陶修 皮正波 趙軒 羅崯滔 聶影 陳春君 王宇航

1.中冶賽迪工程技術股份有限公司 重慶400013

2.湖南工程學院建筑工程學院 湘潭411104

3.重慶大學土木工程學院 400045

引言

鋼管混凝土構件是指鋼管中填充混凝土而形成的構件，按截面形式不同，可分為圓鋼管混凝土，方、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等?；炷敛牧显诙噍S受壓狀態(tài)下，其極限強度、塑性以及韌性均能得到提高［1］；鋼材料發(fā)生失穩(wěn)破壞時往往沒能發(fā)揮鋼的材料性能。通過混凝土與鋼的組合作用，充分利用兩種材料的各自優(yōu)勢，揚長避短。

由于鋼管混凝土構件具有良好的組合效應，目前已有多位學者對鋼管混凝土柱的受力性能進行了研究。國內外學者Ayough，Pouria、Sulong，N H Ramli 和brahim，Zainah［2］、Chen，Baochun等［3］、王思浩、余鑫和王志濱［4］、Roeder Charles W.、Lehman Dawn E.和Erik Bishop［5］、Lai Zhichao和Varma Amit H.［6］等已經(jīng)對傳統(tǒng)鋼管混凝土柱展開了軸壓、壓彎等多種工況下的試驗與數(shù)值分析研究。不少學者也對純扭作用下的鋼管混凝土受力性能進行了研究，王宇航［7］通過對圓截面鋼管混凝土柱和矩形截面鋼管混凝土柱在純扭荷載作用以及軸力較小的壓扭荷載作用發(fā)現(xiàn)其滯回曲線飽滿，沒有產生“捏攏”現(xiàn)象，強度和剛度的損傷退化程度較低，延性較好，具有較強的耗能能力。王雨嫣［8］通過對圓形截面CFRP（碳纖維增強復合材料）環(huán)向約束鋼管混凝土柱的純扭試驗發(fā)現(xiàn)，其滯回曲線呈現(xiàn)梭形，形狀飽滿，具有優(yōu)異的抗震性能。張文福，李洋等［9］對內置工字鋼骨方鋼管混凝土進行了自由扭轉剛度計劃與FEM驗證，其結果發(fā)現(xiàn)與有限元模擬結果良好，且最大誤差不超過0.5%，提出了滿足工程設計要求的設計簡化公式。李曉輝、韋建剛和陳寶春［10］在試驗數(shù)據(jù)的基礎上，通過有限元建模分析，采取了不同的混凝土本構關系，計算結果與試驗值吻合良好。也有不少的學者在傳統(tǒng)鋼管混凝土中經(jīng)過改變組合結構的形式，如不同的截面形式［11］、在柱截面內增加不同的型鋼形式［12-14］等，通過采用試驗、數(shù)值分析等方法對新型的鋼管混凝土構件進行受力性能分析。但尚未有學者對內嵌H型鋼鋼管混凝土柱進行純扭試驗研究，由于圓鋼管與方鋼管在扭轉作用過程中對混凝土的約束差異性較大，故應對兩種不同形式的截面進行受力性能的研究。

在傳統(tǒng)鋼管混凝土組合試件中內嵌H 型鋼，與未內嵌型鋼的組合試件相比較，其強度、剛度均有提升，對其進行純扭性能試驗，記錄試件在加載過程中的試驗現(xiàn)象，分析內嵌H型鋼鋼管混凝土柱在純扭工況下的破壞機理和受力性能。

1 試驗概況

1.1 試件制作

試驗中設計了3 個內嵌H型鋼鋼管混凝土柱試件，總高度均為375mm，內嵌H 型鋼的尺寸為80mm×80mm ×3.7mm ×3.7mm。在制造試件過程中，為保證鋼管以及H型鋼與底板和頂板有良好的的抗環(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，通過頂板的孔洞將混凝土澆筑至鋼管內部，并將其振搗密實。3 個試件中，其中兩個為圓形截面，另一個為方形截面，其構造見圖1 所示。

圖1 內嵌H 型鋼鋼管混凝土柱截面構造Fig.1 Cross-sectional structure of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

