從地文

(長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

異形鋼管混凝土短柱軸心受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

從地文

(長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

目的：了解異形鋼管混凝土短柱的受力、變形機(jī)制和破壞形態(tài)，著重考察約束效益系數(shù)對(duì)異形鋼管混凝土短柱的力學(xué)性能影響。方法：設(shè)計(jì)制作了4個(gè)T形鋼管混凝土短柱和4個(gè)L形鋼管混凝土短柱，通過軸心受壓試驗(yàn)來實(shí)測(cè)試件極限承載力和荷載-位移曲線，分析約束效益系數(shù)對(duì)異形鋼管混凝土短柱力學(xué)性能的影響。結(jié)果：試件壓壞現(xiàn)象明顯，呈現(xiàn)出局部鼓曲或角部開裂兩種破壞形態(tài)，且開裂集中在T形試件腹板處和L形試件內(nèi)角處。結(jié)論：提高約束效益系數(shù)能有效提高試件極限承載力和改善試件后期承載能力；試件工作狀態(tài)可分為三個(gè)階段；T形試件腹板處和L形試件內(nèi)角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

異形鋼管混凝土;軸心受壓;短柱;力學(xué)性能

近年來，鋼管混凝土得到廣泛應(yīng)用。T形、L形、十字形等異形鋼管混凝土柱作為結(jié)構(gòu)的主要承重部位應(yīng)用到高層建筑中：一方面具有較大的抗側(cè)剛度和強(qiáng)度，能避免出現(xiàn)肥柱肥梁；另一方面能夠配合墻體布置，避免房間出現(xiàn)棱角，提高使用面積。目前，雷敏等進(jìn)行了T形鋼管混凝土柱軸心受壓穩(wěn)定承載性能研究[1]，王丹等進(jìn)行了T 形、L 形鋼管混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[2]，華南理工大學(xué)提出了帶約束拉桿的T形、L形鋼管混凝土柱[3]，張繼承等對(duì)異形鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)行了非線性分析研究[4]，杜國(guó)峰等進(jìn)行了WRC-T鋼管混凝土短柱軸心受壓力學(xué)性能的研究[5]。總結(jié)并分析他們所做的各種研究，可以發(fā)現(xiàn)鋼管壁厚對(duì)異形鋼管混凝土力學(xué)性能影響較大，為此設(shè)計(jì)制作了兩種壁厚的鋼板組合焊接T形和L形試件并進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期得到不同壁厚異形鋼管混凝土軸壓力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)以鋼管壁厚(可視為約束效應(yīng)系數(shù))為變量參數(shù)制作了2組共4個(gè)T形試件和2組共4個(gè)L形試件(每組2個(gè)相同型號(hào)的試件，壁厚每組分別取3 mm和4 mm)?；炷梁弯摬牡牟牧狭W(xué)性能，均按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法實(shí)測(cè)而得，混凝土采用商品混凝土，實(shí)測(cè)150×150×150(mm)標(biāo)準(zhǔn)立方塊抗壓強(qiáng)度為42.0 MPa,鋼材采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。異形鋼管采用鋼板折彎對(duì)接滿焊制成，柱高均為400 mm,截面尺寸如圖1所示。

