張 穎 王 蕊 趙 暉 安國青

(太原理工大學土木工程學院, 太原 030024)

中空高強鋼筋混凝土(RC)柱，具有自重輕、抗彎剛度大和抗沖擊能好等優(yōu)點[1]，逐漸應用于高架橋橋墩、海洋平臺結構支架柱以及大尺寸灌注樁中[2-4]?？紤]到八邊形鋼板運輸與現(xiàn)場焊接方便，同時內鋼板在澆筑過程中可作為內模板簡化施工且為混凝土提供支撐[5-6]，本文提出在中空方形高強混凝土柱內壁處增設內八邊形鋼板形成一種新型組合構件，并對其軸壓力學性能進行研究。

關于內鋼管中空普通鋼筋混凝土(RC)柱軸壓力學性能已有學者展開相關研究。2010—2014年，Han等[7-8]與Won等[9]對內鋼管RC試件進行了軸壓試驗與有限元分析，發(fā)現(xiàn)內鋼管可有效防止混凝土內表面剝落，且相比于無內鋼管RC柱，有內鋼管RC柱的承載力提高不明顯；任慶新等[10]對12根內鋼管-中空圓錐形RC柱進行了軸壓試驗研究，結果表明，相比于無內置鋼管圓錐形RC柱，內置鋼管RC柱的承載力提高了約40%；2019年，李明闖[11]對6根塑鋼纖維輕骨料素混凝土空心柱與14根塑鋼纖維輕骨料RC空心柱進行了軸壓試驗與有限元分析，研究發(fā)現(xiàn)，內PVC管對不含外包塑鋼纖維空心柱承載力與延性影響較小。但目前尚未發(fā)現(xiàn)關于內鋼板-中空方形高強RC短柱軸壓性能的研究報道。

基于此，本文對8根八角形中空鋼管混凝土(CFST)組合柱與2根八角形中空RC柱對比試件進行軸壓試驗和有限元分析，并基于修正的《混凝土結構設計規(guī)范》對比分析該類構件的極限承載力與軸壓剛度計算公式。

1 試驗研究

1.1 試驗設計

本文共進行了8根八角形中空CFST組合柱與2根八角形中空RC柱對比試件的軸壓力學性能試驗。根據(jù)截面尺寸將短柱分為L系列中空高強RC柱和S系列中空普通RC柱，截面形式與詳細尺寸如圖1所示。試件設計柱高與截面邊長比值為3，箍筋保護層厚度為20 mm，并分別設計了兩種不同厚度的內鋼板。表1給出了鋼材力學性能，表2 給出了試件編號以及具體參數(shù)。

表1 鋼材力學性能Table 1 Mechanical properties of steel

表2 試件參數(shù)Table 2 Parameters of specimens

a—S-系列柱；b—L-系列柱；c—L0系列柱。圖1 試件尺寸詳圖 mmFig.1 Dimensions of specimens

鋼板1～4括號中數(shù)字為鋼板厚度；縱筋括號中數(shù)字為縱筋直徑。

1.2 試驗裝置和加載過程

試驗采用太原理工大學10 000 kN電液伺服壓力試驗機進行分級加載。試件中部貼有縱橫向應變片用于測量試件中部縱橫向變形，分別在試件頂部和底部對角布置2個位移計測量試件的整體軸向變形，如圖2所示為加載裝置及位移計和應變片布置示意。由于混凝土強度較高，在試件外側加罩鐵絲網(wǎng)，防止試驗過程中外圍混凝土壓潰崩出。正式加載前，先進行預加載，預加載范圍為試件預估極限承載力的30%，以觀測加載系統(tǒng)和觀測點是否工作正試件編號中，首字母代表短柱試件截面邊長(其中，邊長為400 mm用L表示，邊長為300 mm用S表示)，第一個數(shù)字代表內鋼板設計厚度，第二個數(shù)字代表相同參數(shù)的兩個試件;八角形中空RC柱總含鋼率指縱筋截面面積與總截面面積的比值；八角形中空CFST組合柱總含鋼率指縱筋與內鋼板截面面積之和與總截面面積的比值;空心率為空心部分面積與方形總截面面積的比值。

