岳鵬，何建，李豪強(qiáng)，周燕

哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001

在鋼管中澆筑素混凝土可形成鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其外部的鋼管與內(nèi)部的核心混凝土能相互作用并協(xié)同工作，共同承擔(dān)外荷載作用[1]。鋼管混凝土試件在受載的過(guò)程中，2種材料的性能得到大大改善。在該組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，核心混凝土在外部鋼管的約束下強(qiáng)度顯著提高，塑性和韌性得到明顯改善。核心混凝土的存在也使得外鋼管的屈曲模態(tài)發(fā)生改變，提高了鋼管混凝土的穩(wěn)定性[2]。直接暴露在空氣中的鋼管需要進(jìn)行防銹、防腐處理，會(huì)造成較高的維護(hù)成本，201奧氏體不銹鋼既有良好的防銹、防腐能力，又有足夠的塑性與強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)工程之中，因此選用201奧氏體不銹鋼作為外鋼管材料。不銹鋼鋼管混凝土不僅具有一般鋼管混凝土的優(yōu)勢(shì)，外表美觀，還能解決因防銹、防腐蝕造成的維護(hù)成本較高的問(wèn)題，因此不銹鋼鋼管混凝土有非常大的發(fā)展?jié)摿3]。

對(duì)于鋼管混凝土的力學(xué)性能的探索，國(guó)內(nèi)外研究者都有開(kāi)展相關(guān)研究，已有了大量的理論分析和試驗(yàn)研究成果。文獻(xiàn)[4]對(duì)比了4種不同測(cè)量試件軸向變形的方法，研究了核心混凝土強(qiáng)度、不同加載方式以及鋼管上有小開(kāi)口和溝槽對(duì)圓形鋼管混凝土力學(xué)特性的影響。文獻(xiàn)[5]分析了截面形式、局壓面積比和端板厚度對(duì)鋼管混凝土局壓承載性能的影響，并建立了相應(yīng)的有限元分析模型。文獻(xiàn)[6]對(duì)加勁肋方鋼管混凝土進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，分析了在鋼管內(nèi)部焊接加勁肋對(duì)鋼管混凝土承載能力、延性以及破壞模態(tài)等的影響。文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)6組鋼管混凝土短柱試件的軸心受壓試驗(yàn)，研究了再生粗骨料取代率和截面長(zhǎng)寬比對(duì)矩形鋼管再生混凝土短柱的力學(xué)特性的影響，并對(duì)矩形鋼管再生混凝土短柱建立相應(yīng)的有限元模型。文獻(xiàn)[8]對(duì)凍融循環(huán)后不銹鋼鋼管混凝土短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究，研究了不銹鋼管截面類(lèi)型及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)不銹鋼鋼管混凝土短柱的極限承載力、位移延性以及約束系數(shù)等的影響。文獻(xiàn)[9]對(duì)不同截面尺寸的矩形不銹鋼鋼管混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，得到了不同試件在軸向壓力下的破壞模式，分析了矩形截面長(zhǎng)寬比對(duì)試件的承載力影響，得到了鋼管混凝土軸壓承載力計(jì)算公式。文獻(xiàn)[10]研究了帶單個(gè)剪力鍵的鋼管混凝土的力學(xué)性能，基于變形協(xié)調(diào)原理推導(dǎo)出了在彈性范圍內(nèi)軸壓作用下鋼管混凝土的位移和應(yīng)力公式。文獻(xiàn)[11]以圓不銹鋼混凝土短柱為鋼管壁厚和混凝土強(qiáng)度為控制變量，研究了軸壓作用下的承載力性能在兩個(gè)參量變化下的提升幅度，另外還探討了不同荷載約束效應(yīng)下的荷載軸向位移曲線的變化及構(gòu)件承擔(dān)荷載的分配方式。文獻(xiàn)[12]對(duì)鋁合金管混凝土進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析，最終得出指導(dǎo)鋁合金構(gòu)件設(shè)計(jì)的現(xiàn)有規(guī)范偏于保守。文獻(xiàn)[13]提出了一種實(shí)現(xiàn)纖維分析的數(shù)值建模方法用于研究分析薄壁圓形鋼管混凝土在軸心受壓作用下的力學(xué)性能。并通過(guò)分析現(xiàn)有的圓形鋼管混凝土側(cè)壓力的試驗(yàn)結(jié)果，建立了新的本構(gòu)模型，并驗(yàn)證了建模方案的準(zhǔn)確性。影響不銹鋼鋼管混凝土承載力的潛在因素眾多，本試驗(yàn)選取截面形式和不銹鋼薄壁厚度為主要2個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)有6個(gè)試件，分別為3個(gè)圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱和3個(gè)方形不銹鋼鋼管混凝土短柱，如圖1(a)、圖1(b) 所示；3種不銹鋼管薄壁厚度t，依次為 0.95、1.05、1.35 mm；不銹鋼管材采用201奧氏體不銹鋼，其中圓形不銹鋼空管的直徑D為100 mm，方形不銹鋼空管的邊長(zhǎng)B為100 mm，如圖1(c)、圖1(d) 所示，空管試件高度h均為300 mm?？紤]201奧氏體不銹鋼表面比較光滑，為確保不銹鋼鋼管和核心混凝土之間黏結(jié)牢靠，在距離上下端口50 mm處各焊接有一道剪力鍵，來(lái)提高不銹鋼鋼管混凝土的承載力以及結(jié)構(gòu)整體性。圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱剪力鍵均采用矩形截面，長(zhǎng)度為 6 mm，寬度為 3 mm，焊接類(lèi)型為角焊。試件模型尺寸構(gòu)造布置如圖2所示。

