阿里甫江·夏木西，劉曉蕊

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047)

0 引言

目前，高強度混凝土廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)，尤其是將高強度混凝土填充到鋼管內(nèi)組成鋼管高強混凝土（簡稱CFST）后，高強混凝土的高強特性變得更為顯著．在相同的荷載條件下，CFST較普通混凝土和普通鋼柱能明顯節(jié)約混凝土和鋼材，并且可以省略澆筑模板，進一步降低造價[1,2]．然而，填充高強度混凝土?xí)rCFST的強度雖有所提高，但其延性和抗剪性能卻降低，進而降低結(jié)構(gòu)的抗震性能[3,4]．

為了改善CFST的上述問題，人們通過在CFST核心混凝土內(nèi)配置鋼筋來增強其受力性能，這種增強的CFST被稱為配筋鋼管混凝土（簡稱R-CFST）構(gòu)件．根據(jù)已有的研究成果[5?8]，由縱向鋼筋和箍筋組成的鋼筋骨架可以對內(nèi)填混凝土產(chǎn)生二次套箍，較好地改善內(nèi)填混凝土的性能，彌補內(nèi)填高強度混凝土的缺點．

無論是CFST還是R-CFST，內(nèi)填充核心混凝土的強度是影響構(gòu)件力學(xué)性能的重要因素之一．因此，本文將混凝土強度作為試驗參數(shù)，研究R-CFST的軸壓性能，旨在探究核心混凝土對R-CFST強度、套箍效應(yīng)、延性及破壞特性的影響規(guī)律，重點闡明配筋對鋼管高強度混凝土柱受力性能的影響．

1 試驗概況

1.1 試件制備

試件橫截面形狀均為圓形，直徑D= 165 mm、高度H= 500 mm．將混凝土等級設(shè)定為參變量，混凝土立方體強度設(shè)定為20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa和70 MPa等6組．對應(yīng)各組混凝土強度等級，準備R-CFST（以RF標識）以及CFST（以CF標識）和RC（以RC標識）等3種類型的試件，對應(yīng)每一類型制作3根重復(fù)試件，6組3類每一類3根，總共準備54根試件；根據(jù)已有R-CFST試驗[8]，R-CFST和RC試件所用的縱向鋼筋采用6根直徑為8 mm的HRB400帶肋鋼筋，算得的縱向鋼筋配筋率為1.49%；橫向鋼筋（箍筋）采用直徑為4 mm、間距為50 mm的冷拔鋼絲；R-CFST和CFST試件所采用鋼管為Q235B有縫鋼管、壁厚為2.3 mm、徑厚比為D/t=71.7．

圖1 鋼管和鋼筋材料的試驗結(jié)果Fig 1 Results of material test for steel material

1.2 材性試驗

依據(jù)我國現(xiàn)行標準[9]制備混凝土立方體試塊并測定強度． 最終確定各組混凝土立方體抗壓強度fcu、軸心抗壓強度fc和混凝土試件軸心受壓承載力Nco（Nco=fcAc，其中Ac為橫截面面積） 等指標，如表1所示．另外，依據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范[10]進行了本試驗鋼材的材質(zhì)試驗．材質(zhì)試驗測得的材質(zhì)曲線如圖1所示．最終確定鋼管材質(zhì)屈服值fsy=308 MPa、與其對應(yīng)的屈服應(yīng)變εsy=1 413 μm/m、軸心受壓承載力Nso=361.74 kN（Nso=fsyAss，其中Ass為鋼管橫截面總面積）；縱向鋼筋屈服強度fry= 487 MPa、與其對應(yīng)的屈服應(yīng)變εry=2 680 μm/m、軸心受壓承載力Nro=147.00 kN（Nro=fryAsr，其中Asr為縱筋橫截面總面積）．

表1 各組混凝土強度指標Tab 1 Strength of concrete

1.3 試驗方法

用WEY-5000型微機控制壓力計進行試驗．加載控制量為：900 kN以下時2.0 kN/s、900 kN至1 200 kN之間時1.0 kN/s、1 200 kN以上時0.5 kN/s．關(guān)于測量部位，文獻[5]和文獻[8]分別在鋼管縱向中心處及離中心三分之一處粘貼了應(yīng)變片，文獻[6]和文獻[7]則只在縱向中心處粘貼了應(yīng)變片．分析后發(fā)現(xiàn)前兩個試驗中構(gòu)件變形首先從縱向中心發(fā)展，最終取得最大值，對構(gòu)件的破壞起支配作用．因此，本試驗以文獻[6, 7]的測點布置方法為參考，采取如圖2所示的測點布置．試驗試件安裝如圖3所示．

