李艷華 張素梅 王 焰 王玉銀

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院, 廣東深圳 518000; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 哈爾濱 150090)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及土地資源的日益緊缺,我國土木工程已進(jìn)入高速發(fā)展期,對(duì)重載建筑、大跨度橋梁和重型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求越來越旺盛。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)因結(jié)合了鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于工程中。[1-12]鋼管約束鋼管混凝土柱、鋼管約束鋼筋混凝土柱和鋼管約束型鋼混凝土柱具有節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單、承載力高、延性好和抗火性能優(yōu)越等特點(diǎn),非常適合在以軸壓為主的長期重載下工作。徐變指混凝土在持續(xù)荷載作用下,變形隨時(shí)間不斷增加的特性。[13-18]大量工程實(shí)踐和研究成果表明,混凝土的徐變變形最高可達(dá)其瞬時(shí)彈性變形的3倍,對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可忽視影響。[19-25]混凝土收縮是指在混凝土凝結(jié)初期或硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象,一般分為塑性收縮、自身收縮、干燥收縮及碳化收縮,較大的收縮會(huì)引起混凝土開裂。長期變形為收縮變形與徐變變形的總和?；炷灵L期變形在結(jié)構(gòu)全壽命周期一直存在,準(zhǔn)確把握收縮徐變發(fā)展規(guī)律,對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、使用和維護(hù)均具有重要意義。目前對(duì)鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱徐變的研究較多,而對(duì)外加鋼管約束的鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱長期荷載作用后的性能研究較少,為此,將對(duì)比研究上面3種鋼管約束的組合短柱在長期荷載作用下的長期變形,并對(duì)經(jīng)長期荷載作用和未經(jīng)長期荷載作用的試件進(jìn)行軸壓承載力試驗(yàn),探究長期荷載作用對(duì)外加鋼管約束的組合短柱變形和承載力的影響。

1 長期持荷試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并制作12個(gè)鋼管約束鋼管混凝土短柱、9個(gè)鋼管約束型鋼混凝土短柱和6個(gè)鋼管約束鋼筋混凝土短柱試件,對(duì)其中的4個(gè)鋼管約束鋼筋混凝土短柱、6個(gè)鋼管約束型鋼混凝土短柱和8個(gè)鋼管約束鋼管混凝土短柱進(jìn)行了760 d的持荷試驗(yàn);其余為對(duì)比試件,未進(jìn)行持荷;經(jīng)過760 d后對(duì)所有試件進(jìn)行了軸心受壓承載力試驗(yàn)。主要研究參數(shù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50和C70、加載時(shí)核心混凝土齡期分別為7,14,28 d。鋼管約束鋼管混凝土試件(圖1a)的內(nèi)層鋼管直徑為219 mm、壁厚為2 mm ,外層鋼管直徑為273 mm、壁厚為2 mm;鋼管約束鋼筋混凝土試件(圖1b)外套鋼管直徑為219 mm、壁厚為2 mm,縱向鋼筋選用6φ18 HRB400筋,箍筋選用φ8@200 HPB300筋;鋼管約束型鋼混凝土試件(圖1c)外套鋼管直徑為219 mm、壁厚為2 mm,型鋼選用HW100×100。試件名義總含鋼率均為8%,名義總含鋼率為鋼管和縱向鋼筋(或型鋼)的橫截面積之和與核心混凝土橫截面積的比值。為保證核心混凝土發(fā)生線性徐變,在長期持荷試驗(yàn)中將核心混凝土持荷應(yīng)力比取為0.35[26]。

a—鋼管約束鋼管混凝土柱; b—鋼管約束鋼筋混凝土柱; c—鋼管約束型鋼混凝土柱。圖1 試件設(shè)計(jì)示意Fig.1 Design of columns

