弱黏结薄壁圆钢管混凝土短柱轴心受压试验.pdf

2 0 1 5年第 9期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng 45 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 4 5 0 5 弱黏 结薄壁 圆钢 管混凝 土短柱轴 心受压试验 张文 江 ， 孟 志 良 ， 白永兵 ， 苏胜昔 ， 杜二 霞 ( 1 河北 大学 建 筑工程学院 ， 河北 保定0 7 1 0 0 2 ； 2 河北农业大学 城 乡建设学 院 ， 河北 保定0 7 1 0 0 1 ) 摘要： 对 5个薄壁钢管混凝土短柱进行了轴心受压试验。其 中3个试件 的钢管 内壁与混凝 土间的黏结 作 用被 削弱 ， 以研 究此状 态下核 心 混凝 土与 外钢 管 间荷 载 的传 递方 式 、 外钢 管的 受力状 态 以及 试件 的破 坏模式。试验结果表明： 削弱核心混凝土与外钢管问的黏结作用造成加载端混凝土的荷载份额增大， 在 该部分发生局部破坏的可能性增大， 钢管纵深部分承担的荷载减 少； 混凝土内部设置钢管可以增强混凝 土的承载能力， 同时有利于荷 载向纵深传递， 使荷载在较大区域 内均 匀分布， 有利 于材料性能的充分发 挥 ， 可 以作 为钢 管 削弱或 者核 心混凝 土 与钢 管 间黏 结作 用 削弱条 件 下提 高承 载力 的一种 构造措 施 。 关键词 ： 界面弱黏结 钢管混凝土 薄壁 短柱 轴压试验 中 图分类 号 ： T U 3 7 5 3文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 - 1 9 9 5 2 0 1 5 0 9 1 4 钢管混凝土在建筑领域的应用 日趋广泛 ， 除 了在 高层和超高层建筑 中大量的工程实践外 ， 开展钢管混 凝 土 在低 层和 多层 住宅 结构 中的应用 研究 具有 很大 的 实际意义。从经济性方面考虑 ， 此类建 筑的构件多倾 向于采用薄壁钢管混凝土 ， 但是一些研究表明， 由于薄 壁钢管混凝土构件 的钢板厚度较薄 ， 往往是钢管在 尚 未达到屈服强度的情况下就发生 了局部屈 曲， 不仅降 低 了构件 的极 限 承载 力 ， 其 材 料 性 能也 没 有 得 到 充 分 发挥。一些研究成果也建议采用加劲 的方式增强钢管 的刚度和增加钢板与混凝土之间的变形协调来解决 ， 虽然能够取得一些效果 ， 但是 同时也增加 了施工的复 杂性 t - 3 。1 9 8 5年 S a k i n o等 进行了 1 8个圆钢管混 凝土 轴 心受压 短柱 试 件 的 试 验研 究 ， 试 验 采 用 了三 种 加载方式 ， 其中一种加载方式是荷载仅仅作用在混凝 土上 ， 同时试件采用 了涂抹润滑油的方式来减弱钢管 与核心混凝土黏结作用 。S a k i n o等的研究 表明： 在加 载初期 ， 此类试件的轴压 刚度最小 ， 而后期的极限承载 力 最 大 。本文 的试 验研 究 以此 为 出发 点 ， 采 用 削 弱 钢 管 内壁与核心混凝土间黏结作用 的方法 ， 由核心混凝 土提 供轴 向承 载力 ； 同时 突 出钢 管对 混 凝 土 的径 向约 束作用 ， 亦 即削弱钢管的轴向受压份额 ， 突出钢管环向 的约束作用， 寻求提高试件初期刚度和充分发挥钢管 材料性能的途径 ， 为钢管削弱情况下 的钢管混凝 土构 件 设计 提供 参 考 。 收稿 13期 ： 2 0 1 5 0 5 - 0 8； 修回 日期 ： 2 0 1 5 0 7 - 2 0 基金项 目： 河北大学 自然科学研究计划项 目( 2 0 1 3 2 6 1 ) 作者简 介： 张文江 ( 1 9 6 8 一) ， 男 ， 江苏南京人 ， 副教授 ， 博士 。 1 试 验概 况 1 1试 件制 作 设计制作了 5个薄壁 圆钢管混凝 土短柱 ， 试件编 号为 WC F T 一 1WC F T 一 5 。外钢管采用 1 6 5 m m2 2 mm 4 8 0 m m直 缝 焊 管 ， 径 厚 比为 7 5， 长 径 比为 2 9 ； 除试件 WC F T 1以外 ， 其余试件外钢管均减短 3 0 m m 制 作 。 内钢 管采 用 8 9 m m 4 m m 3 0 0 m m 和 8 9 m m 4 mm 2 0 0 m m直缝焊管 ， 钢管外壁焊接 4 , 4 m m 3 0 m m短钢筋 ， 短钢筋沿钢管周长等间距布置 8根 ， 沿 轴向布置间距为 3 0 m m。外钢管钢材为 Q 3 4 5 ， 内部钢 管钢材为 Q 2 3 5 。钢管 内浇筑细石混凝土 ， 强度等级为 C 4 0 ； 为了减弱核心混凝土与外部钢 管壁之 间的黏结 作用 ， 除了 WC F T 一 1和 WC F T 一 2以外 的试件在外钢管 的内部 均涂 抹 了润滑 油 。除 了 WC F T 一 1以外 的核 心 混 凝 土均 高 出外钢 管 5 0 m m。