張戎令， 郝兆峰， 馬麗娜， 寧貴霞， 李志揚， 杲 斐

(1 蘭州交通大學道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，蘭州 730070； 2 甘肅恒路交通勘察設(shè)計院有限公司，蘭州 730070； 3 中鐵二十一局集團有限公司，蘭州 730070)

0 引言

鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土且鋼管與核心混凝土共同承擔外部荷載的一種組合結(jié)構(gòu)[1-2]。19世紀80年代鋼管混凝土在國外已經(jīng)開始應(yīng)用，我國從1959年開始研究鋼管混凝土的性能，鋼管混凝土作為一種新型的組合結(jié)構(gòu)，主要以軸心和較小偏心力的受壓構(gòu)件為主，被廣泛應(yīng)用于高層建筑和橋梁建設(shè)中[3-4]。目前國內(nèi)外學者已對鋼管混凝土開展大量的研究和分析。文獻[5-6]研究了膨脹劑摻量和應(yīng)力比對鋼管混凝土徐變性能的影響。文獻[7-8]分析了鋼管混凝土柱的耐火性。文獻[9]進行了變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱的抗震性能試驗。

由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性，在混凝土澆筑過程中，鋼管可作為模板包裹在混凝土外部，內(nèi)部澆筑的混凝土屬于隱蔽性工程。通常鋼管內(nèi)部有鋼筋骨架、加筋肋等構(gòu)造，因此容易造成澆筑混凝土密實性難以保證，使得鋼管內(nèi)部混凝土可能會存在一定缺陷。鋼管混凝土缺陷形式主要有空洞、蜂窩、分層離析、粗細骨料不均勻以及鋼管與混凝土脫空等，存在缺陷的核心混凝土會導致鋼管混凝土構(gòu)件承載力和剛度不同程度地降低，削弱鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的整體性能[10]。因此，有必要深入研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)核心混凝土缺陷對鋼管混凝土承載力的影響。文獻[11-14]均研究了脫空對鋼管混凝土構(gòu)件力學性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：脫空對鋼管混凝土承載力有極大的影響，脫空率(鋼管與核心混凝土在界面處分離的程度)越大則鋼管混凝土構(gòu)件極限承載力就越低，脫空率越小則鋼管混凝土構(gòu)件極限承載力就越高。以上研究未考慮核心混凝土缺陷率與缺陷位置對鋼管混凝土承載力的影響，目前有關(guān)核心混凝土缺陷率與缺陷位置對鋼管混凝土構(gòu)件承載力影響的研究需要進一步完善和定量分析。

為此，本文以核心混凝土不同缺陷率和缺陷位置的鋼管混凝土試件為試驗對象，研究其對鋼管混凝土承載力的影響。

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計

本次試驗制作9組、每組3個平行試件，共27個試件，鋼管采用Q235鋼材，鋼管直徑為325mm，壁厚為2mm，高度為650mm，鋼管長細比為2。設(shè)計時考慮的主要參數(shù)包括：核心混凝土缺陷率(缺陷率分為無缺陷和缺陷率為5%，10%，15%，20%的共5種工況，缺陷率為缺陷體積除以核心混凝土體積)； 缺陷位置(試件編號中HW表示無缺陷，HB表示靠近管壁側(cè)缺陷，HH表示中心缺陷)。在制作缺陷時，采用硬塑料薄膜密封細沙而成，通過控制其體積以實現(xiàn)缺陷的大小，試件缺陷尺寸與比例見表1，試件缺陷位置見圖1。

試件缺陷尺寸與比例 表1

圖1 缺陷位置示意圖

試件采用現(xiàn)澆混凝土澆筑，混凝土配合比方案見表2。混凝土的工作性能實測值:坍落度220mm，擴展度550mm，含氣量3.0%，1h坍落度變化量70mm。

