鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土壓彎柱全過程分析

劉 曉，李 敏，王連廣

(1.清華大學(xué) 土木工程系，100084北京;2.沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院，110044沈陽;3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，110004沈陽)

鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土(Steel Tube Columns Filled with Steel-Reinforced High-strength Concrete，STSRHC)是將工字鋼插入空鋼管中，并澆筑混凝土而形成組合構(gòu)件，與鋼骨混凝土和鋼管混凝土相比，它具有承載力高、抗震性好、耐火性和耐腐蝕性能好等特點(diǎn)［1－5］.目前，已有對(duì)內(nèi)部為十字形鋼骨的STSRHC進(jìn)行了2個(gè)壓彎試件研究，并給出了簡(jiǎn)化計(jì)算公式［6］.而對(duì)內(nèi)部為工字形鋼骨的STSRHC的研究，主要有:軸壓構(gòu)件的試驗(yàn)和理論研究［7－9］，抗彎構(gòu)件的試驗(yàn)和理論研究［10］，而對(duì)此類構(gòu)件的壓彎試驗(yàn)研究未見報(bào)道，但在實(shí)際工程中組合柱多處于壓彎受力狀態(tài)，因此本文對(duì)這種新型組合構(gòu)件進(jìn)行了壓彎性能的全過程研究.

1 試驗(yàn)概況

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的壓彎柱為5個(gè)圓鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土.參數(shù)主要為:軸壓比n0(n0=N/N0，N為柱上下兩端軸力，N0為軸壓極限荷載);加載方向分別沿工字鋼的強(qiáng)軸和弱軸;鋼管的截面尺寸為○165×4.5mm，鋼骨為10號(hào)工字型鋼，試件長(zhǎng)度為825mm，套箍指標(biāo)θ=0.871(θ=Atfty/Acfck，Ac為截面混凝土面積，fck=48.6MPa為核心混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，At為鋼管面積，fty=330MPa為鋼管屈服強(qiáng)度)，配骨指標(biāo)ρ=0.599(ρ=Asfsy/Acfck，As為鋼骨面積，fsy=360MPa為鋼骨屈服強(qiáng)度).試件詳細(xì)情況見表1.

表1 試驗(yàn)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

首先按設(shè)計(jì)軸壓比施加軸向壓力，試件始終保持垂直，沒有側(cè)向撓度，見圖1(a);然后施加水平力，在加載初期，側(cè)向撓度緩慢增加，在達(dá)到極限荷載之前沒有局部鼓曲，但軸壓比較小的試件，鋼管受拉側(cè)氧化層脫落的現(xiàn)象較明顯，表明受拉側(cè)鋼管應(yīng)變已達(dá)到屈服;當(dāng)達(dá)到極限荷載之后撓度迅速增加，且在加載區(qū)附近有局部鼓曲現(xiàn)象，見圖1(c)，表明內(nèi)部混凝土已經(jīng)壓碎，受拉側(cè)鋼管表面有明顯的拉伸現(xiàn)象，具有明顯的彎曲破壞特征;試件的跨中撓度在整個(gè)加載過程中為最大，且基本符合正弦曲線，見圖1(b).

圖1 試驗(yàn)圖

2 試驗(yàn)分析

由試驗(yàn)得到鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土壓彎構(gòu)件的荷載-撓度(P-um)曲線，見圖2，主要包括彈性、彈塑性和破壞3個(gè)階段:彈性階段，外部荷載P與撓度um成比例增加，但撓度的增長(zhǎng)速度明顯落后于外荷載，且預(yù)加軸力的大小決定了壓彎構(gòu)件彈性階段的長(zhǎng)短;彈塑性階段，P-um明顯偏離原有直線，荷載的增加速度逐漸減慢，試件達(dá)到極限荷載;破壞階段，部分混凝土逐漸退出工作，試件呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為塑性或強(qiáng)化現(xiàn)象.

2.1 影響參數(shù)分析

本次對(duì)鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土壓彎承載力的試驗(yàn)研究，主要分析軸壓比和加載方向?qū)Τ休d力的影響.通過試驗(yàn)得到各自的荷載－撓度曲線.

