圓鋼管混凝土中長柱軸壓性能試驗研究★

李 斌 落凱妮 王柯程

(1.內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010； 2.西北設計院，陜西 西安 710065)

鋼管混凝土柱作為組合結構中重要的支柱，在建筑結構發展和研究過程中，已進行了大量的理論、試驗研究[1-5]。但目前對大長細比條件下鋼管混凝土柱軸壓性能的研究比較少，且變化長細比的參數之間跨度大，在過渡階段的研究有所空白，所得結果并未區分出鋼管混凝土軸壓中長柱和長柱的界限。因此，有必要對圓鋼管混凝土中長柱的靜力性能進行進一步的分析，得出長細比、含鋼率對中長柱軸壓力學性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試件參數表見表1。

表1 試件參數表

1.2 材料性能

實驗前進行了材性試驗，測得鋼管的彈性模量為204 000 MPa，屈服強度403 MPa，極限強度518 MPa，混凝土的彈性模量為30 000 MPa，立方體抗壓強度31 N/mm2。

2 試驗現象

各試件的破壞過程基本相似：在達到各自預計極限荷載的50%之前，試件處于彈性階段，試件中截面橫縱向應變和軸向變形隨著荷載的增長呈線性增長，試件中截面各方向的縱向應變基本相等，表現為全截面受壓，試件跨中撓度幾乎為零并沒有增長的趨勢，表明試件處于軸心受壓狀態；此后，試件中部截面應變隨荷載增長的速度逐漸加快，但試件外觀仍無明顯變化；當荷載達到極限荷載的75%之后，試件中截面縱向應變隨荷載的增長速度產生差異：受壓面縱向應變的增速明顯加快，受拉面縱向應變的增速逐漸降低，其他各面縱向應變的增長速度介于受壓面、受拉面兩個面之間，同時，試件的軸向位移隨荷載的增長速度也明顯加快；當荷載達到極限荷載的90%之后，試件中部截面受拉面的縱向應變開始減小，跨中撓度變化漸趨明顯，直至試件在達到極限荷載時發生整體失穩；隨后荷載進入下降段，試件中截面的部分縱向應變由受壓變為受拉，同時試件的撓度發展加快；當荷載下降到極限荷載的90%之后，試件受壓面中部產生局部屈曲并迅速發展；最終以試件的跨中撓度過大標志試件完全破壞(見圖1)。

3 試驗結果及其分析

3.1 荷載—跨中撓度曲線

如圖2所示為荷載—跨中撓度關系曲線。荷載—跨中撓度關系曲線反映了試件失穩破壞的過程。由曲線可以看出，試件荷載約達到極限荷載的90%后，跨中撓度趨于明顯。

由圖2可知，施加荷載在極限荷載的90%以內時，撓度發展很小，曲線和橫軸幾乎成垂直關系，此階段撓度約為極限荷載的20%。超過該范圍后撓度發展明顯增加，二階效應產生，當撓度達到某一臨界時，二階彎矩的增長速度開始大于截面抵抗矩速度的增長，荷載下降，跨中撓度迅速發展，最后柱構件發生失穩破壞。

3.2 荷載—應變曲線

研究試件的荷載—縱向應變曲線，可以更有代表性地研究出試件的受力性能。鋼管混凝土柱中部的荷載—縱向應變關系曲線反映了試件中截面附近局部的變形情況。

由圖3可看出，所有試件兩側端點的縱向應變在加載初期都較為接近，表示試件加載初期對中情況良好。在荷載達到極限荷載的75%～80%以前，荷載與縱向應變基本呈線性關系，表現為彈性，此后曲線出現拐點。加載至接近極限荷載時，端點1處的縱向壓應變持續增大，端點2處的壓應變逐漸減小直至轉為拉應變。表明試件已發生彎曲。

3.3 含鋼率的影響

由圖4可知，隨著壁厚增大，即含鋼率增加，極限承載力呈明顯的升高趨勢。在構件軸心受壓時，隨含鋼率的增大，構件的極限承載力提高，延性有所上升，鋼管壁厚的增大其對核心混凝土的約束能力，從而增強了構件的極限承載力和延性。

3.4 長細比的影響

由圖5可知，隨著長細比增大，試件的線剛度減小，極限承載力逐漸減小，延性也有一定程度的下降，但是在本次試驗參數中，對于較長試件，長細比這一因素影響不大，下降幅度較小。

4 結語

1)所有試件的破壞形態相似，均為整體彈塑性失穩。加載初期由于不可避免的初始缺陷及試驗誤差，在軸壓試件失穩之前柱中已有發展一定的撓度但極小，撓度是逐漸發展的，隨著撓度的發展，二階效應產生，當跨中撓度達到某一臨界值時，二階彎矩增長速度開始大于截面抵抗矩增長的速度，荷載下降，跨中撓度迅速發展，隨后柱子發生失穩破壞。

2)在68～80范圍內，長細比對鋼管混凝土柱的極限承載力有影響但是不明顯，極限承載力隨長細比增大而呈減小趨勢。在達76～80及以后時，鋼管與核心混凝土的相互作用消失。

3)含鋼率和長細比對鋼管混凝土軸壓構件力學性能有一定影響，表現在含鋼率越高，極限承載力越高；長細比越大，極限承載力越低。

參考文獻:

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