澆筑混凝土時將鋼管豎直放置，并使用振搗棒以保證鋼管與混凝土結(jié)合密實，如圖2所示。缺陷制作方法：澆筑混凝土前，將沙袋設(shè)置到相應(yīng)的位置，并且通過倒沙預埋管固定沙袋，確保沙袋固定在所設(shè)置的位置處，試件養(yǎng)護3d后倒出沙子，形成空洞缺陷，如圖3所示。

圖2 澆筑試件

澆筑混凝土注意事項：缺陷位置應(yīng)當在鋼管外側(cè)設(shè)有標記，應(yīng)記錄缺陷與鋼管底部距離； 應(yīng)確保在初凝之前將試件澆筑完畢； 放置缺陷時由于沙子的密度比混凝土的密度小，因此會出現(xiàn)沙袋漂浮移動的現(xiàn)象，應(yīng)通過倒沙預埋管固定沙袋； 澆筑試件時需要澆筑同條件標準試塊以測試混凝土的強度。

混凝土配合比方案/ (kg/m3) 表2

澆筑鋼管混凝土時，同時澆筑100mm×100mm×100mm立方體試塊，并與鋼管混凝土試件在相同條件下養(yǎng)護。28d后測試強度，結(jié)果見表3，取3塊試塊平均值41.47MPa作為混凝土的抗壓強度。

混凝土試塊強度/ MPa 表3

1.2 測試方案

試驗采用全截面加載方式[15]。試件澆筑90d后，在800t的液壓試驗機上進行試驗。試件底端兩側(cè)各設(shè)置1個位移計，同時試件1/2高度位置處設(shè)置2個位移計，使用綜合測試儀采集位移數(shù)據(jù)。在鋼管混凝土試件1/2高度處沿周長均勻布設(shè)4個表面應(yīng)變計，應(yīng)變?nèi)≈禐?個應(yīng)變計所測應(yīng)變值的平均值，使用DH3817動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。試驗加載裝置見圖4。試驗采用逐級加載，每級加載所測變形達到穩(wěn)定時進行下一級加載，在彈性階段每級荷載為理論計算極限荷載的10%，鋼管屈服后每級荷載為理論計算極限荷載的5%。

圖4 試驗加載裝置示意圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同缺陷率分析

鋼管混凝土不同缺陷位置及不同缺陷比例在受到外部荷載的荷載-變形曲線及破壞形態(tài)見圖5～8。

圖5 不同缺陷率試件荷載-變形關(guān)系曲線

2.1.1 無缺陷試件破壞形態(tài)

由圖5、圖6可知:由加載開始至荷載達到2 800kN時，無缺陷試件的外觀和變形均無明顯變化，試件的荷載-變形關(guān)系曲線呈線性增長且斜率最大； 當荷載達到2 800kN時對應(yīng)的試件縱向位移為1.33mm，試件處于彈性階段。此階段下混凝土的泊松比小于鋼管的泊松比，鋼管對混凝土的套箍作用微小，可認為鋼管與混凝土單獨承擔荷載，試件的承載力等于單軸應(yīng)力狀態(tài)的鋼管與混凝土承載力的簡單相加。

圖6 無缺陷試件破壞形態(tài)

荷載由2 800kN升高至3 617kN時，由于端部效應(yīng)的影響，試件端部出現(xiàn)局部屈曲，試件內(nèi)部傳出混凝土被壓碎的聲響，荷載-變形關(guān)系曲線呈曲線變化且斜率不斷減?。?當荷載達到3 617kN時對應(yīng)的試件縱向位移為1.94mm，試件處于彈塑性階段。此階段混凝土的泊松比大于鋼管的泊松比，鋼管對混凝土產(chǎn)生了套箍作用，二者共同承擔軸向壓力，試件的極限承載力因此而提高。在試驗過程中，荷載由1 211kN升高至2 826kN時，鋼管處于屈服階段。

