L形钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力的研究

张淑芬

(辽东学院城市建设学院，辽宁丹东 118003)

[定稿日期]2017-09-29

目前，钢骨混凝土柱多为矩形或方形柱，而对于钢骨混凝土异形柱，在国内外的研究尚少。广西大学的苏益声教授[1]、西安理工大学的李哲教授[2]、西安建筑科技大学的赵鸿铁教授[3-7]等主要对空腹式钢骨混凝土异形柱进行了深入研究。北京工业大学的曹万林教授[8]曾结合北京财富中心一期工程，设计研究了一种钢骨混凝土异形柱，这种形式的钢骨混凝土异形柱虽属于实腹式，但不具有普遍性。笔者提出了一种更具有普遍推广意义的实腹式钢骨混凝土异形柱[9-10]，并对这种新型构件的承载能力进行了试验研究, 提出了L形钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力的计算公式，试验证明这种新型实腹式钢骨混凝土异形柱可以在工程中推广使用。

1 试验

1.1 加载装置及加载制度

试验在500 t液压式万能试验机上进行，加载装置如图1所示。在柱肢中部垂直于柱肢轴向的水平方向布置3个位移计，用于观察异形柱在轴向加载下的侧向弯曲变形。在平行于柱肢轴向布置1个位移计，用于观察柱沿轴向的变形。

图1 加载装置

试验采用分级加载的方式，步骤为：先将试件置于加载试验机上，然后进行预载，再逐级施加竖向荷载，初期每级荷载为100 kN ,在试件出现裂缝后每级荷载为50 kN，直到破坏。

1.2 试件设计

试验设计了4个试件，其中3个为钢骨混凝土异形柱，1个为普通钢筋混凝土异形柱。试件高度均为H=600 mm，试件外包截面尺寸为b×h=200 mm×200 mm，试件高宽比H/b=3，符合短柱要求。试件编号及名称解释见表1。

表1 试件名称与编号

试验设计的异形柱具体截面尺寸及配筋形式如图2所示。其中异形柱柱肢宽度均为60 mm，钢骨混凝土异形柱中钢骨的翼缘宽度为40 mm。钢板由剪板机剪切而成，采用手工电弧焊组成钢骨骨架。箍筋与纵向钢筋之间采用绑线绑扎连接。

1.3 材料的力学性能

钢骨分别采用厚度为8 mm、6 mm、4 mm的钢板，材质为Q235，纵向钢筋和箍筋分别采用直径为6 mm和4 mm的HPB235级钢筋。钢板和钢筋的实测力学指标见表2。混凝土采用商品混凝土，其设计标号为C60，由沈阳建富商品混凝土有限公司生产，其实测力学指标见表3。

表2 钢板/钢筋实测力学指标

2 异形柱受力性能分析

2.1 试件纵向变形及破坏过程分析

异形柱在轴心荷载下的纵向变形如图3所示。

图3 轴心荷载下的纵向变形曲线

由图3可以看出：从开始加载到破坏，4个试件在轴心压力作用下，破坏过程大致相同，都经历了三个阶段，即弹性阶段、带裂缝阶段和破坏阶段。

(1)弹性阶段：当荷载较小时，混凝土、型钢及纵向钢筋均处于弹性状态。

(2)带裂缝阶段：随着荷载的增大，柱肢中部混凝土出现微小裂缝。试件进入此阶段的快慢程度与钢骨有关，含钢骨的3个试件开裂荷载为极限荷载的70 %左右，而无钢骨的试件开裂荷载为极限荷载的50 %。但对于4个试件，当压力达到大约极限荷载的90 %时，裂缝才明显发展。也就是说，有钢骨的试件开裂较晚，而无钢骨的试件开裂较早，但裂缝明显发展出现的时间基本上都相同，大致在接近破坏阶段。