圖1 鋼管混凝土短柱示意

圖2 鋼管混凝土尺寸構(gòu)造

試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C25的商品混凝土。按標(biāo)準(zhǔn)方法在不銹鋼空管中澆筑混凝土，澆筑方式采用人工振搗。試件放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，至標(biāo)準(zhǔn)齡期28 d時(shí)自養(yǎng)護(hù)室取出。圖3(a) 為澆筑混凝土?xí)r的照片，圖3(b) 為試件養(yǎng)護(hù)完成后的照片。養(yǎng)護(hù)完成的試件編號(hào)與具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 鋼管混凝土的制作

表1 試件信息 mm

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 試驗(yàn)加載及測(cè)量裝置

本試驗(yàn)是在哈爾濱工程大學(xué)土木工程材料實(shí)驗(yàn)室完成的，采用長(zhǎng)春科新YD2000型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，應(yīng)變由DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀自動(dòng)采集，加載實(shí)物如圖4(a)。在圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱上按圖4(b)、圖4(c) 所示位置在鋼管表面上中下部粘貼6個(gè)應(yīng)變片，以測(cè)量鋼管混凝土短柱上部、中部以及下部的橫向和軸向應(yīng)變。其中編號(hào)為奇數(shù)的3個(gè)應(yīng)變片為橫向電阻應(yīng)變片，編號(hào)為偶數(shù)的應(yīng)變片為軸向電阻應(yīng)變片（例如Y-1-1代表Y-1試件1位置的軸向應(yīng)變片）。將試件短柱安放在壓力機(jī)的下承壓板上，短柱的承壓面與成型時(shí)的頂面保持垂直，短柱的中心應(yīng)與壓力機(jī)下壓板中心對(duì)齊，上升壓力機(jī)工作臺(tái)，當(dāng)上壓板與試件幾乎貼近時(shí)，調(diào)整球座，使接觸均衡，然后對(duì)短柱試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

圖4 不銹鋼管測(cè)點(diǎn)布置圖

1.2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

在試驗(yàn)受荷初期，圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱外觀無(wú)明顯變化。

當(dāng)荷載逐漸增加接近極限承載力時(shí)，圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱Y-1和Y-2中下部明顯出現(xiàn)鼓曲變形，隨著荷載繼續(xù)增加，鼓曲變形和環(huán)形褶皺越來(lái)越明顯，在接近極限荷載時(shí)，試件內(nèi)部有“沙沙”的聲音，最后到達(dá)極限荷載時(shí)會(huì)有“砰”的一聲，最終因?yàn)樵嚰冃芜^(guò)大而破壞；圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱Y-3，隨著荷載增大，鋼管的腳部先出現(xiàn)鼓曲現(xiàn)象，中部變形比較小，試件破壞時(shí)，下部焊接的剪力鍵被剪斷。3個(gè)圓形鋼管混凝土試件均由局部屈曲而導(dǎo)致最終的破壞。圓形鋼管破壞模態(tài)的出現(xiàn)一定差異性，潛在原因有：1）鋼管試件在加工時(shí)焊縫接口處存在殘余應(yīng)力；2）核心混凝土存在初裂紋等初缺陷。

方形鋼管混凝土短柱和Y-3試件的變形過(guò)程與破壞模態(tài)相似，方形不銹鋼鋼管混凝土短柱F-1、F-2和F-3共3個(gè)試件均從試件腳部發(fā)生鼓曲，隨著變形逐漸積累，短柱內(nèi)部出現(xiàn)“沙沙”的聲音，最后試件發(fā)出“砰”的一聲后，在方管的棱邊上發(fā)生破壞，在鋼管下部焊接剪力鍵附近的混凝土被壓成碎塊，剪力鍵均斷開(kāi)。

6個(gè)鋼管混凝土均未出現(xiàn)明顯的滑移剪切線，在上部剪力鍵位置附近，鋼管幾乎沒(méi)有變形，變形和破壞主要集中在中下部位置。方形不銹鋼鋼管混凝土短柱均在下部剪力鍵位置附近變形并發(fā)生破壞。圖5為圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱的破壞模態(tài)。

圖5 試件破壞模態(tài)

