楊英欣，盧秋如，李 彪，顏燕祥，劉 粲

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072； 2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400045)

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，為順應(yīng)大跨度結(jié)構(gòu)的需要，建筑工程的結(jié)構(gòu)形式逐漸趨向超高層與超大跨結(jié)構(gòu)，與此同時，新型超高強水泥基復(fù)合材料應(yīng)運而生。超高性能混凝土以其超高強度、優(yōu)良力學(xué)性能和超高耐久性[1]得到了廣泛關(guān)注，成為21世紀建筑材料研究的熱點。

超高性能混凝土是基于活性粉末混凝土的配制原理研發(fā)產(chǎn)生的一種高強水泥基復(fù)合材料[2]。超高性能混凝土剔除了粗骨料[3]，水泥基體均勻密實，具有強度高、韌性好、耐久性好等特點，滿足了建筑結(jié)構(gòu)對于混凝土材料工作性能的要求[4]。作為新型混凝土復(fù)合材料，超高性能混凝土強度一般高于C60，強度越高，脆性問題越明顯，破壞時極易出現(xiàn)貫穿試件的裂縫或者炸裂，工作性能穩(wěn)定性低[3]。為解決超高性能混凝土脆性破壞的問題，將超高性能混凝土灌入鋼管形成鋼管超高性能混凝土，鋼管側(cè)向約束超高性能混凝土，提高核心超高性能混凝土抗壓強度，韌性與耐久性也進一步提高，能最大限度發(fā)揮超高性能混凝土的優(yōu)勢，減少構(gòu)件截面積，優(yōu)化結(jié)構(gòu)層次，滿足現(xiàn)代建筑工程對結(jié)構(gòu)綜合性的要求。

關(guān)于鋼管活性粉末混凝土的軸心受壓性能，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究，取得了眾多研究成果[5-7]。蔡紹懷[8]對鋼管混凝土進行了不同加載方式下的軸壓力學(xué)性能研究，研究表明加載方式對試件破壞模式和極限承載力影響不大。韓林海等[9]對鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點滯回性能進行了對比試驗研究，結(jié)果表明鋼管約束混凝土節(jié)點抗震性能好于鋼管混凝土環(huán)繞梁節(jié)點。甘丹[10]通過有限元方法分析了鋼管混凝土短柱中鋼管與核心混凝土在峰值荷載時的應(yīng)力狀態(tài)，得出了鋼管峰值荷載力學(xué)平衡方程組和峰值荷載應(yīng)力表達式。Pnguyen D L等[11]對圓鋼管約束混凝土材料進行了軸壓試驗，發(fā)現(xiàn)圓鋼管混凝土材料軸壓試驗過程中發(fā)生剪切破壞。Hasspvm A M T等[12]進行了圓鋼管混凝土軸壓力學(xué)性能試驗研究，測量了加載過程鋼管應(yīng)力變化，指出鋼管在峰值或峰值前已達到屈服。Kim J等[13]在試驗研究的基礎(chǔ)上，提出了圓鋼管約束混凝土短柱的軸壓承載力計算公式。周凱凱等[14]通過數(shù)值模擬分析，得出所有鋼管高強混凝土短柱構(gòu)件均為強度破壞，提高混凝土強度可提高構(gòu)件承載力，但構(gòu)件延性隨混凝土強度增加而降低。宋揚等[15]通過對方鋼管超高強混凝土偏心受壓中長柱進行有限元模擬分析，得出構(gòu)件主要為彎曲破壞，長寬比和偏心距對構(gòu)件延性影響明顯。

目前，針對鋼管超高性能混凝土構(gòu)件力學(xué)性能研究尚少，軸壓短柱應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系規(guī)律有待進一步研究。本文將考慮鋼管壁厚對鋼管超高性能混凝土軸壓短柱力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究鋼管超高性能混凝土短柱的極限承載力和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

表1 試件參數(shù)表

1.2 材料性能

1.2.1 鋼材性能

鋼管材性試驗從不同厚度的無縫鋼管上切割制成每組三個標(biāo)準試件。試驗按照《金屬材料室內(nèi)拉伸試驗方法》[16](GB/T 228—2002)的規(guī)定，在300 kN萬能試驗機上進行拉伸，屈服強度如表1所示，標(biāo)準試件尺寸如圖1所示。

1.2.2 UHPC性能

一位年輕教師問詢：班上學(xué)生紛紛表示受不了新調(diào)來的一位老教師，我作為這么年輕的班主任，怎么去和這位教師溝通呢？

參考課題組前期試驗配合比，設(shè)計UHPC試驗配合比如下：水泥∶硅灰∶粉煤灰=7∶1∶2，膠砂比1∶1.2，高效減水劑摻量2%，水膠比為0.18。試驗中采用等效直徑為0.2 mm鍍銅剪切型鋼纖維，鋼纖維長徑比為60，體積摻量為3%。摻用鋼纖維時，采用內(nèi)摻法取代細砂。參考文獻[17]中計算方法，UHPC試件具體配合比如下表2所示。