为 了提 高混凝 土端 部抗 压 能 力 ， WC F T 一 2和 WC F T 一 3在 核 心混 凝 土 顶部 1 0 0 m m 范 围 内配置 钢筋 笼 ， 钢 筋 笼 保 护层 厚 度 为 2 0 m m。钢 筋笼纵筋直径为 8根 4， 沿 圆周等间距 布置 ； 环形分 布 筋为 西 3铁丝 ， 间距 3 0 mm。WC F T - 4在 核 心混 凝 土 顶 部 3 0 0 m m高 度 内设置 内钢 管 ， WC F T - 5在核 心混凝 土 顶部 2 0 0 m m 高 度 内设 置 内钢 管 。试 件 构 造如 图 1 所示 。试 件 钢管 内细石 混凝 土立 方抗 压强 度实测 值为 4 2 9 N ram 。外钢管 和内钢管钢材屈服强度 实测值 分别 为 3 2 9 9 N ra m 和 2 9 3 0 N m m 。 1 2试验 加载 试件 在 2 0 0 0 k N压 力 试 验 机 上 进 行 轴 压 试 验 。 试验 装置 如 图 2所示 。试验采 用 电液伺 服压 力试 验机 铁道建筑 9 f 1 _ 、 变片 _ I - - E 丝 _ _ _ WCF T 1 WCF T 2 WCF T 3 W C F T - 4 W C F T 5 图 1 试 件 构 造 示 意 图 2加载试验装置 测试系统控制加载。正式加载前先对试件进行预加载 至 5 0 k N， 以消除试 件加工的局部 问隙。为了减弱加 载板对试件端部约束条件 的影响 ， 在上端加载板表面 涂抹润滑油 ， 使核心混凝土的约束作用来 自于外部钢 管。试件在峰值荷载前荷载传递方式是试验主要测试 内容。加载初期为荷载控制 ， 加 载速度为 1 k N s ， 当 加载 过程 出现 荷载 不再 增 加 或 者 下 降 ， 并 且位 移 出现 快速增长时停止加载。 1 3数据 测试 在试件外钢管外壁纵轴方 向等间距布置多个电阻 应 变片 和应变 花来 获得 外钢 管轴 向不 同位 置 的应 变数 据 ， 具体布置位置如图 3所示 。试件 的纵 向变形 和轴 向荷 载 由 电液 伺 服压力 试验 机测 试系 统提供 。同时在 试件 的对 角位 置对 称布 置 2个 位 移计对 变形 数据 进行 校核 ， 并 对 加 载 进 程 进 行 评 判 。位 移 和 应 变 数 据 由 D H 3 8 1 8数据 采集 仪进行 采 集 。 图 3 应 变片布置( 单位 ： mm) 2 试 验结果 本试验的工作着重于试件达到峰值荷载之前钢管 与核心 混凝 土之 间 的 内力 传 递 的情 况 。试 件 WC F T 一 2 WC F T 一 5在加 载过 程 中尽 管核 心混 凝土 顶部 突 出部 分出现了局部压溃现象 ， 但是核心混凝土顶部均没有 低于 钢管顶 部 ， 即在 整个 加 载 过 程 中荷 载 始 终 没 有 直 接施 加在 钢管顶 部 。 2 1抗压 刚度 在进 行试 验 的 5个 试 件 中 ， 除 了试 件 WC F T 1在 加载 的后 期 出现较 明显 的屈 曲现 象 ， 并 出现 位 移 迅 速 增长 情况 而 中断加 载 以外 ， 其 余 试 件 均加 载 至荷 载 不 增加情况下位 移出现明显 快速增长。所有试 件的荷 载一位移曲线如图 4所示。图中 F为荷载值 ， s为试 件的轴向变形值。从图中可 以看 出： 由于试 件制作 的 缺 陷 ， 加 载初期 所 有 荷 载一 位移 曲线 的初 始 段 刚度 偏 小 。除此 之 外 ， 与 同 时对 钢 管 和核 心 混 凝 土 施加 轴 压 荷 载 的试 件 WC F T 1相 比较 ， 核 心混 凝 土 加 载 的试 件 WC F T 一 2 和 WC F T 一 3在 加载初 期 的抗压 刚度 更加偏 小 ， 而加载中期的刚度与 WC F T - 1接近 ， 这与其顶部钢管 约束减弱有关。而试件 WC F T 4和 WC F T 一 5采用设置 内部钢管的构造 ， 中期抗压刚度略高于 WC F T 1 ； 说明 内部钢管起到了沿其高度范围向核心混凝土的更大范 围传递荷载的作用， 使核心混凝土端部局部分担 的荷 载减小 ， 从而减小 了混凝土的压缩变形。可见采用配 置 内部钢管的构造对提高试件的抗压刚度是有利的。 图 4荷 载 一 位 移 曲 线 2 2核心 混凝 土与 钢管 间荷载 传递 5个试件 钢 管外壁 荷载 与轴 向应 变 的关 系 曲线 如 图5所示。其中， F为轴压荷载值 ， 为应变值。图中 分别 给 出 了每个试 件钢 管外壁 不 同位置 纵 向应变 随着 荷 载变化 的规 律 。从 图 5可 以看 出 以下 几 点 ： 1 ) 试 件 WC F T - 1 在 整个加 载 过程 中钢 管 的轴 向应 变 的增 长速 度按照 自上 而下 的顺 序 递 减 ， 可 以表 达 钢 管 的 轴 向 应 力 或 者 屈 曲 程 度 的 变 化 规 律 。 试 件 WC F T 一 2的变化 规 律 与 试 件 WC F T 一 1接 近 ， 说 明 当 钢 咖枷瑚跏 枷瑚。 