譚相培, 王曉初, 周　樂, 伊軍偉

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽　110044)

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外包混凝土加固軸心受壓鋼柱正截面承載力試驗與理論研究

譚相培, 王曉初, 周樂, 伊軍偉

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽110044)

為了研究外包混凝土加固軸心受壓鋼柱的正截面承載力,基于試驗和已有文獻探討了不同的初始負載、不同外包混凝土強度和不同核心型鋼強度對外包混凝土加固軸心受壓鋼柱承載力的影響,同時基于鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的破壞模式對加固后構(gòu)件的受壓破壞全過程和構(gòu)件裂縫出現(xiàn)及發(fā)展進行了描述.最后采用系數(shù)修正法對已有的型鋼混凝土正截面承載力的計算公式進行修正,從而得出外包混凝土加固軸心受壓鋼柱正截面承載力的計算公式,并通過試驗結(jié)果與計算結(jié)果的分析比對驗證公式的正確性.

外包混凝土; 鋼柱; 軸心受壓; 承載力; 破壞模式

有些鋼結(jié)構(gòu)在長期服役的過程中,由于腐蝕、高溫等各方面的原因,使得承載力出現(xiàn)了不同程度的降低,于是鋼結(jié)構(gòu)的加固成為了當今的熱門話題.相對于其他鋼結(jié)構(gòu)的加固方法,外包混凝土加固法不必焊接、施工方便,不僅能夠提高原鋼結(jié)構(gòu)的承載力,而且還能防腐蝕和防高溫,對核心鋼結(jié)構(gòu)具有很好的保護作用[1].

外包混凝土加固法就是當核心鋼柱的承載力不足時,采用四周外包混凝土的方法進行鋼柱的加固.通常在外包混凝土內(nèi)要配置一定數(shù)量的縱筋和箍筋,這些鋼筋的主要作用是為了約束混凝土,使型鋼和混凝土能夠共同工作,增加構(gòu)件的承載能力.在考慮構(gòu)件承載力的時候,也可考慮這些鋼筋的輔助[2-3].本文基于已有對外包混凝土加固軸心受壓鋼柱(the outsourcing of axial compression steel reinforced concrete column,以下簡稱AC-SRC)的試驗研究,制作了5根不同參數(shù)的AC-SRC構(gòu)件,根據(jù)試驗結(jié)果探討AC-SRC構(gòu)件的力學性能、破壞形態(tài)以及正截面承載力.

1　試驗概況與試驗方法

1.1試驗概況

本次試驗共設計了5根AC-SRC構(gòu)件,采用提前對鋼柱施加預應力的方法來代替初始負載,預應力的施加是在預應力廠進行的,加固后試件的截面形式見圖1、圖2所示.

圖1　截面形式(mm)Fig.1　Section form(mm)

設計的主要參數(shù):

(1) 初始負載0.5fss、0.7fss,其中fss代表型鋼的屈服強度;

(2) 混凝土強度等級C50、C70;

(3) 型鋼等級Q235、Q345,型鋼規(guī)格為HW100×100×8×6.

圖2　加固完成后截面形式Fig.2　Section form after reinforcement

各試件的主要參數(shù)見表1.

試件制作過程:

(1) 對鋼柱進行預應力處理,以代替初始負載,施加預應力的值為0.5fss、0.7fss(fss代表型鋼的屈服強度).

(2) 在型鋼的翼緣和腹板兩端及中間貼縱向、橫向應變片,另外4根縱筋的中間貼應變片,然后支模澆筑混凝土,并在標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28 d,最后在試件表面的兩端和中間貼縱向、橫向的應變片.

(3) 混凝土的強度由與試件同批制作的標準試塊得到,型鋼的材料屬性由同批購進的鋼材進行拉伸試驗測得.

