唐佳軍，王 坦，李九陽(yáng)

(長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

一般認(rèn)為，超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)包括2種類型：一是不含粗骨料的活性粉末混凝土(Reactive powder concrete, RPC)，二是抗壓強(qiáng)度高于100 MPa的含粗骨料超高性能混凝土(Ultra high performance concrete with coarse aggregate, UHPC-CA)[1-2]。以往研究表明，粗骨料的摻入可降低UHPC的收縮變形與成本[3]；粗骨料對(duì)高溫后UHPC殘余抗壓強(qiáng)度的提高具有顯著作用[4]；粗骨料有利于提升UHPC的高溫爆裂性能[5]。因具備良好的力學(xué)性能與耐久性能，UHPC-CA的研究已然成為混凝土研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

與鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土柱具有承載力高、延性好、抗疲勞、耐沖擊、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)[6]。閆志剛等[7]通過(guò)軸心推出試驗(yàn)研究了圓鋼管RPC短柱的界面黏結(jié)性能。結(jié)果表明：圓鋼管RPC短柱的試驗(yàn)現(xiàn)象、破壞形態(tài)與荷載-滑移曲線與普通鋼管混凝土柱有相似的規(guī)律。王一鳳等[8]基于ABAQUS軟件分析了加載方式(軸壓與偏壓)和套箍系數(shù)ξ對(duì)圓鋼管RPC短柱受壓性能的影響。結(jié)果表明，隨著ξ的增加，2種加載方式下圓鋼管RPC短柱的極限承載力均得到不同幅度的提升。羅華[9]將96組圓鋼管RPC短柱的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制成Nu/(fcAc)-ξ散點(diǎn)圖，利用Origin軟件先后進(jìn)行了線性擬合和多項(xiàng)式擬合，最后提出了圓鋼管RPC短柱軸壓承載力的一次函數(shù)和二次函數(shù)的計(jì)算公式。戎芹等[10]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著ξ的加大，圓鋼管RPC短柱的破壞類型由剪切破壞(ξ介于0.63～0.88)轉(zhuǎn)變?yōu)檠男推茐?ξ≥1)?？梢钥闯?，目前有關(guān)圓鋼管RPC短柱的研究較多，而缺少圓鋼管UHPC-CA短柱的研究。

為此，本文以鋼管外徑、鋼管壁厚、鋼材強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度為因素，圓鋼管UHPC-CA短柱的軸壓承載力為指標(biāo)，通過(guò)直觀分析、極差分析、層次分析、因素指標(biāo)分析、承載力-套箍系數(shù)分析和承載力-徑厚比分析來(lái)研究軸壓承載力的變化情況，為后續(xù)圓鋼管UHPC-CA短柱的試驗(yàn)研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)方案，選取4個(gè)因素：鋼管外徑(因素A)、鋼管壁厚(因素B)、鋼材強(qiáng)度(因素C)和混凝土強(qiáng)度(因素D)，每個(gè)因素對(duì)應(yīng)3個(gè)水平，試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。其中，因素A包括102、121、133 mm 3種；因素B的水平有6、8、10 m 3類；因素C的3個(gè)水平是Q235、Q345和Q390；因素D的3個(gè)水平C130、C150、C180UHPC-CA分別源自楊娟[11]、朋改非[1]和黃政宇等[12]論文中的數(shù)據(jù)。共設(shè)計(jì)9組圓鋼管UHPC-CA短柱，柱高均為400 mm，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，柱立面與斷面見(jiàn)圖1。

圖1 柱的立面與斷面

1.2 軸壓承載力的計(jì)算

本研究采用文獻(xiàn)[13]中羅華的基于極限平衡理論的圓鋼管RPC短柱極限承載力的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算圓鋼管UHPC-CA短柱的軸壓承載力，計(jì)算公式如下：

Nu=fcAc(1+1.188ξ)

(1)

ξ=fsAs/fcAc

(2)

式中Nu——圓鋼管UHPC-CA短柱的軸壓承載力；fc——UHPC-CA的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ac——鋼管內(nèi)核心UHPC-CA截面面積；ξ——套箍系數(shù)；fs——鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As——鋼管截面面積。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 直觀分析