圖2 測點布置示意圖Fig 2 Illustration for measuring points

圖3 試驗方式圖Fig 3 Photograph of testing method

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 受力性能分析

(1) 為了分析填充不同強度的混凝土?xí)r鋼筋對R-CFST構(gòu)件性能的影響，對R-CFST和CFST的荷載-位移關(guān)系進行比較．先對荷載進行正則化（荷載值除以峰值荷載），再繪制正則化荷載對位移的關(guān)系曲線，如圖4所示．可以看出，R-CFST和CFST表現(xiàn)出基本相同的軸壓特性，但隨混凝土強度的增加，CFST峰值荷載后的強度下降更顯著、幅度更大、下滑趨勢更突然．相比之下，R-CFST顯示出較好的強度和塑性變形能力，而其塑性變形能力不隨混凝土強度的提高而降低．并且在相同的混凝土強度之下，R-CFST的剛度高于CFST．

圖4 R-CFST和CFST荷載-位移曲線的比較Fig 4 Comparisons between load-displacement curves of R-CFST and CFST

(2)圖5為部分CFST試件（編號分別為CF40-3、CF50-2、CF60-2、CF70-2）的荷載-位移關(guān)系曲線．可以看出這些試件在較小荷載（分別為1 126.52 kN、1 257.66 kN、1 187.6 kN、606.14 kN）時就出現(xiàn)承載力突然急速下滑的現(xiàn)象，表現(xiàn)出典型的脆性破壞現(xiàn)象．CFST出現(xiàn)脆性破壞是由高強度混凝土脆性性質(zhì)和混凝土填充時的不均勻性造成的[4]．

圖5 發(fā)生脆性破壞的CSFT試件Fig 5 CFST which experienced brittle failure

2.2 破壞形態(tài)分析

作為R-CFST和CFST的代表性情況，將RF70和CF70 的破壞形態(tài)列出如圖6 所示．根據(jù)已有研究成果[11]，CFST軸心受壓短柱的破壞模式有剪切破壞和多折腰鼓形破壞兩種．很明顯，本次試驗R-CFST 和CFST各試件的破壞為“剪切破壞模式”，即外觀均為剪切局部失穩(wěn)形態(tài)，而且兩者破壞無本質(zhì)差別，混凝土未改變外部破壞形式．

R-CFST和CFST各試件的內(nèi)部破壞形態(tài)各自相同，即混凝土強度的變化沒有造成構(gòu)件內(nèi)部破壞形態(tài)的改變．根據(jù)圖6(b)和6(d)，鋼管切除后R-CFST的核心混凝土仍能保持整體且有一定的強度，為典型的延性破壞形式．相反地，CFST的內(nèi)部混凝土被完全分為兩半，不能保持整體，是典型的脆性破壞形式．

圖6 R-CFST和CFST的典型破壞形態(tài)Fig 6 Representative views of failure for R-CFST and CFST

根據(jù)已有研究[12]，CFST發(fā)生破壞的主要成因是混凝土的剪切破壞．加載初期當應(yīng)變?yōu)?20 μm/m時核心混凝土就開始出現(xiàn)微裂縫，但由于此時鋼管尚未屈服，其緊固作用限制了核心混凝土微裂縫的發(fā)展．隨著荷載的增大，鋼管與核心混凝土之間的軸力分配比例不斷變化，核心混凝土的裂縫不斷擴展、變寬，并開始膨脹，而鋼管的橫向約束應(yīng)力也隨之增大并抑制裂縫的開展．隨著荷載不斷增大，在鋼管的橫向擠壓下核心混凝土開始出現(xiàn)剪切變形，鋼管也隨之開始屈服，最終核心混凝土發(fā)生剪切破壞，使外包鋼管出現(xiàn)沿著剪切面的局部失穩(wěn)，整個構(gòu)件發(fā)生破壞．可見，核心混凝土的性能對構(gòu)件整體性能至關(guān)重要，如果核心混凝土振搗不實容易造成不均勻性，將促使構(gòu)件脆性破壞．R-CFST中配置的鋼筋可以較好地降低核心混凝土的不均勻性造成的不利影響，提高構(gòu)件受力性能．

