聶影 皮正波 陶修 羅崯滔 趙軒 陳春君 王宇航

1.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 重慶 400013

2.湖南工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 湘潭 411104

3.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 400045

引言

鋼管混凝土按照截面形式的不同分為圓鋼管混凝土，方、矩形鋼管混凝土以及多邊形混凝土等多種形式［1］，因其力學(xué)性能優(yōu)異而被廣泛用于各種結(jié)構(gòu)中，Lai Zhichao 和Varma Amit H.［2］、Roeder Charles W.、Lehman Dawn E.和Erik Bishop［3］、Chen Baochun［4］等、Ayough Pouria 等［5］國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行了多工況下的受力性能分析。蔡紹懷和焦占拴［6］對(duì)57 個(gè)圓鋼管混凝土短柱軸壓試驗(yàn)，通過(guò)變化“套箍指標(biāo)”、加載方式以及試件高度等參數(shù)，分析得到了“套箍指標(biāo)”是影響其承載能力和變形能力的主要因素；蔡紹懷和顧萬(wàn)黎［7］對(duì)26 個(gè)圓鋼管混凝土長(zhǎng)柱軸壓試驗(yàn)，通過(guò)變化長(zhǎng)細(xì)比，推導(dǎo)了軸心受壓長(zhǎng)柱的承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式。韓林海和楊有福［8］對(duì)24 個(gè)矩形截面鋼管混凝土短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，通過(guò)變化約束效應(yīng)系數(shù)以及截面的長(zhǎng)寬比分析矩形鋼管混凝土柱的力學(xué)性能和強(qiáng)度承載力。還有Ekmekyapar Talha 和Hasan Hussein Ghanim［9］、王清湘等［10］、毛文婧等［11］、朱美春［12］等對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，通過(guò)變化含鋼率、混凝土強(qiáng)度以及是否內(nèi)嵌鋼骨等參數(shù)，分析了不同參數(shù)變化對(duì)柱承載力、延性以及剛度的影響。韓林海［13］對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行了壓扭試驗(yàn)，揭示了鋼管混凝土構(gòu)件在壓扭作用下的工作性能，為后續(xù)研究提供了本構(gòu)關(guān)系。蘇義峰［14］等對(duì)新型鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行了壓扭試驗(yàn)，通過(guò)有限元建模分析，提出了抗扭承載力計(jì)算方法與數(shù)值模擬的結(jié)果吻合良好。史艷莉［15］等對(duì)內(nèi)配三種型鋼鋼管混凝土壓扭構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析，提出了含鋼率是影響構(gòu)件承載力的主要因素。陳全有等［16］、王靜峰［17］等、王先鐵［18］等人對(duì)傳統(tǒng)鋼管混凝土組合柱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，對(duì)新型構(gòu)件進(jìn)行了有限元以及試驗(yàn)研究。由于鋼與混凝土的組合形式較廣泛，尚未有學(xué)者對(duì)內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能的研究。

本文擬在鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)在鋼管混凝土柱中加入H型鋼，記錄試件在加載過(guò)程中的試驗(yàn)現(xiàn)象，分析其在軸壓和壓扭工況下其失效模式、扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回關(guān)系曲線、扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線等多方面的受力性能。

在普通鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)中內(nèi)嵌H 型鋼，與未內(nèi)嵌的組合柱相比較而言，由于內(nèi)置型鋼對(duì)整個(gè)試件的強(qiáng)度、剛度提升，考察其力學(xué)性能指標(biāo)，擬對(duì)復(fù)雜使用環(huán)境下的組合柱進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)在鋼管混凝土中內(nèi)嵌型鋼的研究較少，且較多仍出于有限元模擬階段，本文對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其多個(gè)受力性能指標(biāo)。

