鋼管鋼骨高強混凝土抗彎構件試驗研究

劉 曉，王連廣，王 兵

(1.東北大學資源與土木學院，沈陽110004，liuxiao19740701@sina.com;2.沈陽大學建筑工程學院，沈陽110044)

鋼管鋼骨高強混凝土是將工字鋼插入鋼管內部，然后灌入高強混凝土的新型組合構件.它比鋼管混凝土和鋼骨混凝土具有更高的承載能力和抗震延性，并且耐火性和耐腐蝕性能好，施工方便，滿足現代工程結構往大跨、高聳、重載和惡劣條件方向發展的要求，具有廣闊的市場前景.它所具有的優越性主要是因為3種組合部件的協同工作，首先由于鋼管的緊箍作用，提高了核心混凝土的強度和延性;其次鋼骨的配置，延緩和阻止了混凝土剪切斜裂紋的產生;最后，混凝土對鋼管壁和鋼骨的支撐作用增強了局部穩定性，從而有效提高了組合構件的抗壓承載力和延性［1-5］.雖然鋼管鋼骨高強混凝土構件主要應用于承重柱，很少出現純彎的受力狀態，但是為了對壓彎、彎剪等受力狀態進行深入的研究，對其抗彎性能的研究是十分必要的.目前，國內部分學者對鋼管鋼骨高強混凝土抗彎性能做了一些研究［6］，為其奠定了理論基礎.本文著重研究工字形鋼骨的鋼管鋼骨高強混凝土構件的抗彎力學性能，明確其在彎矩作用下的工作機理和破壞模式，探討配骨指標和加載方向對其承載力、變形等性能的影響，并在試驗分析和理論計算的基礎上，根據統一理論給出了鋼管鋼骨高強混凝土構件抗彎承載力計算公式.

1 試驗

1.1 試驗參數

本次試驗共設計5根抗彎試件，組合截面形式，見圖1.截面尺寸D×t(D為鋼管外徑，t為鋼管壁厚)為219 mm×5 mm，試件幾何長度L均為1 200 mm，內部分別埋置I10、I12和I14工字鋼，鋼管內部澆注混凝土為C70.設計配骨指標ρ= (0.3～0.6)，套箍指標θ=(0.73～0.75)，加載方向分別沿工字鋼強軸和弱軸，通過鋼材和混凝土材料性能試驗，得到鋼管的屈服強度 fty為350 MPa，混凝土的軸心抗壓強度fck為48.6 MPa，其他試驗參數和編號見表1.

試件制作時，取長度相同的工字鋼和鋼管，將鋼骨放入鋼管中，焊接在同一鋼板上.在試件中部的鋼管和鋼骨同截面粘貼應變片，鋼骨的應變片用環氧樹脂作防潮處理;混凝土分數次從未焊鋼板端澆注，振搗至密實，用高強水泥砂漿找平，養護28 d后，焊接試件上部端板.

1.2 試驗方法

試驗在500 t壓力機上進行，加載方案采用在構件中間直接施加水平力，主要為壓彎構件提供理論和試驗依據，試驗時以鋼管下部纖維達到屈服應變時的荷載為正常使用極限荷載，其對應的彎矩為屈服彎矩My，以鋼管最大纖維應變εmax達到0.01時的荷載作為極限荷載［7］，其對應的彎矩為極限彎矩Mu.加荷過程中，試件的應變由縱向和橫向應變片測得，試件的撓度由豎向布置的位移計測量，試驗裝置和測點布置，見圖1.

圖1 試驗裝置及測點布置示意圖(mm)

表1 試驗參數與計算結果

試驗時，采用分級加載制，初期加載每級約為預計極限荷載的1/15～1/12，當加至預計極限荷載的50%時，每級減少到1/25～1/20，持載4 min;大約在80%預計極限荷載時，級差變小，持載2～4 min;在接近極限荷載時，則采取慢速連續加載，當試件的彎曲變形較大時，停止試驗.所有測試數據均由UCAM-70A數據采集系統連續采集.

1.3 試驗現象

在加載初期，試件撓度變化不大，達到極限荷載的70%之前最大撓度均未超過4 mm，用肉眼基本觀察不到，見圖2(a);在荷載達到極限荷載的80%左右時，可以觀測到試件的受拉區和受壓區鋼管表面氧化層開始脫落，但沒有任何局部的凸曲，表明鋼管外邊緣纖維已經屈服;在達到極限荷載時，鋼管受拉區氧化層脫落較明顯，見圖2(b);極限承載力后，鋼管側向撓度的增長速度明顯加快，進一步增加荷載受壓一側鋼管在跨中附近出現局部鼓曲，變形過大停止試驗，見圖2(c).

圖2 試驗裝置圖

2 試驗分析

2.1 彎矩－撓度曲線分析

由試驗得到各試件彎矩-跨中撓度(M-um)曲線，見圖3.主要變化參數為配骨指標和加載方向，它們對彎矩和撓度都有不同程度的影響.

