劉 曉，王連廣，王 兵

(1.東北大學(xué)資源與土木學(xué)院，沈陽(yáng)110004，liuxiao19740701@sina.com;2.沈陽(yáng)大學(xué)建筑工程學(xué)院，沈陽(yáng)110044)

鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土是將工字鋼插入鋼管內(nèi)部，然后灌入高強(qiáng)混凝土的新型組合構(gòu)件.它比鋼管混凝土和鋼骨混凝土具有更高的承載能力和抗震延性，并且耐火性和耐腐蝕性能好，施工方便，滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)往大跨、高聳、重載和惡劣條件方向發(fā)展的要求，具有廣闊的市場(chǎng)前景.它所具有的優(yōu)越性主要是因?yàn)?種組合部件的協(xié)同工作，首先由于鋼管的緊箍作用，提高了核心混凝土的強(qiáng)度和延性;其次鋼骨的配置，延緩和阻止了混凝土剪切斜裂紋的產(chǎn)生;最后，混凝土對(duì)鋼管壁和鋼骨的支撐作用增強(qiáng)了局部穩(wěn)定性，從而有效提高了組合構(gòu)件的抗壓承載力和延性［1-5］.雖然鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土構(gòu)件主要應(yīng)用于承重柱，很少出現(xiàn)純彎的受力狀態(tài)，但是為了對(duì)壓彎、彎剪等受力狀態(tài)進(jìn)行深入的研究，對(duì)其抗彎性能的研究是十分必要的.目前，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土抗彎性能做了一些研究［6］，為其奠定了理論基礎(chǔ).本文著重研究工字形鋼骨的鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的抗彎力學(xué)性能，明確其在彎矩作用下的工作機(jī)理和破壞模式，探討配骨指標(biāo)和加載方向?qū)ζ涑休d力、變形等性能的影響，并在試驗(yàn)分析和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)一理論給出了鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土構(gòu)件抗彎承載力計(jì)算公式.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)參數(shù)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5根抗彎試件，組合截面形式，見(jiàn)圖1.截面尺寸D×t(D為鋼管外徑，t為鋼管壁厚)為219 mm×5 mm，試件幾何長(zhǎng)度L均為1 200 mm，內(nèi)部分別埋置I10、I12和I14工字鋼，鋼管內(nèi)部澆注混凝土為C70.設(shè)計(jì)配骨指標(biāo)ρ= (0.3～0.6)，套箍指標(biāo)θ=(0.73～0.75)，加載方向分別沿工字鋼強(qiáng)軸和弱軸，通過(guò)鋼材和混凝土材料性能試驗(yàn)，得到鋼管的屈服強(qiáng)度 fty為350 MPa，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)ck為48.6 MPa，其他試驗(yàn)參數(shù)和編號(hào)見(jiàn)表1.

試件制作時(shí)，取長(zhǎng)度相同的工字鋼和鋼管，將鋼骨放入鋼管中，焊接在同一鋼板上.在試件中部的鋼管和鋼骨同截面粘貼應(yīng)變片，鋼骨的應(yīng)變片用環(huán)氧樹(shù)脂作防潮處理;混凝土分?jǐn)?shù)次從未焊鋼板端澆注，振搗至密實(shí)，用高強(qiáng)水泥砂漿找平，養(yǎng)護(hù)28 d后，焊接試件上部端板.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在500 t壓力機(jī)上進(jìn)行，加載方案采用在構(gòu)件中間直接施加水平力，主要為壓彎構(gòu)件提供理論和試驗(yàn)依據(jù)，試驗(yàn)時(shí)以鋼管下部纖維達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí)的荷載為正常使用極限荷載，其對(duì)應(yīng)的彎矩為屈服彎矩My，以鋼管最大纖維應(yīng)變?chǔ)舖ax達(dá)到0.01時(shí)的荷載作為極限荷載［7］，其對(duì)應(yīng)的彎矩為極限彎矩Mu.加荷過(guò)程中，試件的應(yīng)變由縱向和橫向應(yīng)變片測(cè)得，試件的撓度由豎向布置的位移計(jì)測(cè)量，試驗(yàn)裝置和測(cè)點(diǎn)布置，見(jiàn)圖1.