本文簡(jiǎn)要分析了鋼材料與混凝土材料相互組合的組合效應(yīng)，整理了部分學(xué)者對(duì)于鋼管混凝土的受力性能研究，在已有研究基礎(chǔ)上，提出了內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱新型組合結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行軸壓、壓扭荷載作用，分析研究?jī)煞N工況下受力性能。共設(shè)計(jì)制作了3 個(gè)試件，其中一個(gè)用于軸壓試驗(yàn)，其余兩個(gè)用于壓扭試驗(yàn)，3 個(gè)試件的高度與回轉(zhuǎn)半徑均保持一致，對(duì)于壓扭試驗(yàn)，設(shè)置了不同的軸壓比，對(duì)比分析不同軸壓比下試件的破壞形態(tài)和受力性能。重點(diǎn)分析了壓扭試件的扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線，其滯回曲線非常飽滿，強(qiáng)度和剛度的損傷退化程度較低，具有良好的耗能能力。簡(jiǎn)要分析了壓扭試件的扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架；力學(xué)特征以及扭轉(zhuǎn)剛度退化。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了3 個(gè)內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱試件，試件總高度均為975mm，內(nèi)嵌H 型鋼的尺寸為80mm ×80mm ×3.7mm ×3.7mm。在制造過(guò)程中，為保證鋼管以及H型鋼與底板和頂板有良好的抗環(huán)向剪切性能，故采用焊接連接的方式。用氣保焊將試件連接至頂板和底板，通過(guò)頂板的孔洞將混凝土澆筑至鋼管內(nèi)部，并將其振搗密實(shí)，其截面構(gòu)造見(jiàn)圖1。

圖1 截面構(gòu)造Fig.1 Cross-sectional structure

本試驗(yàn)中針對(duì)3 個(gè)圓形截面進(jìn)行軸壓、壓扭荷載作用，其中一個(gè)用于軸壓試驗(yàn)，另兩個(gè)用于壓扭試驗(yàn)，試件編號(hào)及試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。在控制3 個(gè)試件的高度一致情況下，在壓扭試驗(yàn)中，通過(guò)變化軸壓比的大小來(lái)分析不同軸壓比作用下，內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的受力性能；此外通過(guò)與只有軸力作用下的試件進(jìn)行對(duì)比，定性分析兩種不同工況下的破壞現(xiàn)象與受力機(jī)理。

表1 內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱試件編號(hào)及試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Specimen number and test parameters of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

1.2 材料力學(xué)性能

采用C40 混凝土，根據(jù)混凝土立方體強(qiáng)度值測(cè)量方法，在澆筑試件的過(guò)程中，同時(shí)取3 組尺寸為150mm ×150mm ×150mm 混凝土立方體試塊，實(shí)測(cè)其28d立方體抗壓強(qiáng)度為40.7MPa。

鋼材強(qiáng)度由標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)確定，測(cè)量試件從同批鋼管中抽取，每組抽取3 個(gè)，測(cè)得試件鋼管和H型鋼鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量見(jiàn)表2。

表2 材料力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of materials

1.3 試驗(yàn)裝置及加載制度

本試驗(yàn)在重慶大學(xué)土木工程學(xué)院振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，制作并使用了一套可施加軸壓、壓扭等多工況荷載的試驗(yàn)裝置，加載裝置示意圖和加載現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

在試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集使用高精度直線位移傳感器（LVDT）和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)。其中LVDT1 量測(cè)水平液壓伺服器的水平位移，而LVDT2 和LVDT3 布置在鋼梁底部，用于量測(cè)豎向位移。LVDT4 布置在柱頂鋼梁豎向約1／2 高度處，用于量測(cè)柱頂水平方向位移。測(cè)點(diǎn)布置詳圖如圖3 所示。

圖3 位移量測(cè)Fig.3 Displacement measurement

對(duì)于此次試驗(yàn)中的軸壓作用試件，采用預(yù)加載方法，首先加載至200kN，然后卸載至0，重復(fù)兩次后開(kāi)始加載。對(duì)于此次試驗(yàn)中的壓扭作用試件，由于內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉(zhuǎn)角和水平位移之間存在近似線性相關(guān)關(guān)系，試件CH2-CT1 和試件CH2-CT2 的等增量扭轉(zhuǎn)角Δθ 為±0.86°，故使用水平方向的位移來(lái)控制加載過(guò)程，對(duì)試件施加循環(huán)扭矩。水平位移的加載速度控制為4mm／min。當(dāng)達(dá)到每個(gè)循環(huán)次數(shù)的最大或最小扭轉(zhuǎn)位移時(shí)，暫停1min 用于拍照和記錄數(shù)據(jù)，加載整個(gè)過(guò)程使用固定攝影機(jī)位記錄。當(dāng)試件發(fā)生破壞或試件承載力小于85%最大承載力時(shí)停止加載。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試件CH2-C受單向軸壓力作用，由于在鋼管混凝土柱中加入了H型鋼，整個(gè)試件的含鋼率較高，故整個(gè)試件的破壞形式與鋼結(jié)構(gòu)破壞形式接近。由圖4中可以看到，試件在軸力作用下發(fā)生了豎向彎曲，其豎向位移達(dá)到了21.7mm，試件失效。

