高春彥，劉明洋，段雅鑫,郭大偉

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包鋼西北創(chuàng)業(yè)建設(shè)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

鋼管約束鋼筋混凝土柱是在薄壁鋼管內(nèi)填充混凝土，其中鋼管不直接承受縱向荷載，僅對(duì)核心混凝土起約束作用的一種組合構(gòu)件.1967年Gardner最早開(kāi)始研究鋼管約束素混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)圓鋼管約束素混凝土軸壓構(gòu)件的承載力要高于圓鋼管混凝土構(gòu)件[1]，Prion[2]、Peter[3]和Jasim[4]分別對(duì)鋼管約束素混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了圓鋼管約束混凝土短柱的軸壓承載力公式和外包圓鋼管可以有效提高鋼筋混凝土短柱的抗剪承載力、延性和耗能能力，使鋼筋混凝土短柱的破壞形態(tài)由剪切破壞轉(zhuǎn)向彎曲破壞等重要理論成果.目前，鋼管約束鋼筋混凝土柱在中國(guó)被廣泛推廣并成功應(yīng)用于大連中國(guó)石油大廈[5]等大型復(fù)雜公共建筑中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋼管約束混凝土構(gòu)件的研究也在不斷深入，韓林海[6]、王玉銀[7]、張素梅[8]、劉界鵬[5-6，11-12]、周緒紅[13-15]等對(duì)鋼管約束混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能做出了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，并取得了階段性的研究成果.

鋼管約束混凝土構(gòu)件繼承了型鋼混凝土、密排箍筋混凝土和鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層間變形能力差，抗震性能要求難以滿(mǎn)足，梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，不方便施工等問(wèn)題.目前鋼管約束混凝土組合結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在兩個(gè)方面：一方面集中于新建結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的短柱或超短柱；另一方面使用在修復(fù)與加固鋼筋混凝土框架柱和橋梁的工程中.鑒于實(shí)際工程中的鋼筋混凝土柱主要是中長(zhǎng)柱并且存在一定的偏心，因此本文針對(duì)該類(lèi)組合構(gòu)件，以徑厚比、加載偏心率和試件長(zhǎng)細(xì)比為試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)不同參數(shù)下該類(lèi)組合構(gòu)件的典型破壞形態(tài)、承載力和荷載-變形曲線關(guān)系等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并給出相應(yīng)的理論分析.

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

選取鋼管徑厚比(55、110)，試件長(zhǎng)細(xì)比(12、24)和加載偏心率(0、0.23、0.46)作為參數(shù)，進(jìn)行了12個(gè)圓鋼管約束鋼筋混凝土受壓構(gòu)件的試驗(yàn)研究.試件尺寸如圖1所示.

試件鋼管外直徑D為219 mm，混凝土內(nèi)配縱筋4C14，箍筋2A8@200，端板厚20 mm.試件編號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表1，試件命名方法以CTRC-4-50-24為例來(lái)說(shuō)明，CTRC表示circular tubed reinforced concrete，4表示鋼管厚度，50表示偏心距，24表示試件長(zhǎng)細(xì)比.

為保證鋼管不直接承擔(dān)縱向荷載，只對(duì)核心混凝土起約束作用，用角磨機(jī)在距試件兩端30 mm處各割出一道寬度為10 mm的切縫.并在切縫下側(cè)分別加焊寬20 mm，厚3 mm(針對(duì)2 mm的鋼管)、5 mm(針對(duì)4 mm的鋼管)的環(huán)向條帶.

圖1 試件尺寸圖

表1 試件參數(shù)

本次試驗(yàn)所用鋼管采用Q235鋼.箍筋選取HPB300級(jí)鋼筋，縱筋選取HRB400級(jí)鋼筋，鋼管和鋼筋力學(xué)性能見(jiàn)表2，核心混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，其力學(xué)性能見(jiàn)表3.

表2 鋼材的力學(xué)性能

注：括號(hào)內(nèi)為鋼管實(shí)際厚度/mm.

表3 混凝土的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)裝置和量測(cè)方案

加載裝置如圖2所示，試驗(yàn)加載過(guò)程為一次性壓潰加載，在彈性階段每級(jí)荷載為極限荷載的1/10，鋼管達(dá)到屈服荷載后，每級(jí)荷載約為極限荷載的1/15，每級(jí)荷載加載持荷時(shí)間約為2 min，直至最終試件破壞.考慮到加載時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足不同試件不同偏心率的要求，加工了50 mm厚的鋼板作為加載板，并在上面按預(yù)定的偏心距剔槽.

圖2 加載裝置

試驗(yàn)前在每個(gè)試件不同位置的鋼管表面(頂部、中部和底部)，沿圓周方向每隔90°粘貼縱向、環(huán)向應(yīng)變片，以考察加載過(guò)程中鋼管表面應(yīng)變狀況.在試件端板角部布置1個(gè)YHD位移計(jì)以測(cè)量試件在受力過(guò)程中的軸向變形，在各試件中部布置1個(gè)YHD位移計(jì)以測(cè)量其側(cè)向撓度.應(yīng)變片和位移計(jì)布置見(jiàn)圖3.