本試驗中針對兩個圓形截面以及一個方形截面進行純扭荷載作用。兩個圓形截面控制其截面大小以及外鋼管厚度來定性分析不同長細比下試件的受力性能，試驗還設置了一個方形截面的內嵌H型鋼鋼管混凝土柱，將其滯回性能以及破壞形式與圓形截面進行對比分析。在試件設計時，控制試件高度均為375mm 的情況下，圓形截面試件通過變化截面屬性變化長細比以考察其力學性能；圓、方截面則在保證長細比大致相似的情況下考察其力學性能。

表1 試件編號及試驗參數(shù)Tab.1 Specimen number and test parameters

1.2 材料力學性能

采用C40 混凝土，根據(jù)混凝土立方體強度值測量方法，在澆筑試件的過程中，同時取3 組尺寸為150mm ×150mm ×150mm 混凝土立方體試塊，實測其28d立方體抗壓強度為40.7MPa。

鋼材強度由標準拉伸試驗確定，測量試件從同批鋼管中抽取，每組抽取3 個，測得試件鋼管和H型鋼鋼材的屈服強度、抗拉強度以及彈性模量如表2 所示。

1.3 試驗裝置及加載制度

本試驗在重慶大學土木工程學院振動臺實驗室進行，制作并使用了一套可施加軸壓、純扭等多工況荷載的試驗裝置，加載裝置示意圖和加載現(xiàn)場如圖2 所示。

在試驗過程中，數(shù)據(jù)采集使用高精度直線位移傳感器（LVDT）和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。其中LVDT1 量測水平液壓伺服器的水平位移，而LVDT2 和LVDT3 布置在鋼梁底部，用于量測豎向位移。LVDT4 布置在柱頂鋼梁豎向約1／2 高度處，用于量測柱頂水平方向位移。測點布置詳細如圖3 所示。

圖3 位移量測Fig.3 Displacement measurement

對于此次試驗中的純扭作用試件，由于內嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉角和水平位移位移之間存在近似線性相關關系，使用水平方向的位移來控制加載過程，對試件施加循環(huán)扭矩。水平位移的加載速度控制為4mm／min。當達到每個循環(huán)次數(shù)的最大或最小扭轉位移時，暫停1min 用于拍照和記錄數(shù)據(jù)，加載整個過程使用固定攝影機位記錄。當試件發(fā)生破壞或試件承載力小于85%最大承載力時停止加載。加載模式如圖4 所示。

圖4 加載模式Fig.4 Loading mode

2 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試件CH1-T 在扭轉角達到23.5°時發(fā)生破壞。在試驗過程中，在試件高度約1／2 處出現(xiàn)X形鼓曲，交叉角度為90°，隨后在X 形鼓曲處開展裂隙，兩方向裂隙發(fā)展方向與最初鼓曲方向一致。在扭轉角θ 達到23.5°時，試件破壞，裂隙發(fā)展完全，兩條裂隙夾角約為90°。試件破壞后，將外鋼管剝離，發(fā)現(xiàn)內部混凝土壓碎，混凝土內部與H型鋼連接部分未破壞。

圖5 CH1-T 失效模式Fig.5 Failure mode of CH1-T

試件CH2-T 在扭轉角達到20.9°時發(fā)生破壞。在試驗過程中，當扭轉角度達到19.3°時，在試件高度約1／2 處下方出現(xiàn)X形鼓曲，交叉角度為90°，隨后在試件頂部與豎向發(fā)現(xiàn)裂縫。在扭轉角度達到20.9°時，試件破壞，將外鋼管剝離，發(fā)現(xiàn)內部混凝土呈現(xiàn)X形壓碎。

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

試件RH-T在扭轉角達到19.3°時發(fā)生破壞。在試驗過程中，當扭轉角達到13.8°時，在試件高度約1／2 處試件多方向出現(xiàn)X形鼓曲，外部油漆掉落。當扭轉角達到19.3°時，試件中部出現(xiàn)多條X形裂縫，裂縫開展處與發(fā)展方向與X 形鼓曲一致。將外鋼管剝離，發(fā)現(xiàn)內部混凝土呈現(xiàn)X形壓碎。

