趙軒 皮正波 陶修 羅崯滔 聶影 陳春君 王宇航

摘要：在簡單鋼管混凝土組合柱中內(nèi)嵌H型鋼，形成新型組合結(jié)構柱，為研究新型組合結(jié)構柱的受力性能，對其進行純彎、壓彎、扭彎、壓彎扭4個工況的試驗研究。為滿足試驗過程中的加載需要，設計制作了一套適用于多工況模擬的加載裝置。在復雜荷載加載中，對于有軸壓參與的工況，控制軸壓比為0.24；對于有扭彎的工況，控制扭彎比為0.34。通過對4個試件的加載試驗，分析其扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線、彎矩-位移滯回曲線、扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架、彎矩-位移骨架、力學特征及剛度退化等指標，對結(jié)果及其產(chǎn)生機理進行分析。結(jié)果表明，在復雜荷載作用下，該新型組合結(jié)構柱受力性能良好?；谠囼灲Y(jié)果提出在工程實際中使用該新型結(jié)構柱的基本建議。

關鍵詞：鋼管混凝土；復雜荷載；內(nèi)嵌H型鋼；受力性能

中圖分類號：TU398.9???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：2096-6717（2023）06-0074-09

Mechanical behavior of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular under multi-load

ZHAO Xuan1， PI Zhengbo2， TAO Xiu1， LUO Yintao3， NIE Ying1， CHEN Chunjun3， WANG Yuhang3

（1. CISDI Engineering Corporation， Chongqing 400013， P. R. China； 2. Department of Building Engineering， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411104， Hunan， P. R. China； 3. College of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract： In this paper， H-shaped steel is embedded in simple concrete-filled steel tubular composite columns to form a new type of composite structural columns. In order to study the mechanical behavior of the new composite structure columns， the experimental studies are carried out under four working conditions： pure bending， compression-bending， torsion-bending and compression-bending-torsion. In order to meet the loading needs during the test， a set of loading devices suitable for multi-working condition simulation is designed and made. In the loading of complex load， the axial compression ratio is 0.24 for the condition with axial compression， and the torsion-bending ratio is 0.34 for the condition with torsion. Through the loading tests of four specimens， the indexes such as torque-torsion angle hysteresis curve， moment-displacement hysteresis curve， torque-torsion angle skeleton， moment-displacement skeleton， mechanical characteristics and stiffness degradation are analyzed. The results and mechanism are analyzed in depth， and the results show that the mechanical performance is good under complex loads， and the basic suggestions for using this new structure in engineering practice are put forward.

Keywords： concrete-filled steel tube； complex load； embedded H-shaped steel； mechanical behavior

由于結(jié)構所受荷載日漸復雜且結(jié)構趨向大型化發(fā)展，工程結(jié)構中主要受力構件的結(jié)構形式也在不斷發(fā)展，從鋼筋混凝土結(jié)構、鋼結(jié)構逐漸發(fā)展到鋼管混凝土結(jié)構等組合結(jié)構。由于力學性能優(yōu)異，鋼管混凝土組合柱得到廣泛使用，學者們已對鋼管混凝土組合柱受力性能進行了較多研究，包括試驗研究、數(shù)值分析等。王志濱等[1]提出了帶直角六邊形鋼管混凝土柱的荷載-位移恢復力模型，簡化計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好。王宇航等[2]在試驗結(jié)果的基礎上，基于理論計算提出了鋼管混凝土柱的抗扭承載力和軸力-抗扭承載力相關關系簡化計算公式。Roeder等[3]通過壓彎試驗提出了一種新的強度、剛度計算方法。Tao等[4]對不同材料形式的方鋼管混凝土短柱進行了極限承載力試驗，并與有限元結(jié)果進行了對比。Lai等[5]提出了一種新的高強矩形鋼管混凝土短柱設計方法，以彌補目前相關規(guī)范的缺失。Chen等[6]基于鋼管混凝土柱軸壓試驗數(shù)據(jù)庫建立了軸壓強度公式。Ayough等[7]通過對多種規(guī)范的調(diào)研，指出材料性能和尺寸對鋼管混凝土柱的軸心受力性能影響顯著。趙大洲等[8]通過數(shù)值積分方法，模擬計算了鋼骨-鋼管混凝土壓彎組合柱的荷載-變形關系曲線，并分析了影響承載力的主要參數(shù)，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，由此提出了壓彎組合柱承載力的簡化計算公式。陳明杰[9]通過變化偏心率、內(nèi)部含鋼率、外部含鋼率、長細比參數(shù)，設計了9個內(nèi)置十字形鋼鋼管混凝土柱試件用于試驗研究，并通過ABAQUS對試件進行模擬分析，提出了鋼骨-鋼管混凝土軸壓短柱、偏壓短柱及軸壓中長柱的承載力計算公式。劉曉[10]制作了18根鋼管鋼骨高強混凝土構件，對其進行了偏心受壓、抗彎、壓彎工況下的試驗研究，并進行了理論分析，考慮內(nèi)部鋼骨對混凝土的雙重緊箍作用和后期的延性改善，修正了核心混凝土的本構關系模型，得到了軸壓穩(wěn)定承載力簡化公式，計算值與試驗值吻合較好。劉涵等[11]對圓錐形中空夾層鋼管混凝土純彎構件進行了數(shù)值模擬，提出了抗彎承載力計算方法。余潔等[12]針對不同結(jié)構形式的鋼管混凝土組合柱開展了研究，通過改變鋼管強度、厚度等參數(shù)進行試驗及數(shù)值模擬分析，在鋼管混凝土中配置鋼筋并設置不同參數(shù)，其受彎承載力和受扭承載力之間的相關關系基本一致。許友武[13]將外圓管的截面形式設置為橢圓形，并提出了其設計公式。王文達等[14]對內(nèi)置不同型鋼類型進行了試驗研究，主要探究方鋼管混凝土構件壓彎剪復合受力工作機理。迄今為止，尚未有學者在鋼管混凝土組合柱中內(nèi)嵌H型鋼并分析其在復雜荷載下的受力性能。筆者在鋼管混凝土柱中加入H型鋼，通過試驗分析其在純彎、壓彎、扭彎及壓彎扭4種工況下的受力性能。

