吳乃森，劉雪冬，趙艷艷，吳志坤

(西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，陜西西安710129)

方矩形鋼管混凝土由于兼有鋼結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能夠降低工程造價(jià)、滿足建筑布局靈活要求、縮短工期、節(jié)約材料、減少能耗，可與鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、和圓形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)使用。應(yīng)用前景良好，我國(guó)已在越來越多的工程中采用［1－4]。

各國(guó)學(xué)者對(duì)于方矩形鋼管混凝土軸壓構(gòu)件和偏壓構(gòu)件作了大量的試驗(yàn)研究和理論研究:韋灼彬等［5]利用軸壓方鋼管混凝土中鋼和混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型，采用數(shù)值分析方法對(duì)方鋼管混凝土純彎構(gòu)件進(jìn)行了分析，并通過8個(gè)方鋼管混凝土的純彎試驗(yàn)驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性;陳曦等［6]采用 Von Mises、Mohr Coulomb 和 Drucker Prager 3種通用模型分別對(duì)帶約束拉桿和無約束拉桿的方形、矩形鋼管混凝土短柱軸壓承載力進(jìn)行有限元分析，探討每種混凝土模型的特點(diǎn)以及在鋼管混凝土有限元分析中的優(yōu)缺點(diǎn);張保等［7]利用ABAQUS程序?qū)Ψ戒摴芨邚?qiáng)混凝土短柱的受力性能進(jìn)行非線性有限元數(shù)值分析，討論了試驗(yàn)中難以測(cè)定的考慮鋼管約束效應(yīng)的核心混凝土縱向應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線，分析混凝土強(qiáng)度，截面寬厚比以及鋼材強(qiáng)度對(duì)核心混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線的影響規(guī)律，研究了軸心受壓方鋼管高強(qiáng)混凝土短柱核心混凝土本構(gòu)關(guān)系的影響因素;Nakannishi等［8]通過擬動(dòng)力及擬靜力試驗(yàn)研究矩形截面鋼管混凝土橋墩的極限強(qiáng)度、剛度和延性。對(duì)于方矩形鋼管混凝土的受彎力學(xué)性能研究還不是那么完善［9]。尤其各規(guī)范抗彎承載力及抗彎剛度公式的計(jì)算差別比較大。究其原因，就是方矩形鋼管混凝土構(gòu)件受彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少、對(duì)其力學(xué)性能認(rèn)識(shí)不夠明確。本文通過方矩形鋼管混凝土受彎試驗(yàn)，研究其抗彎承載力及抗彎剛度，并且以這兩個(gè)指標(biāo)探討了國(guó)內(nèi)外學(xué)者推薦的幾個(gè)常用規(guī)范的適用性［10]，以方便工程人員根據(jù)不同規(guī)范的特點(diǎn)選用合適規(guī)范。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)為7個(gè)長(zhǎng)度為1 500 mm寬度為100 mm而高度和壁厚不同的方矩管試件，其截面參數(shù)如表1所示。

1.1 試件的選材及其制作

本試驗(yàn)所用鋼管尺寸及鋼材強(qiáng)度參見表1，鋼板與鋼板及鋼板與兩端蓋板之間采用對(duì)接焊縫，構(gòu)件焊于端板中心，每邊各留20 mm，端板厚度為12 mm，上側(cè)鋼板兩端各開有一個(gè)直徑50 mm的圓孔，用于灌漿。本試驗(yàn)選用高強(qiáng)無收縮灌漿料替代混凝土，其強(qiáng)度通過制作三個(gè)邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊測(cè)得。試件制備過程為，將適量灌漿料和為灌漿料重量14%的水加入攪拌機(jī)攪拌2 min，然后將鋼管一端架起來，從該處的開口開始澆灌，另一端的開孔排氣直至灌漿料從另一端溢出為止。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在60 T的電液伺服壓力機(jī)上進(jìn)行，采用跨中加載方法，跨中墊有100 mm×100 mm的鋼板，荷載及梁跨中位移由試驗(yàn)機(jī)配套的傳感器測(cè)量，應(yīng)變測(cè)量由電阻10個(gè)應(yīng)變片測(cè)量。加載制度為:在預(yù)測(cè)彈性范圍內(nèi)，每級(jí)荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的1/10，鋼材屈服后，每級(jí)荷載約為極限荷載的1/15，接近破壞時(shí)采用連續(xù)緩慢加載，每級(jí)荷載持荷時(shí)間約為 2 min［11]。

2 試驗(yàn)過程及現(xiàn)象

通過對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)在加載的初始階段，隨著荷載的逐漸增大，跨中位移緩慢增大，位移的增長(zhǎng)速度明顯小于力的增長(zhǎng)速度;當(dāng)受拉邊緣鋼材逐漸屈服，構(gòu)件開始進(jìn)入塑性階段，直到受壓邊緣鋼材也屈服時(shí)，位移的增長(zhǎng)速度逐漸大于力的增長(zhǎng)速度，從傳感器傳回的力和位移的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著位移的進(jìn)一步增大，雖然力增長(zhǎng)的速度非常緩慢，但是仍然可以繼續(xù)承載。從本試驗(yàn)所進(jìn)行的7根試件的受力情形來看，大部分試件在跨中撓度達(dá)到40 mm左右時(shí)，力依然可以緩慢增長(zhǎng)，跨中位移達(dá)到53 mm甚至60 mm以上時(shí)荷載依然不會(huì)急速下降，表現(xiàn)出非常好的受力性能。整體來講，這7根試件在破壞之前都有十分明顯的變形，表現(xiàn)出延性破壞的特征。另外，在試件撓度達(dá)到40 mm左右時(shí)，鋼管表面還沒有明顯的鼓屈，說明在鋼管中填充混凝土對(duì)限制鋼管的局部屈服穩(wěn)定性能有很大的提高。提高了構(gòu)件整體的承載力。

