L形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力的研究

張淑芬

(遼東學院城市建設學院，遼寧丹東 118003)

[定稿日期]2017-09-29

目前，鋼骨混凝土柱多為矩形或方形柱，而對于鋼骨混凝土異形柱，在國內外的研究尚少。廣西大學的蘇益聲教授[1]、西安理工大學的李哲教授[2]、西安建筑科技大學的趙鴻鐵教授[3-7]等主要對空腹式鋼骨混凝土異形柱進行了深入研究。北京工業大學的曹萬林教授[8]曾結合北京財富中心一期工程，設計研究了一種鋼骨混凝土異形柱，這種形式的鋼骨混凝土異形柱雖屬于實腹式，但不具有普遍性。筆者提出了一種更具有普遍推廣意義的實腹式鋼骨混凝土異形柱[9-10]，并對這種新型構件的承載能力進行了試驗研究, 提出了L形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力的計算公式，試驗證明這種新型實腹式鋼骨混凝土異形柱可以在工程中推廣使用。

1 試驗

1.1 加載裝置及加載制度

試驗在500 t液壓式萬能試驗機上進行，加載裝置如圖1所示。在柱肢中部垂直于柱肢軸向的水平方向布置3個位移計，用于觀察異形柱在軸向加載下的側向彎曲變形。在平行于柱肢軸向布置1個位移計，用于觀察柱沿軸向的變形。

圖1 加載裝置

試驗采用分級加載的方式，步驟為：先將試件置于加載試驗機上，然后進行預載，再逐級施加豎向荷載，初期每級荷載為100 kN ,在試件出現裂縫后每級荷載為50 kN，直到破壞。

1.2 試件設計

試驗設計了4個試件，其中3個為鋼骨混凝土異形柱，1個為普通鋼筋混凝土異形柱。試件高度均為H=600 mm，試件外包截面尺寸為b×h=200 mm×200 mm，試件高寬比H/b=3，符合短柱要求。試件編號及名稱解釋見表1。

表1 試件名稱與編號

試驗設計的異形柱具體截面尺寸及配筋形式如圖2所示。其中異形柱柱肢寬度均為60 mm，鋼骨混凝土異形柱中鋼骨的翼緣寬度為40 mm。鋼板由剪板機剪切而成，采用手工電弧焊組成鋼骨骨架。箍筋與縱向鋼筋之間采用綁線綁扎連接。

1.3 材料的力學性能

鋼骨分別采用厚度為8 mm、6 mm、4 mm的鋼板，材質為Q235，縱向鋼筋和箍筋分別采用直徑為6 mm和4 mm的HPB235級鋼筋。鋼板和鋼筋的實測力學指標見表2。混凝土采用商品混凝土，其設計標號為C60，由沈陽建富商品混凝土有限公司生產，其實測力學指標見表3。

表2 鋼板/鋼筋實測力學指標

2 異形柱受力性能分析

2.1 試件縱向變形及破壞過程分析

異形柱在軸心荷載下的縱向變形如圖3所示。

圖3 軸心荷載下的縱向變形曲線

由圖3可以看出：從開始加載到破壞，4個試件在軸心壓力作用下，破壞過程大致相同，都經歷了三個階段，即彈性階段、帶裂縫階段和破壞階段。

(1)彈性階段：當荷載較小時，混凝土、型鋼及縱向鋼筋均處于彈性狀態。

(2)帶裂縫階段：隨著荷載的增大，柱肢中部混凝土出現微小裂縫。試件進入此階段的快慢程度與鋼骨有關，含鋼骨的3個試件開裂荷載為極限荷載的70 %左右，而無鋼骨的試件開裂荷載為極限荷載的50 %。但對于4個試件，當壓力達到大約極限荷載的90 %時，裂縫才明顯發展。也就是說，有鋼骨的試件開裂較晚，而無鋼骨的試件開裂較早，但裂縫明顯發展出現的時間基本上都相同，大致在接近破壞階段。

(3)破壞階段:荷載的繼續增大，混凝土達到極限壓應變，混凝土被壓碎、剝落，部分縱向鋼筋壓曲外彎，型鋼達到屈服，個別鋼骨翼緣發生局部屈曲。

在試件達到極限荷載之后，有鋼骨的試件承載力下降較為平緩，試件縱向變形較大，明顯呈延性。而無鋼骨的試件承載力下降較陡，試件縱向變形較小，明顯呈脆性。由此可以看出，鋼骨的存在改善了構件的延性。

