李勝強 楊 博 金 煥 郭紅燕

(廣東石油化工學院建筑工程學院， 廣東茂名 525000)

鋼管混凝土豎向構(gòu)件由于有封閉鋼管，因此特別適用于模套預制、混凝土現(xiàn)澆的“半裝配式”結(jié)構(gòu)。然而，鋼管混凝土構(gòu)件成本偏高，因此選擇一種經(jīng)濟的構(gòu)件形式以降低其成本十分必要。

鋼管混凝土豎向構(gòu)件有多種形式，如格構(gòu)式鋼管混凝土柱、方鋼管束剪力墻、內(nèi)含鋼骨的鋼管混凝土柱、復式鋼管混凝土柱、纖維增強材料鋼管混凝土柱、帶約束拉桿鋼管混凝土柱等。其中，眾多學者對帶約束拉桿的鋼管混凝土豎向構(gòu)件進行了研究[1-5]，發(fā)現(xiàn)約束拉桿可以延緩鋼管局部屈曲、發(fā)揮鋼管與混凝土的共同作用、提高構(gòu)件承載力和改善延性；此外，從用鋼量的角度看，帶約束拉桿的鋼管混凝土構(gòu)件用鋼量更合理，鋼材抗拉強度可充分發(fā)揮，因而最為經(jīng)濟。

本研究針對一種“半裝配式”結(jié)構(gòu)[6]，設計了帶內(nèi)拉架的鋼管混凝土方柱，進行短柱軸壓試驗研究，以尋找?guī)?nèi)拉架鋼管混凝土方柱用鋼量的最優(yōu)分布。

1 試件設計

1.1 試件做法

選取某項目結(jié)構(gòu)柱作為參照，縮尺1∶2確定鋼管混凝土試件截面尺寸為350 mm×350 mm，高度為1 050 mm。鋼管設置水平拉結(jié)筋，同時在水平拉結(jié)筋與鋼管的相交處設置豎向鋼筋，水平拉結(jié)筋與豎向鋼筋形成內(nèi)拉架與鋼管內(nèi)壁焊接。水平拉結(jié)筋起水平約束作用，豎向鋼筋起鋼板加勁作用。此外，角部設置豎向鋼筋，以利于提高構(gòu)件的雙向受彎承載力，見圖1。

圖1 試件橫截面 mmFig.1 Cross sections of specimens

1.2 試件設計思路

在總用鋼量相同情況下，按正交試驗設計方法確定鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋三者用鋼量的不同比例，由此對設計試件進行軸壓試驗，取軸心受壓承載力最優(yōu)所對應的用鋼量比例為最優(yōu)。此外，設計無內(nèi)拉架鋼管混凝土柱、普通鋼筋混凝土柱作為比較。

1.3 試件設計方案

1.3.1總用鋼量及混凝土強度等級相同

按參照柱換算，確定試件柱總用鋼量為45 kg/m，混凝土強度等級為C30。

1.3.2按正交試驗設計方法確定試件設計方案

以鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋用鋼量占總用鋼量百分比為影響因素，每因素按三水平設計正交試驗方案。鋼管用鋼量占比按45%、50%、62.5%，由此計算得到鋼管壁厚分別為1.8，2.0，2.5 mm；豎向鋼筋用鋼量占比按25%、30%、35%，由此計算結(jié)果選用豎向鋼筋(表1)；然后按總用鋼量相同計算確定拉結(jié)筋直徑及間距。增加對比組后，確定試件設計方案，見表1、表2。

表1 試件設計方案Table 1 Design schemes of specimens

用鋼量占比指的是各部件用鋼量占總用鋼量的百分比，所有試件的總用鋼量按45 kg/m計算；試件CFT-b-9b為對比試件，其與試件CFT-b-9a相比，鋼管與內(nèi)拉架的焊接長度加倍；鋼管牌號為Q345;豎向鋼筋采用HRB400；拉結(jié)筋采用HPB200。

表2 對比試件設計方案Table 2 Design schemes of control specimens

2 試件制作

2.1 有內(nèi)拉架試件制作

有內(nèi)拉架試件制作按以下順序進行：鋼板加工成槽形→焊接內(nèi)拉架→粘貼內(nèi)拉架上的應變片→鋼管合攏→澆筑混凝土、振搗密實→粘貼鋼管外壁應變片。

