设直肋薄壁方形钢管混凝土短柱性能研究.pdf

2 0 1 4年 第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 1 2 De e e mb e r 设直肋薄壁方形钢管混凝土短柱性能研究 左 工 ， 王振 波 ， 乔 燕 ， 李 泽 良 ( 1 宿迁学院建筑工程系， 2 2 3 8 0 0 ； 2 南京工业大学土木工程学 院， 2 1 1 8 1 6 ) 摘要 ： 为 了分析 薄壁方形钢 管混凝土的力 学性 能， 考虑 到钢材成本 ， 在含钢量 不变的条件下 ， 对 8个短柱试件 进行 轴压试验 通过 改变构件 的截面厚度和加肋形式 ， 分析 了薄壁方管 内侧 设单向直肋 、 设 双向直肋和外部设单向直 肋对薄壁钢管混凝土短柱的极 限承载 力、 破坏特征及 受力性能的影响 。试 验结果表 明， 在舍钢 量不变的情况下 ， 构件 内部 设肋可 以有 效延 缓薄壁方形铜 管混凝土 构件 管壁局部屈 曲的发 生 ， 设 双肋 比设 单肋效 果更加明显 ， 但在 改善 构 件极 限承载力方面 效果并不明显 ； 外侧设加 劲肋的设 置不能有效延缓钢管混凝土 管壁 的局部屈 曲。 关键词 ： 方形薄壁钢管混凝土 ； 短柱 ； 舍铜 率； 加劲肋 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t O a n a l y z e t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h i n wa l l e d s q u a r e s t e e l t u b e c o n c r e t e ，a n d c o n s i d e r f r o m t h e a n g l e o f t h e e c o n o mi c c o s t o f s t e e I ，u n d e r t h e c o n d i t i o n o f i n v a r i a b l e i n t h e s t e e l r a t i o ， t h e a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t s o f e i g h t s h o r t c o l u mn s p e c i me n s a r e c a r r i e d o u t B y c h a n g i n g t h e c o mp o n e n t o f C R O S S s e c t i o n t h i c k n e s s a n d fib b e d f o r ms ， t h e i n f l u e n c e o f t h i n - w a l l e d s q u a r e t u b e i n s i d e a o n e w a y s t r a i s h t r i b ，a t wo - wa y s t r a i g h t r i b a n d o u t s i d e a o n e - wa y s t r a i g h t r i b s O ff t h e u l t i ma t e b e a rin g c a p a c i t y ，f a i l u r e c h a r a c t e ri s t i c s a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e t h i n w a l l e d c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u bul a r s h o rt c o l umn a r e a na l y z e dTh e t e s t r e s u l t s s ho w t h a t un de r t he c o n di t i o n o f t he s a me s t e e l c o n t en t ，s e t t i n g up r i b s i n s i d e me mb e r s c a n e f f e e fi v dy s l o w d o wn t h e w a l l l o c a l b u c k l i n g o f t h e s q u a r e c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b u l a r me mb e r s ， a n d e f f e c t o f s e t t i n g u p d o u b l e ri b s i s mo r e o b v i o u s t h a n t h a t o f a s i n g l e ri b ，b u t i n i mp r o v i n g c o mp o n e n t l i mi t b e a r i n g c a p a c i t y ，t h e e f f e c t i s n o t v e r y o b v i o u s ；s e t t i n g u p t h e s t i f f e n i n g r i b o u t s i d e me mb e r s e a n n