加載超過3 617kN時，鋼管混凝土試件中部出現(xiàn)包鼓現(xiàn)象，荷載-變形關(guān)系曲線逐漸平緩，試件處于強化階段。當加載至極限承載力4 037kN時，試件荷載-變形關(guān)系曲線達到頂點，斜率為0。到達頂點后，試件荷載-變形關(guān)系曲線緩慢下降，斜率成為負值，試件喪失承載力，達到破壞狀態(tài)。試件破壞后切開鋼管可以看到，核心混凝土表面出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫將核心混凝土分為左右兩個斜棱錐體，斜棱錐體沿著裂縫相對滑動，但滑動受到鋼管的約束作用，因此鋼管混凝土試件的承載力不會突然下降。

2.1.2 管壁側(cè)缺陷試件破壞形態(tài)

圖7為管壁側(cè)缺陷試件破壞形態(tài)，HB1，HB2，HB3和HB4試件分別為缺陷率為5%，10%，15%，20%的管壁側(cè)缺陷試件，由圖5、圖7可知：由加載開始至荷載達到1 620kN時，HB1試件荷載-變形關(guān)系曲線呈線性增長且斜率最大，試件處于彈性階段且縱向位移為0.53mm。由加載開始至荷載達到1 607kN時，HB2試件荷載-變形關(guān)系曲線呈線性增長且斜率最大，試件處于彈性階段且縱向位移為0.55mm。由加載開始至荷載達到1 606kN時，HB3試件荷載-變形關(guān)系曲線呈線性增長且斜率最大，試件處于彈性階段且縱向位移為0.69mm。由加載開始至荷載達到1 230kN時，HB4試件荷載-變形關(guān)系曲線呈線性增長且斜率最大，試件處于彈性階段且縱向位移為0.64mm。由于HB類試件缺陷存在于管壁側(cè)，在全截面加載時混凝土承受荷載不均勻?qū)е潞诵幕炷潦艿狡妮S壓作用而發(fā)生大變形，故HB類試件的彈性階段相對于無缺陷試件的彈性階段短暫。鋼管混凝土在開始受荷初期處于彈性階段，在外荷載達到極限荷載60%～70%時，鋼管壁上局部開始出現(xiàn)剪切滑移[1]，鋼管對核心混凝土套箍作用增大； 在有缺陷的試件中，如本文HB1，HB2試件，由于其存在缺陷，在較小荷載作用下，可能局部就出現(xiàn)剪切滑移，鋼管對核心混凝土在較小荷載作用下就起到套箍作用而三向受力，而無缺陷試件在較小荷載作用下，試件處于彈性階段，鋼管對核心混凝土套箍作用較小，可近似認為核心混凝土單向受力(特別是較小荷載作用下)。因此，對有缺陷試件在加載初期，表現(xiàn)出鋼管對核心混凝土在較小荷載作用下發(fā)生套箍作用而三向受力的初始剛度比無缺陷試件在較小荷載作用下核心混凝土單向受力的初始剛度大的現(xiàn)象。HB類試件在彈性階段的破壞過程與無缺陷試件基本相同，試件縱向位移隨缺陷率的增大而增大，承載力隨缺陷率的增大而減小。

圖7 管壁側(cè)缺陷試件破壞形態(tài)

荷載由1 620kN升高至3 240kN時，HB1試件荷載-變形關(guān)系曲線呈曲線變化且斜率逐漸減小，試件處于彈塑性階段且縱向位移為1.99mm。荷載由1 607kN升高至2 715kN時，HB2試件荷載-變形關(guān)系曲線呈曲線變化且斜率逐漸減小，試件處于彈塑性階段且縱向位移為2.20mm。荷載由1 606kN升高至2 209kN時，HB3試件荷載-變形關(guān)系曲線呈曲線變化且斜率逐漸減小，試件處于彈塑性階段且縱向位移為1.92mm。荷載由1 230kN升高至1 645kN時，HB4試件荷載-變形關(guān)系曲線呈曲線變化且斜率逐漸減小，試件處于彈塑性階段且縱向位移為2.21mm。HB類試件處于彈塑性階段時，混凝土的泊松比大于鋼管的泊松比，鋼管對混凝土產(chǎn)生套箍作用，二者共同承擔軸向壓力。在此階段，核心混凝土受壓發(fā)出聲響，缺陷外部的鋼管因缺乏核心混凝土的支撐作用而發(fā)生凹曲，凹曲程度隨缺陷率的增大而增大。