圖1 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置示意圖(mm)

表1 試驗(yàn)參數(shù)與計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，采用分級(jí)加載制，初期加載每級(jí)約為預(yù)計(jì)極限荷載的1/15～1/12，當(dāng)加至預(yù)計(jì)極限荷載的50%時(shí)，每級(jí)減少到1/25～1/20，持載4 min;大約在80%預(yù)計(jì)極限荷載時(shí)，級(jí)差變小，持載2～4 min;在接近極限荷載時(shí)，則采取慢速連續(xù)加載，當(dāng)試件的彎曲變形較大時(shí)，停止試驗(yàn).所有測(cè)試數(shù)據(jù)均由UCAM-70A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)采集.

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

在加載初期，試件撓度變化不大，達(dá)到極限荷載的70%之前最大撓度均未超過(guò)4 mm，用肉眼基本觀察不到，見(jiàn)圖2(a);在荷載達(dá)到極限荷載的80%左右時(shí)，可以觀測(cè)到試件的受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼管表面氧化層開(kāi)始脫落，但沒(méi)有任何局部的凸曲，表明鋼管外邊緣纖維已經(jīng)屈服;在達(dá)到極限荷載時(shí)，鋼管受拉區(qū)氧化層脫落較明顯，見(jiàn)圖2(b);極限承載力后，鋼管側(cè)向撓度的增長(zhǎng)速度明顯加快，進(jìn)一步增加荷載受壓一側(cè)鋼管在跨中附近出現(xiàn)局部鼓曲，變形過(guò)大停止試驗(yàn)，見(jiàn)圖2(c).

圖2 試驗(yàn)裝置圖

2 試驗(yàn)分析

2.1 彎矩－撓度曲線分析

由試驗(yàn)得到各試件彎矩-跨中撓度(M-um)曲線，見(jiàn)圖3.主要變化參數(shù)為配骨指標(biāo)和加載方向，它們對(duì)彎矩和撓度都有不同程度的影響.

1)不同配骨指標(biāo)，見(jiàn)圖3(a).這3種試件內(nèi)部分別埋置了I10、I12和I14工字鋼，加載方向均為繞強(qiáng)軸方向彎曲，配骨指標(biāo)ρ增量基本相同，而它們極限彎矩值的增加幅度為=0.219，呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)，這是因?yàn)樗€受內(nèi)部鋼骨配置形式和混凝土的受壓區(qū)高度的影響;從圖3(a)中屈服彎矩My和極限彎矩Mu的相對(duì)位置分析，二者的差值隨配骨指標(biāo)ρ的增加而加大，這是因?yàn)閮?nèi)部鋼骨的不斷增加，通過(guò)鋼管、鋼骨和混凝土三者的協(xié)同作用，延緩了組合構(gòu)件破壞速度，改善了內(nèi)部延性.從圖3(a)的跨中撓度(橫坐標(biāo))分析，可知撓度um隨配骨指標(biāo)ρ的增加而減小，切線模量降低速度隨ρ的增加而減緩，說(shuō)明試件抵抗彎曲變形的能力增強(qiáng)，這是由于內(nèi)部鋼骨面積和慣性矩的增加帶來(lái)組合試件剛度變大(即EI增加).

2)不同加載方向，見(jiàn)圖3(b)(圖中標(biāo)志點(diǎn)為極限彎矩值).這4個(gè)試件I12R、I12Q和I14R、I14Q兩兩之間配骨指標(biāo)相同，但是相對(duì)加載方向的截面布置形式不同，且慣性矩不同，各組增量為ΔI12=441和ΔI14=648，極限彎矩增量為ΔM12= 0.097和ΔM14=0.147 7，二者的比值ΔM/ΔI均為0.000 22，說(shuō)明極限彎矩值隨截面慣性矩成比例增加，鋼骨對(duì)組合構(gòu)件的抗彎承載力影響顯著，而混凝土和鋼管由于受壓區(qū)面積較小，對(duì)抗彎承載力影響相對(duì)較弱.從圖3(b)橫坐標(biāo)跨中撓度比較分析，內(nèi)部鋼骨相同的強(qiáng)軸和弱軸(即I12R、I12Q和I14R、I14Q)，在極限彎矩處對(duì)應(yīng)的撓度不同，強(qiáng)軸小于弱軸.這是因?yàn)閮?nèi)部工字鋼強(qiáng)弱軸慣性矩不同，導(dǎo)致試件抗彎剛度EI不同，EI隨慣性矩的減小而減弱，進(jìn)而變形加大.