1)不同配骨指標，見圖3(a).這3種試件內部分別埋置了I10、I12和I14工字鋼，加載方向均為繞強軸方向彎曲，配骨指標ρ增量基本相同，而它們極限彎矩值的增加幅度為=0.219，呈現非線性增長，這是因為它還受內部鋼骨配置形式和混凝土的受壓區高度的影響;從圖3(a)中屈服彎矩My和極限彎矩Mu的相對位置分析，二者的差值隨配骨指標ρ的增加而加大，這是因為內部鋼骨的不斷增加，通過鋼管、鋼骨和混凝土三者的協同作用，延緩了組合構件破壞速度，改善了內部延性.從圖3(a)的跨中撓度(橫坐標)分析，可知撓度um隨配骨指標ρ的增加而減小，切線模量降低速度隨ρ的增加而減緩，說明試件抵抗彎曲變形的能力增強，這是由于內部鋼骨面積和慣性矩的增加帶來組合試件剛度變大(即EI增加).

2)不同加載方向，見圖3(b)(圖中標志點為極限彎矩值).這4個試件I12R、I12Q和I14R、I14Q兩兩之間配骨指標相同，但是相對加載方向的截面布置形式不同，且慣性矩不同，各組增量為ΔI12=441和ΔI14=648，極限彎矩增量為ΔM12= 0.097和ΔM14=0.147 7，二者的比值ΔM/ΔI均為0.000 22，說明極限彎矩值隨截面慣性矩成比例增加，鋼骨對組合構件的抗彎承載力影響顯著，而混凝土和鋼管由于受壓區面積較小，對抗彎承載力影響相對較弱.從圖3(b)橫坐標跨中撓度比較分析，內部鋼骨相同的強軸和弱軸(即I12R、I12Q和I14R、I14Q)，在極限彎矩處對應的撓度不同，強軸小于弱軸.這是因為內部工字鋼強弱軸慣性矩不同，導致試件抗彎剛度EI不同，EI隨慣性矩的減小而減弱，進而變形加大.

圖3 不同參數的彎矩-撓度曲線

2.2 截面應變分布

通過試驗得到不同受力階段鋼管外邊緣縱向應變沿截面高度變化情況，見圖4.

為了更直觀地觀察兩者的變形協調性，將二者應變圖形按不同位置疊加，得到圖4，在受力初期，鋼管和鋼骨保持著良好的變形協調關系;隨著荷載的增加，壓區鋼管和鋼骨的應變始終保持直線分布，拉區鋼管和鋼骨的應變則逐漸偏離了直線.但總體看來，仍可近似認為鋼管和鋼骨變形相協調.

2.3 撓曲變形

由試驗得到試件在不同受力階段的撓度沿長度分布情況，見圖5(圖中虛線為正弦曲線)，縱坐標為撓度u，橫坐標為試件上各點距跨中的距離L.由圖可見，此類組合構件屈曲時軸向撓曲變形與正弦半波曲線吻合較好.

圖4 截面應變分布

圖5 典型撓度曲線

從荷載的增量與撓度變化幅度來看，荷載較小時，豎向撓度變化幅度基本相同，當荷載達到極限荷載的85%時，豎向撓度增長速度逐漸加快，且增加速度與配骨指標ρ成反比，這說明內部鋼骨的存在增加組合試件的抗彎剛度，延緩了構件因變形過大而導致的破壞.

2.4 緊箍力分析

鋼管混凝土的承載力高于空心鋼管是因為內部核心混凝土在鋼管的約束下處于三向受力狀態，特別是鋼管對高強混凝土的約束效應，使混凝土的抗壓強度明顯提高［8］.緊箍力是由于混凝土的橫向變形系數大于鋼材的泊松比，在鋼管和混凝土的界面間產生，它使混凝土三向受壓，鋼管雙向受力，仍保持彈性工作.本試驗通過研究鋼管表面的橫向和縱向應變比值|εh/εl|與相對彎距(M/Mu)之間的關系，見圖6，來分析緊箍力的影響因素.由圖可知，受拉區鋼管的|εh/εl|均小于0.2，說明受拉區混凝土的橫向變形沒有超過鋼管的橫向變形，混凝土處于單向受力狀態;受壓區鋼管的|εh/εl|均大于0.3，說明受壓區混凝土的橫向變形超過鋼管的橫向變形，鋼管的緊箍作用開始發揮作用，內部混凝土在內外鋼材的雙向緊箍力作用下處于三向受壓狀態，當達到極限彎矩的80%左右時混凝土達到極限壓應變(圖中A點)，體積急劇膨脹，鋼管表面的橫向和縱向應變比值|εh/εl|明顯加大，緊箍作用進一步加強，組合構件承擔的荷載仍在上升.

圖6 M/Mu相對|εh/εl|曲線

此外，配骨指標和加載方向對緊箍力的發揮作用都有一定的影響:

1)加載方向一定時，配骨指標ρ越大，鋼材的縱向變形越小抗彎能力越強，進而使|εh/εl|增加，但緊箍作用發揮不明顯;配骨指標ρ較小，鋼管表面橫向變形速率加快，|εh/εl|增加速度較快，緊箍作用發揮明顯.