荷載達到3 240kN時，HB1試件荷載-變形關(guān)系曲線呈下降趨勢，試件承載力喪失，達到破壞狀態(tài)。荷載達到2 715kN時，HB2試件荷載-變形關(guān)系曲線呈下降趨勢，試件承載力喪失，達到破壞狀態(tài)。荷載達到2 209kN時，HB3試件荷載-變形關(guān)系曲線呈下降趨勢，試件承載力喪失，達到破壞狀態(tài)。荷載達到1 645kN時，HB4試件荷載-變形關(guān)系曲線呈下降趨勢，試件承載力喪失，達到破壞狀態(tài)。試件破壞后切開鋼管可以看到，受壓過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺陷部位混凝土被壓碎，核心混凝土表面裂縫由缺陷位置向兩端延伸。試件加載至極限承載力后，試件凹曲程度加大但并沒有迅速發(fā)展，說明鋼管達到屈服階段后對核心混凝土仍存在套箍作用。

2.1.3 中心位置缺陷試件破壞形態(tài)

圖8為中心位置缺陷試件破壞形態(tài)，HH1，HH2，HH3和HH4試件分別為缺陷率為5%，10%，15%，20%的中心位置缺陷試件，由圖5、圖8可知：由加載開始至荷載達到2 006kN時，HH1試件荷載-變形關(guān)系曲線呈線性增長且斜率最大，試件處于彈性階段且縱向位移為1.05mm。由加載開始至荷載達到1 633kN時，HH2試件荷載-變形關(guān)系曲線呈線性增長且斜率最大，試件處于彈性階段且縱向位移為1.18mm。由加載開始至荷載達到2 044kN時，HH3試件荷載-變形關(guān)系曲線呈線性增長且斜率最大，試件處于彈性階段且縱向位移為1.17mm。由加載開始至荷載達到1 606kN時，HH4試件荷載-變形關(guān)系曲線呈線性增長且斜率最大，試件處于彈性階段且縱向位移為1.17mm。HH類試件在彈性階段的破壞過程與無缺陷試件基本相同，試件縱向位移隨缺陷率的增大而增大，承載力隨缺陷率的增大而減小。在加載初期，混凝土的泊松比小于鋼管的泊松比，鋼管對混凝土的套箍作用微小，可認為鋼管與混凝土單獨在單向受壓狀態(tài)下工作。

圖8 中心位置缺陷試件破壞形態(tài)

荷載由2 006kN升高至3 458kN時，HH1試件荷載-變形關(guān)系曲線呈曲線變化且斜率逐漸減小，試件處于彈塑性階段且縱向位移為1.92mm。荷載由1 633kN升高至3 229kN時，HH2試件荷載-變形關(guān)系曲線呈曲線變化且斜率逐漸減小，試件處于彈塑性階段且縱向位移為2.22mm。荷載由2 044kN升高至2 922kN時，HH3試件荷載-變形關(guān)系曲線呈曲線變化且斜率逐漸減小，試件處于彈塑性階段且縱向位移為1.84mm。荷載由1 606kN升高至2 613kN時，HH4試件荷載-變形關(guān)系曲線呈曲線變化且斜率逐漸減小，試件處于彈塑性階段且縱向位移為2.44mm。HH類試件處于彈塑性階段時，試件上下位置處鋼管產(chǎn)生向外局部輕微屈曲。此階段下混凝土的泊松比大于鋼管的泊松比，鋼管對混凝土產(chǎn)生套箍作用，二者共同承擔軸向壓力。