圖1 試件截面尺寸

對(duì)應(yīng)每個(gè)試件加工制作2塊10 mm厚的300×300(mm)方形鋼板作為蓋板。先將一塊蓋板焊在空鋼管一端，然后澆灌混凝土，待混凝土養(yǎng)護(hù)兩周后將端口磨平，在坑洼處填補(bǔ)高強(qiáng)水泥砂漿，最后焊上另一蓋板，以期盡可能保證鋼管與核心混凝土在試驗(yàn)加載時(shí)共同受力。所有試件的上下蓋板焊接時(shí)要與空鋼管幾何對(duì)中，所有焊縫均按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB J50017—2003)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并保證焊縫質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)在長(zhǎng)江大學(xué)土木工程試驗(yàn)中心500 T長(zhǎng)柱壓力機(jī)上進(jìn)行(見圖2)。為保證試件軸向受力均勻，將試件居中放置在試驗(yàn)臺(tái)上，放置前在試驗(yàn)臺(tái)上撒一層石英砂以方便對(duì)中。試件居中放置后降下壓力機(jī)橫梁距離試件1～2cm位置，開始加載時(shí)，先采用位移加載使得試件上下兩端能充分接觸試驗(yàn)臺(tái)，之后試驗(yàn)采用力控式分級(jí)加載，在試件初期的彈性范圍內(nèi)每級(jí)加載為預(yù)計(jì)極限荷載的1/10，每級(jí)保持時(shí)間為5分鐘，當(dāng)施加荷載達(dá)到預(yù)計(jì)極限荷載的75%～80%時(shí)，每級(jí)加載為預(yù)計(jì)極限荷載的1/20，每級(jí)保持時(shí)間為2分鐘，荷載值由壓力傳感器測(cè)得。另外,在每個(gè)試件的外壁布置縱向和環(huán)向的應(yīng)變片測(cè)量試件的應(yīng)變(見圖3)。

圖2 500 T長(zhǎng)柱壓力機(jī)

T型 L型

圖3 應(yīng)變片布置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

T形、L形試件的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為局部鼓曲破壞和角部開裂破壞。

當(dāng)荷載達(dá)到試件極限承載力的75%左右時(shí)，T形試件長(zhǎng)肢外側(cè)的面-1處鋼管壁首先出現(xiàn)鼓曲現(xiàn)象，隨著荷載繼續(xù)增大鋼管壁鼓曲現(xiàn)象愈加明顯，當(dāng)荷載達(dá)到試件極限承載力后，混凝土產(chǎn)生局部開裂和壓碎,隨后試件進(jìn)入鼓曲破壞階段，鼓曲部位集中在上(下)柱端10～15 cm處，試件鼓曲破壞。L形試件鼓曲現(xiàn)象由等長(zhǎng)兩肢外側(cè)的面-1和面-2處的鋼管壁開始出現(xiàn)，隨著荷載發(fā)展進(jìn)入鼓曲破壞階段，同T形試件一樣鼓曲現(xiàn)象集中在柱端上(下)10～15 cm處，試件鼓曲破壞。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，T形試件腹板面-3、4、5相交處頂端出現(xiàn)裂縫，試件呈現(xiàn)角部開裂破壞狀態(tài)，L形試件等長(zhǎng)雙肢內(nèi)側(cè)面-4和面-5處鋼管壁隨著荷載增加出現(xiàn)開裂,試件角部開裂破壞。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)所得出的各試件承載力結(jié)果如表1所示，圖4—7為試件的荷載位移曲線圖，具體分析如下：

表1 試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)

注：試件實(shí)測(cè)承載力為兩個(gè)相同試件的平均值。

圖4 ZYTX-1荷載-位移曲線圖

圖5 ZYLX-1荷載-位移曲線圖

圖6 ZYLX-1、ZYLX-2試件荷載-位移曲線圖

圖7 ZYTX-1、ZYTX-2試件荷載-位移曲線圖

(1)由T形、L形試件破壞狀態(tài)可以看出，T形鋼管混凝土短柱腹板處和L形鋼管混凝土短柱內(nèi)角處隨著荷載增加容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致角部開裂破壞。

(2)以試件ZYTX-1的荷載-位移曲線(見圖4)為例說明，試件在荷載施加開始分三個(gè)工作階段：

第一階段：AB段即彈性工作階段。T形鋼管混凝土短柱處于彈性工作階段，荷載-位移基本呈現(xiàn)線性變化狀態(tài)，異形鋼管大致在B點(diǎn)開始進(jìn)入彈塑性階段。 第二階段：BC段即彈塑性階段。鋼管內(nèi)混凝土的微小裂縫隨著荷載增加而擴(kuò)展，T形鋼管開始受壓屈服從而出現(xiàn)鼓曲，試件的軸向剛度也在減小，試件的實(shí)測(cè)荷載-位移曲線開始呈現(xiàn)出明顯的非線性。