2 鋼管混凝土的力學(xué)性能分析

2.1 荷載–軸向位移曲線

圖6(a)、圖6(b) 分別為圓形和方形截面不銹鋼鋼管混凝土短柱在不同不銹鋼薄壁厚度下的荷載 (P)?位移 (s) 曲線圖，其結(jié)果和王堅(jiān)[8]試驗(yàn)所得曲線圖類(lèi)似。對(duì)于圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱，隨著外加荷載增大，其荷載位移曲線和低碳鋼的壓縮曲線相似，在經(jīng)歷過(guò)彈性階段和屈服階段后，圓形不銹鋼鋼管漸漸向外鼓曲發(fā)生變形，由于承接面積越來(lái)越大，曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，直到破壞為止；對(duì)于方形不銹管鋼管短柱，3種薄壁厚度的鋼管短柱荷載?位移曲線變化相似，在達(dá)到屈服階段過(guò)后，試件變形非?？?，承載力極速下降。圓形不銹鋼管混凝土短柱相比與方形短柱的軸向壓縮的位移變化更大，所能承受的荷載也更高。

圖6 荷載?位移曲線圖

2.2 荷載–應(yīng)變曲線

圖7 為不同位置下試件的荷載 (P)?應(yīng)變 (ε)曲線，應(yīng)變以使電阻應(yīng)變片拉伸變形為正值，壓縮變形為負(fù)值。圖7(a)、7(c)、7(e) 分別對(duì)不同壁厚的不銹鋼鋼管混凝土短柱的軸向應(yīng)變進(jìn)行分析比較，圖7(b)、7(d)和7(f) 分別對(duì)不同試件的橫向應(yīng)變進(jìn)行分析比較。由圖7(a)、7(b)、7(c) 可知，1）軸向粘貼的電阻應(yīng)變片因混凝土短柱側(cè)向鼓曲的不同而受到拉伸和壓縮的效果不同；2）在彈性階段，受到壓縮變形的荷載?應(yīng)變斜率大致相同；3）Y-2與Y-3圓管軸向粘貼的電阻應(yīng)變片均為拉伸變形，并且Y-3的荷載?應(yīng)變斜率會(huì)大于Y-2的相應(yīng)斜率；4）Y-1圓管軸向粘貼的電阻應(yīng)變片均為壓縮變形；5）由前 3）、4）結(jié)論可以得出，隨著圓形鋼管壁厚的增大，軸向貼放的電阻應(yīng)變片會(huì)由壓縮變形轉(zhuǎn)到拉伸變形，并且壁越厚拉伸變形的荷載?應(yīng)變斜率越大。由圖7(d)、7(e)、7(f) 可知：1）橫向貼放的電阻應(yīng)變片均受拉伸變形；2）在彈性階段，F(xiàn)-1、F-2和F-3的荷載?變形斜率大致相同；3）在不斷加載的過(guò)程中，荷載?應(yīng)變的斜率都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，即荷載變化不大，應(yīng)變迅速增長(zhǎng)。

圖7 荷載?應(yīng)變曲線

2.3 極限承載力–壁厚曲線

圖8為不同壁厚 (t) 的圓形和方形不銹鋼鋼管混凝土短柱的極限承載力 (P) 折線對(duì)比圖。不銹鋼管薄壁厚度對(duì)鋼管混凝土短柱的承載力有很大的影響，圓形和方形短柱試件的變化趨勢(shì)幾乎一樣，隨著不銹鋼薄壁厚度增大，鋼管混凝土的承載力都先經(jīng)歷減小然后再恢復(fù)的過(guò)程，并且圓形短柱明顯要比方形短柱的承載力高出許多。

圖8 承載力?壁厚折線圖

3 結(jié)論

本文對(duì)不同截面形式與不同不銹鋼管薄壁厚度的鋼管混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）圓形和方形的不銹鋼管混凝土試件均是由于向外的屈曲變形過(guò)大而破壞，鋼管上部焊接的剪力鍵對(duì)混凝土起到了很好的約束效應(yīng)，并且圓形不銹鋼管混凝土短柱約束作用顯著優(yōu)于方形不銹鋼鋼管混凝土短柱。

2）根據(jù)試驗(yàn)得到的荷載?位移曲線數(shù)據(jù)不難看出，圓形不銹鋼鋼管混凝土短柱明顯要比方形截面的承載力高出許多。

3）不銹鋼管薄壁厚度改變，對(duì)鋼管混凝土的承載力有很大的影響，本試驗(yàn)選取了3個(gè)較小的薄壁厚度，鋼管混凝土短柱承載力并沒(méi)有因?yàn)楸”谧兒穸龃?，而是?jīng)過(guò)一個(gè)先減小再增大的過(guò)程。

文中僅考慮了不銹鋼薄壁厚度和截面尺寸對(duì)混凝土承載力、位移的影響，剪力鍵尺寸、剪力鍵個(gè)數(shù)及其間距等有可能是影響鋼管混凝土短柱受力變化的重要因素，還有待后續(xù)進(jìn)一步探索。