1 試驗概況

1.1 試件制作

試驗設計了4個內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱試件，試件總高度均為975 mm。為保證鋼管及H型鋼與底板和頂板有良好的抗環(huán)向剪切性能，在制造過程中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(nèi)部，并將其振搗密實。試件截面構造見圖1。

對4個圓形截面鋼管混凝土柱試件施加純彎、壓彎、彎扭和壓彎扭荷載，試件參數(shù)如表1所示。符合工程需求，根據(jù)鋼管混凝土結(jié)構及相關工程經(jīng)驗，對于有軸向壓力的試件，軸壓力大小為730 kN，其軸壓比控制為0.24；對于有扭矩作用的試件，其扭彎比大小控制為0.34。對4個同等參數(shù)的試件采用不同的加載方向，定性分析其在不同工況下的破壞現(xiàn)象與受力機理。

1.2 材料力學性能

采用C40混凝土，根據(jù)混凝土立方體強度測量方法，在澆筑試件的過程中，同時取3組尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試塊，實測其28 d立方體抗壓強度為44.4 MPa。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、抗拉強度及彈性模量，如表2所示。

1.3 試驗裝置及加載制度

試驗在重慶大學土木工程學院振動臺實驗室進行，制作并使用圖2所示試驗加載裝置來實現(xiàn)純扭、壓扭、純彎、壓彎、扭彎和壓彎扭加載。加載現(xiàn)場如圖3所示。試件上部設置鋼端板，與加載鋼梁通過螺栓連接（加載相關設置）。

在試驗過程中，通過高精度直線位移傳感器（LVDT）和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。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。對于試件CH2-CB和CH2-CBT1，軸壓力作用采用預加載方式，首先加載至200 kN，然后卸載至0，重復兩次后開始加載。對于試件CH2-TB1和CH2-CBT1，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線性相關關系，故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4 mm/min。對于試件CH2-CB和CH2-CBT1，采用等增量柱頂位移加載。加載時，先施加豎向軸壓力，當達到每個循環(huán)次數(shù)的最大或基本滯回扭轉(zhuǎn)位移時，暫停1 min用于拍照和記錄數(shù)據(jù)，當試件破壞或試件承載力小于最大承載力的85%時停止加載，整個加載過程使用固定攝影機記錄。加載模式如圖4所示，其中Nu為730 kN。

2 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試件CH2-B受純彎作用，其失效模式表現(xiàn)為柱底鋼管發(fā)生鼓屈，鼓屈處內(nèi)部混凝土膨脹，且鋼管在柱底受拉區(qū)發(fā)生開裂破壞，裂縫方向為水平方向，如圖5（a）所示。

試件CH2-CB受壓彎作用，其失效模式與試件CH2-B相似，試件破壞發(fā)生在底部，柱底鋼管發(fā)生鼓屈，鼓屈處內(nèi)部混凝土膨脹，且受拉區(qū)鋼管開裂，裂縫方向水平，如圖5（b）所示。