表1　試驗參數(shù)一覽

1.2試驗方法

本實驗是在沈陽大學結(jié)構(gòu)實驗室和沈陽建筑大學結(jié)構(gòu)實驗室中進行的,主要的實驗儀器是沈陽大學結(jié)構(gòu)實驗室5 000 kN液壓伺服式壓力機、HJW-60型實驗室專用混凝土攪拌機、沈陽建筑大學結(jié)構(gòu)實驗室5 000 kN壓力機.混凝土標準試塊壓力試驗主要是在沈陽大學結(jié)構(gòu)實驗室5 000 kN液壓伺服式壓力機上進行的,加固后試件的軸壓試驗主要是在沈陽建筑大學結(jié)構(gòu)實驗室5 000 kN壓力機上進行的,型鋼的拉伸試驗主要是在沈陽建筑大學力學實驗室進行的,經(jīng)過試驗得到的混凝土和型鋼的材料屬性如表2、表3所示,實際的初始負載如表4所示.

表2　混凝土抗壓強度

表3　型鋼材料屬性

表4　試件初始實際負載

加載制度[4]:采用分級加載制度.

(1) 欲加的值為極限載荷的10%,持續(xù)2 min左右;

(2) 初始階段,每級加載約為極限載荷的1/10;

(3) 當達到極限載荷的60%后,每級加載約為極限載荷的1/20;

(4) 當達到極限載荷的80%后,每級加載約為極限載荷的1/50;

(5) 在接近極限載荷時,采取緩慢持續(xù)的加載方式;

(6) 當試件的承載力急劇下降且變形迅速增加時,停止實驗.

測量內(nèi)容:

(1) 試件的軸向變形.在試件頂部兩側(cè)對稱布置的兩個位移計測量;

(2) 試件的側(cè)向變形.在試件的兩端和中間的三個位移計測量;

(3) 表面混凝土、核心型鋼、縱向鋼筋的應變值,由提前用環(huán)氧樹脂固定好的應變片測量.

2　試驗結(jié)果分析

2.1初始負載對加固后鋼柱承載力的影響

核心型鋼初始負載的大小,在一定程度上會對加固后試件的承載力產(chǎn)生影響,本文基于試驗對不同初始負載下AC-SRC構(gòu)件的承載力進行分析對比,如圖3所示.

圖3　載荷-豎向位移曲線圖Fig.3　Load-vertical displacement graph

FZ0c70曲線代表初始負載為零的加固后構(gòu)件載荷-豎向位移曲線,F0.5fyc70曲線代表初始負載為50%fss加固后構(gòu)件載荷-豎向位移曲線,F0.7fyc70a曲線代表初始負載為70%fss加固后構(gòu)件載荷-豎向位移曲線.由此可知,在混凝土強度、核心鋼柱等級等相同的條件下,隨著初始負載的增加,加固后構(gòu)件的承載力逐漸降低.在鋼骨混凝土的構(gòu)件中,通常以型鋼屈服作為構(gòu)件達到其極限狀態(tài)的標準.加固后的構(gòu)件屬于二次受力的構(gòu)件,當新施加的載荷再一次作用在構(gòu)件上時,加固混凝土部分和型鋼作為一個整體同時發(fā)揮作用,其承載力不僅來自于型鋼、混凝土、鋼筋各自提供的承載力,更重要的來自于三者作為一個協(xié)同工作的整體后產(chǎn)生的大于各部分之和的相互作用,其承載力大大增加.當核心鋼柱的初始負載較小時,要使加固后的構(gòu)件內(nèi)部型鋼達到其屈服強度,必須對加固后的構(gòu)件施加更大的載荷;當核心型鋼的初始負載較大時,由于型鋼上負載很快就要達到其屈服載荷,故對加固后構(gòu)件施加的載荷肯定要小于初始負載較小時的情形.因此,在實際工程中要對軸心受壓鋼柱進行外包混凝土加固時,可以先將鋼柱的負載適當卸載一部分,然后進行加固,則加固后的構(gòu)件作為一個整體肯定能夠承受更大的載荷.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析鋼柱零負載時對應的加固后構(gòu)件最大承載力為2.5 MN,0.5fss負載時對應的加固后構(gòu)件最大承載力為2.4 MN,0.7fss負載時對應的加固后構(gòu)件最大承載力為2.3 MN,可以看出初始負載對加固后構(gòu)件的承載力提高的值大約就是型鋼初始負載的差值,提高幅度不是太大.