3 扭矩-扭轉角滯回曲線及分析

內嵌H型鋼鋼管混凝土柱在純扭荷載作用下的扭矩（T）-扭轉角（θ）滯回曲線如圖7 所示。

圖7 RH-T 失效模式Fig.7 Failure mode of RH-T

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

內嵌H型鋼方形截面鋼管混凝土柱由于外部鋼管在扭矩作用下，其轉角處的方形鋼管與混凝土的接觸更加緊密，使得部分區(qū)域混凝土在外鋼管發(fā)生形變后處于多軸受壓狀態(tài)，由于鋼管與混凝土的相互作用，內嵌的H型鋼與方形鋼管的側向支撐均得到加強，減小了兩者的有效計算長度，進而內嵌的H型鋼與外鋼管的承載力、剛度以及穩(wěn)定都得到了增強。鋼管的收縮和角部混凝土的劈裂，使得扭矩-扭轉角滯回曲線產生了“捏攏”效應。如圖9c所示。

圖9 扭矩-扭轉角骨架曲線Fig.9 Torque-torsion angle skeleton curve

4 扭矩-扭轉角骨架與力學特征

內嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭矩-扭轉角骨架曲線如圖8 所示，力學性能指標見表3 所示。

表3 力學特征Tab.3 Mechanical properties

圖8 扭矩-扭轉角滯回曲線Fig.8 Torque-torsional angle hysteresis curve

由表3 可知，純扭作用下內嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭矩-扭轉角骨架曲線主要呈現(xiàn)彈性、塑性和失效三階段。其中對比圓形截面試件CH1-T和CH2-T與方形截面試件RH-T的延性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，圓形截面試件在面臨純扭工況荷載作用下，在試件達到屈服后，仍有較強的變形能力，而矩形截面由于外鋼管角部對核心混凝土的約束效果較差。

5 扭轉剛度退化

由文獻［15］，王宇航等對鋼管混凝土柱進行了復雜工況的加載試驗，提出了扭轉退化剛度的計算公式。內嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉退化剛度kθ定義為最大扭矩Ti與扭轉角θi之間的相關關系：

內嵌H 型鋼鋼管混凝土柱退化剛度Kθ見圖9所示。由圖9 可知：1）當扭轉角與屈服扭轉角之比（θ／θy，θy取純扭下屈服扭轉角）≤4 時扭轉剛度與屈服扭轉剛度之比（KθKθe，Kθe取純扭下屈服扭轉剛度）隨θ／θy的增大而急速降低，當θ／θy＞4 時KθKθe衰減變緩，表明內嵌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剛度的衰減；2）長細比較大的內嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭轉剛度隨θ／θy的增大而衰減程度更快。

6 破壞機理

往復純扭作用下內嵌H型鋼鋼管混凝土柱的破壞機理，見圖10。扭矩作用下柱截面鋼管、H型鋼和混凝土存在剪應力流，該純剪應力下鋼管和混凝土沿斜向45°存在主拉應力或主壓應力。由胡克定律可知截面最外側的剪應變最大而易產生剪切塑性變形，而截面中心位置剪應變最小而處于彈性受剪狀態(tài)，因而在剪應力作用下內嵌H型鋼鋼管混凝土柱的截面存在核心彈性區(qū)和外環(huán)塑性環(huán)區(qū)。因而可總結往復純扭作用下組合柱的破壞機理為：混凝土在斜向的主壓應力和主拉應力分別導致混凝土斜向鼓屈和斜向開裂；鋼管受主壓應力和混凝土的斜向鼓屈的影響亦斜向鼓屈，而受主拉應力的影響而受拉開裂，反向作用扭矩時亦然。

圖10 內嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的扭轉剛度退化曲線Fig.10 The torsional stiffness degradation curve of embedded H-shaped concrete-filled steel tubular column

圖11 破壞機理Fig.11 The failure mechanism

7 結論

完成了3 個內嵌H型鋼鋼管混凝土柱在純扭荷載作用下的擬靜力往復加載試驗，對試驗結果進行了定性分析，并對實際工程使用提出了基本建議，結果如下：

1.分析了3 個試件的試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)，方形截面內嵌H型鋼鋼管混凝土柱由于外鋼管收縮與角部混凝土的劈裂，使得扭矩-扭轉角滯回曲線產生了“捏攏”效應；而圓形截面在往復純扭荷載作用下，其滯回曲線非常飽滿，強度和剛度的損傷退化程度較低，具有良好的耗能能力。

2.在實際工程中使用內嵌H 型鋼鋼管混凝土柱時，應優(yōu)先采用圓形截面內嵌H型鋼鋼管混凝土柱。在面臨復雜荷載作用下，內嵌H型鋼鋼管混凝土柱其抗火性能、耗能能力相比于傳統(tǒng)純鋼結構也更有優(yōu)勢。