至 2 0 1 5年第 9期 张文江 等 ： 弱黏结薄壁 圆钢管混凝 土短柱轴心受压试验 4 7 1 1 1 互1 ， f 1 0 一 ) ( a ) W C F T- 1 e ( 1 0 一 ) ， ( 1 0 一 ) ( b )WCF T - 2 ( c ) WC FT - 3 图 5试件轴向应变 管与核心混凝土黏结作用不削弱 的情况下， 钢管荷载 的传递模式不变 。但是由于混凝土分担的荷载份额较 大 ， 在加 载 到混凝 土 开裂 后 ， 试 件 WC F T - 2钢管 下部 的 应变增长速度 比试件 WC F T 一 1略有降低。表明核心混 凝土整体性 良好时 ， 混凝土与钢 管之 间的内力传递较 顺利。当混凝土开裂变形后 ， 内力向下传递出现阻碍 ， 表现为钢管下部应变增 长较慢 ； 同时变形 的混凝土部 分增强了向黏结钢管的内力传递过程 ， 表现为钢管上 部应 变增 长 没有 减慢 。 2 ) 试件 WC F T 3钢 管与混凝土 的黏 结作用削弱 后 ， 由于没有 钢 管分 担轴 压荷 载 ， 无 钢 管约束 端混 凝 土 受压变形增 大 ， 变形主要 发生在靠近混凝 土突 出端。 而且 ， 核心混凝土横 向变形过程 比荷载 向下传递 的速 度 要快 。钢 管上 部纵 向应 力 与下部 相 比较增 长速 度快 并且集中， 这与试件的破坏模式相符合。 l 6 00 l 4 00 1 2 0 0 Z 1 o o 0 8 00 6 00 4 0 0 2 0 0 0 1 60 0 1 4 00 1 2 0 0 Z 1 0 0 0 80 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 O l 60 0 l 4 0 0 1 2 0 0 Z 1 0 0 0 80 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 s ， f 1 0 一 ) ( d ) W C F T M 1 0 ) ( e )WCF T 一 5 3 ) 试件 WC F T 一 4和 WC F T 一 5由于内部钢管的荷载 传 递作 用 ， 在 整个 加 载过 程 中外 钢 管外 壁 纵 向 的应 力 分 布接 近于 均衡 ， 没 有 集 中于 局部 的应 变 增 长 。靠 近 混 凝土 突 出端钢 管应 变 增 长 并 不显 著 ， 直 至外 钢 管 上 端达到屈服应变 ， 中部及下部钢管外壁也接近屈服应 变。说明内部钢管起到了在一定范围内将荷载较均匀 地传递给混凝土的作用。混凝土的均匀变形也将荷载 比较均匀地传递不同部位的钢管外壁 ， 使其应变增长 幅度接近。从两个试件 比较 看， 两种长度 的内部钢管 构造对荷载传递效果影响不 大， 说明内部钢管埋设深 度超 过外 钢 管直径 即可满 足荷载 传递 要求 。 2 3钢 管的环 向约束 图 6是 5个 试 件荷 载与 钢管外 壁环 向应 变 的关 系 曲线 。由图 6中环 向应变 曲线 的分 布可 以看 出以下 两 点 。 图 6试件环 向应变 1 ) 试件 WC F T 一 1钢管上端的环向应变增长迅速 ， 中下部的环 向应 变增长较慢 。试件 WC F T 2和试 件 WC F T - 3的 中 下 部 应 变 增 长 速 度 与 试 件 WC F T 一 1接 近 ， 且均 没 有达 到 屈 服 应 变 。试 件 WC F T 3的上 端 环 向应变 增长 速 度 快 于试 件 WC F T 1和试 件 WC F T 2 。 可以认为 ， 钢管与核心混凝土黏结作用削弱后 ， 核心混 凝 土承 担 的荷载 较 大 ， 混 凝 土 变形 较 大 且 集 中在 上 端 约束薄弱处 ； 钢管受到混凝土膨胀的影响， 环向应变增 长迅 速 。 2 ) 试 件 WC F T 一 4和试 件 WC F T 一 5钢 管外 壁 的所 有 应变 在 整个加 载 过程 中增 长 缓 慢且 分 布 均 匀 ， 即钢 管 环 向应 力 分布从 上 部 到下部 是 比较 均匀 的 。表 明内部 1 1 1 互 60 0 40 0 2 0 0 o o o 8 0 0 60 0 40 0 2 0 0 0 1 60 0 1 4 0 0 1 2 0 0 Z 1 o o o 8 0 0 60 0 40 0 2 0 0 0 钢管将轴压荷载较均匀地分配给了核心混凝土 ， 避免 出现局部内力过大产生局部较大的变形。当达到峰值 荷 载时 ， 钢管 上部 和下 部环 向应 变在 达到屈 服后 ， 均 有 较大的增大且增长速度很快。钢管上部及下部的环向 应变和纵向应变接近于 同时达到屈服应变 ， 钢管的材 性发 挥较 为充 分 。 2 4破 坏模式 试件 WC F T - 1在加 载 至 7 0 0 k N时 ， 混凝 土 出现爆 裂声 ， 随即钢管上段逐渐 出现明显外鼓 。加载至 1 5 0 0 k N时钢管 上 端 明 显 偏 移 造 成 偏 心 加 载 ， 荷 载 不 再 增 长 ， 位 移 明显增 加 ， 加 载停 止 。钢 管除 了上部 有 明显 的 变 形外 ， 没 有 明显 的屈 曲出现 。 