2.3 延性性能分析

柱子軸心受壓延性可用文獻[13]提出的延性率系數(shù)來衡量，即延性率系數(shù)μ為峰值荷載位移或應(yīng)變對構(gòu)件屈服荷載位移或應(yīng)變的比值．文獻[14]和文獻[15]取對應(yīng)于2 000 μm/m的位移作為屈服位移．由于鋼材的理想彈塑性材質(zhì)，具有相同的受壓和受拉特性．以此做參考，在本試驗中我們采用鋼管的材料試驗獲得的屈服應(yīng)變1 413 μm/m作為屈服參考點，通過將此值和鋼管的縱向中心處測得的四個縱向應(yīng)變的平均值相對應(yīng)來確定整體屈服荷載，再根據(jù)構(gòu)件的荷載位移關(guān)系確定屈服位移．確定的各試件延性率系數(shù)和相關(guān)參數(shù)見表2，延性與混凝土強度之間的關(guān)系如圖7所示．

表2 試驗結(jié)果Tab 2 Test results

可以看出，兩者的延性均隨著混凝土強度等級的提高而降低，R-CFST的延性明顯優(yōu)于CFST．對應(yīng)各強度等級的混凝土，可以算出R-CFST比CFST的延性率分別高出94%、66%、68%、98%、106%和107%．可見，R-CFST和CFST延性率之間的差別隨著混凝土強度的提高而增加，混凝土為C50、C60和C70時，RCFST的延性率比CFST 高出2倍．表明配筋能有效提高延性，而混凝土強度越高，提高效果越明顯．

圖7 延性與混凝土強度關(guān)系圖Fig 7 Relations of ductility versus concrete strength

2.4 套箍效應(yīng)分析

我國CECS28-2012[16]規(guī)程和GB50936-2014[17]規(guī)范給出了基于套箍指標和極限平衡理論的圓形截面CFST短柱的承載力計算公式：

式中：Acc為核心混凝土的面積；θ為CFST的套箍指標；k為與混凝土強度等級相關(guān)的系數(shù)，當混凝土為C55～C80時取k=1.8，其他情況取k=2.0．

為了定量分析套箍效應(yīng)對R-CFST的影響規(guī)律，由式(1)和式(2)導(dǎo)出套箍指標的表達式:

其中

利用式(3)和式(4)可以算出R-CFST和CFST各試件的套箍系數(shù)并列于表2中，并將套箍系數(shù)與混凝土強度之間的關(guān)系繪制成曲線，如圖8所示．可以看出，在鋼管壁厚不變的情況下，R-CFST和CFST各試件的套箍效應(yīng)均隨著混凝土強度等級的提高而降低，RCFST的套箍效應(yīng)明顯優(yōu)于CFST．對應(yīng)各強度等級的混凝土，可以算出R-CFST比CFST的套箍系數(shù)分別高出38%、43%、52%、60%、71%和145%．可見，RCFST和CFST套箍系數(shù)之間的差別隨著混凝土強度的提高而增加．說明在CFST內(nèi)配置適當?shù)匿摻羁墒箻?gòu)件的套箍效應(yīng)得以顯著提高，從而提高構(gòu)件的各項性能，而混凝土的強度越高，提高就越明顯．另外，值得注意的是，C70時CFST的套箍系數(shù)為0.32，而現(xiàn)行規(guī)范[17]規(guī)定的CFST套箍系數(shù)的取值范圍為0.5～2.0，即本次試驗C70混凝土填充CFST的套箍系數(shù)超出規(guī)范規(guī)定的下限，進一步觀察后發(fā)現(xiàn)，套箍系數(shù)超限后構(gòu)件的延性和強度也發(fā)生顯著下降，并表現(xiàn)為脆性破壞，而R-CFST（C70時的套箍系數(shù)為0.79）在同等條件下不受此限值的約束，并顯示出較好的延性和強度．

圖8 套箍效應(yīng)與混凝土強度的關(guān)系Fig 8 Relations of confinement effect versus concrete strength