圖4 CH2-C失效模式Fig.4 Failure mode of CH2-C

試件CH2-CT1 受壓扭組合作用，為了得到更加清晰的試驗(yàn)破壞現(xiàn)象，試件失效后，首先將外鋼管剝落，分析記錄內(nèi)部混凝土的裂縫開(kāi)展情況；其次將內(nèi)部混凝土剝落，分析記錄內(nèi)嵌H 型鋼的破壞模式。試驗(yàn)開(kāi)始后，在扭轉(zhuǎn)角達(dá)到17°時(shí)，試件破壞，外鋼管發(fā)生三種不同方向的鼓屈：斜向鼓屈、豎向鼓屈和環(huán)向鼓屈，如圖5 所示。將外鋼管剝落，觀察試件發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土有壓碎以及開(kāi)裂現(xiàn)象，其中上下部與支座連接的混凝土被壓碎，中部混凝土呈現(xiàn)單向斜裂縫，未發(fā)現(xiàn)X 形破壞。將內(nèi)部混凝土剝落，觀察試件內(nèi)嵌H型鋼的破壞形態(tài)，從試件中可以看到H型鋼發(fā)生了多處屈曲破壞，在與支座相連，與壓碎混凝土同等高度處的H 型鋼發(fā)生翼沿屈曲。對(duì)于整體內(nèi)部H型鋼發(fā)生了整體屈曲破壞，在H 型鋼上方約1／3處，其腹板部分發(fā)生屈曲破壞。

圖5 CH2-CT1 失效模式Fig.5 Failure mode of CH2-CT1

試件CH2-CT2 受壓扭組合作用，試驗(yàn)方法與觀察分析方法與試件CH2-CT1 保持一致。與試件CH2-CT1 不同之處在于，兩者控制的軸壓比不同，CH2-CT2 軸壓比為0.48，CH2-CT1 軸壓比為0.24。試驗(yàn)開(kāi)始后，在扭轉(zhuǎn)角達(dá)到11°

時(shí)，試件破壞，外鋼管發(fā)生三種不同方向的鼓屈：整體豎向屈曲、斜向鼓屈、環(huán)向鼓屈，如圖6 所示。將外鋼管剝落，觀察試件發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土上部多處開(kāi)展微裂縫，在試件中部有兩條斜裂縫，斜裂縫方向與水平方向約成45°且兩條裂縫互成約90°，成X狀裂縫。將內(nèi)部混凝土剝落，觀察試件內(nèi)嵌H型鋼的破壞形態(tài)，從試件中可以看到H型鋼發(fā)生了3 處屈曲破壞，在與支座相連的H型鋼上下端呈現(xiàn)翼沿屈曲破壞，對(duì)于整體內(nèi)部H型鋼則發(fā)生整體屈曲破壞。

圖6 CH2-CT2 失效模式Fig.6 Failure mode of CH2-CT2

3 扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線及分析

壓扭作用下內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回關(guān)系曲線見(jiàn)圖7 所示。

圖7 內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線Fig.7 Torque-torsional angle hysteresis curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

從圖7 中可以看出，內(nèi)嵌H型鋼圓形截面鋼管混凝土柱的滯回曲線非常飽滿，沒(méi)有產(chǎn)生“捏攏”現(xiàn)象，卸載剛度幾乎等于初始彈性剛度，試件的強(qiáng)度和剛度的損傷退化程度較低，在往復(fù)荷載作用下具有良好的耗能能力。

4 扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架與力學(xué)特征

由圖8 和表3 可知，在軸壓力和往復(fù)扭轉(zhuǎn)作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線主要呈彈性和塑性兩階段。對(duì)比兩個(gè)壓扭作用試件可以發(fā)現(xiàn)，在軸壓比相對(duì)較高的情況下，試件的屈服扭轉(zhuǎn)角會(huì)有較明顯的提升，但試件的峰值扭轉(zhuǎn)角則會(huì)有下降，整個(gè)試件的延性變差。