各試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1,表中NL為施加在試件上的長期荷載值;ξ為加載時(shí)名義套箍系數(shù),ξ=(As1fy1+As2fy2+As3fy3+As4fy4)/(Acfck);As1、As2、As3和As4分別為同一試件中內(nèi)層鋼管、外層鋼管、縱向鋼筋和型鋼的橫截面積;fy1、fy2、fy3和fy4分別為對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度;Ac為核心混凝土橫截面積;fck為加載時(shí)刻核心混凝土的抗壓強(qiáng)度。進(jìn)行軸壓承載力試驗(yàn)時(shí),應(yīng)選取合適的長徑比:若試件長徑比過大會(huì)發(fā)生側(cè)向彎曲,影響試驗(yàn)結(jié)果;若試件長徑比較小,其端部效應(yīng)的影響較大。故選取試件長度L=600 mm,其長徑比為3≤L/D≤3.5。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

表中編號(hào)規(guī)則為:以TCFST-T7-50-a 為例,TCFST表示試件類型為鋼管約束鋼管混凝土試件,本批試件共有3種類型,其余2種分別為鋼管約束型鋼混凝土試件TSRC和鋼管約束的鋼筋混凝土試件TRC;T7表示試件加載時(shí)的養(yǎng)護(hù)齡期為7 d;50表示核心混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C50;a/b/c為具有相同設(shè)計(jì)參數(shù)的試件,a/b為持荷徐變?cè)嚰?c為未加載的對(duì)比試件。

表2、3給出了實(shí)測(cè)的混凝土和鋼管的主要力學(xué)性能指標(biāo)?；炷敛男愿鶕?jù)GB 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[27]測(cè)得,其中fcu,100為加載當(dāng)天測(cè)得的混凝土立方體試塊(100 mm×100 mm×100 mm)抗壓強(qiáng)度平均值;fcu為換算得到的混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊(150 mm×150 mm×150 mm)抗壓強(qiáng)度;fcm為換算得到的混凝土標(biāo)準(zhǔn)圓柱體(150 mm×300 mm)抗壓強(qiáng)度,換算系數(shù)[28]見表4,Ec為實(shí)測(cè)混凝土彈性模量。所用混凝土的fcu,100、fcu、fcm、Ec分別在37.7～97.8、35.8～92.9、29.7～81.3、28 300～42 500 MPa范圍內(nèi)。鋼材材性由GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分 室溫試驗(yàn)方法》[29]標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)確定,鋼材的屈服強(qiáng)度fy在373.5～480.3 MPa、抗拉強(qiáng)度fu在469.0～571.5 MPa、彈性模量Es在(1.83～2.01)×105MPa、泊松比μs處于0.248～0.315。

表2 混凝土主要力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Main mechanical property indexes of concrete

表3 鋼材主要力學(xué)性能指標(biāo)Table 3 Main mechanical property indexes of steels

表4 不同形狀和尺寸試件的混凝土單軸抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)Table 4 Conversion coefficients for concrete uniaxial compressive strength of specimens with different shapes and sizes

1.2 測(cè)量裝置和加載過程

加載裝置采用彈簧式壓縮徐變儀,最大出力為2 000 kN。為了提高試驗(yàn)機(jī)使用效率及提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,相同參數(shù)設(shè)置了2個(gè)試件,采用疊放的方式同時(shí)受載(圖2)。在每個(gè)試件的180°對(duì)稱位置設(shè)置2個(gè)線性可變差動(dòng)變壓器式位移計(jì)以監(jiān)測(cè)試件的長期變形;在徐變儀頂部設(shè)置力傳感器以監(jiān)測(cè)試件在試驗(yàn)過程中的荷載變化。所測(cè)得的荷載數(shù)據(jù)和長期變形由測(cè)量系統(tǒng)XBY-2000同步讀數(shù)記錄,讀值頻率為6次/h,413 d后減少為2次/h。

a—彈簧式壓縮徐變儀; b—測(cè)量裝置。圖2 加載裝置及測(cè)量裝置Fig.2 Loading devices and measuring devices