圖3 應(yīng)變片和位移計(jì)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)及其分析

各試件的破壞形態(tài)見(jiàn)表4和圖4、圖5、圖6，偏心受壓柱端部破壞詳圖，如圖7所示.

對(duì)各試件的破壞形態(tài)進(jìn)行總結(jié)可知，鋼管約束鋼筋混凝土試件的徑厚比越大，加載偏心率越大，鋼管切縫處和中部的撕裂程度越嚴(yán)重，切縫下側(cè)混凝土的局部壓潰也更為嚴(yán)重，反之徑厚比越小，加載偏心率越小，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用越充分，鋼管在不同截面處出現(xiàn)不同程度的凸曲.

相比較而言，大長(zhǎng)細(xì)比的試件的混凝土均無(wú)明顯破壞現(xiàn)象，破壞也主要發(fā)生在切縫處，而長(zhǎng)細(xì)比越大鋼管越容易發(fā)生鼓曲現(xiàn)象但不易被撕裂.對(duì)于無(wú)偏心和長(zhǎng)細(xì)比小的試件切縫處會(huì)被壓的更加緊密，鋼管在中部沿著斜向或縱向被撕裂，混凝土發(fā)生剪切破壞.

2.2 荷載-撓度曲線分析

本文分析了部分有代表性試件的荷載-撓度曲線，如圖8所示，曲線中包含了鋼管屈服點(diǎn)和極限荷載點(diǎn).圖8(a)表示長(zhǎng)細(xì)比相同，徑厚比相同時(shí)，偏心率對(duì)試件荷載-撓度曲線的影響規(guī)律，由圖可知，隨著偏心率的增大，試件承載力降低.對(duì)于短柱試件，隨著偏心率的增大，剛度降低，鋼管容易被撕裂，導(dǎo)致極限荷載顯著降低.中長(zhǎng)柱偏壓試件較之于軸壓試件，極限承載力降低了40%.CTRC-4-50-24試件和CTRC-4-25-24試件極限荷載基本沒(méi)有變化，是因?yàn)閮蓚€(gè)試件的最終的破壞均集中在切縫處，且鋼管均出現(xiàn)水平環(huán)向鼓曲帶.

圖8(b)表示長(zhǎng)細(xì)比相同，偏心率相同時(shí)，徑厚比對(duì)試件荷載-撓度曲線的影響規(guī)律，由圖可知，當(dāng)加載偏心率、試件長(zhǎng)細(xì)比相同時(shí)，鋼管徑厚比的變化對(duì)試件極限承載力影響較小，但對(duì)延性的影響較大.在到達(dá)極限荷載以后，徑厚比為55的試件的荷載-撓度曲線更為平緩，延性較好.

圖8(c)表示徑厚比相同，偏心率相同時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比對(duì)試件荷載-撓度曲線的影響規(guī)律，由圖可知當(dāng)加載偏心率、鋼管徑厚比相同時(shí)，隨著試件長(zhǎng)細(xì)比的增大，試件的極限承載力降低.以CTRC-2-25-12試件和CTRC-2-25-24試件為例，相較于CTRC-2-25-12試件，CTRC-2-25-24試件的承載力降低了40%，但達(dá)到極限荷載后的撓度增加.這一現(xiàn)象主要與試件最終破壞形態(tài)相關(guān)聯(lián)，試件CTRC-2-25-12達(dá)到極限荷載后，受壓側(cè)切縫處鋼管被撕裂，混凝土壓潰，荷載急劇下降，而試件CTRC-2-25-24切縫處鋼管未撕裂，僅在試件不同位置處有幾道環(huán)向鼓曲帶，承載力下降緩慢，表現(xiàn)出較好的延性.

表4 各試件破壞形態(tài)

圖4 軸心受壓短柱破壞形態(tài)

圖5 偏心受壓短柱破壞模式

圖6 中長(zhǎng)柱破壞模式

圖7 偏心受壓柱端部破壞

圖8 荷載-撓度曲線

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了12個(gè)圓鋼管約束鋼筋混凝土受壓構(gòu)件的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)圓鋼管約束鋼筋混凝土軸心受壓短柱的破壞形態(tài)為剪切破壞，試件中部核心混凝土出現(xiàn)明顯的斜向剪切破壞面，軸心受壓長(zhǎng)柱沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象.

(2)圓鋼管約束鋼筋混凝土偏心受壓短柱切縫下側(cè)混凝土被局部壓潰，部分試件切縫下側(cè)鋼管被撕裂；而偏心受壓長(zhǎng)柱切縫處的破壞較輕微，其破壞位置主要集中在中部截面.

(3)鋼管徑厚比對(duì)該類(lèi)試件破壞形態(tài)和承載力的影響不大，對(duì)其延性的影響較大；試件長(zhǎng)細(xì)比和加載偏心率對(duì)破壞形態(tài)和承載力影響顯著.

(4)根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，鋼管約束鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)適宜用于軸心受壓短柱試件，可以更好的發(fā)揮鋼管對(duì)混凝土的約束作用.