鋼骨-T形截面鋼管混凝土短柱力學性能試驗

鞠開林，蔡振興，梁明華 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

為提高高層建筑承重柱的承載力和延性，同時解決梁柱凸出室內占用房屋使用面積、影響室內裝修和家具的布置問題，筆者提出鋼骨-異形截面鋼管混凝土柱設計構想，參照文獻 ［1］將型鋼內置于T形截面鋼管混凝土柱內。這種組合柱可以在滿足承載力和延性的前提下方便建筑布局，提高房屋使用面積，是一種極具發展前景的結構形式。

1 試件設計

為探討影響鋼骨-T形截面鋼管混凝土短柱受力性能和極限承載能力的主要因素，設計制作9根鋼骨-T形截面鋼管混凝土短柱試件和3根T形截面空鋼管混凝土短柱試件。混凝土和鋼材的材料力學性能均按標準試驗方法［2-4］實測得出，混凝土的設計抗壓強度為C40，邊長150mm立方體的抗壓強度為46．29N／mm2。試件加工過程如下：將6mm厚的鋼板按試驗要求的尺寸加工成工字型，將應變片粘貼在鋼骨中部，組裝時先將鋼骨垂直焊接在厚10mm邊長300mm的方鋼板上，然后套裝外層鋼管，并將應變片導線由鋼管下端的鉆孔中引出，使鋼管和鋼骨的幾何中心重合后將鋼管焊接在方鋼板上，所有焊縫均按文獻 ［4］進行設計。試件主要參數如表1所示。

表1 T形短柱試件主要參數表

2 試驗過程

試驗在500T壓力試驗機上進行 （見圖1）。采用力控式分級加載，在彈性范圍內每級加載為預計極限荷載的1／10，持載5min后再進行下一級加載，當荷載達到預計極限荷載的75%以后，持荷時間為2min，試件破壞時慢速連續加載。在每個試件的外壁布置縱向和環向電阻應變片測量試件的應變 （見圖2）。其中1、2、3、4、5、6、7分別表示環鋼管壁外側中部電阻應變片的位置，9AF、11BF分別表示內置鋼骨腹板處中部應片的位置，8AY、10BY分別表示鋼骨翼緣處應變片的位置。

圖1 500T壓力試驗機

圖2 應變片布置圖

3 試件受力性能分析

3．1 試驗現象描述

圖3所示為部分試件的破壞形態。當外荷載達到極限荷載的80%左右時，鋼管壁出現剪切現象，隨荷載增大現象越明顯，最后呈剪切破壞形態 （見圖3（a））。當外荷載達到極限荷載后，混凝土產生局部壓碎，距試件上、下柱端15cm處凸曲，呈局部屈曲破壞形態 （見圖3（b））。當外荷載繼續增加，試件角部鋼管開始屈服，產生裂痕，直至開裂破壞，呈角部開裂破壞形態 （見圖 （c））。

圖3 試件典型破壞形態

試件荷載-位移典型曲線圖如圖4所示。從圖4可以看出，整個試件可以分為3個工作階段：①彈性工作階段 （AB段）。從加載初期到極限荷載的80%以前，柱子的荷載-位移曲線近似一條直線，荷載與位移呈正比例關系，此時柱子處于彈性工作階段。②彈塑性工作階段 （BC段）。當荷載超過了極限荷載的80%以后，混凝土中的微裂縫不斷擴展，鋼管開始受壓屈服，試件的軸向剛度不斷減小 （BC段）。③破壞階段 （CD段）。當荷載超過極限荷載后，柱子出現比較大的變形。隨變形增大，混凝土中的微裂縫急劇發展，承載力也急速下降，柱子軟化直至發生破壞。

3．2 荷載-應變曲線

圖5所示為受配骨指標ρ影響的荷載-應變曲線。從圖5可以看出如下特點：①隨配骨指標ρ的增加，試件的極限承載力也增加，對應的峰值應變也相應較大。②配骨指標ρ增大，試件彈性工作階段對應的斜率增大，說明試件的剛度有所增加。③隨配骨指標ρ的增大，荷載-應變曲線的下降段越來越平緩，說明試件的延性有所提高。

圖6所示為受套箍系數θ影響的荷載-應變曲線。由圖6可知，套箍系數θ越大，鋼管對核心混凝土柱的約束效應越強，試件的極限承載力越大，試件的延性越好，試件荷載-應變曲線的下降段越平緩，下降越緩慢。

圖4 荷載-位移典型曲線圖

圖5 受配骨指標ρ影響的荷載-應變曲線

圖6 受套箍系數θ影響的荷載-應變曲線

通過上述分析，發現鋼管混凝土柱與鋼骨-鋼管混凝土柱相比，其極限承載力較低。

4 結 論

1）鋼骨-T型鋼管混凝土柱破壞形態包括局部屈曲破壞、剪切型破壞和角部開裂破壞。

2）試件工作階段分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，并表現出一定的彈塑性性能。

3）增大套箍系數，可以增加鋼管對核心混凝土的約束作用，提高試件的極限承載力和延性；增大配骨指標可以減少管壁局部屈曲的發生，提高試件的剛度和極限承載力，延性也有所增加。

［1］杜國鋒，徐禮華，徐浩然，等 ．鋼管混凝土組合T形短柱軸壓力學性能研究 ［J］．西安建筑科技大學學報，2008，40（4）：549-555．

［2］GB／T228-2002，金屬材料室溫拉伸試驗方法 ［S］．

［3］GB／T50081-2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準 ［S］．

［4］GB500172-2003，鋼結構設計規范 ［S］．