混凝土養(yǎng)護(hù)到第7天時(shí),對(duì)2個(gè)參數(shù)相同的鋼管約束鋼管混凝土試件進(jìn)行加載。加載前通過4次預(yù)加載進(jìn)行物理對(duì)中,直到同一試件的2個(gè)位移計(jì)讀值增量差值在5%以內(nèi)。正式加載分三級(jí)進(jìn)行,每次施加設(shè)計(jì)長期荷載的三分之一(NL/3),同時(shí)觀察位移傳感器的數(shù)據(jù)以保證試件處于軸心受壓狀態(tài);當(dāng)力傳感器讀值達(dá)到NL后完成加載。由于持荷時(shí)間長達(dá)760 d,混凝土產(chǎn)生收縮徐變可能造成持荷壓力波動(dòng),試驗(yàn)中通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)荷載變化并及時(shí)調(diào)整;另外由于試驗(yàn)過程中季節(jié)交替,溫濕度變化較大,實(shí)驗(yàn)室采用了空調(diào)控制溫度在(20±5)℃范圍,除濕機(jī)控制相對(duì)濕度在60%±10%范圍,確保試驗(yàn)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定。采取與上面相同的程序,在混凝土養(yǎng)護(hù)到第14天時(shí),對(duì)2個(gè)參數(shù)相同的鋼管約束鋼管混凝土試件、2個(gè)鋼管約束型鋼混凝土試件和2個(gè)鋼管約束鋼筋混凝土試件進(jìn)行加載并持荷;在混凝土養(yǎng)護(hù)到第28天時(shí),對(duì)4個(gè)參數(shù)相同的鋼管約束鋼管混凝土試件、4個(gè)鋼管約束型鋼混凝土試件和2個(gè)鋼管約束鋼筋混凝土試件進(jìn)行加載。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過760 d持荷試驗(yàn),得到灌注C50混凝土的鋼管約束鋼管混凝土柱試件長期應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線(圖3a)。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出:無論加載齡期早晚,在持荷初期各試件長期應(yīng)變?cè)鲩L均較快,前100 d的長期應(yīng)變達(dá)到760天長期應(yīng)變的50%左右,300 d時(shí)能達(dá)到760 d的75%～80%左右,第300天后長期應(yīng)變?cè)鲩L速率基本平穩(wěn)。除了齡期為14 d加載的試件,齡期7,28 d加載試件總體呈現(xiàn)了加載齡期越早長期應(yīng)變?cè)酱?。圖3b對(duì)比了混凝土齡期28 d開始持荷的試件長期應(yīng)變發(fā)展情況,灌注C50混凝土的2個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果差異較大,但總體呈現(xiàn)混凝土強(qiáng)度越高早期的長期應(yīng)變?cè)酱?。比較相同參數(shù)試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值(圖3c)可以看出:灌注C70混凝土試件長期應(yīng)變發(fā)展較灌注C50混凝土試件快,前期差別約5.0×10-5;灌注C50混凝土試件的長期應(yīng)變后期發(fā)展較快,直到第500天左右兩者長期應(yīng)變相當(dāng)并有超過灌注C70混凝土試件長期應(yīng)變的趨勢(shì)。造成的原因可能是高強(qiáng)混凝土前期收縮變形較大,而后期混凝土收縮變形趨于穩(wěn)定,徐變變形占據(jù)主導(dǎo)地位,表現(xiàn)為灌注C50混凝土試件的長期變形發(fā)展較快。對(duì)比不同齡期持荷的試件(圖3c)可以看出,隨著加載齡期的增加,試件早期的長期應(yīng)變?cè)鲩L速率和最終的長期應(yīng)變減小;當(dāng)加載齡期為從7 d增加到28 d時(shí),試件第760天時(shí)的長期應(yīng)變減小約20% 。

a—灌注C50混凝土試件; b—混凝土28 d加載試件;c—相同參數(shù)試件試驗(yàn)結(jié)果平均值。圖3 鋼管約束鋼管混凝土試件長期應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Strain curves of TCFST with time