水平拉結(jié)筋與豎向鋼筋間、內(nèi)拉架與鋼管間均采用焊接連接，其中內(nèi)拉架與鋼管的焊接采用斷續(xù)焊，焊接位置與水平拉結(jié)筋的位置一一對應。焊腳高度為d、焊縫長度為2d(其中CFT-b-9b的焊縫長度加倍)，d為水平拉結(jié)筋直徑。

實驗室制作時，內(nèi)拉架與鋼管間的焊接有一定難度，鋼管合攏后需要人工在鋼管空腔內(nèi)施焊。試件制作見圖2。

圖2 試件制作Fig.2 Specimen making

工廠制作時，內(nèi)拉架與鋼管間的焊接按自動化焊接考慮，采用一維線式移動的自動焊接方式在鋼管空腔內(nèi)施焊可以實現(xiàn)足尺的長柱試件。

2.2 對比試件制作

對比試件包括無內(nèi)拉架鋼管混凝土柱及普通鋼筋混凝土柱。

無內(nèi)拉架鋼管混凝土柱直接在鋼管空腔內(nèi)澆筑混凝土而成，但是鋼管壁厚加大，使其總用鋼量與有內(nèi)拉架鋼管混凝土柱相同；普通鋼筋混凝土柱試件按常規(guī)做法制作。

3 加載方案及測點布置

3.1 加載方案

試件采用單調(diào)靜力加載，預估承載力為3 000 kN。正式加載前，先進行幾何和物理對中，預加載至預估承載力的15%，取450 kN，校正試件及儀器儀表并對中后卸載；隔3 min正式加載。加載采用等位移連續(xù)加載，加載速度1 mm/min，當試件荷載下降到峰值的70%或豎向位移達到40 mm時，認為試件發(fā)生破壞。

當豎向位移達到40 mm時，加載速度增大為5 mm/min，繼續(xù)加載至位移達到70～80 mm，觀察構(gòu)件的破壞形態(tài)，考察構(gòu)件的延性，然后停止加載。

3.2 測點布置

試驗時每個試件共布置全高位移計2個、中高位移計2個，應變片17片(鋼管外壁四個面縱向10片、兩個面水平向2片、水平拉結(jié)筋3片、角部豎向鋼筋2片)。

測點布置見圖3。

圖3 測點布置Fig.3 Arrangements of measuring points

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見圖4及表3。圖4是各試件承受軸向荷載N與所發(fā)生軸向位移Δ的關(guān)系曲線，表3是各試件最大承載力、首個峰值承載力、縱向應變ε=0.2%，0.5%時對應承載力的比較。其中，試件的軸向位移Δ取兩個全高位移計量測值的平均值。

從試驗結(jié)果可以看出：

1)同等用鋼量情況下，鋼管混凝土柱的軸向承載能力明顯優(yōu)于鋼筋混凝土柱。

2)鋼管混凝土柱中，試件CFT-b-1～5無論是最大承載力還是首個峰值承載力均高于其他試件；而在小應變(ε=0.2%)情況下，試件CFT-b-1、3的軸向承載能力優(yōu)于試件CFT-b-2、4、5，此時試件CFT-b-1、3的軸向荷載已分別達到首個峰值承載力的73.7%、77.0%，以及最大承載力的73.1%、72.2%。

3)用鋼量相同情況下，有內(nèi)拉架的鋼管混凝土柱軸向承載能力優(yōu)于無內(nèi)拉架的鋼管混凝土柱。鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋三者之間用鋼量比例在45∶35∶20附近(如試件CFT-b-2～4)時，構(gòu)件的軸向承載能力較高。

1—CFT-b-1； 2—CFT-b-2； 3—CFT-b-3； 4—CFT-b-4；5—CFT-b-5； 6—CFT-b-6； 7—CFT-b-7； 8—CFT-b-8；9—CFT-b-9； 10—CFT-b-9b； 11—CFT-0-1； 12—RC-1。圖4 各試件軸向荷載N與軸向位移Δ的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves between axial pressure N and axial displacement Δ of specimens

4)水平拉結(jié)筋用鋼量占比不小于20%的試件CFT-b-1～5，其軸向承載能力優(yōu)于水平拉結(jié)筋用鋼量占比較小的試件CFT-b-6～9a、9b，且明顯優(yōu)于用鋼量占比僅7.5%、2.5%的試件CFT-b-8、9a、9b。