2.2 試件橫向變形分析

異形柱在軸心荷載下的橫向變形如圖4所示。

圖4 軸心荷載下的橫向變形曲線

由圖4異形柱在軸心荷載下的橫向變形曲線可以看出:在試件達到極限荷載之前，橫向變形非常小可以忽略；在試件達到極限荷載之后，橫向變形才開始迅速增加。所以，可以按軸心受壓考慮。

3 異形柱承載力分析

鋼骨混凝土異形柱與鋼筋混凝土異形柱承載力見表4。

由表4可知鋼骨的存在對構件承載力提高較大。從表4可以看出，鋼骨厚度分別為8 mm、6 mm、4 mm的L形鋼骨混凝土異形柱軸心抗壓承載力比普通鋼筋混凝土異形柱分別提高了53 %、50 %、38 %。提高的原因主要存在于兩個方面：(1)有鋼骨異形柱的總含鋼率分別為14.9 %、11.4 %、7.9 %，而無鋼骨異形柱的配筋率僅為1.0 %，因而使得鋼骨混凝土異形柱承載力得到較大提高；(2)由于鋼筋混凝土包裹型鋼，使得型鋼不易發生失穩和局部屈曲，型鋼的強度得到了充分發揮，因而有效地提高了構件的承載力。

表4 鋼骨混凝土異形柱與鋼筋混凝土異形柱承載力的比較

注：P是各個試件的承載力；P0是試件“LZ-0”的承載力。

4 異形柱軸心受壓承載力計算

表5 承載力的計算結果與試驗結果的對比

5 結論

(1)對軸心荷載下的鋼骨混凝土異形柱和普通混凝土異形柱的破壞過程以及試件變形進行了比較，鋼骨混凝土異形柱的延性更好。

(2)鋼骨混凝土異形柱比普通混凝土異形柱的承載力有明顯的提高，并且在其他條件不變的情況下，隨著含鋼骨率的提高，其承載力也提高。

(3)對不同含鋼骨率及無鋼骨構件的承載力進行對比分析，提出了十形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力的計算公式，計算值與試驗結果吻合較好。

[1] 許安邦，陳宗平，蘇益聲，等. 兩種不同混凝土異形柱正截面極限承載力的比較[J]. 廣西大學學報,2006,31(2):167-171.

[2] 李哲， 闕良剛. L形和T形型鋼異形截面柱軸心受壓承載力的試驗研究[J].西安理工大學學報,2005,21(2):165-168.

[3] 陳宗平，張喜德，蘇益聲，等. 桁架式型鋼混凝土異形柱正截面承載力的試驗研究[J]. 西安建筑科技大學學報,2006,38(1):109-114.

[4] 陳宗平，張喜德，蘇益聲，等. 型鋼混凝土異形柱正截面承載力的理論研究[J]. 西安建筑科技大學學報,2005,37(3):345-349.

[5] Chen Zongping, Zhao Hongtie, Xue Jianyang, et al. Concrete cover thickness of SRC special-shaped columns[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2005,37(2):181-184.

[6] Chen Zongping, Zhao Hongtie, Xue Jianyang, et al. Shape steel layout analysis of SRC special-shaped columns[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2005,37(2):128-131.

[7] Zhao Yonghong, Chen Zongping, Zhao Hongtie, et al. Analysis of steel arrangement based on bearing capacity for special shaped columns[J].Journal of Building Structures,2006,27(S):475-479.

[8] 樊太，曹萬林. 鋼骨混凝土異形柱正截面承載力及延性計算分析[J].世界地震工程，2004,20(1):133-137.

[9] 徐亞豐，宋寶峰，李鋼, 等.十字形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力研究[J]，沈陽建筑大學學報:自然科學版，2007,23(6)：910-913.

[10] 宋寶峰，徐亞豐，李鋼， 等.軸心受壓下十字形鋼骨混凝土異形柱延性的研究[J]，遼東學院學報:自然科學版，2007,14(4)：208-212.