圖2 加載與測量裝置示意Fig.2 The schematic diagram of loading and measure devices

常，同時保證試件處于軸心受力狀態(tài)。正式加載前期采用力控制模式，加載速率約為200 kN/min，當荷載達到預估極限荷載的75%左右時轉為位移控制模式，加載速率約為0.05 mm/min，直至峰值荷載后，試件承載力出現(xiàn)明顯下降達到破壞狀態(tài)，結束加載。

1.3 試驗現(xiàn)象

圖3b～3g分別給出了L系列各八角形中空方形高強RC短柱試件的最終破壞形態(tài)，各試件在加載過程中的試驗現(xiàn)象基本相同，最終破壞模式表現(xiàn)為中部混凝土外鼓，并伴有混凝土脫落。

a—加載照片；b—L2-1;c—L2-2;d—L4-1；e—L4-2；f—L0-1;g—L0-2。圖3 試驗照片及最終破壞形態(tài)Fig.3 Test photos and final failure modes

以八角形中空CFST組合短柱L2-1為例介紹破壞過程，如圖4所示。試件在加載初期處于線彈性階段，表面無裂縫產(chǎn)生；當荷載達到極限荷載的80%左右時，如圖4(0.8Nu)所示，首先在柱頭與靠近柱頭四角位置處出現(xiàn)縱向裂縫；隨著荷載繼續(xù)增加，裂縫逐漸明顯，并向柱中部發(fā)展，柱腳四角處也相應產(chǎn)生縱向裂縫；荷載持續(xù)增加，裂縫更加明顯，并逐漸向中部發(fā)展貫通，混凝土在達到最大荷載前開裂；當荷載接近最大值時，混凝土表面出現(xiàn)明顯的縱向裂縫；當荷載很快達到最大值時，伴隨著突然的巨大聲響，混凝土被壓碎，縱向鋼筋局部屈曲，此時內鋼板-中空鋼筋混凝土短柱試件發(fā)生了破壞。

a—試驗照片；b—示意。圖4 L2-1 試件破壞全過程Fig.4 Whole failure process of specimen L2-1

1.4 試驗曲線研究

圖5a為試驗實測大截面L系列八角形中空CFST組合短柱試件應力-應變曲線，橫軸正負方向分別表示中部混凝土橫向與縱向應變。試驗開始時，荷載-應變曲線呈線性增長，斜率相差不大；之后，隨著荷載增加，應變增長趨勢表現(xiàn)出一定的差異；根據(jù)曲線趨勢，無內鋼板中空高強RC柱L0變形較大，承載力較小。短柱在軸壓荷載作用下縱向受壓應變?yōu)樨摗M向受拉應變?yōu)檎?，與試驗荷載-應變曲線一致。

a—L系列柱實測荷載-應變曲線；b—L系列柱荷載-位移全曲線；c—S系列柱荷載-位移全曲線。圖5 試驗實測曲線Fig.5 Test curves of each specimen

圖5b與圖5c分別為L系列和S系列各試件試驗實測荷載-位移全曲線?？梢钥闯?，L系列中空高強RC柱極限承載力和剛度均大于S系列中空普通RC柱，極限承載力之后荷載-位移曲線的下降段比較陡峭；對于S系列柱，S2-2柱承載力和剛度明顯高于其他柱，但峰值荷載之后，荷載-位移曲線下降段更為陡峭，表明混凝土強度提高引起柱延性降低。

2 有限元分析

2.1 模型建立與驗證分析

本文采用ABAQUS有限元軟件建立了中空方形RC短柱軸壓模型?；炷敛捎盟苄該p傷模型，鋼筋與混凝土應力-應變關系均根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》[12]建議的公式進行計算，內鋼板采用韓林海建議的應力-應變關系模型[4]；端板和混凝土采用C3D8R單元，鋼板采用S4R單元，鋼筋采用TRUSS單元；端板彈性模量與泊松比分別設置為1×1012MPa和0.000 1[13]；內鋼板-混凝土以及混凝土-端板的界面接觸關系包括法向“硬”接觸和切向庫侖摩擦，摩擦系數(shù)取為0.6[14-15]；采用“Embedded region”方式將鋼筋骨架嵌入到混凝土中；鋼板與端板之間設置為“shell-to-solid coupling”接觸；經(jīng)過網(wǎng)格敏感性分析確定端板網(wǎng)格尺寸為截面邊長的1/80，其余部件網(wǎng)格尺寸為截面邊長的1/20。

