增高，沿高度方向出现多个小鼓曲，较均匀地分散了应力集中的情况，试件破坏时仍有较完整的外观。对比SSA 形截面的两组试件，大部分鼓曲集中在弱轴所在的翼柱槽钢处，试件破坏形态为弱轴弯曲破坏。值得注意的是，所有试件产生的鼓曲大多集中在腹板面 14 号，而翼缘面 57 号较少出现鼓曲。分析原因为该组合式十字形截面阴角处的宽厚比较小，因此阴角处管壁对混凝土有较好的约束效果。2.2纵向应变发展规律图 4 给出了所有试件的荷载平均纵向应变关系曲线。由于轴压试验后期，钢管加载值超过试件极限承载力，钢管鼓曲位置应变过大，超出应变片测136工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期定范围，所以应变片采集只记录试件达到极限荷载之前的纵向应变值，而试件承受荷载达到极限承载力之后的纵向应变值则由位移计读数换算得出14。图 4荷载平均纵向应变关系曲线比较Fig4Comparisons of N versus curves of specimens图 4 中的 5 根试件的荷载平均纵向应变关系曲线都表现为弹性阶段线性上升，随着荷载的增大进入非线性上升阶段，随后缓慢下降。从加载至加载值达到极限荷载的 55%75%时，试件始终处于弹性工作阶段，轴线荷载与中截面压缩变形呈线性增长，试件表面也没有明显变形，且各试件在此阶段刚度基本一致。当加载值超过极限荷载的 75%以后，试件进入弹塑性阶段，此阶段的荷载平均纵向应变变化曲线表现为非线性变化，轴向压缩变形有较明显增大。当加载至极限荷载时，试件的荷载平均纵向应变曲线有平缓下降，但是下降幅度很小，表明组合式十字形钢管混凝土有较好的延性。对比 5 组试验结果发现:随着试件高度的增加，SSA900 极限承载力较 SSA700 下降了 1.35%，S900 较 S700 下降了 3.91%;保持试件高度不变，改变试件的截面形式时，SSA900 的承载力较 S900提升了 26.92%;SSA700 的承载力较 S700 提升了36.14%，表明试件加肢可以有效提高试件的极限承载力，即该组合式十字形钢管混凝土通过加焊翼柱的形式不仅有较高的承载力，还可以实现装配式施工、灵活改变截面形式，具有良好的适用性。2.3横向应变发展规律组合式十字形钢管混凝土采用 U 型槽钢和钢管组合的截面形式，考虑到试件外表面的 U 型槽钢腹板面和翼缘面尺寸不同，且试件在试验过程中均有不同程度的槽钢腹板撕裂的情况，所以探讨了组合式十字形钢管混凝土轴压横向变形发展规律。分别计算腹板面(图 2 所示的 14 号面)和翼缘面(图2 所示的57 号面)的平均应变，图5 给出了试件的荷载平均横向平均应变曲线的比较，其中 F 表示腹板面，Y 表示翼缘面。所有试件腹板面的平均横向应变均大于翼缘面的平均横向应变，且在加载过程中产生的鼓曲大多集中在腹板面，说明腹板面的横向变形大于翼缘面。后期研究中可考虑采用加厚槽钢腹板的形式来提升组合式十字形钢管混凝土的承载力和延性。aS 形截面;bSSA 形截面。图 5荷载横向平均应变关系曲线比较Fig5Comparisons of N versus curves3轴压承载力简化计算借鉴屠永清等15 提出的多腔室 T 形柱的轴压承载力计算方法，结合现行规范给出的普通钢管混凝土承载力计算公式，提出适用于本文所述的组合式十字形钢管混凝土柱的轴压承载力计算方法。将试件按照腔室分成 1 个方形部件和多个矩形部件，试件的轴压承载力即为几个部件的承载力之和。首先将假定槽钢为如图 6 所示封闭的矩形钢管，该矩形钢管截面长度为 h、宽度为 d+tc(tc为图6 阴影部分厚度)。然后分别计算中心方钢管混凝土柱的承载力和所有假定的矩形(槽钢)混凝土的承载力。最终可认为:构件的承载力=中心部件承载力+所有矩形部件承载力对应个数钢板分担的承载力。设中心部件截面面积为 A1，承载力为 N1;假定的单个矩形部件截面面积为 A2，承载力为 N2;试件整体的组合轴压强度为 f scy，则 S 形截面试件的组合轴压强度表达式为:f scy=NttAsc=N1+4N2 4fy2hdAsc=组合式十字形钢管混凝土柱轴压力学性能试验研究 谢力，等137图 6计算截面示意Fig6Calculated section diagramA1Ascfscy1+4A2Ascfscy24hdAscfy2(1a)SSA 形截面试件的组合轴压强度表达式为:f scy=NuAsc=N1+6N2 6fy2hdAsc=A1Ascfscy1+6A2Ascfscy26hdAscfy2(1b)式中:Asc为试件截面总面积;fy2为槽钢屈服强度(阴影部分的屈服强度与槽钢相同);fscy1、fscy2分别为中心部件和单个矩形部件的组合轴压强度。fscy的取值参考韩林海等的研究16:fscy=(1.18+0.85)fck(2a)=AsfyAcfck=fyfck(2b)式中:为约束效应系数。因此试件的轴压稳定承载力公式为:Nc=Ascf scy(3)式中:为稳定系数，参考文献 16 取值。利用上述组合式十字形钢管混凝土柱承载力计算方法对 5 根试件进行计算，计算结果与本文试验结果列于表 2。其中 Nue为试件实测极限承载力，Nc为利用本文所述公式得到的计算结果。Nc/Nue的平均值为 0.976，标准差为 0.037，表明计算结果与试验结果吻合良好，说明本文提出的承载力计算公式适用于组合式十字形钢管混凝土柱。但由于试件个数有限，其适用范围还需要通过大量的试验，以及进一步的参数分析来确定。