(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京，210098)

土木工程結(jié)構(gòu)朝著高聳、大跨、重載的方向發(fā)展，恒載在結(jié)構(gòu)的受力中占有較大比例。同時(shí)，高層建筑、大跨度橋梁、海洋工程等大型工程對(duì)材料性能的要求也越來越高。鋼管混凝土中的核心混凝土可以延緩鋼管的屈曲，而外包鋼管使混凝土處于三向受壓狀態(tài)能增強(qiáng)其抗壓性能，其組合力學(xué)性能超過了兩者的疊加，充分利用了鋼材的受拉和混凝土的受壓特性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，已經(jīng)形成了比較完善的理論體系[1?4]。輕集料混凝土密度較普通混凝土低20%～30%，故鋼管輕集料混凝土密度要比鋼管普通混凝土密度小，適應(yīng)了現(xiàn)代材料輕質(zhì)高強(qiáng)的發(fā)展需求。已有研究表明[5?9]：鋼管輕集料混凝土同樣具有優(yōu)異的力學(xué)性能。盡管日本已有將鋼管輕集料混凝土應(yīng)用于“新干線”(高速鐵路橋梁)的工程實(shí)例[10]，但對(duì)其性能的研究還未系統(tǒng)地開展。由于鋼管混凝土本身的特性，通常用于受壓構(gòu)件。受材料的初始缺陷、材料不均勻性以及制造偏差等因素的影響，軸心受壓狀態(tài)很難實(shí)現(xiàn)。在外部橫向力作用下，往往也使構(gòu)件處于偏心受壓狀態(tài)[11]。本文作者在軸壓和受彎研究的基礎(chǔ)上，分析54根鋼管輕集料混凝土偏壓柱的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)偏心受壓狀態(tài)下鋼管輕集料混凝土的承載力進(jìn)行研究。

1 偏壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和裝置

輕質(zhì)混凝土骨料為頁(yè)巖陶粒，其物理力學(xué)性能如下：堆積密度為814 kg/m3，筒壓強(qiáng)度為8.5 MPa，1 h吸水率為 6%。水泥為普通硅酸鹽水泥?；炷恋呐浜媳群拖鄳?yīng)力學(xué)性能見表1。試驗(yàn)采用Q235直縫焊接鋼管。試件的一端用10 mm厚的圓形鋼板焊接封固。輕集料混凝土采用分層澆筑，最后用水泥漿抹平。試件養(yǎng)護(hù)10 d后將另一端也用10 mm厚的圓形鋼板焊接封固，采取自然養(yǎng)護(hù)方式。

試驗(yàn)使用油壓千斤頂加載，荷載由壓力傳感器測(cè)量，采用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變。在試件兩端采用柱鉸，在柱鉸底部按偏心距分別設(shè)置 3個(gè)距中心為 10，20和35 mm的圓孔，孔徑為20 mm，深為15 mm。試驗(yàn)時(shí)，用直徑為20 mm、長(zhǎng)25 mm的鋼制榫頭連接試件蓋板和柱鉸，保證當(dāng)試件變形較大時(shí)試件與柱鉸不發(fā)生脫離。試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Sketch map of loading and measurement system

試件采用分級(jí)加載的制度，當(dāng)荷載達(dá)到最大值(極限值)時(shí)，壓力傳感器所示壓力開始回落，仍繼續(xù)向千斤頂油缸送油，直到試件撓曲非常明顯為止。全過程采用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)見表2。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)試件在偏心受壓下的破壞形態(tài)可以分為以下2種情況：對(duì)于長(zhǎng)徑比較小(L/D=3，其中，L為試件長(zhǎng)度，D為試件直徑)的短柱偏壓試件，試件破壞時(shí)發(fā)生側(cè)向撓曲，中截面發(fā)生明顯的局部屈曲(圖2(a))，試件有較明顯的強(qiáng)度破壞特征；對(duì)長(zhǎng)徑比較大的中長(zhǎng)柱試件(L/D=7或14)，試件發(fā)生較大的側(cè)向撓曲，鋼管表面無明顯屈曲，試件失穩(wěn)破壞特征明顯(圖2(b))。根據(jù)中截面縱向應(yīng)變分布，試件截面變形基本符合平截面假定[12]。

圖 3所示為荷載?整體縱向應(yīng)變曲線。在加載初期，荷載?縱向應(yīng)變曲線基本上為直線，試件處于彈性階段加載至比例極限后，曲線明顯偏離其初始的直線，進(jìn)入彈塑性工作階段。當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，荷載的增長(zhǎng)速度變慢，而縱向應(yīng)變的增長(zhǎng)速度加快。

表1 輕集料混凝土配合比和力學(xué)性能Table 1 Mixture ratio and mechanical properties of lightweight aggregate concrete

表2 試件基本數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Details of test specimens

圖2 試件典型破壞形態(tài)Fig.2 Typical failure mode of specimen

圖3 荷載?整體縱向應(yīng)變的關(guān)系Fig.3 Relationships of Load versus overall longitudinal strain

2 承載力影響因素

圖4所示為各組試件在不同偏心率、不同長(zhǎng)徑比、不同含鋼率下的荷載(F)?L/2處橫向撓度(um)對(duì)比曲線。由圖 4(a)可見：在同一組試件中，偏心率越小，則荷載?L/2處橫向撓度曲線的初始斜率越大，極限承載力也越大；到達(dá)極限荷載后下降也越快。偏心率越大，構(gòu)件所受到的彎矩越大，從而導(dǎo)致承載力降低。

