脫空鋼管混凝土偏心受壓力學性能試驗研究

劉夏平，唐述，唐春會，寧運琳，劉愛榮

(廣州大學土木工程學院，廣州 510006)

脫空鋼管混凝土偏心受壓力學性能試驗研究

劉夏平，唐述，唐春會，寧運琳，劉愛榮

(廣州大學土木工程學院，廣州 510006)

本文進行了30個核心混凝土脫空的鋼管混凝土偏心受壓構件試驗研究，試驗參數有脫空率、偏心率、加載模式及構件長細比。試驗過程中記錄了試件在各級荷載下的縱向、橫向變形，以及中截面縱向、橫向應變，獲得了試件破壞時承受的最大荷載。試驗結果表明，核心混凝土脫空降低了鋼管混凝土極限承載力，脫空率越大，極限承載力越小;偏心率越大，極限承載力也越小;在脫空一側加載較之在非脫空一側加載的極限承載力小;脫空對長柱極限承載力影響比短柱小。

鋼管混凝土 脫空 偏心受壓 力學性能 試驗研究

由于鋼管混凝土具有承載能力高，抗震性能突出，自重輕，施工方便，造價經濟等優點，目前已在工程結構中得到了廣泛的應用［1-3］。根據鋼管與混凝土的黏結狀態，鋼管混凝土的工作狀態可以分為:鋼管與核心混凝土徑向擠壓、徑向臨界和徑向脫空［4］。大量鋼管混凝土拱橋的應用實踐表明，鋼管混凝土拱肋中鋼管與混凝土之間常常出現脫空現象［5］，這是一種危險的病害，往往導致結構變形加大，極限承載能力降低。目前工程界對拱肋混凝土脫空的原因和分類已開展了研究，對核心混凝土脫空后的鋼管混凝土力學性能研究也取得了一些成果［6-9］。但研究工作遠落后于工程實踐的需要，其中對脫空鋼管混凝土的試驗研究還較少，且基本限于軸心受壓構件的試驗研究。

偏心受壓構件是工程結構的基本構件，準確掌握脫空后的偏心受壓鋼管混凝土柱的力學行為和破壞機理，是研究和評估脫空后的鋼管混凝土結構力學性能的基礎。為此，本文首次開展了考慮脫空率(脫空率=(核心混凝土面積－脫空面積)/核心混凝土面積)、偏心率、加載模式及構件長細比等多參數的脫空偏心受壓鋼管混凝土柱承載力試驗研究，觀察了脫空偏心受壓鋼管混凝土試件的破壞形態，記錄了試件在各級荷載下的縱向、橫向變形，以及中截面縱向、環向應變，獲得了試件破壞時承受的最大荷載，分析了核心混凝土脫空對偏心受壓鋼管混凝土力學性能的影響，初步揭示了各參數對鋼管混凝土偏心受壓力學性能的影響規律，為進一步開展相關研究提供了科學依據。

1 試驗模型設計

試驗設計了30個試件，其中24個短柱試件，6個長柱試件。脫空形狀與范圍按斷面為弓形的通長縫考慮(見圖1)。考慮到實際工程中脫空位置出現的可能性，試驗中按圖1的A式和B式兩種方式加載。

鋼管采用Q235焊管，外直徑為168 mm。短柱試件長500 mm，長柱試件長1 000 mm，管內灌澆C50混凝土。試件的套箍指標按《CECS 28:90規程》［10］計算結果為θ=1.195。鋼管脫空由加墊鋼板形成，鋼板待混凝土澆筑5 h后抽出，留下斷面為弓形的通長脫空縫隙。

采用42.5普通硅酸鹽水泥，粒徑0.5～2.0 cm的碎石，以及河砂和自來水拌制混凝土(水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.37∶2.54∶0.45)，混凝土從鋼管頂端灌入，用振搗棒插入振實，每次填入混凝土層的厚度為25～35 cm，最后用水泥砂漿將柱頂抹平。試件采用自然養護，管內混凝土強度由同條件成型養護并與試件同齡期的150 mm×150 mm×150 mm立方體試驗確定。