有限元計算得到的八角形中空高強CFST組合短柱L2各部件破壞形態(tài)如圖6所示。試件中部外圍混凝土外鼓與試驗現(xiàn)象一致(圖2)；縱筋中部屈曲；內鋼板中部屈曲外鼓，但外鼓程度小于外圍鋼筋混凝土。

a—混凝土;b—內鋼板;c—鋼筋骨架。圖6 L2-1 有限元模型各部件破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of each part in FE model L2-1

圖7與表3分別給出了軸壓荷載-位移曲線與力學指標(承載力、剛度與延性)的有限元計算結果和試驗結果對比。對于S2-1試件，由于混凝土開裂嚴重導致應變片失效，無法獲得峰值荷載后完整曲線?？傮w來看，有限元模擬可較好預測中空RC短柱軸壓荷載-位移發(fā)展趨勢。

選用雙軸回轉式減速器，有刷直流行星減速電機，回轉式減速器精度≤0.08°，減速比580∶1，額定電壓DC 24V，額定輸出轉速為0.048 rpm，1秒約轉動0.228°，將其轉動周期設為100 ms時，轉動角度約0.02°，其最小調整分辨率約為0.02°，保證了伺服調整精度[1]。太陽每秒轉過角度(360°+360°/365)/(24*60*60)=0.00418°。如要滿足精度為0.1°時，在跟蹤上的情況下約22 s必須調整姿態(tài)。

a—L2； b—L4; c—L0; d—S2-1； e—S2-2； f—S4。圖7 荷載-位移關系曲線Fig.7 Load-displacement curves

由表3可以看出，對于試件S2-1與S2-2，含鋼率相同時，混凝土強度由40 MPa 增加到53.5 MPa時，構件承載力提高了38%，延性降低了13%，軸壓剛度變化不大，表明混凝土強度對構件承載力和延性影響顯著。此外，內鋼板厚度對中空高強RC短柱與普通RC短柱的承載力、軸壓剛度和延性影響均不明顯。

表3 有限元與試驗結果對比Table 3 Comparisons of FEA results with experimental results

為研究內鋼板-中空方形高強RC短柱的軸壓性能，2.2節(jié)與2.3節(jié)基于有限元結果分別對典型試件L2的受力全過程和部件之間接觸作用進行了分析。

2.2 全過程分析

圖8為八角形中空高強CFST組合短柱模型L2整體與各部件軸力(N)-軸向應變(ε)關系曲線。根據(jù)曲線發(fā)展趨勢可定義3個特征點，分別為：A點，試件開始由彈性階段進入彈塑性階段；B點，試件全截面達到極限承載力Nu；C點，荷載下降至85%Nu，一般認為此時構件到達破壞荷載。

圖8 各部件內力分配Fig.8 Force distribution between each component

圖9為試件L2中截面處各特征點混凝土縱向應力(S33)以及內鋼管與鋼筋的Mises應力分布情況，其中壓應力為負，拉應力為正。

μδ為位移延性系數(shù)，采用Lu等[16]建議的位移延性系數(shù)計算公式：μδ=δ0.85/δy，其中，δ0.85為荷載-位移曲線下降至85%峰值荷載時對應的位移；δy為荷載-位移曲線上升至屈服點(過原點與上升段75%峰值荷載的直線和過峰值點的水平直線的交點)時對應的位移;軸壓剛度EA=Fl/Δl=F/ε，為荷載-位移曲線彈性段斜率乘以柱高，l為柱高；Δ為峰值荷載對應的位移。