1)不同軸壓比情況，見圖2(a).4個(gè)試件除了施加的軸力大小不同之外，其他各個(gè)參數(shù)均相同，從圖中可見，軸壓比的增量Δn依次為0.12、0.07、0.10，極限荷載的增加幅度分別為0.201、0.247和0.348，可見承載力的降低幅度不與軸力的增加幅度成線性比例，而是隨軸壓比的增加，降低幅度越來越大.這是因?yàn)殡S著預(yù)壓力的增加，加大了截面進(jìn)入塑性的深度，降低了構(gòu)件繼續(xù)承擔(dān)荷載的能力，所以承載力降低幅度加大.從圖2(a)的橫坐標(biāo)分析，軸壓比的變化基本沒有影響極限荷載(圖中黑點(diǎn))所對(duì)應(yīng)的撓度值，即結(jié)構(gòu)的峰值位移沒有太大變化.

2)不同加載方向，見圖2(b)，對(duì)軸壓比n=0.749的試件進(jìn)行了兩種方向的加載試驗(yàn)，沿弱軸方向加載的試件(YW4)極限承載力低于強(qiáng)軸方向加載的試件(YW3)，這主要由于二者抗彎能力不同，即YW4慣性矩小于YW3;從下降段分析，可知YW3的下降段斜率比YW4平緩，二者其他參數(shù)相同只是改變了內(nèi)部鋼骨的加載方向，這說明鋼骨翼緣與鋼管對(duì)混凝土形成的雙重緊箍效應(yīng)要好于鋼骨腹板，從而對(duì)試件的破壞起到一定延緩作用.

圖2 不同參數(shù)的荷載-撓度曲線

2.2 截面應(yīng)變分析

通過試驗(yàn)測(cè)得柱中截面縱向應(yīng)變沿截面高度分布情況，見圖3.所有試件在加載過程中基本上保持平截面變形，但隨著荷載的增加，中和軸位置發(fā)生改變.在加載初期，中和軸靠近受拉區(qū)邊緣;之后，隨著荷載的增加，中和軸逐漸向受壓區(qū)偏移，偏移的距離與軸心壓力有關(guān)，軸壓比越大，中和軸越遠(yuǎn)離形心軸，靠近受拉區(qū).

2.3 側(cè)向撓度分析

圖4為不同受荷下的側(cè)向撓度.橫坐標(biāo)為試件側(cè)向撓度(u)，縱坐標(biāo)為試件各點(diǎn)距試件中部與試件高度的比值(x/L0)，n值為各階段荷載(N)與極限荷載(Nu)的比值.試驗(yàn)結(jié)果表明，側(cè)向撓度在荷載作用初期變化幅度較小，當(dāng)達(dá)到80%極限荷載時(shí)開始明顯增加，且隨長(zhǎng)細(xì)比和偏心距的增加而加大.

圖3 截面應(yīng)變分布

圖4 典型側(cè)向撓度

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 本構(gòu)模型與假定

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用5階段典型方程，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用修正后的核心混凝土2階段典型方程［7］.STSRHC組合柱采用如下假定:① 忽略鋼材和混凝土之間相對(duì)滑移;②不考慮構(gòu)件的剪切變形;③截面上應(yīng)變分布滿足平截面;④ 組合柱兩端為鉸接，側(cè)向撓度為正弦半波曲線.

3.2 計(jì)算程序

根據(jù)纖維模型法，將混凝土、鋼管及鋼骨的截面上進(jìn)行條帶劃分，條帶劃分?jǐn)?shù)量以滿足精度為準(zhǔn)，利用平衡條件得

式中:t和tw分別是鋼管壁厚和鋼骨腹板厚度;

Asf1和Asf2分別為鋼骨上下翼緣的面積;dAsi、dAci和dAti分別為對(duì)應(yīng)圓心角dθi的鋼骨、核心混凝土和鋼管的截面積;σti、σsi和σci分別是鋼管、鋼骨和核心混凝土的應(yīng)力;σsf1和σsf2分別是工字鋼上下翼緣的應(yīng)力;rc為鋼管內(nèi)徑.