鋼管約束型鋼混凝土試件和鋼管約束鋼筋混凝土試件的長期應(yīng)變與鋼管約束鋼管混凝土試件具有相似的表現(xiàn)(圖4),均為持荷初期各試件長期應(yīng)變?cè)鲩L較快,后期逐漸趨于穩(wěn)定增長;加載齡期越早,長期應(yīng)變?cè)酱?齡期28 d開始持荷的鋼管約束型鋼混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果(圖4a)表明后期收縮變形逐漸趨于穩(wěn)定而徐變變形成為主要影響因素,因此表現(xiàn)為C50混凝土試件第400天后長期應(yīng)變超過C70混凝土試件。對(duì)于鋼管約束鋼筋混凝土試件(圖4b)還表現(xiàn)為加載齡期越早,后期長期應(yīng)變?cè)鲩L速率越高;齡期28 d開始持荷的試件在第250天左右長期應(yīng)變開始增長緩慢并趨于穩(wěn)定,而齡期14 d開始持荷的試件在第250天后長期應(yīng)變?nèi)匀灰砸欢ㄋ俾试鲩L,并未見速率降低趨勢(shì)。

a—鋼管約束型鋼混凝土試件; b—鋼管約束鋼筋混凝土試件。圖4 鋼管約束的型鋼混凝土和鋼筋混凝土試件變形Fig.4 Deformation of TSRC and TRC

對(duì)比具有相近名義含鋼率的3種試件(圖5),鋼管約束鋼管混凝土試件的長期應(yīng)變總體小于鋼管約束型鋼混凝土和鋼管約束鋼筋混凝土試件,且在持荷第300天左右變形基本穩(wěn)定,但另外2種試件的長期應(yīng)變?nèi)匀焕^續(xù)呈現(xiàn)較快發(fā)展趨勢(shì),特別是加載齡期14 d的試件?？梢钥闯?將鋼管約束鋼管混凝土柱用于以受壓為主的重載結(jié)構(gòu)對(duì)減小長期變形對(duì)結(jié)構(gòu)體系的影響具有重要意義。

圖5 各組試件變形平均值曲線Fig.5 Average deformation curves of each group

2 長期荷載作用后的軸壓承載力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置及加載方法

長期荷載試驗(yàn)結(jié)束后,卸掉施加長期荷載的裝置,在3 000 t液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸壓承載力試驗(yàn),在試件中部截面四等分位置布置4組應(yīng)變片,以及在試件周圍等距布置4個(gè)位移計(jì)以測(cè)得試驗(yàn)過程中試件的縱向變形(圖6)。試驗(yàn)采用位移控制,加載速率為0.5 mm/min,直至試件失去承載能力或變形過大停止試驗(yàn)。

a—試件加載; b—鋼管約束鋼管混凝土柱試件測(cè)點(diǎn)布置; c—鋼管約束鋼筋或型鋼混凝土柱試件測(cè)點(diǎn)布置。圖6 試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Arrangements of test loading device and measuring points

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

為觀察各試件內(nèi)部的破壞情況和相互作用,試驗(yàn)結(jié)束后將試件沿某一對(duì)稱截面逐層剖開,其中部分鋼管約束鋼筋混凝土試件因內(nèi)部箍筋被移除,圖中未能展示;典型試件破壞后的形態(tài)如圖7～9所示。

a—TRC-T14-50-b; b—TRC-T28-70-b; c—TRC-T14-50-c; d—TRC-T28-70-c。圖7 鋼管約束鋼筋混凝土試件試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.7 Experimental phenomena of TRCs

a—TSRC-T14-50-b; b—TSRC-T28-50-a; c—TSRC-T28-70-a; d—TSRC-T14-50-c; e—TSRC-T28-50-c; f—TSRC-T28-70-c。圖8 鋼管約束型鋼混凝土試件試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.8 Experimental phenomena of TSRCs