荷載達到3 458kN時，HH1試件荷載-變形關(guān)系曲線驟降，試件承載力喪失，達到破壞狀態(tài)。荷載達到3 229kN時，HH2試件荷載-變形關(guān)系曲線驟降，試件承載力喪失，達到破壞狀態(tài)。荷載達到2 922kN時，HH3試件荷載-變形關(guān)系曲線驟降，試件承載力喪失，達到破壞狀態(tài)。荷載達到2 613kN時，HH4試件荷載-變形關(guān)系曲線驟降，試件承載力喪失，達到破壞狀態(tài)。加載至極限承載力后，HH類試件內(nèi)部發(fā)出響亮的爆裂聲，鋼管屈曲現(xiàn)象迅速擴展，試件上下位置出現(xiàn)包鼓現(xiàn)象且缺陷率越大該現(xiàn)象越明顯。試件破壞后切開鋼管可看到，核心混凝土出現(xiàn)斷層裂縫，其主要原因是：核心混凝土內(nèi)部出現(xiàn)缺陷時，缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中首先破壞，中心缺陷導致混凝土破壞后出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，當持續(xù)加載時混凝土上下層受到擠壓收縮，使得試件承載力急速下降和鋼管出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象。

2.2 不同缺陷位置分析

圖9為不同缺陷位置試件荷載-變形關(guān)系曲線，由圖可知：

圖9 不同缺陷位置試件荷載-變形關(guān)系曲線

由于核心混凝土存在缺陷，HB類試件和HH類試件的極限承載力均小于無缺陷試件的極限承載力，且缺陷率越大，極限承載力越低。由于HB類試件缺陷位置在管壁側(cè)，加載時混凝土受力不均勻而引起偏心軸壓作用，使得HB類試件的極限承載力低于HH類試件的極限承載力，且缺陷率越大，二者極限承載力相差越大。在加載過程中，HH類試件的彈塑性階段相對于HB類試件的彈塑性階段持續(xù)時間長，說明HH類試件在彈塑性階段受到的鋼管套箍作用大于HB類試件在彈塑性階段受到的鋼管套箍作用，HB類試件相對于HH類試件容易失穩(wěn)。HB類試件荷載-變形關(guān)系曲線達到頂點后呈緩慢下降趨勢，HH類試件荷載-變形關(guān)系曲線達到頂點后呈快速下降趨勢，HB類試件承載力喪失速度慢于HH類試件承載力喪失速度，表明HB類試件的延性優(yōu)于HH類試件。

2.3 試件1/2截面高度位置應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

鋼管混凝土試件1/2截面高度位置的應(yīng)力計算方法為：軸向荷載F與1/2截面處面積的比值(無缺陷試件1/2截面面積為πR2，R=162.5mm，缺陷試件1/2截面面積為無缺陷試件截面面積減去缺陷截面面積，即S=πR2-πr2，r為圓柱形缺陷截面半徑)。圖10為試件1/2截面高度處應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，從圖中可以得出：

圖10 試件1/2截面處應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

對于HB類試件，應(yīng)力為5.7MPa時，無缺陷試件的應(yīng)變?yōu)?6με。應(yīng)力為6.5MPa時，HB1試件的應(yīng)變?yōu)?0με。應(yīng)力為6.4MPa時，HB2試件的應(yīng)變?yōu)?95με。應(yīng)力為7MPa時，HB3試件的應(yīng)變?yōu)?84με。應(yīng)力為8.2MPa時，HB4試件的應(yīng)變?yōu)?03με。說明對于無缺陷的鋼管混凝土在受荷初期處于彈性階段，在外荷載達到極限荷載60%～70%時，鋼管壁上局部開始出現(xiàn)剪切滑移[1]，鋼管對核心混凝土套箍作用增大； 而對于有缺陷的試件中，如本文HB2，HB3和HB4試件，由于其存在缺陷，在較小荷載作用下，缺陷局部就出現(xiàn)剪切滑移，造成其變形明顯，在加載初期，鋼管對核心混凝土在較小荷載作用下就起到套箍作用而三向受力。