試件CH2-TB1受扭彎荷載作用，其失效模式表現(xiàn)為柱底鋼管發(fā)生斜向鼓屈，并在鼓屈處進一步發(fā)展裂縫，表現(xiàn)為斜向撕裂，如圖5（c）所示。

試件CH2-CBT1受壓彎扭荷載作用，其失效模式與試件CH2-TB1相似，試件破壞發(fā)生在底部，柱底鋼管在荷載作用下首先發(fā)生斜向鼓屈，隨著試驗的繼續(xù)進行，鋼管在鼓屈處開展斜向裂縫，如圖5（d）所示。

3 彎矩-位移和扭矩-位移滯回性能

純彎和壓彎作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的彎矩-位移滯回曲線如圖6所示。純彎和壓彎作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的卸載剛度與加載剛度均差異較小，其滯回曲線較為飽滿，無明顯“捏攏”效應，具有良好的耗能能力。

內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱在彎扭和壓彎扭作用下的彎矩-位移滯回性能曲線如圖7所示。在軸壓比為0.24、扭彎比為0.34的試驗條件下，僅受彎扭作用的試件彎矩-位移滯回曲線更為飽滿，表明軸壓作用會降低內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的受彎承載力和耗能能力。

通過對比試件CH2-B和CH2-TB1的彎矩-位移滯回曲線可以發(fā)現(xiàn)，扭矩作用也會降低內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的受彎承載力和耗能能力，主要原因為，往復扭矩的剪切作用使得內(nèi)部混凝土破壞而減小了其強度。

彎扭和壓彎扭作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的扭矩-扭轉(zhuǎn)角滯回曲線如圖8所示。兩個試件的區(qū)別在于，試件CH2-CTB1承受了軸壓比為0.24的豎向作用力，通過滯回曲線的比較可以發(fā)現(xiàn)，軸向作用力使得試件耗能能力減小，極限荷載作用下最大扭轉(zhuǎn)角變小。

4 彎矩-位移、扭矩-位移骨架和力學特征

試件CH2-B、CH2-B、CH2-TB1、CH2-CBT1的荷載工況中均存在彎矩作用，其彎矩-位移骨架曲線如圖9所示。彎矩作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的力學特征如表3所示，扭矩作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的力學特征如表4所示。

由圖9和表3可知，4個試件屈服彎矩無明顯差異，屈服位移隨荷載情況的逐漸復雜而逐漸減小，峰值彎矩和極限彎矩值也無明顯差異。對比試件峰值位移可以發(fā)現(xiàn)，在軸向壓力作用下，試件的峰值位移比無軸力作用下的試件明顯降低。軸向力作用使得內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的延性系數(shù)整體降低，相對于無軸向力的工況分別下降了32%和28%。

試件CH2-TB1、CH2-CBT1的荷載工況中均存在扭矩作用，其扭矩-扭轉(zhuǎn)角骨架曲線見圖10。

由圖10和表4可知，試件CH2-TB1和CH2-CBT1在屈服扭矩、屈服扭轉(zhuǎn)角、峰值扭矩和極限扭轉(zhuǎn)角上無明顯差異。但試件CH2-CBT1峰值扭轉(zhuǎn)角為1.1°，與無軸力作用的CH2-TB1對比可知，軸向壓力會使試件扭轉(zhuǎn)性能下降，極限扭轉(zhuǎn)角也有降低，試件延性變差。

5 剛度退化

Wang 等[15]對鋼管混凝土柱進行了復雜工況下的加載試驗，提出了扭轉(zhuǎn)退化剛度的計算公式。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 之間的相關關系，見式（1）

內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱扭轉(zhuǎn)退化剛度Kθ 如圖11 所示。分析圖11 中受扭剛度退化曲線可知，在彎扭和壓彎扭作用下，扭轉(zhuǎn)角與屈服扭轉(zhuǎn)角之比（θ/θy，θy 為純扭作用下內(nèi)嵌H 型鋼鋼管混凝土柱的屈服扭轉(zhuǎn)角）隨kθ /kθe （kθe 取純扭下屈服扭轉(zhuǎn)剛度）的降低而降低。

純彎和壓彎作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的受彎剛度退化如圖12所示。由圖12可知，當受彎位移與屈服受彎位移之比（Δ/Δy，Δy為純彎下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的屈服位移）小于1.5時，壓彎作用下試件的受彎剛度與初始受彎剛度比（ΚΔ /ΚΔe ，ΚΔe為純彎下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的屈服位移）大于純彎作用下的剛度比，而壓彎作用下試件的受彎剛度衰減較純彎下柱更快，說明軸壓力可增大柱的早期受彎剛度，但也加大了內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的受彎剛度衰減。

