带肋方钢管混凝土柱偏心受压试验研究

黄 宏，万城勇

(铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

0 前言

方钢管混凝土是在方形钢管中灌注混凝土而成的构件，具有承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能和经济效果好等特点，近年来越来越多地被应用于高层和超高层等建筑中。方钢管混凝土中钢管的宽厚比若超过一定的范围，在荷载的作用下，管壁较易产生向外的局部屈曲，降低了构件的承载力。为提高此类构件管壁的稳定性，可采用设置纵向加劲肋、约束拉杆和角部隅撑等构造措施。本文拟对在管壁内设置纵向加劲肋的方钢管混凝土偏压试件进行研究，称之为带肋方钢管混凝土。由于加劲肋增加了方钢管混凝土管壁的约束支撑点，所以，它不仅弥补了管壁中部约束效应弱的情况，而且，有效地控制了局部屈曲的发展。其截面形式如图1所示。

图1 带肋试件截面示意

国内外已有研究者对方钢管混凝土试件进行了试验和理论研究。曹宝珠(2004)[1]进行了7根薄壁方钢管混凝土长柱的偏压试验，并且采用有限元软件ANSYS和基于塑性区域假定的能量方法对其进行了模拟计算;陶忠和于清(2006)[2]进行了18个薄壁方钢管混凝土偏压构件的试验研究，其中包括6个带加劲肋的试件和12个不带加劲肋的试件，在试验研究的基础上，采用纤维模型法和有限元法对其进行了理论计算;陈勇等(2006)[3]进行了9个无肋、单向和双向设置直肋方形薄壁钢管混凝土长柱偏压和轴压的试验，并且用正交试验设计和多元回归分析评价了加载初始偏心距、设置直肋集合长度对长柱极限承载力的影响;UY(2000)[4]进行了30个方钢管混凝土试件在轴压、纯弯和偏压荷载作用下力学性能的试验研究，试验考察的主要参数为宽厚比。本课题组已对带肋方钢管混凝土轴压和纯弯试件进行了试验研究［5-6］。

本文拟以长细比和偏心率为主要变化参数，通过与无肋方钢管混凝土的对比试验研究，考察带肋方钢管混凝土试件偏心受压的力学性能。

2 试验概况与方法

共设计了12个方钢管混凝土试件，其中包括6个带加劲肋的试件和6个不带加劲肋的试件，具体参数见表1。其中，B为方钢管边长，t为管壁厚度，hs为加劲板件宽度，ts为加劲板件厚度，如图1所标注。fy为钢材的屈服强度，fcu为混凝土的立方体抗压强度，Nue为试验测得的试件极限荷载。试件设计时，主要变化参数为方钢管的长细比 λ(λ=L/i，L为构件计算长度，i为截面回转半径)和荷载偏心率e/r(e为荷载偏心距，r=B/2)。试件具体情况如表1所示，其试件编号中的CUS代表无加劲肋的方钢管混凝土试件，CSS代表带加劲肋的方钢管混凝土试件。

表1 试件参数一览表

制作带肋方钢管时，先按预定的尺寸切割下四块用于制作管壁的钢板，然后沿纵向在其预定位置焊接加劲肋，再拼焊成钢管。对应每个试件加工两个板厚为10 mm的方形钢板作为试件的盖板，盖板和方钢管采用角焊缝进行连接，空钢管两端要打磨平整，盖板和空钢管的几何中心对中，先在空钢管一端将盖板焊上，另一端等混凝土浇灌之后再焊接。其中，钢材强度由标准的拉伸试验确定。

采用人工搅拌配制混凝土，浇注时将方钢管竖立，从顶部分层灌入混凝土，并用插入式振捣棒进行振捣或在钢管表面进行敲击(伸入钢管内部进行完全振捣，在试件的底部同时用振捣棒在钢管的外部进行侧振，使之密实)。试件为自然养护，两周后凿去混凝土表面浮浆，再用高强环氧砂浆将混凝土表面与钢管管面抹平，待其硬化后打磨平整，然后焊上上盖板，以保证钢管和核心混凝土在受荷初期就能共同受力。混凝土的用料有水、普通硅酸盐水泥、中砂和碎石，最大粒径为25 mm。混凝土的重量配合比为:水泥∶水∶砂∶碎石 =1∶0.5∶1.52∶2.83。混凝土标准立方体强度 fcu由同条件成型养护的150 mm立方体试块测得。