圖3 不同參數(shù)的彎矩-撓度曲線

2.2 截面應(yīng)變分布

通過(guò)試驗(yàn)得到不同受力階段鋼管外邊緣縱向應(yīng)變沿截面高度變化情況，見(jiàn)圖4.

為了更直觀地觀察兩者的變形協(xié)調(diào)性，將二者應(yīng)變圖形按不同位置疊加，得到圖4，在受力初期，鋼管和鋼骨保持著良好的變形協(xié)調(diào)關(guān)系;隨著荷載的增加，壓區(qū)鋼管和鋼骨的應(yīng)變始終保持直線分布，拉區(qū)鋼管和鋼骨的應(yīng)變則逐漸偏離了直線.但總體看來(lái)，仍可近似認(rèn)為鋼管和鋼骨變形相協(xié)調(diào).

2.3 撓曲變形

由試驗(yàn)得到試件在不同受力階段的撓度沿長(zhǎng)度分布情況，見(jiàn)圖5(圖中虛線為正弦曲線)，縱坐標(biāo)為撓度u，橫坐標(biāo)為試件上各點(diǎn)距跨中的距離L.由圖可見(jiàn)，此類組合構(gòu)件屈曲時(shí)軸向撓曲變形與正弦半波曲線吻合較好.

圖4 截面應(yīng)變分布

圖5 典型撓度曲線

從荷載的增量與撓度變化幅度來(lái)看，荷載較小時(shí)，豎向撓度變化幅度基本相同，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的85%時(shí)，豎向撓度增長(zhǎng)速度逐漸加快，且增加速度與配骨指標(biāo)ρ成反比，這說(shuō)明內(nèi)部鋼骨的存在增加組合試件的抗彎剛度，延緩了構(gòu)件因變形過(guò)大而導(dǎo)致的破壞.

2.4 緊箍力分析

鋼管混凝土的承載力高于空心鋼管是因?yàn)閮?nèi)部核心混凝土在鋼管的約束下處于三向受力狀態(tài)，特別是鋼管對(duì)高強(qiáng)混凝土的約束效應(yīng)，使混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯提高［8］.緊箍力是由于混凝土的橫向變形系數(shù)大于鋼材的泊松比，在鋼管和混凝土的界面間產(chǎn)生，它使混凝土三向受壓，鋼管雙向受力，仍保持彈性工作.本試驗(yàn)通過(guò)研究鋼管表面的橫向和縱向應(yīng)變比值|εh/εl|與相對(duì)彎距(M/Mu)之間的關(guān)系，見(jiàn)圖6，來(lái)分析緊箍力的影響因素.由圖可知，受拉區(qū)鋼管的|εh/εl|均小于0.2，說(shuō)明受拉區(qū)混凝土的橫向變形沒(méi)有超過(guò)鋼管的橫向變形，混凝土處于單向受力狀態(tài);受壓區(qū)鋼管的|εh/εl|均大于0.3，說(shuō)明受壓區(qū)混凝土的橫向變形超過(guò)鋼管的橫向變形，鋼管的緊箍作用開(kāi)始發(fā)揮作用，內(nèi)部混凝土在內(nèi)外鋼材的雙向緊箍力作用下處于三向受壓狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到極限彎矩的80%左右時(shí)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變(圖中A點(diǎn))，體積急劇膨脹，鋼管表面的橫向和縱向應(yīng)變比值|εh/εl|明顯加大，緊箍作用進(jìn)一步加強(qiáng)，組合構(gòu)件承擔(dān)的荷載仍在上升.

圖6 M/Mu相對(duì)|εh/εl|曲線

此外，配骨指標(biāo)和加載方向?qū)o箍力的發(fā)揮作用都有一定的影響:

1)加載方向一定時(shí)，配骨指標(biāo)ρ越大，鋼材的縱向變形越小抗彎能力越強(qiáng)，進(jìn)而使|εh/εl|增加，但緊箍作用發(fā)揮不明顯;配骨指標(biāo)ρ較小，鋼管表面橫向變形速率加快，|εh/εl|增加速度較快，緊箍作用發(fā)揮明顯.

2)配骨指標(biāo)一定時(shí)，由于強(qiáng)軸方向的抗彎能力強(qiáng)，這使混凝土受壓區(qū)面積比弱軸大，因此鋼管對(duì)混凝土的環(huán)箍作用發(fā)揮顯著，即混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變之前(A點(diǎn))受壓區(qū)鋼管的|εh/εl|就大于0.3，見(jiàn)圖6(a);而弱軸方向在混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變之前(A點(diǎn))受壓區(qū)鋼管的|εh/εl|在0.3左右，鋼管對(duì)混凝土的環(huán)箍作用發(fā)揮不明顯，見(jiàn)圖6(b);此外，強(qiáng)軸的翼緣與鋼管對(duì)混凝土形成雙重緊箍效應(yīng)，要強(qiáng)于弱軸的腹板與鋼管對(duì)混凝土形成的雙重緊箍力.