表 2简化计算结果与试验结果比较Table 2Comparison between simplified calculation results and experimental results试件编号ats/mmbhdts/mmNue/kNNc/kNNc/NueS5001003.640803.15.39.440.2100.9962 8722 6960.94S7001003.640803.15.313.220.2100.9892 7642 6670.96S9001003.640803.15.317.000.2100.9772 6562 6340.99SSA7001003.640803.15.314.360.2180.9863 7633 5520.94SSA9001003.640803.15.318.470.2180.9723 3713 5041.034结论通过对 5 根组合式十字形钢管混凝土试件的轴压试验结果进行分析，可以得出以下结论:1)组合式十字形钢管混凝土试件由多个腔室组成，提高了钢管对各腔室核心混凝土的约束能力。试件破坏形态以先后出现多个小鼓曲现象为主，极限抗压承载力也有较大提升，当加载超过极限荷载后仍能表现出较好的延性。2)随着试件高度的增加，加载过程中容易出现偏心受力的情况，试件的极限承载力下降。相同高度的组合式十字形钢管混凝土柱，增加两个腔室的 SSA形截面试件比 S 形截面试件的承载力显著提高。SSA 形截面表明该组合式十字形钢管混凝土通过加焊翼柱的形式不仅有较高的承载力，还可以实现装配式施工、灵活改变截面形式，具有良好的适用性。3)利用本文所述的承载力计算公式计算组合式十字形钢管混凝土柱的轴压承载力时，计算结果与试验结果吻合良好。参考文献 1陈梦成，刘京剑，黄宏 方钢管再生混凝土轴压短柱研究J广西大学学报(自然科学版)，2014(4):693700 2蔡健，孙刚 带约束拉杆 L 形截面钢管混凝土的本构关系 J工程力学，2008，25(10):173179 3蔡健，左志亮，赵小芹，等带约束拉杆 L 形钢管混凝土短柱偏压试验研究 J 建筑结构学报，2011，32(2):8390 4左志亮，蔡健，钱泉，等 带约束拉杆 T 形钢管混凝土短柱轴压性能的试验研究J 土木工程学报，2011，44(11):4351 5林云峥 带约束拉杆十字形钢管混凝土柱轴压基本性能研究D 广州:华南理工大学，2010 6苏广群 带约束拉杆十字形截面钢管混凝土短柱的偏压力学性能研究 D 广州:华南理工大学，2011 7黄宏，李毅，张安哥带肋方钢管混凝土轴压短柱的试验研究J 铁道建筑，2009(12):113115 8林震宇，沈祖炎，罗金辉，等 L 形钢管混凝土轴压短柱力学性能研究 J 建筑钢结构进展，2009，11(6):1419 9王玉银，杨远龙，张素梅，等 T 形截面钢管混凝土柱抗震性能试验研究 J 建筑结构学报，2009(增刊):355359(下转第 196 页)196工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期土占比超过复合先导组分总质量的 30%，复合地聚物胶材的工作性变差。3)随着碱激发组分中水玻璃掺量增加，复合地聚物胶材的强度先快速下降，后缓慢提升;随着碱激发组分中氢氧化钠掺量增加，复合地聚物胶材的强度大致呈“U”形分布;掺适量碳酸钠、改变水固比或改变养护介质，对复合地聚物胶材的强度产生轻微影响。4)结合强度、工作性和体积稳定性，优选获得新型复合地聚物胶材的最佳配方:矿渣粉 275 g，偏高岭土 75 g，粉煤灰 100 g，普通硅酸盐水泥 50 g，水玻璃 400 g，氢氧化钠 47 g，蒸馏水 56 g。参考文献 1MEHTA P K Sustainable cements and concrete for the climatechange era:a reviewC/Second International Conference onSustainable Construction Materials and Technologies 2010 2SINGH N B，MIDDENDOF B Geopolymers as an alternative toPortland cement:an overview J/OL Construction and BuildingMaterials，2020，237(20200320)20210410 https:/doiorg/101016/jconbuildmat2019117455 3DAVIDOVITS J Geopolymer cement a review Paris:Geopolymer Science and Technics，Technical Paper#21，2013 4JIANG C H，WANG A Y，BAO X F，et al A review ongeopolymer in potential coating application:materials，preparationand basic properties J/OL Journal of Building Engineering，2020，32(20201116)20211221 https:/doiorg/101016/jjobe2020101734 5诸华军，姚晓，张祖华矿渣掺量对偏高岭土碱激发过程和产物性能的影响J 非金属矿，2008(4):1617，65 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