圖4(b)可見：試件的長(zhǎng)徑比越大，撓度增長(zhǎng)越快，豎向力所產(chǎn)生的附加彎矩也越大。故長(zhǎng)徑比大的構(gòu)件，曲線偏離初始直線越快，上升的斜率越小，其極限承載力也越低。

從圖 4(c)可見：含鋼率越高，曲線在彈塑性階段的斜率也越大，試件的極限承載力也越高。因?yàn)殇摬谋旧淼氖軌盒阅芨哂诨炷恋氖軌盒阅?。同時(shí)，含鋼率越大的試件，對(duì)核心輕集料混凝土緊箍力越大，對(duì)受壓區(qū)輕集料混凝土強(qiáng)度提高越多。

圖4 F-um曲線Fig.4 F-um curves

3 承載力規(guī)范計(jì)算比較

為了研究鋼管輕集料混凝土構(gòu)件偏心受壓狀態(tài)下的承載力計(jì)算方法，運(yùn)用國(guó)內(nèi)外多部針對(duì)鋼管普通混凝土的規(guī)范[1?2]，包括 AISC—LRFD(1999)(美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)提出的設(shè)計(jì)規(guī)程)、BS 5400(英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)程)、EC4(歐洲鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范)、DBJ 13—51—2003(福建省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn))、DL/T5058—1999(水工混凝土施工規(guī)范)、CECS 28：90(中國(guó)鋼管砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工工程規(guī)范)，對(duì)本次試驗(yàn)的54根構(gòu)件進(jìn)行承載力計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 偏壓承載力規(guī)范計(jì)算Table 3 Bearing capacity calculation with different codes

由表3所示的對(duì)比結(jié)果可知：由規(guī)范所得計(jì)算結(jié)果均小于試驗(yàn)值，且由國(guó)外規(guī)范所得計(jì)算結(jié)果普遍較由國(guó)內(nèi)規(guī)范所得計(jì)算結(jié)果小。除CECS 28：90以外，計(jì)算結(jié)果均相差較大。這可能是由于規(guī)范計(jì)算時(shí)要考慮一定的安全儲(chǔ)備，并且鋼管輕集料混凝土與鋼管普通混凝土的力學(xué)性能存在差異。CECS 28：90的計(jì)算結(jié)果雖然與實(shí)測(cè)值比較接近，但應(yīng)用其對(duì)鋼管輕集料混凝土軸壓短柱承載力計(jì)算結(jié)果偏高[5]。目前現(xiàn)有的計(jì)算方法對(duì)于鋼管輕集料混凝土的適用性還有待進(jìn)一步研究。

4 小偏心率FN/FNu-FM/FMu曲線

偏心受壓加載相當(dāng)于壓彎構(gòu)件的比例加載，可以采用構(gòu)件FN/FNu-FM/FMu的及相關(guān)性曲線來考慮偏心受壓構(gòu)件的計(jì)算方法。在偏心率較小的情況下，F(xiàn)N/FNu-FM/FMu相關(guān)性曲線可以近似為 1條直線[1?2]。圖5所示為FN/FNu-FM/FMu相關(guān)性曲線。由圖5可知：對(duì)于偏心較小的情況，其曲線變化趨勢(shì)可近似簡(jiǎn)化為線性關(guān)系。當(dāng)FM/FMu=0時(shí)，F(xiàn)N/φFNu=1。故可用下式來計(jì)算小偏心率壓彎構(gòu)件承載力：

其中：FNu為短柱軸壓極限承載力，取文獻(xiàn)[8]中的實(shí)測(cè)值；FM和FMu分別為FN和FNu對(duì)應(yīng)的偏心彎矩，F(xiàn)Mu取文獻(xiàn)[6]中壁厚2.5 mm和3.8 mm時(shí)最大彎矩的差值；φ為穩(wěn)定系數(shù)，f為含鋼率α和長(zhǎng)徑比λ等參數(shù)的函數(shù)。

對(duì)于A-3和B-3組短柱試件，φ=1。應(yīng)用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合。當(dāng)α=11.4%時(shí)，f=0.446；當(dāng)α=13.5%時(shí)，f=0.468。由于本次試驗(yàn)試樣有限，各參數(shù)對(duì)斜率函數(shù)的影響以及大偏心率情況下承載力變化規(guī)律仍有待進(jìn)一步研究。

圖5 FN/FNu-FM/FMu曲線Fig.5 FN/FNu-FM/FMu curves

5 結(jié)論

(1) 試件長(zhǎng)徑比影響構(gòu)件破壞形態(tài)。試件長(zhǎng)徑比越小，越接近塑性破壞；長(zhǎng)徑比越大，越接近彈性破壞。

(2) 試件偏心率越大，長(zhǎng)徑比越大，含鋼率越小，則鋼管輕集料混凝土的極限承載力越低。

(3) 應(yīng)用國(guó)內(nèi)外規(guī)范所得計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)值小，現(xiàn)有規(guī)范對(duì)鋼管輕集料混凝土的適用性還有待進(jìn)一步研究。

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