2.2混凝土強度對加固后鋼柱承載力的影響

混凝土的強度對加固后構(gòu)件的承載力也有明顯的影響,如圖4所示.

圖4　載荷-豎向位移曲線圖Fig.4　Load-ertical displacement graph

F0.5fyc70曲線代表混凝土等級為c70的加固后構(gòu)件載荷-豎向位移曲線,F0.5fyc50曲線代表混凝土等級為c50的加固后構(gòu)件載荷-豎向位移曲線.由圖4分析可得,加固所用的混凝土等級越高,加固后構(gòu)件的承載力也越高.由此可以得出提高AC-SRC承載力的另一種方法就是提高加固所用混凝土的強度等級.并且由實驗數(shù)據(jù)可以看出,當加固所用的混凝土等級由c50提高到c70時,加固后構(gòu)件的承載力從1.93 MN提高到了2.41 MN,提高幅度還是很大的.

2.3型鋼強度對加固后鋼柱承載力的影響

型鋼強度對AC-SRC的承載力也有影響,如圖5所示.

圖5　載荷-豎向位移曲線圖Fig.5　Load-vertical displacement graph

F0.7fyc70a曲線代表型鋼為Q345的加固后構(gòu)件載荷-豎向位移曲線,F0.7fyc70b曲線代表型鋼為Q235的加固后構(gòu)件載荷-豎向位移曲線,由圖5可以看出,型鋼的屈服強度越大,加固后構(gòu)件的承載力也越大,但是由實驗數(shù)據(jù)可以看出,當型鋼由Q235換成Q345時,加固后構(gòu)件的承載力由2.21 MN提高到了2.3 MN,提高幅度不是很大.

2.4破壞形態(tài)分析

在軸心載荷的作用下,整個截面的應變基本上是均勻分布的.當載荷較小時混凝土、縱筋、核心鋼柱都處于彈性狀態(tài),混凝土、縱筋、核心鋼柱的壓縮變形增加和載荷的增加成正比;隨著載荷的增加,混凝土、縱筋、核心鋼柱變形量的增加大于載荷的增加速度,這主要是由于塑性變形的原因;進一步增加載荷,可以聽到構(gòu)件發(fā)出“啪、啪、啪”的響聲,然后柱中混凝土表面開始出現(xiàn)裂縫,在臨近破壞載荷時,柱的四周出現(xiàn)明顯的縱向裂縫,箍筋間的縱筋發(fā)生壓屈,向外凸出,緊接著表面的混凝土破碎,柱子壓壞,如圖6、圖7所示.

圖6　表面混凝土的破壞形態(tài)Fig.6　Failure mode of concrete surface

圖7　內(nèi)部縱筋的破壞狀態(tài)Fig.7　Failure mode of internal longitudinal reinforcement

構(gòu)件的破壞形態(tài)與鋼筋混凝土柱的破壞形態(tài)基本上一致[5],并且在破壞時核心鋼柱由于混凝土以及鋼筋的約束不會發(fā)生局部屈曲,如圖8所示.

圖8　核心鋼柱的破壞形態(tài)Fig.8　Failure mode of core steel columns

3　正截面承載力理論分析

3.1基本假定

(1) 外包混凝土與型鋼能夠良好地協(xié)同工作,即在二次受力的時候,型鋼的應變和外包混凝土的應變是相等的.