具體計(jì)算流程見圖5.

圖5 程序流程圖

3.3 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

按照上述計(jì)算程序?qū)⒃囼?yàn)參數(shù)輸入程序中，得到數(shù)值計(jì)算曲線和試驗(yàn)曲線的對(duì)比，見圖6，全過程曲線形狀基本相同，二者的平均誤差為1.048，離散系數(shù)為0.016，在理想范圍內(nèi).

圖6 計(jì)算結(jié)果和試件結(jié)果對(duì)比

利用程序YWTCSLX對(duì)鋼管鋼骨高強(qiáng)混凝土影響因素進(jìn)行分析.設(shè)定基本參數(shù)混凝土強(qiáng)度fck=48.6MPa，fty=fsy=320MPa，配骨指標(biāo)ρ=0.52，套箍指標(biāo)θ=0.63，計(jì)算長(zhǎng)度l0=600mm，鋼管半徑Rt=100mm，壁厚t=4.2mm，內(nèi)埋置I10工字鋼.計(jì)算在其他參數(shù)不變情況下，分別改變軸壓比、長(zhǎng)細(xì)比和混凝土等級(jí)，由此得到荷載-變形關(guān)系的影響曲線，見圖7.

1)軸壓比的影響，見圖7(a).組合柱隨軸壓比的增加承載力降低，曲線下降段的斜率越來越陡，表明構(gòu)件延性逐漸降低;彈性段隨軸壓比的增加而減小，因?yàn)樵陬A(yù)壓軸力作用下，構(gòu)件提前進(jìn)入彈塑性階段;此外，圖中還表明，當(dāng)軸壓比較小時(shí)，增加適當(dāng)?shù)妮S壓比有助于構(gòu)件提高承載能力，如:軸壓比為0.4的承載力高于軸壓比為0.2的極限承載力.

2)長(zhǎng)細(xì)比的影響，見圖7(b).承載力隨長(zhǎng)細(xì)比的增加而降低，但降低幅度逐漸減緩，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比λ=4L0/D≥20，構(gòu)件因失穩(wěn)而導(dǎo)致變形過大，承載能力將很快喪失.

3)混凝土等級(jí)的影響，見圖7(c).隨著混凝土等級(jí)的提高，承載能力加強(qiáng)，彈性階段加大;但過極值點(diǎn)后，曲線斜率隨混凝土等級(jí)的提高而越來越陡，表明構(gòu)件延性逐漸降低.

圖7 計(jì)算參數(shù)對(duì)荷載-變形關(guān)系的影響

4 結(jié)論

1)在壓彎荷載作用下，組合柱的荷載－撓度曲線呈現(xiàn)彈性、彈塑性和破壞3個(gè)階段特征，其中彈性階段的長(zhǎng)短與預(yù)加軸力大小有關(guān)，破壞階段的曲線形式與軸壓比有關(guān).

2)在壓彎荷載作用下，組合柱隨軸壓比的增加而減小，降低幅度與軸力呈現(xiàn)非線性，但對(duì)峰值點(diǎn)的撓度影響不大;強(qiáng)軸方向的承載力高于弱軸，且鋼骨翼緣與鋼管對(duì)混凝土形成的雙重緊箍效應(yīng)要好于鋼骨腹板.

3)在壓彎荷載的整個(gè)加載過程中，試件截面始終保持平面;側(cè)向撓度曲線沿構(gòu)件高度符合正弦半波分布;與計(jì)算程序的基本假定相符合.

4)鋼管鋼骨混凝土YWTCSLX非線性分析程序計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.通過參數(shù)分析可知:軸壓比越大，承載力越低，曲線的下降段越陡;長(zhǎng)細(xì)比越大，承載力越低，當(dāng)λ＞20時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn);混凝土等級(jí)越高，承載力越強(qiáng)，下降段越陡，延性較差.

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