表3示出了各試驗(yàn)組圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力的試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。由表可知，第1組試件柱的軸壓承載力最低，為969.7 kN，此時(shí)的正交組合為A1B1C1D1；第9組柱試件的軸壓承載力最大，為2 222.8 kN，此時(shí)的正交組合為A3B3C2D1。對(duì)比分析可以看出，對(duì)于C130UHPC-CA，同時(shí)提高其鋼管外徑(102～133 mm)、鋼管壁厚(6～10 mm)、鋼材強(qiáng)度(從Q235至Q345)，圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力增加了1 253.1 kN，增幅為129.2%，增長(zhǎng)效果顯著。

表3 試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

2.2 極差分析

表4為鋼管外徑、鋼管壁厚、鋼材強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度等4個(gè)因素對(duì)圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力影響的極差值?？梢钥闯?，因素A、B、C、D對(duì)應(yīng)的極差值分別為699.7、262.9、373.7和177.3，各因素對(duì)軸壓承載力的影響由大到小依次為A>C>B>D，即鋼管外徑>鋼材強(qiáng)度>鋼管壁厚>UHPC-CA強(qiáng)度。

表4 軸壓承載力的極差分析

2.3 層次分析

為了得到各因素水平對(duì)圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力的影響權(quán)重，對(duì)研究指標(biāo)進(jìn)行層次分析?；谖墨I(xiàn)[14]中的方法將表4中極差分析計(jì)算結(jié)果編寫(xiě)成矩陣的形式，并輸入MATLAB軟件求解，將得到的因素水平對(duì)軸壓承載力的影響權(quán)重值列于表5。

表5 軸壓承載力的層次分析

由表5可知，在鋼管外徑的3個(gè)水平中，A3對(duì)圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力的影響權(quán)重最大，權(quán)重值為0.183 8；在鋼管壁厚的3個(gè)水平中，B3對(duì)軸壓承載力的影響權(quán)重最大，值為0.062 2；在鋼材強(qiáng)度的3個(gè)水平中，C3的影響權(quán)重最大，值為0.089 5；在UHPC-CA強(qiáng)度等級(jí)的3個(gè)水平中，D3的影響權(quán)重最大，值為0.041 7。因此組合為A3B3C3D3，即鋼管外徑是133 mm、鋼管壁厚是10 mm、鋼材強(qiáng)度是Q390、UHPC-CA強(qiáng)度是C180時(shí)，圓鋼管UHPC-CA短柱的軸壓承載力將達(dá)到最大值。

2.4 因素指標(biāo)分析

圖2示出了圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力隨因素水平的變化情況。由圖可知，隨著因素A、B、C的增長(zhǎng)，圓鋼管UHPC-CA短柱的軸壓承載力均逐漸增加；隨著因素D的增加，軸壓承載力先略有降低后逐漸增長(zhǎng)。當(dāng)鋼管外徑由102 mm增長(zhǎng)至133 mm時(shí)，軸壓承載力提升了50.6%；當(dāng)鋼管壁厚從6 mm增加到10 mm時(shí)，軸壓承載力升高了16.3%；當(dāng)鋼材強(qiáng)度從Q235變化至Q390時(shí)，軸壓承載力增大了24.5%。當(dāng)UHPC-CA強(qiáng)度由C130增強(qiáng)至C150時(shí)，軸壓承載力僅降低了1.5 kN；由C150增強(qiáng)至C180時(shí)，軸壓承載力升高了10.5%；C180 UHPC-CA對(duì)應(yīng)的軸壓承載力較C130 UHPC-CA增加了10.4%。可見(jiàn)，鋼管外徑、鋼材強(qiáng)度和鋼管壁厚的增加對(duì)短柱軸壓承載力的增強(qiáng)作用較UHPC-CA強(qiáng)度更為顯著，以上分析結(jié)果與極差分析結(jié)果相符合。限于本研究中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力隨各因素的變化情況需要進(jìn)一步研究。