试验在华东交通大学结构试验室500 t压力机上进行。试件两端采用刀铰加载，以期模拟两端为铰接的边界条件。考虑到加载时应满足不同试件加载偏心距的要求，在试件两端设置了特别加工制作的加载板。加载板(30 mm厚)由模具钢材制成，其上按预定偏心距设置相应的条形凹槽，与刀口铰(20 mm厚)的刀口相吻合。为保证试验的安全以及在试验过程中构件的对中准确，加载板与试件的两端的盖板用螺栓进行连接。在试件弯曲平面内沿柱高设置若干电测百分表，以测定试件在加载过程中的侧向挠度的变化情况。对于较小长细比的试件(L=950 mm)，共设置三个电测百分表并沿柱高四分点布置;对于较大长细比的构件(L=1 850 mm)，沿柱高六分点位置处布置五个电测百分表;并且在试件柱端设置两个电测百分表，以测定纵向总变形。试验加载和测量装置如图2所示。同时，在试件中截面的钢管外表面中部与沿截面高度四分点处设置了纵向及横向应变片，以观测试件受力过程中应变的变化情况，如图3所示。

图2 试验加载和量测装置示意

图3 应变片位置示意

试验采用分级加载制。弹性范围内，每级荷载为预计极限荷载的1/10。当荷载加至70%的理论极限值或钢管发生局部屈曲后，每级荷载约为预计极限荷载的1/15。每级荷载的持荷时间约为2 min，接近破坏时慢速连续加载，直至试验结束。试验过程中的变形试验数据均通过DH3819数据采集仪自动采集。荷载值人工读取。

2 试验结果与分析

偏心距为零的试件均在接近柱端部分呈现轴压破坏的特征，最终因失稳而破坏。试件在加载初期挠度变化不明显。无肋试件在轴向荷载加至40%～60%的极限荷载时，出现局部屈曲。带肋试件由于加劲肋对钢管的支撑约束作用，其局部屈曲在试件临近极限承载力时才开始出现，由此可见，设置加劲肋能很好地延缓钢管的局部屈曲。长细比越大的试件，局部屈曲会越早出现。由于初弯曲、初偏心的影响，试件首先在柱端附近受压侧出现局部屈曲。随着荷载的增大，试件在首次出现局部屈曲的一侧翼缘下部不同位置处又开始出现数处局部屈曲，且开始向两侧发展。当荷载达到峰值后，试件的承载能力急剧下降，同时，在首次出现局部屈曲位置处的钢管开始急剧外鼓，直至开裂。

偏心距不为零的试件在加载过程中均表现为侧向挠度不断增加、最终丧失稳定而破坏的特征。无肋试件在加载到极限荷载的30% ～50%时，出现局部屈曲。带肋试件局部屈曲在试件接近极限荷载时才开始出现，可见，加劲肋很好地起到了延缓钢管局部屈曲的作用。试件在中截面或中截面偏上位置处的弯矩受压区翼缘首先开始出现局部屈曲。随着荷载的增大，试件的挠度不断发展。试件在中截面附近的受压区开始出现多处局部屈曲，同时，钢管局部屈曲开始向两侧发展，试件极限荷载不断下降。

图4为所有试件的整体破坏形态。由图4可见，无肋试件与带肋试件整体破坏形态相似。无肋试件在受压区翼缘处出现一个波长约为B的局部鼓曲，而带肋试件在受压区翼缘处只出现明显的两个半波鼓曲，波长约为B/2，由此可见，加劲肋有效地控制了局部屈曲的发展。偏心率对试件破坏形态的影响比较明显，由图4可见。偏心距为0的试件破坏部位主要集中在端部，偏心距为25 mm和50 mm的试件破坏部位主要集中在中部或偏上部。

图5为试件剖开后的典型破坏形态。由图5(a)可见，受压区域外边缘及两侧钢管出现鼓曲，内部混凝土被压碎。受拉区域外边缘及两侧钢管发生外凸变形，内部混凝土产生明显的横向裂缝，如图5(b)所示。带肋试件中的加劲肋由于局部屈曲的影响，在受压区域屈曲处出现明显的弯曲变形(3面)，受拉区域处基本未出现(1面)，如图5(c)所示。试件腹板两侧外边缘出现多处屈曲，加劲肋发生弯曲变形(2面)(4面)，如图5(d)所示。