2)配骨指標一定時，由于強軸方向的抗彎能力強，這使混凝土受壓區面積比弱軸大，因此鋼管對混凝土的環箍作用發揮顯著，即混凝土達到極限壓應變之前(A點)受壓區鋼管的|εh/εl|就大于0.3，見圖6(a);而弱軸方向在混凝土達到極限壓應變之前(A點)受壓區鋼管的|εh/εl|在0.3左右，鋼管對混凝土的環箍作用發揮不明顯，見圖6(b);此外，強軸的翼緣與鋼管對混凝土形成雙重緊箍效應，要強于弱軸的腹板與鋼管對混凝土形成的雙重緊箍力.

3 承載力計算

根據鋼管鋼骨高強混凝土的受力特點和破壞機理，結合鋼管混凝土和鋼骨混凝土抗彎承載力計算方法，本文提出了鋼管鋼骨高強混凝土抗彎承載力簡化計算公式，以鋼管混凝土的統一理論為基礎，結合鋼結構抗彎承載力公式，提出公式的簡化形式為

式中:B=0.175 9 fty/235+0.974;C=0.030 9 -0.103 8 fck/20;D=0.156 fsy/235+0.479，γm為截面塑性發展系數;Wscs為鋼管鋼骨混凝土凈截面模量;fy

scs為鋼管鋼骨混凝土軸心抗壓強度.

3.1 截面模量Wscs

截面模量與截面慣性矩有關，圓形截面慣性矩為I=πD4/64;工字鋼可通過型鋼表或計算得到繞不同軸的慣性矩.則鋼管鋼骨高強混凝土組合構件的截面模量的計算公式為

式中:Dt為鋼管直徑;Is為內部鋼骨慣性矩.

3.2 截面塑性發展系數γm

塑性發展系數是考慮構件受力時截面有一定的塑性發展，它等于截面塑性彎矩與截面邊緣剛達到屈服應力時的截面彎矩的比值，考慮到截面在受力時不能無限制的應用塑性，所以規范規定對于一定的截面只利用一部分截面塑性，規范對于給定的截面給出了截面塑性系數的值［9］.

考慮鋼材強度、混凝土等級、配骨指標和套箍指標，通過計算得到鋼管鋼骨高強混凝土的抗彎極限值Mu，代入式(1)得γm=Mu/(fyscsWscs)，通過大量數據分析得知，塑性發展系數γm與套箍指標θ、配骨指標ρ以及鋼骨與鋼管之間的距離有著直接的關系，通過數據回歸得到鋼管鋼骨高強混凝土的塑性發展系數γm，其表達式為

式中:hs為鋼骨高度，當弱軸加載時則為翼緣寬度.

將式(2)—(4)代入到式(1)中，即可得鋼管鋼骨高強混凝土組合構件的簡化計算公式.

3.3 公式驗證

為了驗證鋼管鋼骨高強混凝土組合構件抗彎承載力計算公式的正確性，將理論計算結果與試驗值比較，見表1，其平均誤差為1.013，離散系數為0.024，結果非常接近，簡單且精確，適合在工程中廣泛采用.

4 結論

1)通過5個鋼管鋼骨高強混凝土構件抗彎承載力的試驗研究，可知，鋼管鋼骨高強混凝土受彎矩作用下，當加載方向一定時，極限彎矩值隨配骨指標的增加呈現非線性增長，且變形剛度明顯加大，跨中撓度減小;當配骨指標一定時，極限彎矩值隨慣性矩的增加基本呈線性增加，跨中撓度弱軸大于強軸.

2)鋼管鋼骨高強混凝土在整個加載過程中，截面始終保持平面，且組合構件在同一平面內，協同工作;撓度變形曲線符合正弦半波分布.

3)緊箍力沿截面的分布不均勻.在受拉區鋼管對混凝土基本沒有緊箍效應;在受壓區鋼管對混凝土的緊箍作用隨配骨指標的增加而減小，且強軸的緊箍效應要比弱軸明顯.

4)建立了鋼管鋼骨高強混凝土抗彎構件的承載力計算公式，理論計算結果與試驗結果吻合很好，但是公式適用性還需要試驗進一步驗證.

［1］韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐［M］.2版.北京:科學出版社，2007.

［2］BRUNEAU M，AND MARSON J.Seismic design of concrete-filled circular steel bridge piers［J］.Journal of Bridge Engineering，2004，9(1):24-34.

［3］葉列平，方鄂華.鋼骨混凝土構件的受力性能研究綜述［J］.建筑科學，2000，33(5):1-12.

［4］王連廣，李立新.國外型鋼混凝土(SRC)結構設計規范基礎介紹［J］.建筑結構，2001，31(2)，23-24.

［5］European Committee for Standardization.Eurocode 4:design of composite steel and concrete structures［M］.London:British Standard Institution，1994.

［6］趙大洲，王清湘.鋼骨-鋼管混凝土組合柱承載力分析［D］.大連:大連理工大學，2003.

［7］蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［8］劉界鵬，張素梅，郭蘭慧.圓鋼管約束高強混凝土短柱的軸壓力學性能［J］.哈爾濱工業大學學報，2008，40(4):528-531.

［9］中華人民共和國建設部.GB 50017—2003.鋼結構設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.