圖2 軸壓承載力隨因素水平的變化

2.5 承載力-套箍系數(shù)分析

由以上分析可知，鋼管外徑對(duì)圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力的影響最大，圖3示出了不同鋼管外徑條件下軸壓承載力隨套箍系數(shù)的變化情況。由圖可知，當(dāng)鋼管外徑為102 mm，套箍系數(shù)ξ由0.77增加至1.74時(shí)，軸壓承載力升高了83.8%；鋼管外徑為121、133 mm時(shí)，軸壓承載力分別提升了15.6%(ξ由0.65增加至1.44)和12.0%(ξ由0.57增加至1.50)。這是因?yàn)樘坠肯禂?shù)ξ愈大，圓鋼管對(duì)UHPC-CA的側(cè)向約束效應(yīng)愈強(qiáng)，最大主壓應(yīng)力軸的抗壓強(qiáng)度與壓縮變形能力提高得愈多[15]。可以看出，套箍系數(shù)增量相差不多時(shí)(0.79～0.97)，隨著鋼管外徑的增加，圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力的增長(zhǎng)幅度是逐漸降低的。

圖3 軸壓承載力隨套箍系數(shù)的變化

2.6 承載力-徑厚比分析

由層次分析可知，D1(C130UHPC-CA)和D2(C150UHPC-CA)對(duì)軸壓承載力的影響權(quán)重值相同，均為0.037 7；由因素指標(biāo)分析可知，當(dāng)UHPC-CA強(qiáng)度由C130增強(qiáng)至C150時(shí)，軸壓承載力僅降低了1.5 kN，變化不大。若忽略因素D水平1、2的不同影響，可得到不同鋼材強(qiáng)度條件下圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力隨徑厚比的變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 軸壓承載力隨徑厚比的變化

由圖4可知，對(duì)于Q235鋼系列柱，當(dāng)徑厚比從12.1增加至17.0時(shí)，圓鋼管UHPC-CA短柱的軸壓承載力降低40.1%；對(duì)于Q345鋼系列柱，當(dāng)徑厚比從12.8增加至13.3時(shí)，軸壓承載力升高30.5%；對(duì)于Q390鋼系列柱，當(dāng)徑厚比由15.1增加至22.2時(shí)，軸壓承載力提升9.1%。可見(jiàn)，不同鋼材強(qiáng)度的圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力隨徑厚比的變化規(guī)律差異較大。

3 結(jié)論

a) 由直觀分析可知，當(dāng)正交組合為A3B3C2D1時(shí)，圓鋼管UHPC-CA短柱的軸壓承載力較大；當(dāng)正交組合為A1B1C1D1時(shí)，軸壓承載力較小。

b) 由極差分析可知，各因素對(duì)圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力的影響由大到小依次為鋼管外徑>鋼材強(qiáng)度>鋼管壁厚>混凝土強(qiáng)度。

c) 由層次分析可知，在各自因素的3個(gè)水平中，A3(133 mm)、B3(10 mm)、C3(Q390)、D3(C180)對(duì)軸壓承載力的影響權(quán)重最大。當(dāng)正交組合為A3B3C3D3時(shí)，圓鋼管UHPC-CA短柱的軸壓承載力將達(dá)到最大值。

d) 由因素指標(biāo)分析可知，隨著鋼管外徑、鋼管壁厚和鋼材強(qiáng)度的增加，軸壓承載力分別提升50.6%、16.3%和24.5%；隨著UHPC-CA強(qiáng)度的增加，軸壓承載力先略有降低后逐漸增長(zhǎng)。

e) 由承載力-套箍系數(shù)分析可知，當(dāng)鋼管外徑為102、121、133 mm時(shí)，圓鋼管UHPC-CA短柱軸壓承載力隨套箍系數(shù)的增加分別提升83.8%、15.6%和12.0%。

f) 由承載力-徑厚比分析可知，隨著徑厚比的增加，Q235鋼(徑厚比從12.1增加至17.0)系列柱的軸壓承載力降低，而Q345鋼(徑厚比從12.8增加至13.3)、Q390鋼(徑厚比由15.1增加至22.2)系列柱的軸壓承載力升高。