图4 所有试件的破坏形态

图5 试件剖开后的典型破坏形态

图6显示试件CSS16-2和CSS16-5在不同荷载作用阶段挠度变形的典型发展情况。图6中，横坐标为试件的挠度(u)，纵坐标为试件上各点距柱底的高度(H)，n为荷载(N)与其极限荷载(Nue)的比值，虚线绘出了理想正弦半波曲线。比较图6(a)、图6(b)可见，在整个加载过程中，试件长细比(λ)越大，相应的侧向挠度也越大。长细比较小的偏压试件(CSS16-2)，由于受混凝土浇筑和初始缺陷的影响，其挠度曲线存在不完全对称的情况，破坏截面稍偏离中截面朝上;长细比较大的偏压试件(CSS16-5)挠度曲线的发展，上下基本对称，且试件的挠度曲线和理想正弦半波曲线基本吻合，加载初期，吻合程度最好。带肋试件与无肋试件的挠度发展规律相同。

图6 各级荷载下试验测得侧向挠度曲线与正弦半波曲线比较

图7显示了试件CUS16-2、CSS16-2和CUS16-6跨中截面在各级荷载作用下纵向应变值(ε)和截面高度(x)的关系。从图7可以看出，在加载初期，跨中截面应变值沿高度的变化基本呈直线形变化，符合平截面假设。在加载初期，构件中截面的中和轴(ε=0的位置)位置略有上升，但这种趋势并不显著;在加载后期，截面中和轴位置变化较为显著，且长细比和偏心率越大，这种趋势越明显。由于加载中后期长细比不大的无肋试件的跨中截面钢管出现局部屈曲，使得后期应变值增长缓慢，甚至出现下降的现象，如图7(b)所示。这种现象在带肋试件或长细比较大试件中没有出现，这是由于加劲肋阻止了应变片位置处钢管的局部鼓曲，如图7(c)、图7(d)所示。

图7 各级荷载下试件跨中截面纵向应变(ε)—高度(x)曲线

图8显示了试件 CUS16-2和 CSS16-2、试件CUS16-6和CSS16-6受拉区和受压区边缘纤维处应变与荷载的典型变化关系。图中每个试件均有两条曲线，其中一条为受拉区边缘纤维处荷载随应变(负值)变化曲线，另一条为受压区边缘纤维处荷载随应变(正值)变化曲线。由图可见，在达到极限荷载以前，受压区或受拉区应变随荷载的增大而增大;达到极限荷载以后，由于荷载值的不断降低和中截面附近处受压区及两侧边管壁处较明显的外凸局部屈曲，使得压区应变值略有下降。由图8还可以看出，带肋试件峰值荷载所对应的峰值应变比其相应的无肋试件大。

图9所示为两种不同长细比试件的荷载(N)与相对压缩率(△/L)的关系曲线。其中，Δ代表柱端百分表测得的变形值，L代表构件的长度。从图中可以明显看出，在长细比相同的情况下，构件偏心率越大，在达到荷载峰值前，其相对压缩率越大。同时，构件长细比越大，相对压缩率越小;长细比和偏心率越大，其极限荷载和刚度都出现下降的趋势;荷载达到峰值后，偏心率越大，延性越好。对比带肋试件与无肋试件可见，带肋试件的极限荷载有所提高，提高幅度大概在10%左右。

图8 荷载(N)与受压和受拉区边缘纤维处应变(ε)关系曲线

图9 荷载(N)和相对压缩率(Δ/L)关系曲线

3 结论

1)所有试件都由于失稳而发生破坏，试件长细比和偏心率越大，其极限荷载和刚度越小;试件在达到极限荷载后，偏心率越大，延性越好。

2)加载初期，方钢管混凝土试件具有较好的弹塑性工作性能，中截面变形符合平截面假定。

3)带肋钢管混凝土柱具有较好的工作性能，加劲肋增加了钢管约束支撑点，减小了鼓曲的波长，进而有效地延缓了试件局部屈曲，提高试件的极限荷载，表现出更好的延性。

[1] 曹宝珠.薄壁钢—混凝土组合构件静力性能研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2004.

[2] 陶忠，于清.新型组合结构柱—试验、理论与方法［M］.北京:科学出版社，2006.

[3] 陈勇，张耀春，唐明.设置直肋方形薄壁钢管混凝土长柱优化设计［J］.沈阳建筑大学学报，2005，21(5):478-481.

[4] UY B. Strength of concrete filled steel box columns incorporating local buckling［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2000，126(3):341-352.

[5] 黄宏，李毅，张安哥.带肋方钢管混凝土轴压短柱的试验研究［J］.铁道建筑，2009(12):113-115.

[6] 李毅，黄宏，张安哥.带肋方钢管混凝土纯弯力学性能研究［J］.铁道建筑，2009(10):113-116.