鋼材強度由鋼管上切割下來的標準試條經單軸拉伸試驗給出，屈服強度為330 MPa。實測混凝土立方抗壓強度為56 MPa。

2 試驗裝置與試驗方法

試驗裝置見圖2。全部試件均在YE-500A液壓式壓力試驗機上進行加載。荷載通過設于試件兩端的刀鉸和30 mm厚的加載板傳遞。為保證鋼管與混凝土共同均勻受力，在試件兩端均以20 mm厚的端板與鋼管焊牢。

試驗采用分級單調加載。初始階段，每級為極限荷載的1/15～1/12，在總荷載大約超過極限荷載的50%以后，每級減少為1/25～1/20極限荷載。每級持載2～3 min。在大約0.8倍極限荷載以后，則采取慢速連續加載，并連續記錄讀數，以捕捉極限荷載時的應變和撓度。當荷載達到最大值時(該荷載定義為極限荷載)，試驗機壓力表指針開始回轉后，仍繼續向試驗機油缸送油，并連續記錄下位移、應變和荷載讀數，直到荷載—位移曲線已明顯下降或變形過大，無法繼續加載后停止試驗。

試件縱向應變的量測采用兩種方式，一是采用在試件中部縱向黏貼應變片測試，另外采用千分表測試件頂端的變形。試件縱向分四段三點用千分表量測試件的側向撓度，每測點采用一對相向千分表。試件中截面沿環向等距離黏貼8個應變片，應變片采用相互垂直的雙向電阻應變片，測點布置見圖3。

圖1 加載方式

圖2 試驗裝置及實物照片

圖3 應變片布置

3 試驗結果與分析

試驗結果表明，中截面在不同的荷載階段，基本上保持平面，試件的橫向變形曲線近似為半波正弦曲線，脫空率、偏心率以及加載模式均對鋼管混凝土受力性能有相當的影響。

3.1 荷載—撓度曲線

圖4為部分試件的荷載—撓度曲線。從圖4可看出，各試件荷載—撓度曲線與脫空率、偏心率、加載模式及長細比有關，一般由線性增長、非線性增長和水平發展三個階段組成。曲線水平發展階段通常較長，說明脫空后的偏心受壓鋼管混凝土構件還具有良好的延性。

圖4 荷載—撓度曲線

總體來說，在加載初期的線性增長階段混凝土脫空對曲線的影響不大;在加載的后期，在同樣的荷載作用下，脫空率越大，撓度越大;偏心率越大，撓度越大; A式加載比B式加載的撓度要大。

3.2 縱向應變

圖5為部分試件的中截面最大壓應變的荷載—最大縱向應變曲線，曲線一般也是由線性增長、非線性增長和水平發展三個階段組成，水平發展階段通常較長，再次說明脫空后的偏心受壓鋼管混凝土構件還具有良好的延性。

根據單軸拉伸試驗的結果，鋼材的屈服應變為1.4×10－2，如忽略雙向應力場的影響，所有試件在停止試驗時，中截面鋼管最大壓應力均已達到屈服。

圖6為部分試件的荷載—縱向應變曲線。圖6的ε1和ε5為試件中截面主彎曲面上左右兩測點的應變，ε0為中截面形心處的縱向應變(即鋼管表面實測縱向應變的平均值)。

圖5 中截面荷載—最大縱向應變曲線

圖6 中截面荷載—縱向應變曲線

圖7 脫空率—承載力曲線

圖8 脫空率—承載力折減系數曲線

3.3 極限承載力

試件所承受的極限荷載也稱為極限承載力，其實測結果見表1。表1中的極限荷載計算值Nj按下式計算［11］

式中，N0為短柱軸壓極限承載能力;φe為考慮偏心率的極限承載能力折減系數;Ac為核心混凝土的橫截面積，不考慮脫空的影響;As為鋼管的橫截面面積;f′c為混凝土的抗壓強度;fs為鋼管的屈服強度;e為初始偏心距;rc為管內混凝土半徑。從表1可以看出，混凝土的脫空會降低鋼管混凝土極限承載力，同時，脫空后的鋼管混凝土極限承載力與偏心率、加載模式及長細比等參數有關。