o t e f f e c t i v e l y d e l a y t h e l o c a l b u c k l i n g o f s t e e l t u b e c o n c r e t e w a l 1 Ke y wo r d s ：S q u a r e t h i n w a l l e d s t e e l t u b e c o n c r e t e ；S h o rt c o l u mn ； S t e e l c o n t e n t ； S t i f f e n i n g r i b 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 7 9 文献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 4) 1 2 43 0 4 0前 言 ， 薄壁钢管混凝土( C o n c r e t e F i l l e d T h i n Wa l l e d S t e e l T u b e ) 是指在薄壁钢管 中灌注混凝土并使钢管 及 其 核 心 混 凝 土 能 够 共 同承 受 外 荷 载 的一 种 新 型 结构构件 。薄壁钢管是指截 面直径与厚度 的比值 ( 圆钢管 ) 以及 宽度或高度与厚度 的 比值 ( 方 、 矩形 钢管 ) 超过钢结构对其局部屈曲控制 的限值或者 钢 管壁厚小于 3 m m的钢管 11 。由于该结构充分发挥 了 薄壁钢管和核心混凝土 的材性优 点 ， 近年来受到了 较为广泛的关注 2 - 3 。为了进一步改善薄壁方形钢管 混凝 土 的力 学性 能 ，本 文 在 含 钢 量 不 变 的条 件 下 ， 通过改变构件的截 面厚度 和加肋 形式来分析 薄壁 方管加劲肋对薄壁钢管混凝土短柱的极 限承载力 、 破坏特征 、 受力性能的影响。 1 试 验概 况 1 1 试件设计与制作 本试验共设计 8个试件 ， 具体包括 1根对 比柱 基金项 目： 宿迁 市科 技局项 目( Z 2 0 1 2 0 7 ) ； 宿迁学 院重点科 研 项 目( 2 01 3 KY2 1 ) 。 和 7根带肋钢管混凝土柱 ， 钢材采用 Q 2 3 5碳素钢 按材料力学标准试验方法进行拉伸试验 ， 材料性能 指标见表 1 ，构件钢管由从母钢上按预定 的尺寸切 割下 的四块钢板剖 口焊接而成 ， 对 于带加劲肋 的试 件 ， 先沿纵 向焊接加劲肋 ， 再拼焊成钢管 ， 钢管核心 混凝土采用强卧式 5 0 L混凝土搅拌机拌合 采用插 入式振捣棒振捣密实 ， 自然条件下养护 2周后用高 强砂浆找平上 口， 然后焊接 1 0 m m厚 的上盖板 。 混凝 土的力学性能见表 2 。 薄壁方形钢管试件相关参 数 见表 3 表 1 钢 材 的力 学 性 能 混凝土立方体抗 混凝 土轴 心抗压强 弹性模量 压强度 MP a 度A MP a E s MP a 3 5 9 2 5 9 3 0 x 1 0 4 3 左工 ， 王振波 ， 乔燕 ， 等 设直肋薄壁方形钢管混凝土短柱性能研究 位 移A m m 图 3 对 比柱与内设单肋构件荷载一 位移 曲线 图 Z 铺 柱 Z 铺 框 位移 A mm 图 4对 比柱与 内设双肋构件荷载一 位移 曲线 位移 a ra m 图 5 对 比柱与外设单肋构件荷载一 位移 曲线 图 设肋形式对试件荷载一 平均应变关系曲线的影响。 由图 6 一 图 9可得 ， 所有试件 的荷载一应变 曲线 大部分都呈现到达峰值承载力后明显下 降的趋势 ， 但相 比与内部设单肋构件相 比， 无肋构件 的承载力 略有提高 ， 峰值应变也相应有所增加 ， 在其荷载一 应 八 枢 应变 8 , z t 图 6 C F S S T U R荷载一 应变 曲线 图 。 -： - l 角 部 横 t 应变 应变 一6 0 0 0 4 0 00 2 0 0 0 0 2 O O O 4 O0 0 6 0 0 0 应变 “ 8 图 7 C F S S T S R 一 1荷载一 应 变曲线图 应变 应变 一 4 0 0 0 -3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 oo 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 o o O 应变 8 ， 图 8 C F S S T D R 一 2荷载一 应变曲线图 l 0UU 1 2 o o 毒一纵 向 应 f 应变 ， 8 图 9 C F S S T O S R - 1 荷载一 应变 曲线 图 变曲线下降阶段 可 以看到内部设单肋构件的曲线 下降段 比无肋构件要平缓 ， 同时 内部设双肋构件的 承载力略低 于设单肋 和无肋薄壁钢管混凝土构件 ， 但曲线下降段较为平缓 ， 另外 ， 从 图中还可以看 出， 外侧设加劲肋构件承载力和 曲线下降段 的平缓 程 度和无肋构件都很相似 ， 说 明在含钢率不变 的情况 下 内部设双肋 内侧设加劲肋和 内部设单肋不能明 显增加构件的极限承载力 但可 以有效的延缓钢管 混凝 土管壁的局部屈曲 ， 外侧设加劲肋在承载力和 延缓钢管混凝土管壁的局部屈 曲均没明显效果 。 2 4 构件承载力提高系数 、 轴压延性分析 为研究设肋形式对 薄壁钢管混凝土 短柱的极 限承载力和试件截面延性 的影响 ， 本文引入薄壁方 形钢管混凝土的轴压承载力提高系数为 7】 和延性 系数 ( D I ) 指标 圈 。 