2.5 峰值荷載分析

試驗中直接獲得的各試件峰值荷載及其平均值見表2，同時將構(gòu)件峰值荷載與混凝土強度之間的關(guān)系繪制成曲線，如圖9所示．

圖9 峰值荷載與混凝土強度的關(guān)系Fig 9 Relations of peak load versus concrete strength

(1)從圖9可以清楚地看到，當C60及以下時，R-CFST和CFST的峰值荷載隨混凝土強度等級的提高而增加．當C70時，與C60相比，R-CFST的峰值荷載保持不變（略顯上升趨勢，即kN），而CFST的峰值荷載則明顯下降（呈下滑趨勢，即．無論混凝土強度的高低，R-CFST的峰值荷載明顯高于CFST．

(2)從表2可以看出，各RCFST試件的峰值荷載均比對應(yīng)CFST峰值荷載與鋼筋強度的疊加值（比如對應(yīng)的R-CFST峰值荷載增加了5.66%、5.56%、6.10%、7.50%、8.70%、15.25%）高，說明RCFST中的鋼管、混凝土和鋼筋相互取長補短而產(chǎn)生組合效應(yīng)，使得構(gòu)件的整體強度比疊加強度提高，而且這種提高隨混凝土強度的增大而增加．

2.6 R-CFST軸心受壓構(gòu)件的承載力計算公式

從上述分析中可以看出，R-CFST的基本受力特性與CFST類似，只是R-CFST具有比CFST更好的延性、套箍效應(yīng)和強度．因此，考慮到計算的簡便性和通用性，可以在CFST現(xiàn)行承載力計算方法[17]的基礎(chǔ)上提出適用于圓形截面R-CFST軸心受力構(gòu)件的承載力計算公式．由上述承載力分析可以看出，鋼筋的效果類似于鋼管，對承載力的提高作用幾乎等同于鋼管．由此引入R-CFST的套箍系數(shù)：

則圓形截面R-CFST短柱的軸心受壓承載力公式為：

用式(7)和式(8)對16個CFST和RCFST試驗數(shù)據(jù)進行計算，結(jié)果見表3．可以看出，《規(guī)范》的CFST公式給出較小的計算值，均偏安全．本文提出的R-CFST承載力計算公式(7)和(8)的結(jié)果也同樣偏于保守，并表現(xiàn)出與CFST幾乎相同的計算誤差．

表3 試驗值對公式評估值的比較Tab 3 Comparisons of experimental values against predicted values

3 結(jié)論

本文以混凝土為參數(shù)，對鋼筋增強CFST柱開展了試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果得出如下結(jié)論：

(1) R-CFST具有與CFST相同的受力特性．當高強度混凝土填充時，雖然兩者都出現(xiàn)峰值荷載后受力性能退化，但是由于鋼筋的影響，R-CFST性能的退化趨勢不隨混凝土強度等級的提高而明顯增加，具有比CFST更好的承載力和塑性變形能力．另外，隨著混凝土強度等級的提高，R-CFST和CFST的構(gòu)件整體屈強比增加或構(gòu)件的安全儲備降低，但在相同的混凝土強度等級的情況下，R-CFST具有比CFST更小的整體屈強比或更多的承載力儲備．

(2) R-CFST和CFST的延性性能和套箍效應(yīng)隨著混凝土強度的提高而降低．然而，由于鋼筋的影響，RCFST具有比CFST更好的延性率和套箍效應(yīng)，而且鋼筋對延性和套箍效應(yīng)的提高作用隨著混凝土強度的增加而更明顯，同時鋼筋對延性的提高作用比對套箍效應(yīng)的提高作用更明顯．

(3) R-CFST總是具有比CFST更大的承載力．R-CFST中的鋼管、混凝土和鋼筋相互取長補短產(chǎn)生的組合效應(yīng)使得構(gòu)件的整體強度得到明顯提高，而且R-CFST承載力的提高隨混凝土強度等級的提高呈現(xiàn)上升趨勢．

(4) R-CFST具有與CFST相同的破壞模式，而隨混凝土強度的提高其破壞模式不發(fā)生改變．

(5)本文給出的適用于R-CFST的承載力計算方法與現(xiàn)行CFST承載力計算方式相同、形式簡便、計算精度與CFST保持一致，具有一定的參考應(yīng)用價值．