圖8 扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線Fig.8 Torque-torsion angle skeleton curve

表3 壓扭作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱力學(xué)特征Tab.3 Mechanical properties of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

5 扭轉(zhuǎn)剛度退化

文獻(xiàn)［19］對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行了復(fù)雜工況的加載試驗(yàn)，提出了扭轉(zhuǎn)退化剛度的計(jì)算公式。內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉(zhuǎn)退化剛度kθ定義為最大扭矩Ti與扭轉(zhuǎn)角θi之間的相關(guān)關(guān)系：

內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱退化剛度見(jiàn)圖9 所示。由圖9 可知：1）當(dāng)扭轉(zhuǎn)角與屈服扭轉(zhuǎn)角之比（θ／θy，θy取純扭下屈服扭轉(zhuǎn)角）≤4 時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度與屈服扭轉(zhuǎn)剛度之比（Kθ／Kθe，Kθe取純扭下屈服扭轉(zhuǎn)剛度）隨θ／θy的增大而急速降低，當(dāng)θ／θy＞

圖9 內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的扭轉(zhuǎn)剛度退化Fig.9 The torsional stiffness degradation of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

4 時(shí)Kθ／Kθe衰減變緩，表明內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的混凝土的剪切變形能力低，而混凝土早期的剪切變形失效加速了扭轉(zhuǎn)剛度的衰減；2）長(zhǎng)細(xì)比較大的內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉(zhuǎn)剛度隨θ／θy的增大而衰減程度更快。

6 破壞機(jī)理

壓扭作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的破壞機(jī)理見(jiàn)圖10。軸力作用下內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱截面受到均勻壓應(yīng)力作用，因鋼管的約束作用柱內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)（σ1＞σ2＝σ3），鋼管因豎向軸壓力和管內(nèi)混凝土的橫向膨脹而處于豎向受壓而環(huán)向受拉的雙向壓-拉應(yīng)力狀態(tài)，H型鋼因豎向軸壓力而處于壓應(yīng)力狀態(tài)。純扭作用下柱截面鋼管、H 型鋼和混凝土處于純剪應(yīng)力狀態(tài)，混凝土的最外側(cè)剪應(yīng)力最大而中心位置最小。

圖10 破壞機(jī)理Fig.10 The failure mechanism

軸壓力和扭矩作用下，因軸壓力的壓效應(yīng)和扭矩的剪切效應(yīng)，柱截面鋼管沿縱向和環(huán)向分別受到壓剪應(yīng)力和拉剪應(yīng)力，混凝土沿縱向和環(huán)向均受到壓剪應(yīng)力，而H 型鋼受到單向壓剪應(yīng)力。軸壓力沿柱截面產(chǎn)生環(huán)向膨脹和沿豎向產(chǎn)生整體屈曲的壓效應(yīng)，而扭矩沿柱截面產(chǎn)生環(huán)向剪切效應(yīng)，因而可總結(jié)軸壓和往復(fù)扭轉(zhuǎn)作用下破壞機(jī)理為：軸壓力的壓效應(yīng)和扭矩的剪切效應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的混凝土和鋼管沿斜向的主壓應(yīng)力方向的垂直方向產(chǎn)生鼓屈破壞；軸壓力的壓效應(yīng)導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生整體屈曲破壞。

7 結(jié)語(yǔ)

本文完成了3個(gè)內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱在軸壓、壓扭荷載作用下的擬靜力加載試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定性分析。對(duì)于壓扭的兩種工況，隨著軸力的增大，試件的峰值扭轉(zhuǎn)角等力學(xué)特征指標(biāo)降低，且整個(gè)試件的延性系數(shù)降低明顯。試件扭轉(zhuǎn)剛度在實(shí)際工程中使用內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱時(shí)，組合結(jié)構(gòu)的剛度以及抗火性能、耗能能力也更有一定優(yōu)勢(shì)。實(shí)際使用內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱時(shí)，應(yīng)合理控制軸壓比，使結(jié)構(gòu)的整體性能更優(yōu)。