4 5 2 0 1 4年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 4期 |S 仁 v 0 ，式 中： 为试 验极 限承载力实 测值 ， k N； N o 为名义轴压承载力， k N， No = A ， 其 中 、 A 分别为钢管管壁截面面积 、加劲肋总 截面积 、混凝土截面面积 ， mm ； f f c 为钢管屈服强 度 和混凝 土轴 心抗 压强 度 ， MP a 。 D I = Ama x Ay ，式中： Ama x取构件荷载下降到 构件 极 限荷载 8 5 时 的柱 顶位 移值 的最大 弹 塑性 位 移 ， m m； Ay取 构 件荷 载上 升段 达 到极 限荷 载 7 5 时所对应 的轴 向变形值 ， n l m。 各构件的承载力提高系数与延性系数见表 4 。 表 4 薄壁方形钢管构件性能参数对 比 注： D， ( 1 为构件 C F S S T U R的 D ， 值 ； s 为试件极 限荷载时 的纵 向平均应变 。 由表 4可 知 ，试 验测 试 所 有试 件 极 限 荷 载时 ， 钢材 应 变量 均超 过 了试 件 的屈 服 应变 ( e = 1 4 5 0 ) 。 对于 内部设单肋情况 ， 随着加劲肋刚度的提高先 增大后减小 ， 这是 由于加劲肋宽厚 比增大的同时管 壁壁 厚 减 少 。 即套 箍 系数 减 少 而加 劲 肋 刚 度不 断 增 大 ， 其 中试件 C F S S T U R的 最大 ； 在宽厚 比( 跳 ) 相同情况下 ， 内部设单肋与无肋对提高构件 的承载 力的能力相似 从试件的 变化可以看 出， 内部设 置加劲肋 在一定范同内能够提高方钢 管混凝 土柱 的延性性能 ， 加劲肋宽厚 比越大 ， 管壁越薄 ， 试件延 性越低 ( 如试件 C F S S T S R 一 2 、 C F S S T D R 一 3 ) ； 设 置 加 劲 肋 对 方 钢 管 混 凝 土 的 承 载 力 提 高 系 数 相 比于 无肋 的要低 这是 由于设肋后的钢管混凝土套箍系 数 变小 ， 钢管约束核心混凝土的效应降低。 3结 语 ( I ) 在 总含钢量不变前提 下 ， 设置加 劲肋 的薄 壁钢管混凝土柱的套箍作用降低 ， 其极限承载力低 于无肋 钢管混凝土柱 ： 相 同宽厚 比条件下 ， 内部设 单肋 比无肋对提高构件的承载力的能力略低。 ( 2 ) 在含钢率不 变的前 提下 ， 构 件内部设肋可 以有效的延缓壁方形钢管混凝土构件管壁局部屈 曲的发生 、 设双肋比设单肋效果更加 明显。但在改 善构件极限承载力方面， 效果并不十分明显。 ( 3 ) 在含钢率不变的前提下 ， 加劲肋设在管壁 内侧 比设置在外侧对 于延缓壁方形钢管混凝 土构 件管壁局部屈曲效果明显 ， 对于设置在外侧的单肋 构件 ， 其构件屈曲效果与无肋构件较为相似。 ( 4 ) 计算结果与试 验现象吻合 良好 ， 为进一步 46 探讨薄壁方形钢管混凝土短柱的力学性能 、 钢板强 度 、 加肋形式 、 钢板宽厚 比、 加肋数量的研究提供 了 有力的依据。 参 考 文 献 ： 川 陶忠， 于清， 新 型组合结构 柱一 试验 、 理论和方 法f M】 北京： 科学出版社， 2 0 0 6 【 2 】 韩林海 钢管 混凝 土结构一理论和实践 M 】 北京 ： 科学 出版 社 2 0 0 4 【 3 】张耀春， 陈勇 设直肋方形薄壁钢管混凝土短柱的试验研 究与有限元分析 J 1 建筑结构学报， 2 0 0 6 2 7 ( 5 ) ： 1 6 2 2 【 4 】 刘永健， 张俊光， 徐开磊， 等 设纵肋钢 箱混凝土轴压短柱 试 验研究 j 建筑结构学报， 2 0 1 1 ( 1 o ) ： 1 5 9 1 6 5 【 5 】 O S h e a M D ， B ri d g e R Q D e s i g n o f c i r c u l a r t h i n w a l l e d c o n c r e t e fi l l e d s t e e l J 1 J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 0 ， 1 2 6 ( 1 1 ) ： 1 2 9 5 - 1 3 0 3 【 6 1 陶忠， 王志滨 ， 韩林海 采用加 劲肋改善薄壁方 钢管混凝 土 工作性 能初探i t 第 十三 届全 国结构 工程学 术会议 文集( 第 册1 ， 2 0 0 4 ： 1 1 2 1 1 5 7 李佰 寿， 张平， 金爱花， 等 薄壁方形 钢管再生块体混合短 柱 轴压试验研究 J 土木 工程 学报， 2 0 1 2 ( 1 0 ) ： 1 2 5 1 3 4 8 】 许成祥， 朱长安， 许 淑珍 ， 等 设 置钢筋 加劲肋薄壁方钢 管混 凝土短柱试验研究 J 建筑结构 学报， 2 0 0 9 ( $ 2 ) ： 2 3 1 2 3 6 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 0 2 5 作者简介 ： 左工 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 实验师。 通讯作者 ： 王振波 ( 1 9 6 0 一 ) ， 男 ， 教授。 通讯地址 ： 江苏 省宿迁市黄河南路 3 9 9号宿迁学院建筑 工 程 系 联 系 电 话 ： 1 8 8 0 0 6 0 9 8 8 6 E -ma i l ： l 5 8 9 3 01 9 7q q c o m