(2) 混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用美國E.Hognestad建議的模型[6]:

上升段

(1)

下降段

(2)

(3) 型鋼、鋼筋假定為理想的彈塑性材料.

(4) 在構(gòu)件的受力過程中不考慮核心型鋼的局部屈曲.

AC-SRC構(gòu)件屬于二次受力的構(gòu)件[7],不能按照整澆柱正截面承載力的計算方法進行計算,而現(xiàn)在國內(nèi)在這方面的研究較少,也沒有統(tǒng)一的理論計算公式.根據(jù)前面的試驗分析,本文采用的方法是從已有的型鋼混凝土正截面承載力的公式中引入外包混凝土利用率αc,通過修正該公式來對AC-SRC構(gòu)件的正截面承載力進行計算.我們通常以型鋼的屈服作為構(gòu)件達到其極限狀態(tài)的標準,通過前面的試驗觀察可知,當型鋼屈服時,外包混凝土中縱筋也處于屈服狀態(tài),只有外包混凝土的強度沒有充分利用,因此,只在公式中引入外包混凝土的利用率αc.

鋼骨混凝土軸心受壓構(gòu)件的計算公式[2]:

(3)

式中:φ為型鋼混凝土柱的穩(wěn)定系數(shù),按表5采用;fc、fs、fss分別為混凝土、縱筋、型鋼軸心抗壓強度值;Ac、As、Ass分別為混凝土、縱筋、型鋼截面面積.

表5　型鋼混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)

最小回轉(zhuǎn)半徑計算公式:

(4)

(5)

(6)

式中:Ic、Is、Iss分別為混凝土、鋼筋、型鋼對經(jīng)過換算截面重心軸的慣性矩;Ec、Es、Ess分別為混凝土、鋼筋、型鋼彈性模量.

下面引入外包混凝土利用率αc

N=0.9φ(αcfcAc+fsAs+fssAss).

(7)

(8)

式中,σss表示型鋼的初始負載.

如果通過式(7)得到的外包混凝土利用率的值太小,也就是說加固后的外包混凝土的強度基本上沒有得到利用.但在實際工程中,加固后的構(gòu)件再次受力達到極限載荷時,外包混凝土的利用率至少也能夠達到60%,不然這種加固是毫無意義的.假設當上面公式得到的外包混凝土的利用率小于0.6時,按照0.6計算.

對式(7)進行分析可以發(fā)現(xiàn),型鋼強度越大,構(gòu)件的承載力越強;混凝土強度越大,構(gòu)件的承載力越大;初始負載越小,構(gòu)件的承載力越大,與試驗結(jié)果相吻合.

3.2公式可靠性分析

經(jīng)過計算可以得到:

Ass=2 159mm2、As=452mm2、

Ac=37 389mm2、Iss=1.33×106mm4、

Is=9.55×105mm4、Ic=1.31×108mm4、

αss=5.57、αs=5.41、I0=1.44×108mm4、

A0=51 860.8mm4、i=52.7mm、

l0=900mm、l0/i=17.1.

查表可得φ的取值為1.0.

由表6中的對比分析可以看出,試驗值與計算值之間的誤差最大為13.86%,最小為1.35%,平均值為7.48%,說明計算值與試驗值還是比較接近的,說明本文所建立的公式是準確可靠的.

表6　試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比

4　結(jié)　　論

(1) 隨著鋼柱初始負載的增大,AC-SRC構(gòu)件的承載力逐漸降低,降低幅度約等于鋼柱的初始負載的差值;

(2) 隨著外包混凝土強度的增大,AC-SRC構(gòu)件的承載力逐漸增大,且提高幅度比較大;

(3) 隨著核心型鋼強度的增大,AC-SRC構(gòu)件的承載力逐漸增大,提高幅度不大;

(4) AC-SRC構(gòu)件在承受軸壓載荷時,其破壞形態(tài)與鋼筋混凝土柱的破壞形態(tài)基本上一致;

(5) 由分析比較可知,要想大幅度提高AC-SRC的承載力,最好的方法就是采用高強度的混凝土進行加固;

(6) 本文給出了AC-SRC構(gòu)件正截面承載力的一種計算方法,由試驗結(jié)果和計算結(jié)果的對比分析可知該公式是準確可靠的,在實際工程中可以采用.