5)鋼管混凝土柱發(fā)生明顯變形(豎向位移50 mm)時構(gòu)件的軸向承載能力下降幅度不大。

6)試驗時，首先在試件頂部發(fā)生破壞，然后再向上部1/3范圍擴展。

7)試件CFT-b-9b與試件CFT-b-9a相比，軸向承載力略有增大但不明顯。

4.2 試驗現(xiàn)象

4.2.1有內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱

有內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱包括試件CFT-b-1～9a、9b，其試驗現(xiàn)象為：加載初期，試件沒有明顯變化，試件的軸向荷載隨豎向位移增大近似呈線性增大，鋼管外觀良好，未發(fā)生屈曲；當加載至其最大承載力70%左右時，混凝土開始發(fā)出窸窣聲；當加載至其最大承載力的85%～90%(不同試件有一定差異，中值87%)時，鋼筋開始發(fā)出斷裂響聲，并隨著荷載增大，繼續(xù)間斷傳出鋼筋斷裂響聲，同時混凝土窸窣聲愈加明顯；發(fā)生鋼筋斷裂響聲時豎向位移突變式增大；其后，軸向荷載與豎向位移呈非線性增大，上段鋼管局部向外鼓曲。隨著加載荷載增大，鼓曲變形由難以察覺到逐漸明顯并向試件中部發(fā)展；當加載至其最大承載力的93%～99%時，出現(xiàn)承載力的首個峰值點(取拐點為首個峰值點)。此時，隨著豎向位移的增大，軸向荷載不升反降，但下降幅度不明顯，大約下降1%～7%。

表3 試件承載力比較Table 3 Comparisons of bearing capacity for specimens kN

繼續(xù)增大豎向位移，軸向荷載重新增大直至達到最大承載力。此時對應的豎向位移除試件CFT-b-1為8.25 mm(ε=0.78%)外，其余試件為12.93～17.99 mm(ε=1.23%～1.71%)。

達到最大承載力后，豎向位移增大，軸向荷載下降，但是下降速度緩慢且幅度不大，有的在下降一段時間后甚至重新略有上升。

4.2.2無內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱

無內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱只有試件CFT-0-1，其軸向荷載與豎向位移的關(guān)系與有內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱大體相同，但是最大承載力小3%～25%，首個峰值承載力小8.2%～28%，大應變情況下(豎向應變大于5%后)出現(xiàn)承載力又略微重新增大的現(xiàn)象。

4.2.3普通鋼筋混凝土柱

普通鋼筋混凝土柱只有試件RC-1，其試驗現(xiàn)象與其他試件明顯不同。其軸向荷載-豎向位移曲線只出現(xiàn)一次峰值：軸向荷載約為最大承載力78%后，曲線呈拋物線發(fā)展；軸向荷載達到最大承載力后，承載力下降速度較快且幅度較大，其后不再出現(xiàn)上升段。

普通鋼筋混凝土柱與有內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱相比，最大承載力小9.0%～30.5%，首個峰值承載力小24.0%～40.5%。

4.2.4其他現(xiàn)象

1)鋼管混凝土柱試件首先在接近頂部位置發(fā)生鼓曲變形，然后逐漸向試件中部發(fā)展，鼓曲變形或破壞的位置主要位于試件上部1/3范圍，試件下部1/3范圍直到停止加載時也沒有出現(xiàn)明顯變形；普通鋼筋混凝土柱破壞位置也位于試件上部。

2)試驗后將試件CFT-b-4局部剖開，發(fā)現(xiàn)鼓曲位置的豎向鋼筋及鋼管均向外鼓曲，鼓曲位置處混凝土局部壓碎，水平拉結(jié)筋拉斷，其他位置處混凝土壓碎現(xiàn)象不明顯。

試件破壞形態(tài)見圖5，試件CFT-b-4破壞后局部剖開情況見圖6。

圖5 試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of specimens

圖6 試件CFT-b-4局部剖開Fig.6 Specimen CFT-b-4 of being cut partially

4.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果及試驗現(xiàn)象可以得出：

1)鋼管對混凝土起約束作用，混凝土的抗壓強度得到提高，同時鋼管抗拉強度高的優(yōu)勢得到發(fā)揮，因此，同等用鋼量條件下，鋼管混凝土柱軸向受壓承載能力優(yōu)于普通鋼筋混凝土柱。