2 0 1 5年第 9期 张文江等 ： 弱黏结 薄壁圆钢管混凝土短柱轴心受压试验 4 9 4 结论 通过对试验结果的分析， 可以看出 ： 当轴向荷载 仅仅 施加 于核 心 混凝 土 以及 核 心混 凝土 与外 钢管 问 的 黏结 作用 被 削弱 时 ， 混 凝土 的破 坏靠 近加 载端 ， 并且 混 凝土的破坏使荷载更多地向外部钢管传递 ， 同时减弱 了荷载向钢管纵 深传 递。核 心混凝土设置 内部钢 管 ， 可以在局部外钢管约束作用及核心混凝土与外钢 管黏结作用被削弱的情况下起 到补强 的作用 ， 并能够 充分发挥混凝土和钢管的整体性能。 参 考 文 献 1 H O J C M， L U O L U n i A x i a l B e h a v i o r o f N o r m a l s t r e n g t h C o n - c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e C o l u m n s w i t h E x t e r n a l C o n fi n e m e n t J E a r t h q u a k e s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 1 2 ， 3 ( 6 ) ： 8 8 9 9 1 0 2 B R I D G E R Q， o S H E A M D B e h a v i o u r o f T h i n Wa l l e d S t e e l B o x S e c t i o n s w i t h o r w i t h o u t I n t e r n a l R e s t r a i n t J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l Re s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 4 7 ( 1 2 )： 7 3 91 3 T A O Z h o n g ， u Y B， H A N L i n h a i ， e t a 1 A n a l y s i s a n d D e s i g n o f Co n c r e t e f i l l e d Th i n wa l l e d St e e l T ub ul a r Co l u mn s u n de r Ax i a l C o m p r e s s i o n J T h i n w a l l e d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 9 ， 4 7 ( 1 2 ) ： 1 5 4 4 1 5 5 6 4 S A K I N O K， T O MI I M， WA T A N A B E K S u s t a i n i n g L o a d C a p a c i t y o f Pl a i n Co n c r e t e S t u b Co l umns Co n f i ne d b y Ci r c u l a r S t e e l T u b e s C P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l S p e c i a l t y C o n f e r e nc e o n Co n c r e t e f i l l e d S t e e l Tub u l a r St r uc t u r e s Ha r b i n： ASCCS 1 98 5： l 1 2 1 1 8 5 张耀春 ， 王秋萍 ， 毛小勇 ， 等 薄壁钢管混凝土短柱轴压力学 性能试验研究 J 建 筑结 构 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 ) ： 2 2 2 7 6 蔡 绍怀 ， 焦 占拴 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 3 2 9 7 江韩 ， 储 良成 ， 左江 ， 等 轴心受压双钢管混凝土短柱正截 面 受压 承载力理论分析及试验研究 J 建 筑结 构学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 9( 4 )： 9 6 1 0 5 Ax i a l c o mp r e s s i o n t e s t o f c o nc r e t e - f i l l e d t hi n- wa l l e d s t e e l c i r c u l a r t u be s ho r t c o l u mn wi t h we a k i n t e r f a c e b o n d i n g Z HAN G We n j i a n g ， ME NG Z h i l i a n g ， B AI Yo n g b i n g ， S U S h e n g x