3 承載力計(jì)算

根據(jù)鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土的受力特點(diǎn)和破壞機(jī)理，結(jié)合鋼管混凝土和鋼骨混凝土抗彎承載力計(jì)算方法，本文提出了鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土抗彎承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式，以鋼管混凝土的統(tǒng)一理論為基礎(chǔ)，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)抗彎承載力公式，提出公式的簡(jiǎn)化形式為

式中:B=0.175 9 fty/235+0.974;C=0.030 9 -0.103 8 fck/20;D=0.156 fsy/235+0.479，γm為截面塑性發(fā)展系數(shù);Wscs為鋼管鋼骨混凝土凈截面模量;fy

scs為鋼管鋼骨混凝土軸心抗壓強(qiáng)度.

3.1 截面模量Wscs

截面模量與截面慣性矩有關(guān)，圓形截面慣性矩為I=πD4/64;工字鋼可通過(guò)型鋼表或計(jì)算得到繞不同軸的慣性矩.則鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土組合構(gòu)件的截面模量的計(jì)算公式為

式中:Dt為鋼管直徑;Is為內(nèi)部鋼骨慣性矩.

3.2 截面塑性發(fā)展系數(shù)γm

塑性發(fā)展系數(shù)是考慮構(gòu)件受力時(shí)截面有一定的塑性發(fā)展，它等于截面塑性彎矩與截面邊緣剛達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí)的截面彎矩的比值，考慮到截面在受力時(shí)不能無(wú)限制的應(yīng)用塑性，所以規(guī)范規(guī)定對(duì)于一定的截面只利用一部分截面塑性，規(guī)范對(duì)于給定的截面給出了截面塑性系數(shù)的值［9］.

考慮鋼材強(qiáng)度、混凝土等級(jí)、配骨指標(biāo)和套箍指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算得到鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土的抗彎極限值Mu，代入式(1)得γm=Mu/(fyscsWscs)，通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析得知，塑性發(fā)展系數(shù)γm與套箍指標(biāo)θ、配骨指標(biāo)ρ以及鋼骨與鋼管之間的距離有著直接的關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)回歸得到鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土的塑性發(fā)展系數(shù)γm，其表達(dá)式為

式中:hs為鋼骨高度，當(dāng)弱軸加載時(shí)則為翼緣寬度.

將式(2)—(4)代入到式(1)中，即可得鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土組合構(gòu)件的簡(jiǎn)化計(jì)算公式.

3.3 公式驗(yàn)證

為了驗(yàn)證鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土組合構(gòu)件抗彎承載力計(jì)算公式的正確性，將理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值比較，見(jiàn)表1，其平均誤差為1.013，離散系數(shù)為0.024，結(jié)果非常接近，簡(jiǎn)單且精確，適合在工程中廣泛采用.

4 結(jié)論

1)通過(guò)5個(gè)鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土構(gòu)件抗彎承載力的試驗(yàn)研究，可知，鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土受彎矩作用下，當(dāng)加載方向一定時(shí)，極限彎矩值隨配骨指標(biāo)的增加呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)，且變形剛度明顯加大，跨中撓度減小;當(dāng)配骨指標(biāo)一定時(shí)，極限彎矩值隨慣性矩的增加基本呈線性增加，跨中撓度弱軸大于強(qiáng)軸.

2)鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土在整個(gè)加載過(guò)程中，截面始終保持平面，且組合構(gòu)件在同一平面內(nèi)，協(xié)同工作;撓度變形曲線符合正弦半波分布.

3)緊箍力沿截面的分布不均勻.在受拉區(qū)鋼管對(duì)混凝土基本沒(méi)有緊箍效應(yīng);在受壓區(qū)鋼管對(duì)混凝土的緊箍作用隨配骨指標(biāo)的增加而減小，且強(qiáng)軸的緊箍效應(yīng)要比弱軸明顯.

4)建立了鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土抗彎構(gòu)件的承載力計(jì)算公式，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合很好，但是公式適用性還需要試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證.

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