鋼骨L形截面鋼管混凝土短柱力學性能試驗

蔡振興 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

秦承索 (山東省泰安市交通培訓中心，山東 泰安 271000)

鞠開林，梁明華 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

蔡振興 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

秦承索 (山東省泰安市交通培訓中心，山東 泰安 271000)

鞠開林，梁明華 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

為了解鋼骨-鋼管混凝土柱力學性能，設計制作9根鋼骨-L形截面鋼管混凝土短柱，并進行軸壓承載力試驗，分析套箍指標、配骨指標等因素對鋼骨-L形截面鋼管混凝土柱軸壓性能的影響。試驗研究表明，在軸心壓力作用下，設置了鋼骨的L形截面鋼管混凝土柱的極限承載力有所提高，能夠延緩鋼管過早發生局部屈曲，從而提高了短柱的延性。

組合柱；短柱；鋼骨混凝土；鋼管混凝土

為提高高層、大跨度建筑承重柱的承載力和延性，同時解決梁柱突出室內占用使用面積的問題，筆者提出鋼骨-異形截面鋼管混凝土柱設計構想，即將焊接工字形鋼插入異形截面鋼管混凝土柱內[1]。這種組合柱可以在滿足較高承載力和延性要求的情況下，解決傳統承重柱占用房屋使用面積的問題。

1 試件設計

設計制作了9根鋼骨-L形截面鋼管混凝土短柱試件，試驗目的是探討鋼骨-L形截面鋼管混凝土短柱力學性能并分析其影響因素。試驗構件選用C40混凝土和Q235鋼材制作。混凝土和鋼材的力學性能均按標準試驗方法[2-4]實測得到，混凝土的軸心抗壓強度為34.318MPa，鋼材屈服強度為301.903MPa。

試件加工過程如下，將不同厚度的鋼板按試驗要求的尺寸加工成型，將應變片粘貼在鋼骨中部，組裝時先將鋼骨按照要求垂直焊接在厚10mm、邊長300mm的方鋼板上，然后套裝外層鋼管并焊接，表1所示為試件主要參數，圖1所示為試件截面尺寸，圖2所示為組裝后的組合柱。在試件鋼管外側布置縱向和環向電阻應變片測量鋼管的應變，鋼骨僅布置縱向應變片，應變片布置如圖3所示。其中1、2、3、4、5、6、7、12、13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。

表1 L型短柱試件主要參數

2 試驗過程

試驗在5000kN液壓式長柱試驗機上進行。試驗采用力控式分級加載，在彈性范圍內每級荷載為100kN，當荷載接近名義極限荷載的80%時，每級荷載按50kN遞增。每級荷載的持荷時間約為2min，每級加載后記錄儀表讀數。試件發生明顯變形時慢速連續加載，直至試件完全變形時停止加載。

圖1 試件截面尺寸 圖2 組合柱截面形式 圖3 應變片布置圖

3 試驗現象

圖4所示為部分試件的破壞形態。從圖中可以看出短柱的破壞形態主要表現為剪切破壞(見圖4(a))、局部屈曲破壞(見圖4(b))；當組合柱受壓屈曲時，由于焊接質量等原因，部分試件出現焊縫開裂現象(見4(c))。

圖4 試件破壞形態

圖5 荷載-位移典型曲線圖

組合短柱試件荷載-位移典型曲線如圖5所示。從圖5可以看出，試件工作分階段可分為如下幾部分：①彈性工作階段(OA段)。該階段荷載-位移曲線近似于直線，試件無明顯變化，此時式件處于彈性工作階段。②彈塑性工作階段(AB段)。隨著荷載的增加，試件出現局部突曲，鋼骨、鋼管進入彈塑性應力狀態。此時鋼材和混凝土受壓均產生橫向變形，但混凝土的泊松比超過鋼管的泊松比，鋼管對混凝土的約束作用增強，使得構件承載力進一步提高。③破壞階段(BC段)。達到極限荷載后，鋼材屈服，荷載增量由混凝土承擔，混凝土的應力、應變快速增大，達到極限應變后，混凝土被壓碎，鋼管屈曲，試件破壞。

4 試驗數據分析

4.1配骨指標

不同配骨指標影響下的荷載-應變曲線如圖6所示。從圖6可以看出：①隨著配骨指標增大，試件極限承載力增大，極限荷載對應的應變值也增大。如配骨指標為0.8715的柱ZFHTC1極限承載力是配骨指標為0.4364的柱ZDHTA1極限承載力的1.28倍。②配骨指標越大，試件荷載-縱向應變曲線下降段越平緩，其延性越好。③隨著配骨指標的增大，荷載-縱向應變曲線彈性階段對應的斜率增大，試件的剛度有所增加。

4.2套箍指標

不同套箍指標影響下的荷載-縱向應變曲線如圖7所示。由圖7可知，在鋼骨配置相同的情況下，隨著套箍指標的增加，鋼管對核心混凝土柱的約束效應加強，試件極限承載力提高，極限承載力對應的峰值應變也隨之增加。達極限承載力后，套箍指標越大，試件荷載-縱向應變曲線的下降段越平緩，說明增大套箍指標，能改善試件的延性。

圖6 受配骨指標影響的荷載-應變曲線 圖7 受配骨指標影響的荷載-應變曲線

5 結 論

1)鋼骨-L形鋼管混凝土短柱破壞形態主要包括剪切破壞和局部屈曲破壞。短柱試件的工作階段可分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，并表現出一定的彈塑性性能。

2)短柱試件的極限承載力隨著配骨指標的增大而增大，達極限荷載后，荷載隨應變增加而降低，配骨指標越大，下降越平緩，試件延性越好；短柱試件的極限承載力隨套箍指標的增大而增大；達到極限荷載后，荷載隨應變增大呈減小趨勢，套箍指標越大，下降趨勢越不明顯，試件延性越好。

3)鋼管混凝土中加入鋼骨后，鋼骨承擔部分荷載，鋼管、鋼骨和混凝土三者相互作用，改善了結構的力學性能，有效延緩了鋼管局部屈曲的發生。

[1]杜國鋒.鋼管混凝土組合T形柱力學性能研究[D].武漢：武漢大學，2008.

[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].

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.07.033

TU398.9

A

1673-1409(2011)07-0092-03

2011-05-26

國家級大學生創新性實驗項目(Q20091210)。

蔡振興，女，現主要從事土木工程專業方面的學習。