在試驗(yàn)過程中可以觀察到:在加載初期各試件基本處于彈性階段,外觀無明顯變化;當(dāng)荷載增大內(nèi)層鋼管、型鋼或鋼筋進(jìn)入彈塑性階段時(shí),試件的縱向壓縮變形增長速度加快,外層鋼管變形增長平穩(wěn);隨荷載進(jìn)一步加大至臨近極限荷載,可聽到混凝土破壞發(fā)出的聲音;達(dá)到試件極限承載力后,內(nèi)層鋼管、型鋼或鋼筋縱向變形速率明顯增大,外層鋼管中間截面橫向變形隨之增大。對(duì)于鋼管約束鋼筋混凝土試件(圖7)和鋼管約束型鋼混凝土試件(圖8),無論試件是否受到長期持荷的作用,從試件整體外觀、核心混凝土到內(nèi)部鋼筋或型鋼,試件均呈現(xiàn)出明顯的剪切破壞現(xiàn)象,有較為明顯的剪切滑移面,且混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高、加載齡期越晚,剪切破壞特征越明顯。而鋼管約束鋼管混凝土試件整體破壞模式得到顯著改善(圖9),這是由于內(nèi)部和外部鋼管同時(shí)約束核心混凝土使其性能改善明顯,但改善的幅度受長期荷載加載時(shí)齡期和混凝土強(qiáng)度影響:灌注C50混凝土并在澆筑齡期為7 d加載的試件均表現(xiàn)為混凝土壓潰破壞(圖9a),灌注C50混凝土并在澆筑齡期為14 d的試件表現(xiàn)出剪切破壞(圖9b)和腰鼓型壓潰破壞(圖9c)的不確定性,而齡期為28 d加載的試件則表現(xiàn)為明顯的混凝土剪切破壞(圖9d);另外,灌注C70混凝土試件均發(fā)生了混凝土剪切破壞(圖9e);對(duì)比未受長期荷載作用的試件,其破壞模式具有同樣的規(guī)律(圖9f～h)。

對(duì)3種試件破壞形態(tài)的分析比較表明:即使試件的名義含鋼率相同或相近,由于核心混凝土受到的緊箍作用不同其破壞形式會(huì)發(fā)生不同形式的轉(zhuǎn)化。表1展示了名義套箍指標(biāo)ξ與核心混凝土的破壞形式的緊密聯(lián)系:當(dāng)套箍指標(biāo)ξ=1.09時(shí),組合試件發(fā)生了截面壓潰的延性破壞;當(dāng)套箍指標(biāo)ξ=0.87時(shí),試件既可能發(fā)生壓潰破壞,也可能發(fā)生剪切破壞,具有不確定性;當(dāng)ξ小于等于0.79時(shí),試件均發(fā)生了核心混凝土的剪切破壞,表現(xiàn)出較大的脆性。因此當(dāng)名義含鋼率相同時(shí),鋼管約束鋼管混凝土試件的套箍指標(biāo)越大,對(duì)核心混凝土就能提供更大的約束作用,可以有效改變破壞模式,提高延性和塑性變形能力。

2.3 承載力試驗(yàn)結(jié)果

試件整體縱向位移由等距分布在四周的位移計(jì)測(cè)得,再將位移轉(zhuǎn)化成應(yīng)變得到各試件的荷載-縱向應(yīng)變關(guān)系全曲線。將同參數(shù)的2個(gè)試件a和b及對(duì)比試件c的荷載-縱向應(yīng)變關(guān)系全曲線對(duì)比分析(圖10),3種試件的荷載-縱向應(yīng)變關(guān)系全曲線發(fā)展規(guī)律大致相同:在加載初期鋼管和混凝土都處于彈性階段,荷載和縱向應(yīng)變呈線性關(guān)系;隨著荷載增加,核心混凝土進(jìn)入彈塑性階段,曲線斜率逐漸減小;當(dāng)荷載進(jìn)一步加大,內(nèi)層鋼管開始屈服,鋼管橫向應(yīng)力增大,曲線開始出現(xiàn)下降段;采用C50混凝土的試件,峰值荷載后曲線下降較緩慢,當(dāng)荷載下降到峰值荷載的25%左右時(shí)曲線基本能保持穩(wěn)定;而采用C70混凝土的試件達(dá)到峰值荷載后曲線下降較快,呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征;是否受到長期持荷作用對(duì)鋼管約束鋼管混凝土試件(圖10a～c)的承載力和彈性剛度均無明顯影響。對(duì)比鋼管約束鋼筋混凝土和鋼筋約束型鋼混凝土試件,未受到長期持荷作用的試件均表現(xiàn)為初始彈性剛度不同程度的減小,但對(duì)峰值承載力和下降段的變形性能均未產(chǎn)生明顯影響(圖10c～h)。

