吳乃森，劉雪冬，趙艷艷，吳志坤

(西北工業(yè)大學力學與土木工程學院，陜西西安710129)

方矩形鋼管混凝土由于兼有鋼結構及混凝土結構的優(yōu)點，能夠降低工程造價、滿足建筑布局靈活要求、縮短工期、節(jié)約材料、減少能耗，可與鋼結構、型鋼混凝土結構、鋼筋混凝土結構、和圓形鋼管混凝土結構同時使用。應用前景良好，我國已在越來越多的工程中采用［1－4]。

各國學者對于方矩形鋼管混凝土軸壓構件和偏壓構件作了大量的試驗研究和理論研究:韋灼彬等［5]利用軸壓方鋼管混凝土中鋼和混凝土的應力－應變關系模型，采用數(shù)值分析方法對方鋼管混凝土純彎構件進行了分析，并通過8個方鋼管混凝土的純彎試驗驗證理論分析結果的正確性;陳曦等［6]采用 Von Mises、Mohr Coulomb 和 Drucker Prager 3種通用模型分別對帶約束拉桿和無約束拉桿的方形、矩形鋼管混凝土短柱軸壓承載力進行有限元分析，探討每種混凝土模型的特點以及在鋼管混凝土有限元分析中的優(yōu)缺點;張保等［7]利用ABAQUS程序對方鋼管高強混凝土短柱的受力性能進行非線性有限元數(shù)值分析，討論了試驗中難以測定的考慮鋼管約束效應的核心混凝土縱向應力－應變關系曲線，分析混凝土強度，截面寬厚比以及鋼材強度對核心混凝土應力－應變關系曲線的影響規(guī)律，研究了軸心受壓方鋼管高強混凝土短柱核心混凝土本構關系的影響因素;Nakannishi等［8]通過擬動力及擬靜力試驗研究矩形截面鋼管混凝土橋墩的極限強度、剛度和延性。對于方矩形鋼管混凝土的受彎力學性能研究還不是那么完善［9]。尤其各規(guī)范抗彎承載力及抗彎剛度公式的計算差別比較大。究其原因，就是方矩形鋼管混凝土構件受彎試驗數(shù)據(jù)較少、對其力學性能認識不夠明確。本文通過方矩形鋼管混凝土受彎試驗，研究其抗彎承載力及抗彎剛度，并且以這兩個指標探討了國內(nèi)外學者推薦的幾個常用規(guī)范的適用性［10]，以方便工程人員根據(jù)不同規(guī)范的特點選用合適規(guī)范。

1 試驗概況

本次試驗為7個長度為1 500 mm寬度為100 mm而高度和壁厚不同的方矩管試件，其截面參數(shù)如表1所示。

1.1 試件的選材及其制作

本試驗所用鋼管尺寸及鋼材強度參見表1，鋼板與鋼板及鋼板與兩端蓋板之間采用對接焊縫，構件焊于端板中心，每邊各留20 mm，端板厚度為12 mm，上側鋼板兩端各開有一個直徑50 mm的圓孔，用于灌漿。本試驗選用高強無收縮灌漿料替代混凝土，其強度通過制作三個邊長為100 mm的立方體試塊測得。試件制備過程為，將適量灌漿料和為灌漿料重量14%的水加入攪拌機攪拌2 min，然后將鋼管一端架起來，從該處的開口開始澆灌，另一端的開孔排氣直至灌漿料從另一端溢出為止。

1.2 試驗方法

試驗在60 T的電液伺服壓力機上進行，采用跨中加載方法，跨中墊有100 mm×100 mm的鋼板，荷載及梁跨中位移由試驗機配套的傳感器測量，應變測量由電阻10個應變片測量。加載制度為:在預測彈性范圍內(nèi)，每級荷載為預計極限荷載的1/10，鋼材屈服后，每級荷載約為極限荷載的1/15，接近破壞時采用連續(xù)緩慢加載，每級荷載持荷時間約為 2 min［11]。

2 試驗過程及現(xiàn)象

通過對試驗過程進行觀察發(fā)現(xiàn)，試驗在加載的初始階段，隨著荷載的逐漸增大，跨中位移緩慢增大，位移的增長速度明顯小于力的增長速度;當受拉邊緣鋼材逐漸屈服，構件開始進入塑性階段，直到受壓邊緣鋼材也屈服時，位移的增長速度逐漸大于力的增長速度，從傳感器傳回的力和位移的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著位移的進一步增大，雖然力增長的速度非常緩慢，但是仍然可以繼續(xù)承載。從本試驗所進行的7根試件的受力情形來看，大部分試件在跨中撓度達到40 mm左右時，力依然可以緩慢增長，跨中位移達到53 mm甚至60 mm以上時荷載依然不會急速下降，表現(xiàn)出非常好的受力性能。整體來講，這7根試件在破壞之前都有十分明顯的變形，表現(xiàn)出延性破壞的特征。另外，在試件撓度達到40 mm左右時，鋼管表面還沒有明顯的鼓屈，說明在鋼管中填充混凝土對限制鋼管的局部屈服穩(wěn)定性能有很大的提高。提高了構件整體的承載力。