扭彎作用和壓彎扭作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱的受彎剛度退化如圖13所示。扭彎作用下，受彎剛度與初始受彎剛度比（ΚΔ / ΚΔε ，ΚΔε為純彎下試件的屈服位移）隨位移與屈服位移的增大而降低，當Δ/Δy達到1.3時，剛度比降低減緩。

6 破壞機理

壓彎扭作用可看作軸壓、純彎和純扭3種作用的疊加，當軸壓為零時，為彎扭作用。軸壓作用下內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱截面受到均勻壓應力作用，組合柱內(nèi)混凝土因鋼管的約束作用而處于三向受壓狀態(tài)（σ1>σ2=σ3），鋼管因豎向軸壓力和混凝土的環(huán)向膨脹而處于雙向壓-拉應力狀態(tài)，H型鋼因軸壓而處于壓應力狀態(tài)。純彎作用下組合柱截面沿中性軸兩邊分別為受壓區(qū)和受拉區(qū)，受壓區(qū)和受拉區(qū)中鋼管、混凝土和H型鋼都分別受到非均勻壓應力和拉應力，受壓區(qū)鋼管處于壓（縱向）-拉（環(huán)向）應力狀態(tài)，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，H型鋼處于單向受壓應力狀態(tài)，而受拉區(qū)鋼管處于雙拉應力狀態(tài)，混凝土處于環(huán)向受壓而縱向受拉的應力狀態(tài)，H型鋼處于單向受拉應力狀態(tài)。純扭作用下H-CFST柱截面鋼管、H型鋼和混凝土處于純剪應力狀態(tài)，混凝土的剪應力最外側(cè)最大而中心位置最小。

軸壓力、彎矩和扭矩作用下H-CFST柱截面沿中性軸分別為壓剪區(qū)和拉剪區(qū)。壓剪區(qū)鋼管環(huán)向受到拉剪應力而縱向受到壓剪應力的雙向應力，混凝土的環(huán)向和縱向都受到壓剪應力的雙向應力，H型鋼受到單向壓剪應力。拉剪區(qū)鋼管的環(huán)向和縱向都受到拉剪應力的雙向應力，混凝土環(huán)向受到壓剪應力而縱向受到拉剪應力的雙向應力，H型鋼受到單向拉剪應力。軸壓力、彎矩和扭矩作用下，H-CFST柱破壞時，鋼管表面鼓屈兼有三者單獨作用時的破壞形狀特點，軸壓作用時外鋼管的鼓屈方向為環(huán)向水平，純彎作用時外鋼管的鼓屈方向為環(huán)向水平（鼓屈位置位于受壓區(qū)最外側(cè)），純扭作用時柱的鼓屈方向為斜向并與水平成45°夾角，彎扭同時作用時，組合柱的鼓屈方向為斜向并與水平成0～45°夾角，壓彎扭作用時，因軸壓的引入，H-CFST柱的鼓屈方向斜向鼓屈與水平方向的夾角會進一步減小。軸壓力沿組合柱截面產(chǎn)生壓效應，扭矩沿H-CFST柱截面產(chǎn)生剪切效應，而彎矩沿H-CFST柱截面受拉區(qū)和受壓區(qū)分別產(chǎn)生拉壓效應，H-CFST柱正是在壓效應、剪切效應和拉壓效應共同作用下破壞，壓彎扭作用下H-CFST柱的破壞疊合了壓、彎、扭下H-CFST柱破壞形態(tài)的特點，如圖14所示。

7 結(jié)論

在純彎、壓彎、扭彎及壓彎扭荷載作用下，對4個內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱進行擬靜力加載試驗，對試驗結(jié)果進行定性分析，并對實際工程使用提出建議，得到以下主要結(jié)論：

1）設計制作了4個試件以進行多工況試驗，控制試件的軸壓比為0.24，扭彎比為0.34，對比分析不同荷載作用下試件的破壞形態(tài)和受力性能。但由于試件數(shù)量有限，在實際工程中軸壓比和扭彎比有一定的變化范圍，筆者將其控制為一定值。

2）分析試件在多工況下的滯回曲線發(fā)現(xiàn)，軸力與扭矩會使試件的抗彎承載力降低，試件耗能能力變差。由于扭轉(zhuǎn)和彎矩作用，分析試件骨架曲線時將其分為兩類：扭轉(zhuǎn)-位移角骨架曲線與彎矩-位移骨架曲線，并分析其力學特征。

3）內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱用于實際工程中的造價成本低于純鋼結(jié)構，且力學性能也有提升。實際使用內(nèi)嵌H型鋼鋼管混凝土柱時，在設計階段應合理考慮軸壓比與扭彎比，使結(jié)構整體性能更優(yōu)。

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