表2 UHPC材料配合比

1.3 試件制作與測點布置

本試驗采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件測試UHPC抗壓強度。將拌合物放置在棱柱體試模中，試模在振動臺(振動頻率為50 Hz)上振動3 min。待拌合物成型，自然放置，24 h后拆模。對棱柱體外部用錫紙包裹，以模擬鋼管對UHPC的保護成型和約束作用，將試件放在室溫(25±5)℃，相對濕度為60%以上的室內(nèi)自然養(yǎng)護。

為準確測量UHPCFST試件軸壓過程變形，在每個試件中部截面處沿四面對稱布置環(huán)向、軸向電阻應(yīng)變花；為準確測量試件整體變形，在下承壓板設(shè)置四個電測位移計，同時為消橫梁影響，上承壓板對側(cè)布置兩個位移計。應(yīng)變花和位移計通過應(yīng)變箱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集。

1.4 加載裝置與制度

試驗在5 000 kN液壓式壓力機上進行。試驗前，將試件開口打磨平整，在壓力機上進行軸壓對中，對中荷載不超過計算極限荷載的30%。試驗加載裝置如圖2所示。

試驗中，UHPCFST采用全截面、分級加載制。彈性范圍內(nèi)每級荷載為計算極限荷載的1/10，鋼管屈服后，每級荷載為計算極限荷載的1/20。每級荷載持荷時間為3 min。試件初始加載速率為3 kN/s，加載至計算荷載的80%后改為位移控制0.5 mm/min。試件整體變形超過總長的1/40即8 mm或荷載下降至峰值荷載的80%以下后，暫停壓力機，試驗結(jié)束。試驗中，荷載和應(yīng)變采集系統(tǒng)同步采集。

2 受力全過程及破壞形態(tài)

2.1 UHPCFST受力全過程

UHPCFST試件工作過程可分為三個階段：

第一階段：彈性階段(OA段)，在此階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性變化。加載初期，試件體積、外形無明顯變化。核心UHPC內(nèi)部無明顯開裂，鋼管和UHPC均處于彈性階段[18]。核心UHPC橫向變形相較于鋼管變形較小，此時兩者的相互作用較弱，鋼管和UHPC均在單向應(yīng)力狀態(tài)下工作。

第二階段：彈塑性階段(AB段)，在這一階段內(nèi)，應(yīng)變花讀數(shù)超過鋼材屈服應(yīng)變，鋼管進入彈塑性階段，彈性模量減小，但核心UHPC仍處于彈性狀態(tài)，引起兩者相互作用，導(dǎo)致UHPCFST應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線，明顯非線性變化。

第三階段：強化階段(BC段)，UHPCFST經(jīng)過塑流狀態(tài)[19]后，鋼管進入強化階段，導(dǎo)致試件承載力成回升狀態(tài)?；谠囼灲Y(jié)果，回升幅度取決于試件的套箍系數(shù)。套箍系數(shù)越大，約束效應(yīng)越明顯，回升幅度越大。

2.2 UHPCFST破壞狀態(tài)

從UHPC單軸受壓試驗過程來看，無鋼管約束的UHPC均質(zhì)性良好，在達到極限荷載之前橫向變形很小，僅出現(xiàn)微裂縫。當(dāng)荷載增大接近抗壓強度的80%～90%時，試件有明顯的劈裂聲，內(nèi)部出現(xiàn)裂縫。隨裂縫擴展，試件發(fā)生劈裂性破壞，出現(xiàn)貫穿試件整體的裂縫。裂縫處鋼纖維呈垂直斷裂面分布，纖維被拔出。破壞狀態(tài)如圖4所示。

UHPCFST在達到極限荷載之前，試件外形、體積無明顯變化。核心UHPC強度提高，致使彈性段被延長，彈塑性段被縮短。和UHPC軸心受壓試驗相比，UHPCFST破壞過程中，核心UHPC均無明顯裂縫，在達到極限承載力前試件無明顯變形。隨荷載增加，UHPCFST試件表面出現(xiàn)鐵銹剝落，下端部出現(xiàn)微小鼓曲；隨荷載進一步增大，曲線進入平穩(wěn)段，UHPCFST試件呈靠近端部上下鼓曲，試件縮短變粗。試驗結(jié)果表明，達到極限荷載后，根據(jù)UHPCFST套箍系數(shù)，破壞形態(tài)可以分為以下兩種：對于套箍系數(shù)較小(0.1≤ξ≤1.5)、約束效應(yīng)較不明顯的薄壁試件，多呈剪切破壞；試件達到極限荷載后，繼續(xù)加載，試件承受的壓力從鋼管傳遞到核心UHPC，核心UHPC軸心受壓的同時還要承擔(dān)鋼管轉(zhuǎn)嫁的壓力，致使UHPC產(chǎn)生與軸線呈一定角度的剪切破壞。而對于套箍系數(shù)較大(1.5<ξ≤6)、約束效應(yīng)明顯的試件，破壞形式表現(xiàn)為墩粗型破壞，發(fā)生腰部鼓曲破壞；由于鋼管的約束效應(yīng)較強，核心UHPC剪切破壞被約束，混凝土在鋼管內(nèi)部塑性流動，薄弱區(qū)剪切破壞被限制。試件破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 試件破壞形態(tài)