對于HH類試件，應(yīng)力為6.2MPa時，HH1試件的應(yīng)變?yōu)?64με。應(yīng)力為6.8MPa時，HH2試件的應(yīng)變?yōu)?5με。應(yīng)力為8.1MPa時，HH3試件的應(yīng)變?yōu)?5με。應(yīng)力為8.5MPa時，HH4試件的應(yīng)變?yōu)?00με。根據(jù)HH類試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線及典型應(yīng)力下的應(yīng)變分析可得出：對于核心混凝土存在缺陷的結(jié)構(gòu)，由于缺陷位置位于核心混凝土中心位置，其四周有混凝土約束，同時混凝土外側(cè)有鋼管約束，致使其受力、變形相比管壁側(cè)缺陷(由于其壁側(cè)存在缺陷，在荷載傳遞過程中，局部缺陷對受力性能體現(xiàn)地更為明顯)的試件更為復雜； 同時出現(xiàn)這樣的結(jié)果，易與缺陷制作、成型方法有關(guān)，在制作缺陷時，采用硬塑料薄膜密封西沙而成，通過控制其體積以實現(xiàn)缺陷的大小，在澆筑過程中，缺陷形狀并非完全規(guī)則，致使力的傳遞過程中，應(yīng)力集中出現(xiàn)的位置亦可能不同。綜合以上兩方面原因，中心缺陷試件表現(xiàn)出圖10(b)的試驗規(guī)律。HH類試件在整個加載過程中，缺陷率越大試件變形越明顯，鋼管發(fā)生局部屈曲后受壓側(cè)應(yīng)變發(fā)展開始趨于緩慢，表面發(fā)現(xiàn)有明顯的屈曲現(xiàn)象產(chǎn)生，說明此時鋼管對混凝土仍產(chǎn)生套箍作用，二者共同承受外加荷載。

3 結(jié)論

本文通過試驗分析了核心混凝土缺陷率與缺陷位置對鋼管混凝土構(gòu)件承載力的影響，得出以下結(jié)論：

(1)本試驗制作試件破壞形式：無缺陷試件的破壞形式通常為鋼管混凝土端部屈曲； 管壁側(cè)缺陷試件的破壞形式通常為鋼管混凝土中部凹曲； 中心缺陷試件的破壞形式通常為鋼管混凝土構(gòu)件上下位置處鋼管產(chǎn)生向外局部屈曲。

(2)加載初期，無缺陷試件與缺陷試件荷載-變形曲線均為線性關(guān)系，且無缺陷試件的線性階段相對于缺陷試件的線性階段持續(xù)時間長。隨著荷載的增加，無缺陷試件與缺陷試件荷載-變形關(guān)系逐漸過渡為曲線，管壁側(cè)缺陷試件變形變化率大于中心缺陷試件變化率，中心缺陷試件的彈塑性階段相對于管壁側(cè)缺陷試件彈塑性階段持續(xù)時間長。

(3)缺陷率相同的條件下，不同的缺陷位置會對鋼管混凝土構(gòu)件的承載力造成不同的影響，缺陷在中心位置時，鋼管混凝土構(gòu)件承載力損失較小，缺陷在管壁側(cè)位置時，鋼管混凝土構(gòu)件承載力損失較大。缺陷位置相同時，缺陷率越大鋼管混凝土構(gòu)件承載力損失越大，彈塑性階段的歷程越短。內(nèi)部缺陷對鋼管混凝土構(gòu)件承載力影響較大，工程中應(yīng)嚴格控制其內(nèi)部缺陷。