圖1所示為各試件實(shí)測(cè)跨中力與位移的關(guān)系曲線。

從圖1可以看出，各試件的荷載－位移曲線形狀大體相同，可以用一個(gè)典型的荷載－位移曲線圖2表示。試件的荷載－位移曲線大致可分為三段，第一段為OA段，曲線大致為直線，可認(rèn)為試件處于彈性階段，在此階段，位移的增長(zhǎng)速度明顯小于力的增長(zhǎng)速度，第二段是彈塑性階段(AC段)此階段曲線已經(jīng)不是直線，比較接近二次曲線表明試件在此階段出現(xiàn)了較強(qiáng)的塑性，在B點(diǎn)附近試件抗彎剛度會(huì)有突變，抗彎剛度大幅減小，隨著位移的進(jìn)一步增長(zhǎng)，力的增長(zhǎng)逐漸變得緩慢，但是力仍然在增加，試件仍然能夠承載，表現(xiàn)出良好的受力性能;第三階段是從C點(diǎn)直至構(gòu)件破壞失去承載能力，這一段曲線也基本為直線，隨著位移的增長(zhǎng)跨中荷載幾乎不再增長(zhǎng)，或是只有微小增長(zhǎng)。

表1 試件參數(shù)表Tab.1 Specimen parameter

3 試驗(yàn)結(jié)果與各規(guī)范對(duì)比

以試驗(yàn)構(gòu)件的抗彎承載力和抗彎剛度為指標(biāo)，評(píng)價(jià)幾個(gè)常用規(guī)范的適用性，具體見表2、表3。

從表2可以看出:(1)各規(guī)范所得計(jì)算值多數(shù)小于實(shí)測(cè)值，計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守。(2)特別是日本AIJ(1997)、英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)程BS 5400(1979)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)提出的鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC 4(1994)，計(jì)算值比實(shí)測(cè)值小得多，試件7的計(jì)算值甚至只有實(shí)測(cè)值的2/3，過于保守，在工程上使用時(shí)，會(huì)造用材料浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì)。(3)我國(guó)福建省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DBJ 13－51－2003和矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS 159:2004與實(shí)測(cè)值較為接近，同時(shí)有足夠的安全儲(chǔ)備，工程上可考慮采用。(4)表中的均方差值差別不大，可以看出各規(guī)范在計(jì)算構(gòu)件抗彎承載力時(shí)公式的穩(wěn)定性相當(dāng)。

由表3的計(jì)算結(jié)果可知:(1)日本AIJ規(guī)范比較保守，其計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的平均比值在0.7和0.8左右。(2)DBJ和 BS 5400及EC 4(1994)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的平均比值比較接近，在0.9和0.96之間，比較經(jīng)濟(jì)，但是安全儲(chǔ)備不如日本AIJ規(guī)范。(3)矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS 159:2004計(jì)算值則大部分超出試驗(yàn)值，究其原因，則是剛度折減系數(shù)太大。

4 結(jié)論

1)方矩形鋼管混凝土受彎構(gòu)件具有較高的抗彎承載力，本批次實(shí)驗(yàn)構(gòu)件跨中撓度達(dá)到40 mm時(shí)，仍然可以繼續(xù)承載，表現(xiàn)出非常好的延性。

表2 試驗(yàn)得極限抗彎承載力值與規(guī)范計(jì)算值的比較Tab.2 Comparison of the obtained ultimate flexural capacity values with specifications values

表3 試驗(yàn)得抗彎剛度與規(guī)范計(jì)算值的比較Tab.3 Comparison of the obtained flexural(or bending)stiffness with specifications values.

2)截面高寬比和鋼管壁厚對(duì)其抗彎承載力和抗彎剛度的影響較大，隨著截面高寬比和鋼管壁厚的增大，抗彎承載力和初始抗彎剛度有顯著增長(zhǎng)，另外，隨著截面高寬比的增大，鋼管壁厚對(duì)抗彎承載力的影響也越來越大。

3)通過表1表3中的均方差的對(duì)比可以看出，以上幾個(gè)規(guī)范在計(jì)算方矩形鋼管混凝土受彎構(gòu)件的極限承載力時(shí)穩(wěn)定性基本相同，但是在計(jì)算試件抗彎剛度時(shí)日本AIJ規(guī)范的均方差最小，計(jì)算公式穩(wěn)定性最好。

4)日本AIJ規(guī)范安全儲(chǔ)備最高，但是相應(yīng)造價(jià)也要提高，DBJ規(guī)范和試驗(yàn)值比較接近，工程使用比較經(jīng)濟(jì)，并有足夠安全儲(chǔ)備，而其他三個(gè)規(guī)范介于二者之間，在實(shí)際工程中應(yīng)該針對(duì)它們的特點(diǎn)選擇應(yīng)用。

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