[1] 周玲,陳明中,陳龍珠. 外包混凝土加固軸心受壓鋼柱中強度折減系數(shù)分析[J]. 建筑技術(shù), 2005,36(2):116-117.

(ZHOU L,CHEN M Z,CHEN L Z. Analysis on strength reduction coefficient of axial loaded steel column with RC enclosure[J]. Architecture Technology, 2005,36(2):116-117.)

[2] 王曉初. 組合結(jié)構(gòu)設計原理[M]. 北京:化學工業(yè)出版社, 2014:111-140.

(WANG X C. Design principle of combined structure[M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2014:111-140.)

[3] 葉列平,方鄂華. 鋼骨混凝土構(gòu)件的受力性能研究綜述[J]. 土木工程學報, 2000(5):1-12.

(YE L P,FANG E H. State-of-the-art of study on the behaviors of steel reinforced concrete structure[J]. China Civil Engineering Journal, 2000,33(5):1-12.)

[4] 周樂. GFRP管鋼骨高強混凝土組合構(gòu)件力學性能研究[D]. 沈陽:東北大學, 2009.

(ZHOU L. Mechanical behaviors study of GFRP tube filled with steel-reinforced high-strength concrete composite members[D]. Shenyang:Northeastern University, 2009.)

[5] 趙亮,熊海瀅. 混凝土結(jié)構(gòu)原理與設計[M]. 武漢:武漢理工大學出版社, 2008:53-55.

(ZHAO L,XIONG H Y. Principle and design of concrete structures[M]. Wuhan:Wuhan University of Technology Press, 2008:53-55.)

[6] 程文瀼,顏德姮. 混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2008:1-16.

(CHENG W R,YAN D H. Concrete structure[M]. Beijing:China Architecture & Building Press, 2008:1-16.)

[7] 周樂,王克堯,聶曉梅,等. 軸壓加固柱承載力計算理論[J]. 沈陽大學學報(自然科學版), 2016,28(2):151-154.

(ZHOU L,WANG K Y,NIE X M,et al. Calculation theory of bearing capacity under axial compression after reinforcement[J]. Journal of Shenyang University (Natural Science), 2016,28(2):151-154.)

【責任編輯: 祝穎】

Experiment and Theoretical Study on Normal Section Bearing Capacity of Axial Compression of Enclosed Steel Reinforced Concrete

TanXiangpei,WangXiaochu,ZhouLe,YiJunwei

(Architectural and Civil Engineering College, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

In order to study the normal section bearing capacity of axial compression of enclosed steel reinforced concrete,based on the experiment and documents,the normal section bearing capacity of axial compression of enclosed steel reinforced concrete under different initial axial compressive load,different concrete strength and different steel strength are researched. The process of component damage and the development of component cracks based on the damage modes of reinforced concrete under axial compression are described. The normal section bearing capacity formula of the axial compression of enclosed steel reinforced concrete is deduced after amending the existing formula of normal section bearing capacity of steel reinforced concrete. And the rationality of the formula is verified by analyzing and comparing the test results and calculation results.

enclosed concrete; steel columns; axial compression; bearing capacity; failure mode

2016-03-28

國家自然科學基金資助項目(51408371); 遼寧省自然科學基金資助項目(2014020098);沈陽市計劃項目(F14-196-4-00).

譚相培(1989-),男,山東聊城人,沈陽大學碩士研究生;王曉初(1967-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學教授,博士;周樂(1978-),女,遼寧營口人,沈陽大學教授,博士后研究人員.

2095-5456(2016)04-0325-06

TU 392

A