2)試驗中，試件CFT-b-1～5的承載能力較高，反映出同等用鋼量情況下，鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋選取合適比例、使所有用鋼均充分發(fā)揮強度時，可提高柱軸向受壓承載能力。

3)縱向應變達到ε=0.2%時，試件所承受的軸向荷載已大于最大承載力的70%。因此，在選擇最優(yōu)方案時，宜主要參考縱向應變?yōu)?.2%時的試驗成果。

4)試驗中，水平拉結(jié)筋用鋼量占比不小于20%時，試件軸向承載能力較高，水平拉結(jié)較弱的試件，軸向承載能力明顯下降。因此，在用鋼量不變的情況下，水平拉結(jié)應有足夠保證。

5)試驗反映出鋼管混凝土柱具有較好延性。但是否設置內(nèi)拉架，對構(gòu)件延性并無明顯影響。究其原因，是由于總用鋼量相同，設置內(nèi)拉架會導致鋼管用鋼量減少，因而設置內(nèi)拉架雖然可以提高承載能力，但是對延性的影響不明顯。

6)分析鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋的應變數(shù)據(jù)，計算應變片粘貼處的應力σ(σ=Eε，當σ大于材料屈服強度σs時，令σ=σs)，發(fā)現(xiàn)σ隨著軸向荷載N增大而增大。但是，軸向荷載達到N0.5(ε=0.5%時對應的軸向荷載)時，水平拉結(jié)筋的拉應力僅達到材料屈服強度的50%左右(圖7)，與此同時鋼管及豎向鋼筋壓應力卻已達到或接近材料屈服強度。可見，試件破壞時，水平拉結(jié)筋的強度未得到充分發(fā)揮，僅局部拉結(jié)筋受到破壞。究其原因很可能是制作誤差導致水平拉結(jié)筋沒有均勻受力所致。

7)試件首先在頂部發(fā)生破壞，分析其原因可能是受到柱頂浮漿對柱頂混凝土強度削弱的影響。因此，鋼管混凝土柱應采取有效措施保證混凝土澆筑質(zhì)量。

a—CFT-b-1； b—CFF-b-2; c—CFT-b-3; d—CFF-b-4; e—CFT-b-5; f—CFT-b-6?！Y(jié)筋; —豎向鋼筋； —鋼管。1)由于加載達到最大承載力時，較多的應變片已遭破壞，所以取ε=0.5%時的軸向荷載N0.5進行分析;2)鋼管、豎向鋼筋和水平拉結(jié)筋的屈服強度按對應材料屈服強度取值;3)只分析承載力較高的試件CFT-b-1～6。圖7 鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋σ/σs與N/N0.5關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves between σ/σs and N/N0.5 of steel pipes, vertical rebars and horizontal tie bars

8)內(nèi)拉架與鋼管的焊接長度對軸向承載力影響不明顯，究其原因是內(nèi)拉架豎向鋼筋及鋼管的壓曲方向只能朝外。這種情況下，豎向鋼筋及鋼管的整體承載力受水平拉結(jié)筋豎向間距影響較大，受豎向鋼筋與鋼管焊接長度影響較小。

5 結(jié)束語

對帶內(nèi)拉架方鋼管混凝土柱進行了軸壓試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果分析，得到以下主要結(jié)論：

1)同等用鋼量條件下，鋼管混凝土柱設置內(nèi)拉架，可以提高構(gòu)件軸向受壓承載能力；鋼管、豎向鋼筋、水平拉結(jié)筋三者之間用鋼量比例在45∶35∶20附近時，構(gòu)件軸壓承載能力較高。

2)柱用鋼量相同時，水平拉結(jié)筋用鋼量占比不宜過小(宜不小于20%)，以避免水平拉結(jié)不足；同時，應優(yōu)化水平拉結(jié)做法，避免出現(xiàn)水平拉結(jié)件受力不均的情況。

3)鋼管混凝土柱的延性明顯優(yōu)于鋼筋混凝土柱。但在總用鋼量相同的情況下，鋼管混凝土柱是否設置內(nèi)拉架，對延性的影響不明顯。

4)對于裝配式結(jié)構(gòu)，柱預制件的制作誤差及混凝土澆筑時的柱頂浮漿對構(gòu)件承載力的影響不可忽視，應設法減小其不利影響。