2.3 UHPCFST軸壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

圖6為UHPCFST荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為分析比較壁厚對UHPCFST力學(xué)性能的影響，按照試件壁厚進行了對比繪制圖。從曲線中可以看出：

(1) UHPCFST與鋼管普通混凝土相比，極限變形能力提升。鋼管普通混凝土的峰值應(yīng)變大約在4 000 με，UHPCFST峰值應(yīng)變?yōu)?0 000 με～12 000 με，峰值應(yīng)變增加近3倍。隨鋼管壁厚增大，構(gòu)件延性也隨之增加，在達到極限荷載后，卸荷速度變慢，平穩(wěn)段穩(wěn)步上升，承載能力增加。

(2) 摻入長徑比為60、體積摻量為3%的鋼纖維，纖維和水泥基體粘結(jié)作用較好，橋接作用相對明顯，鋼纖維可阻止裂縫擴展；同時由于摻入鋼纖維量足夠，混凝土開裂時間相對滯后，UHPC與鋼管發(fā)生作用時間較晚，彈性階段被延長，彈塑性階段縮短。

(3) 鋼管的環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變變化趨于一致，曲線呈先線性增長后脫離直線平滑過渡，達到極限承載力后，曲線平穩(wěn)上升。大壁厚(壁厚為10 mm、16 mm)試件，由于套箍效應(yīng)較強，核心UHPC裂縫擴展小，變形被約束，曲線變化略有不同。

3 軸心受壓承載力計算公式

國外目前有關(guān)鋼管混凝土的設(shè)計規(guī)范或規(guī)程主要有：歐洲EC4、德國DIN18806、美國ACI319-89和日本AIJ等，這些規(guī)范或規(guī)程都詳細規(guī)定了圓鋼管混凝土構(gòu)件承載力的計算公式，其中以美國ACI、日本AIJ和歐洲EC4應(yīng)用最為廣泛，目前國內(nèi)針對鋼管混凝土現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范為《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50936—2014)。

以上所有的設(shè)計規(guī)范僅僅討論了鋼管包裹普通混凝土情況下承載力的計算方法，沒有考慮鋼管內(nèi)填高強混凝土或者超高性能混凝土的情況，因此采用以上規(guī)范的計算結(jié)果與本試驗結(jié)果存在偏差。在考慮超高性能混凝土高強度高性能的情況下，提出以下計算公式：

Nu=αAcfc+Asfy

(1)

其中：α為套箍增強系數(shù)，本文取2.3。Nu為極限承載力；Ac、fc分別為UHPC棱柱體橫截面積和抗壓強度；As、fy分別為鋼管橫截面積和屈服強度。

通過公式(1)計算UHPCFST試件承載力，計算值與試驗值相比，平均值比值為1.012，變異系數(shù)是0.062。計算結(jié)果與試驗結(jié)果擬合良好。

4 結(jié) 論

本文通過靜力試驗，主要研究超高性能混凝土棱柱體軸心抗壓強度、鋼管超高性能混凝土短柱軸心受壓基本力學(xué)性能，分析不同套箍系數(shù)下鋼管超高性能混凝土短柱應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，重點分析鋼管超高性能混凝土短柱軸心受壓全過程和破壞形態(tài)，得到如下結(jié)論：

(1) 圓鋼管超高性能混凝土軸心受壓短柱具有良好的承載能力和抗變形能力，同時和超高性能混凝土相比，鋼管有效約束了混凝土的橫向變形，構(gòu)件整體強度和延性增強，超高性能混凝土脆性炸裂得到了很好的約束。

(2) 不同的套箍系數(shù)，導(dǎo)致鋼管超高性能混凝土短柱的破壞模式不同。套箍系數(shù)較小(ξ≤1.5)時，側(cè)向約束效應(yīng)不明顯，試件表現(xiàn)為剪切破壞，靠近端部上下兩端對側(cè)鼓曲；套箍系數(shù)較大(ξ≥1.5)時，鋼管的存在約束了核心超高性能混凝土的橫向變形，試件成腰鼓狀鼓曲，墩粗變形。

(3) 鋼管超高性能混凝土短柱應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線主要分為三個階段：彈性段、彈塑性段和平穩(wěn)段。彈性段呈線性變化，鋼管和超高性能混凝土均處于彈性階段，二者相互作用較??；彈塑性階段內(nèi)，鋼管和超高性能混凝土變形不同致使二者相互作用明顯，導(dǎo)致曲線偏離直線；曲線沒有明顯卸荷階段，二者共同受力，經(jīng)塑流狀態(tài)后進入強化階段，復(fù)合材料承載力呈回升狀態(tài)?；厣热Q于試件的套箍系數(shù)。套箍系數(shù)越大，約束效應(yīng)越明顯，回升幅度越大。

(4) 通過本試驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化了鋼管超高性能混凝土短柱極限承載力計算公式，得到混凝土套箍增強系數(shù)，計算結(jié)果與試驗結(jié)果擬合良好。