圖1所示為各試件實測跨中力與位移的關系曲線。

從圖1可以看出，各試件的荷載－位移曲線形狀大體相同，可以用一個典型的荷載－位移曲線圖2表示。試件的荷載－位移曲線大致可分為三段，第一段為OA段，曲線大致為直線，可認為試件處于彈性階段，在此階段，位移的增長速度明顯小于力的增長速度，第二段是彈塑性階段(AC段)此階段曲線已經(jīng)不是直線，比較接近二次曲線表明試件在此階段出現(xiàn)了較強的塑性，在B點附近試件抗彎剛度會有突變，抗彎剛度大幅減小，隨著位移的進一步增長，力的增長逐漸變得緩慢，但是力仍然在增加，試件仍然能夠承載，表現(xiàn)出良好的受力性能;第三階段是從C點直至構件破壞失去承載能力，這一段曲線也基本為直線，隨著位移的增長跨中荷載幾乎不再增長，或是只有微小增長。

表1 試件參數(shù)表Tab.1 Specimen parameter

3 試驗結果與各規(guī)范對比

以試驗構件的抗彎承載力和抗彎剛度為指標，評價幾個常用規(guī)范的適用性，具體見表2、表3。

從表2可以看出:(1)各規(guī)范所得計算值多數(shù)小于實測值，計算結果相對保守。(2)特別是日本AIJ(1997)、英國橋梁設計規(guī)程BS 5400(1979)和歐洲標準化委員會提出的鋼－混凝土組合結構設計規(guī)范EC 4(1994)，計算值比實測值小得多，試件7的計算值甚至只有實測值的2/3，過于保守，在工程上使用時，會造用材料浪費，不經(jīng)濟。(3)我國福建省工程建設標準DBJ 13－51－2003和矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程CECS 159:2004與實測值較為接近，同時有足夠的安全儲備，工程上可考慮采用。(4)表中的均方差值差別不大，可以看出各規(guī)范在計算構件抗彎承載力時公式的穩(wěn)定性相當。

由表3的計算結果可知:(1)日本AIJ規(guī)范比較保守，其計算值與試驗實測值的平均比值在0.7和0.8左右。(2)DBJ和 BS 5400及EC 4(1994)的計算結果與試驗實測值的平均比值比較接近，在0.9和0.96之間，比較經(jīng)濟，但是安全儲備不如日本AIJ規(guī)范。(3)矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程CECS 159:2004計算值則大部分超出試驗值，究其原因，則是剛度折減系數(shù)太大。

4 結論

1)方矩形鋼管混凝土受彎構件具有較高的抗彎承載力，本批次實驗構件跨中撓度達到40 mm時，仍然可以繼續(xù)承載，表現(xiàn)出非常好的延性。

表2 試驗得極限抗彎承載力值與規(guī)范計算值的比較Tab.2 Comparison of the obtained ultimate flexural capacity values with specifications values

表3 試驗得抗彎剛度與規(guī)范計算值的比較Tab.3 Comparison of the obtained flexural(or bending)stiffness with specifications values.

2)截面高寬比和鋼管壁厚對其抗彎承載力和抗彎剛度的影響較大，隨著截面高寬比和鋼管壁厚的增大，抗彎承載力和初始抗彎剛度有顯著增長，另外，隨著截面高寬比的增大，鋼管壁厚對抗彎承載力的影響也越來越大。

3)通過表1表3中的均方差的對比可以看出，以上幾個規(guī)范在計算方矩形鋼管混凝土受彎構件的極限承載力時穩(wěn)定性基本相同，但是在計算試件抗彎剛度時日本AIJ規(guī)范的均方差最小，計算公式穩(wěn)定性最好。

4)日本AIJ規(guī)范安全儲備最高，但是相應造價也要提高，DBJ規(guī)范和試驗值比較接近，工程使用比較經(jīng)濟，并有足夠安全儲備，而其他三個規(guī)范介于二者之間，在實際工程中應該針對它們的特點選擇應用。

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