4 極限承載力的參數分析

4.1 脫空率影響

表1的數據顯示，核心混凝土脫空率對鋼管混凝土極限承載力有較大的影響，脫空率越大，極限承載力降低越多，說明隨著脫空率的增大，鋼管對核心混凝土的套箍作用不斷削弱。

圖7和圖8分別為偏心距為20 mm時短柱試件的脫空率與承載力關系曲線和脫空率與承載力折減系數曲線，從圖中可看出，脫空率與承載力之間呈非線性關系，脫空率較小時，承載力隨脫空率增大而降低的速度較快;脫空率較大時，承載力隨脫空率增大而降低的速度減緩。

與文獻［8］的脫空軸心受壓鋼管混凝土短柱相比，當脫空率較小(脫空率在2%以下)時，脫空率對鋼管混凝土極限承載力影響程度，偏壓構件與軸壓構件相當;當脫空率較大(脫空率達3.47%以上)時，脫空率對鋼管混凝土偏壓構件極限承載力影響程度降低，即在同樣脫空率下，脫空的偏心受壓鋼管混凝土極限承載力比脫空的軸心受壓鋼管混凝土極限承載力折減要少，而且脫空率越大，偏壓構件比軸壓構件因脫空導致的極限承載力折減越小。

4.2 偏心率影響

圖9和圖10分別是脫空率為0.68%(脫空高度為4 mm)的短柱試件的偏心率—承載力曲線和偏心率—承載力折減系數曲線。從圖9可看出，脫空后的鋼管混凝土極限承載力隨偏心率增大而降低，但從圖10的承載力折減系數曲線來看，偏心率對承載力折減系數的影響較小，表明當脫空率為0.68%時，因核心混凝土脫空引起的承載力折減隨偏心率的改變而變化較小。

圖9 偏心率—承載力曲線

4.3 加載模式影響

從上述圖7至圖10可看出，鋼管混凝土短柱因脫空引起的極限承載力降低，A式加載比B式加載程度嚴重。當偏心率為0.253時，B式加載比A式加載的承載力約大10%左右;B式加載比A式加載的承載力增加量還與偏心率有關，當脫空率=0.68%，偏心率e =0.253～0.759時，B式加載比A式加載的承載力約大4%～9%左右。

表1 試件極限荷載實測值

圖10 偏心率—承載力折減系數曲線

4.4 長細比影響

從表1可以看出，脫空的鋼管混凝土長柱極限承載力比短柱小。脫空率、偏心率、加載模式對脫空的鋼管混凝土長柱極限承載力均有影響，且影響規律與短柱相似，但總體來說，影響比短柱小，所有長柱試件的承載力折減均在8%以下，遠小于短柱試件的承載力折減量。

5 結論

通過30個脫空鋼管混凝土偏心受壓構件試驗研究，可以初步得出以下結論:

1)脫空鋼管混凝土偏心受壓構件中截面在不同的荷載階段基本上保持平面，脫空后的偏心受壓鋼管混凝土構件還具有良好的延性。

2)在加載的初期，混凝土脫空對構件橫向變形影響不大;在加載的后期，同樣的荷載作用下:脫空率越大，撓度越大;偏心率越大，撓度越大;A式加載比B式加載的撓度要大。

3)核心混凝土脫空會降低鋼管混凝土偏壓構件極限承載力，脫空率越大，極限承載力降低越多，脫空率與承載力之間呈非線性關系;脫空后的鋼管混凝土極限承載力隨偏心率增大而降低，當脫空率較小時，因核心混凝土脫空引起的承載力折減隨偏心率的改變而變化較小;鋼管混凝土短柱因脫空引起的極限承載力降低程度，A式加載比B式加載嚴重;脫空對長柱極限承載力的影響遠比短柱小。

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TU392.3

B

1003-1995(2011)02-0117-05

2010-08-25;

2010-11-12

國家自然科學基金項目(5097806);廣東省自然科學基金項目(9151065004000002);廣州市建設科技計劃項目(200617)資助。

劉夏平(1959—)，女，廣西陸川人，副教授。

(責任審編 白敏華)