i ， DU E r x i a ( 1 C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， He b e i Un i v e r s i t y ， B a o d i n g He b e i 0 7 1 0 0 2， Ch i n a ； 2 I n s t i t u t e o f Ur b a n a n d Ru r a l Co n s t r u c t i o n ， Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y o f He b e i ， B a o d i n g He b e i 0 7 1 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： The pa pe r c a r r i e s o ut Axi a l c omp r e s s i v e t e s t s o n f i ve r o un d t h i n wa l l e d s t e e l pi pe r e i n f or c e d c o nc r e t e s h or t c o l u m ns wi t h t he p ur p os e o f unc o ve r ing t he l o a d i ng t r a n s mi s s i on be t we e n the c o r e c o nc r e t e a n d the s t e e l pi pe ，t he f o r c e b e a r ing p e r f o r ma n c e o f the p i p e a n d t h e f a i l u r e p r o c e s s o f t h e s t u d y o b j e c t s I t i s n o ti c e d in thr e e s p e c i me n s tha t th e a d he s i v e pe r f o r m a nc e a t s t e e l c o nc r e t e i nt e r f a c e i s we a ke ne d， wh i c h tri g g e r s the inc r e a s e o f l oa ding b o r n b y the c o nc r e t e a t t he i m p ul s i o n e nd， whi l e the ve r ti c a l l o a d i ng o n th e s t e e l p i pe i s s o me ho w e a s e d The r e f or e ，t h e r e i s a g r e a t e r c h a nc e f o r the i mp ul s i o n e n d of the s p e c i m e n t o e nc o unt e r l o c a l f a i l u r e On t hi s ba s i s ，t he p a p e r c o nc l u de s tha t the s t e e l p i p e e mbe dd e d he l p s im p r o v e the b e a r i ng c a pa c i t y of the c o nc r e t e， a nd a t th e s a me t i me the d e s i g n i s c o nd uc i v e t o t h e ve r t i c a l tra ns mi s s i o n a n d a n e ve n l o a d ing d i s t r i buti o n As the m a t e r i a l po t e nti a l i s n o w f ul l y t a p pe d ， th e s c he m e s h a l l b e in t r od uc e d a s a s t r u c t ur al me a s u r e t o im pr o ve be a r ing c a pa c i t y i n c a s e o f we a ke ne d s t e e l pi pe o r we a k e ne d in t e r f a c e a d he s i on Ke y wo r ds： W e a k i nt e r f a c e b o nd i ng； Co nc r e t e f i l l e d s t e e l t u be； Thi n wa l l e d； S ho r t c o l u m n； Ax i a l c o m p r e s s i ve t e s t ( 责任审编 孟庆伶)