第三階段：CD階段即破壞階段。試件達(dá)到極限荷載后，鋼管內(nèi)的混凝土裂縫寬度急劇發(fā)展，混凝土局部被壓碎，T形鋼管鼓曲變形也迅速增加，試件承載力下降，試件破壞。

(3)由表1可以看出，隨著壁厚的增加，T形、L形鋼管混凝土短柱實(shí)測(cè)極限承載力均有不同程度的提升，其中T形構(gòu)件實(shí)測(cè)荷載在鋼管壁厚增加1 mm的情況下提升了5%，L形試件則提升了4%，說明增加壁厚可有效提高異形鋼管混凝土短柱的承載能力。同時(shí)鋼管壁厚增加也有利于改善異形鋼管延展性，提高試件后期承載力。圖6和圖7所示的不同壁厚T形、L形鋼管混凝土短柱荷載-位移曲線對(duì)比能明顯地反映出試件的后期承載能力隨著鋼管壁厚增加有了明顯的提高。

3 結(jié)論

(1)異形鋼管混凝土短柱破壞形態(tài)有兩種，即局部鼓曲破壞和角部開裂破壞。T形試件鋼管開裂主要發(fā)生在試件腹板處，L形試件鋼管開裂主要集中在試件內(nèi)角處，這兩處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)異形鋼管混凝土短柱工作狀態(tài)可分為彈性階段、彈塑性階段、破壞階段等表現(xiàn)出一定的彈塑性性能的三個(gè)階段。

(3)本試驗(yàn)驗(yàn)證了約束效益系數(shù)是影響異形鋼管混凝土短柱的主要參數(shù)，約束效益系數(shù)增加有利于提高異形鋼管混凝土短柱的極限承載力，改善試件后期承載能力。

[1]雷敏,沈祖炎,李元齊,等. T形鋼管混凝土柱軸心受壓穩(wěn)定承載性能研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,44(4):520-527.[2]王丹,呂西林．T形、L形鋼管混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005，26(4)：39-44．

[3]龍躍凌，蔡?。畮Ъs束拉桿L形鋼管混凝土短柱軸壓性能的試驗(yàn)研究[J]．華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，34(11)：87-92．

[4]張繼承,沈祖炎,林振宇.異形鋼管混凝土軸壓短柱的非線性分析[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(1):80-85.

[5]杜國(guó)鋒,徐禮華,溫芳,等.WRC-T鋼管混凝土短柱軸心受壓力學(xué)性能[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,24(6):939-944.

[責(zé)任編輯：趙 偉]

Experimental Study on Mechanical Properties under Axial Compression of Special-Shaped Concrete-Filled Steel Tubular Columns

CONG Diwen

(School of Urban Construction,Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

In order to know the destruction form，mechanical and distortion，the constraint factor's influence on the special-shaped concrete-filled steel tubular columns was especially investigated.4 short columns of T-shaped concrete-filled steel tube and 4 L-shaped concrete-filled steel tubular short columns were designed and manufactured.The load-deformation curve and ultimate bearing capacity of the test specimen were measured by axial compression test.The experimental results showed that the failure modes of the short columns were mainly the local bending and corner cracking,and the cracking concentrated in the webs of the T-shaped columns and the inside corners of the L-shaped columns.The ultimate bearing capacity and later bearing capacity can be heightened obviously by increasing the constraint factor．The operative mode of the test specimen can be divided into 3 stages.The stress concentrate in the webs of the T-shaped columns and the inside corners of the L-shaped columns.

special-shaped concrete filled steel tube; axis compression; short column; mechanical properties

2016-12-28

從地文(1991—)，男，河南信陽(yáng)人，長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。

TU398

A

1008-6811(2017)01-0013-03