圖11、12給出了各試件的峰值荷載以及峰值應(yīng)變的對(duì)比信息,圖中k表示經(jīng)長期荷載作用后試件的極限承載力與未受持荷作用的對(duì)比試件極限承載力的比值,m表示經(jīng)長期荷載作用后試件極限承載力對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變與對(duì)比試件對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變的比值?？梢钥闯?對(duì)于鋼管約束鋼管混凝土長期受載試件,當(dāng)加載齡期從7 d增大到14 d和28 d時(shí),試件承載力基本無變化,但峰值應(yīng)變表現(xiàn)出不同程度的減小;當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C50提高到C70時(shí),試件承載力增大了54.8%,峰值應(yīng)變減小了18.4%。對(duì)于鋼管約束型鋼混凝土長期受載試件,當(dāng)加載齡期從14 d增大到28 d時(shí),試件承載力僅提高了2.5%;當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C50提高到C70時(shí),試件承載力提高了62.8%,峰值應(yīng)變減小了8.2%。對(duì)于鋼管約束鋼筋混凝土長期受載試件,加載齡期為28 d、混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C70的試件承載力比加載齡期為14 d、混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50的試件承載力高56.6%。對(duì)長期受載試件,其承載力變化的幅度受加載齡期的影響較小,受混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響較大,此規(guī)律對(duì)未受長期荷載作用的對(duì)比試件也成立。

a—鋼管約束鋼管混凝土柱試件; b—鋼管約束型鋼混凝土柱試件; c—鋼管約束鋼筋混凝土柱試件。圖11 受與未受長期荷載作用試件峰值荷載對(duì)比Fig.11 Comparisons of peak loads between specimens subjected to and not subjected to long-term loading

a—鋼管約束鋼管混凝土柱試件; b—鋼管約束型鋼混凝土柱試件; c—鋼管約束鋼筋混凝土柱試件。圖12 受與未受長期荷載作用試件峰值應(yīng)變對(duì)比Fig.12 Comparisons of peak strains between specimens subjected to and not subjected to long-term loading

采用C50混凝土、加載齡期為14 d的長期受載試件,鋼管約束鋼管混凝土試件的峰值荷載較鋼管約束型鋼混凝土試件提高28.7%、較鋼管約束鋼筋混凝土試件提高19.2%;采用C50混凝土、加載齡期為28 d的長期受載試件,鋼管約束鋼管混凝土試件的峰值荷載較鋼管約束型鋼混凝土試件提高23.3%;采用C70混凝土、加載齡期為28 d的長期受載試件,鋼管約束鋼管混凝土試件的峰值荷載較鋼管約束型鋼混凝土試件提高17.3%、較鋼管約束鋼筋混凝土試件提高15.6%。對(duì)長期受持荷作用試件,當(dāng)總含鋼率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和加載齡期相同時(shí),各試件承載力變化的幅度受試件類型影響較大,其中鋼管約束鋼管混凝土試件的承載力最高,鋼管約束型鋼混凝土試件和鋼管約束鋼筋混凝土試件的承載力無明顯差別,這是由于鋼管約束鋼管混凝土試件中核心混凝土受到的約束作用最強(qiáng),鋼管約束型鋼混凝土試件和鋼管約束鋼筋混凝土試件中核心混凝土受到的約束作用基本相同,此規(guī)律對(duì)未受長期荷載作用的對(duì)比試件也同樣適用。