圖9a中，A點時，混凝土應力分布均勻，約為39 MPa；B點時，試件達到極限承載力，混凝土應力最大，截面四角處混凝土由于邊角效應且處于無約束狀態(tài)，較早退出工作；C點時，混凝土應力由內向外減小，最大應力出現(xiàn)在內鋼板附近，約為47 MPa。圖9b與9c中，A點時，內鋼板和鋼筋應力沿縱向分布均勻，鋼材處于彈性變形階段；B點時，內鋼板與鋼筋的Mises應力最大值均位于柱中間高度處，應力沿柱中向兩端逐漸減小，內鋼板在中截面處屈服；C點時，中截面附近縱筋屈服。

a—混凝土縱向應力分布;b—內鋼板;c—鋼筋骨架。圖9 各部件應力分布 PaFig.9 Stress distribution between each component

2.3 接觸分析

a—L2；b—L4。圖10 內鋼板與混凝土接觸應力-縱向應變曲線Fig.10 Relations between Contact stress and longitudinal strain curves of inner steel plate and concrete

3 軸壓承載力與剛度計算

3.1 承載力計算

本節(jié)根據(jù)八角形中空高強CFST組合短柱受力特點，當短柱達到極限荷載時，內鋼板與混凝土無接觸作用，因此在計算極限承載力時可將內鋼板承載力進行簡單疊加。參照GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》[12]中RC軸壓構件極限承載力計算公式，將外側鋼筋混凝土與內八邊形鋼板的承載力之和作為該類構件極限承載力，具體公式如下：

N=0.9(fckAc+fyAs)+fyiAsi

(1)

式中：fck為混凝土軸心抗壓強度標準值；Ac為外圍混凝土截面面積；fy為縱向鋼筋屈服強度；As為全部縱向鋼筋截面面積；fyi為內鋼板屈服強度；Asi為內鋼板橫截面面積。

采用式(1)對試件極限承載力進行了計算，并給出了公式計算結果與試驗結果的對比(Nue為試驗值，Nu為公式計算結果)，如圖11所示，其中，μ和σ分別為Nue/Nu的平均值和標準差。由圖可知，公式預測結果較為保守。

圖11 承載力試驗與公式計算結果對比Fig.11 Comparisons of results obtained from tests and predicted equation

3.2 軸壓剛度計算

參照GB 50010—2010[12]中RC構件軸壓剛度計算公式，將外側鋼筋混凝土與內八邊形鋼板的軸壓剛度之和作為該類構件軸壓剛度，具體公式如下：

EA=EcAc+EsAs+EsiAsi

(2)

式中：Ec、Es和Esi分別為混凝土、縱筋和內鋼板的彈性模量；Ac、As和Asi分別為混凝土、縱筋和內鋼板的面積。

采用式(2)對試件軸壓剛度進行了計算。圖12給出了公式計算結果與試驗值的對比(EAue為試驗值，EAu為公式計算結果)，其中，μ和σ分別為EAue/EAu的平均值和標準差?？梢?，公式可較好預測該類構件的軸壓剛度。

圖12 軸壓剛度試驗值與公式計算結果對比Fig.12 Comparisons of stiffness of specimens under axial compression obtained from tests and predicted equation

4 結束語

1)內置鋼板中空方形高強RC短柱的軸壓破壞模式主要表現(xiàn)為中部外側混凝土外鼓和壓碎。

2)在本文試驗研究參數(shù)范圍內，八角形中空高強CFST組合短柱構件表現(xiàn)出較高的軸壓承載力與剛度，延性系數(shù)取值在1～2之間?；炷翉姸扔?0 MPa 增加到53.5 MPa時，構件承載力提高了38%，延性降低了13%，軸壓剛度變化不大；凝土強

度相同時，鋼板厚度對構件的承載力、軸壓剛度與延性均無顯著影響。

3)軸壓過程中試件中截面處內鋼板變形均勻。內鋼板與混凝土的接觸作用峰值隨鋼板厚度的增加而增加，在構件峰值承載力之前，接觸作用就已消失。

4)基于修正的GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》對該類構件承載力預測結果較為保守，軸壓剛度預測較好。