(3)破坏阶段:荷载的继续增大，混凝土达到极限压应变，混凝土被压碎、剥落，部分纵向钢筋压曲外弯，型钢达到屈服，个别钢骨翼缘发生局部屈曲。

在试件达到极限荷载之后，有钢骨的试件承载力下降较为平缓，试件纵向变形较大，明显呈延性。而无钢骨的试件承载力下降较陡，试件纵向变形较小，明显呈脆性。由此可以看出，钢骨的存在改善了构件的延性。

2.2 试件横向变形分析

异形柱在轴心荷载下的横向变形如图4所示。

图4 轴心荷载下的横向变形曲线

由图4异形柱在轴心荷载下的横向变形曲线可以看出:在试件达到极限荷载之前，横向变形非常小可以忽略；在试件达到极限荷载之后，横向变形才开始迅速增加。所以，可以按轴心受压考虑。

3 异形柱承载力分析

钢骨混凝土异形柱与钢筋混凝土异形柱承载力见表4。

由表4可知钢骨的存在对构件承载力提高较大。从表4可以看出，钢骨厚度分别为8 mm、6 mm、4 mm的L形钢骨混凝土异形柱轴心抗压承载力比普通钢筋混凝土异形柱分别提高了53 %、50 %、38 %。提高的原因主要存在于两个方面：(1)有钢骨异形柱的总含钢率分别为14.9 %、11.4 %、7.9 %，而无钢骨异形柱的配筋率仅为1.0 %，因而使得钢骨混凝土异形柱承载力得到较大提高；(2)由于钢筋混凝土包裹型钢，使得型钢不易发生失稳和局部屈曲，型钢的强度得到了充分发挥，因而有效地提高了构件的承载力。

表4 钢骨混凝土异形柱与钢筋混凝土异形柱承载力的比较

注：P是各个试件的承载力；P0是试件“LZ-0”的承载力。

4 异形柱轴心受压承载力计算

表5 承载力的计算结果与试验结果的对比

5 结论

(1)对轴心荷载下的钢骨混凝土异形柱和普通混凝土异形柱的破坏过程以及试件变形进行了比较，钢骨混凝土异形柱的延性更好。

(2)钢骨混凝土异形柱比普通混凝土异形柱的承载力有明显的提高，并且在其他条件不变的情况下，随着含钢骨率的提高，其承载力也提高。

(3)对不同含钢骨率及无钢骨构件的承载力进行对比分析，提出了十形钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力的计算公式，计算值与试验结果吻合较好。

[1] 许安邦，陈宗平，苏益声，等. 两种不同混凝土异形柱正截面极限承载力的比较[J]. 广西大学学报,2006,31(2):167-171.

[2] 李哲， 阙良刚. L形和T形型钢异形截面柱轴心受压承载力的试验研究[J].西安理工大学学报,2005,21(2):165-168.

[3] 陈宗平，张喜德，苏益声，等. 桁架式型钢混凝土异形柱正截面承载力的试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报,2006,38(1):109-114.

[4] 陈宗平，张喜德，苏益声，等. 型钢混凝土异形柱正截面承载力的理论研究[J]. 西安建筑科技大学学报,2005,37(3):345-349.

[5] Chen Zongping, Zhao Hongtie, Xue Jianyang, et al. Concrete cover thickness of SRC special-shaped columns[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2005,37(2):181-184.

[6] Chen Zongping, Zhao Hongtie, Xue Jianyang, et al. Shape steel layout analysis of SRC special-shaped columns[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2005,37(2):128-131.

[7] Zhao Yonghong, Chen Zongping, Zhao Hongtie, et al. Analysis of steel arrangement based on bearing capacity for special shaped columns[J].Journal of Building Structures,2006,27(S):475-479.

[8] 樊太，曹万林. 钢骨混凝土异形柱正截面承载力及延性计算分析[J].世界地震工程，2004,20(1):133-137.

[9] 徐亚丰，宋宝峰，李钢, 等.十字形钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力研究[J]，沈阳建筑大学学报:自然科学版，2007,23(6)：910-913.

[10] 宋宝峰，徐亚丰，李钢， 等.轴心受压下十字形钢骨混凝土异形柱延性的研究[J]，辽东学院学报:自然科学版，2007,14(4)：208-212.