經(jīng)長期荷載作用后的試件與未經(jīng)長期荷載作用的對(duì)比試件相比,受持荷作用試件的極限承載力與未受持荷作用試件承載力的比值在0.98～1.03,兩者的極限承載力基本一致,且試件類型、加載齡期和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)承載力比值影響較小;但受持荷作用試件的峰值應(yīng)變總體小于未受持荷作用試件,說明試件長期持荷消耗了部分塑性變形能力;對(duì)低應(yīng)力長期持荷的軸壓組合構(gòu)件,核心混凝土及夾層混凝土的收縮徐變對(duì)其軸壓承載力沒有明顯影響。

3 結(jié)束語

共設(shè)計(jì)并制作了12個(gè)鋼管約束鋼管混凝土短柱、9個(gè)鋼管約束型鋼混凝土短柱和6個(gè)鋼管約束鋼筋混凝土短柱試件,對(duì)其中的4個(gè)鋼管約束鋼筋混凝土短柱、6個(gè)鋼管約束型鋼混凝土短柱和8個(gè)鋼管約束鋼管混凝土短柱進(jìn)行了760 d的持荷試驗(yàn);長期持荷試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)所有試件進(jìn)行了軸心受壓承載力試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析了各參數(shù)對(duì)試件長期變形性能的影響,以及持荷760 d對(duì)試件軸壓性能的影響,得到如下結(jié)論:

1)長期變形主要發(fā)生在前期,加載時(shí)間為100 d時(shí)就能達(dá)到第760天長期變形的50%左右,第300天時(shí)能達(dá)到第760天的75%～80%左右,第300天后鋼管約束鋼管混凝土長期變形增長速率基本平穩(wěn)。長期變形速率也呈現(xiàn)出前期增長較快,后期隨時(shí)間增長而逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)總含鋼率相同時(shí),混凝土強(qiáng)度等級(jí)越大、加載齡期越晚,試件長期變形越小;當(dāng)總含鋼率、加載齡期和混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí),鋼管約束鋼管混凝試件的長期變形最小,鋼管約束型鋼混凝土試件的長期變形和鋼管約束鋼筋混凝土試件的長期變形差別不大。

2)在軸壓荷載作用下,無論試件預(yù)先受到長期持荷作用與否,在研究的參數(shù)范圍內(nèi),鋼管約束鋼筋混凝土和鋼管約束型鋼混凝土試件呈現(xiàn)出明顯的剪切破壞,而加載齡期較早或混凝土強(qiáng)度中等的鋼管約束鋼管混凝試件能夠呈現(xiàn)較好的腰鼓型截面壓潰破壞。當(dāng)套箍指標(biāo)為1.09時(shí),組合試件發(fā)生截面壓潰的延性破壞;當(dāng)套箍指標(biāo)為0.87時(shí),試件既可能發(fā)生壓潰破壞,也可能發(fā)生剪切破壞,具有不確定性;當(dāng)套箍指標(biāo)小于等于0.79時(shí),試件將發(fā)生核心混凝土的剪切破壞,構(gòu)件表現(xiàn)出較大的脆性。

3)經(jīng)長期荷載作用后的試件與未經(jīng)長期荷載作用的對(duì)比試件相比,受持荷作用試件的極限承載力與未受持荷作用試件承載力的比值在0.98～1.03,且試件類型、加載齡期和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)承載力比值影響較小;對(duì)于鋼管約束鋼筋混凝土和鋼管約束型鋼混凝土試件,受長期荷載作用試件的峰值應(yīng)變均小于未受長期荷載作用試件的峰值應(yīng)變,說明試件長期持荷消耗了部分塑性變形能力;對(duì)低應(yīng)力長期持荷的軸壓組合試件,核心混凝土及夾層混凝土的長期變形對(duì)其軸壓承載力沒有明顯影響。