配筋钢管混凝土短柱轴心承载力试验研究

2010-08-21缪巍

山西建筑 2010年5期

缪巍

1 概况

钢管混凝土是一种在薄壁钢管中填充混凝土主要用于承受竖向荷载的构件,是一种新型的组合结构。按截面形式的不同,可分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土。目前钢管混凝土在我国已经得到了广泛应用,并在各行各业形成了成熟的应用规范[5-8]。本文通过38个配筋圆钢管混凝土短柱轴压静载试验,揭示了其受力机理,结合理论分析,探讨研究配筋圆钢管混凝土短柱承载力计算方法,以期对钢管混凝土结构和构件研究与应用有所帮助。

2 配筋钢管混凝土短柱试验

本文试验旨在研究钢管混凝土配筋以后的力学性能变化,试验设计中参考了以往国内外对钢管素混凝土研究的诸多成果,对已有的结论不再进行讨论,只着重于考察配筋的影响,故许多参数的选择直接引用了经验数据(参照CECS 28∶90钢管混凝土结构设计与施工规程),试验装置见图1。

试验过程中发现,随着荷载的增加,短柱一般都是中部先凸出,随后是上端部有部分凸出,或是下端部随后凸出,直到试件最终破坏。试验在东南大学教育部重点实验室5 000 kN压力试验机上进行。试件两端采用平板铰支座分级单调加载。通过本次试验,初步发现:当约束效应系数较小时,钢管混凝土构件呈现一定的脆性破坏特征。

3 承载能力影响分析

混凝土强度对于配筋与无配筋钢管混凝土[9,10]具有相似的影响,对于C30以下的钢管混凝土可有效提高其承载力,而对于C30以上的,则作用着实有限。

对比配筋与无配筋钢管混凝土,含钢率对于配筋钢管混凝土的影响要小于无配筋钢管混凝土,即承载力的提升幅度小于无配筋钢管混凝土。在钢管混凝土的核心混凝土中加入钢筋确实可以提高钢管混凝土的承载力,但这种配筋的办法是否可以起到“1+1＞2”的效果,还有待确认。

在A组试件中,由于试验机器问题,C30组试件的测试出现问题,无法比较;在C40组试件中,随着配筋率由1.7%,3%,4.7%不断提高,钢管混凝土的承载力分别较无配筋钢管混凝土提高了6%,7%,19%,如图2所示。

B组试件的配筋率分别为1.6%,2.8%,4.4%,随着配筋率的不断提高,钢管混凝土的承载力有着不同幅度的提高。如图3所示,在C20组试件中,配筋钢管混凝土的承载力分别较无配筋钢管混凝土提高了10%,14%,32%,提高幅度明显高于A组的C40试件;在C30组试件中,配筋钢管混凝土的承载力分别较无配筋钢管混凝土提高了2%,7%,20%;在C40组试件中,配筋钢管混凝土的承载力分别较无配筋钢管混凝土提高了6%,12%,14%。

C组试件的配筋率分别为1.7%,2.8%,4.1%,在C组试件中,钢管混凝土的承载力也是随着配筋率的升高而不断提高。如图4所示,采用C20核心混凝土时,配筋钢管混凝土的承载力分别较无配筋时提高了10%,24%,44%;当核心混凝土为C30时,配筋钢管混凝土的承载力分别较无配筋时提高了3%,9%,21%;当核心混凝土为C40时,配筋钢管混凝土的承载力分别较无配筋时提高了4%,14%,27%。

综合比较三组配筋钢管混凝土短柱,可以看到效果最好的是C组试件中采用C20核心混凝土的钢管混凝土短柱,提升幅度分别高达10%,24%,44%,实测值为3 210 kN,3 600 kN,4 200 kN。与该组相对应的是编号为D20-C的试件,其极限承载力实测值为2 910 kN,各个试件在其基础上分别提高了300 kN,690 kN,1 290 kN。对应于C组三个试件所配钢筋的承载力计算值分别为277 kN,458 kN,684 kN,可以看到理论值与实测值有了较大出入,且随着配筋率的提高,实测值远大于计算值。

进一步对比该组试件的荷载—纵向应变曲线,如图5所示,相同荷载作用下,随着配筋率的提高,试件的纵向变形显著减少;同时对比该组试件的荷载—环向应变曲线,可以发现随着配筋率的提高,其环向变形能力提升显著,且相同荷载作用下,环向应变的大小随配筋率的升高而减小。这充分说明,在配筋钢管混凝土中,钢管在束缚了核心混凝土的横向变形的同时,有效阻止了钢筋的侧向变形,从而使得钢筋的承载力得到显著提高。

但同时也可以看到,配筋对于C40混凝土的作用效果稍差一些。尤其是在B组的C40混凝土中,承载力的提高着实有限,仅仅分别为6%,12%,14%,实测值为4 240 kN,4 480 kN,4 550 kN。作为对比的试件为D40-B,其实测值为3 990 kN。承载力初算中,配筋钢管混凝土中钢筋承受的荷载分别为 203 kN,362 kN,565 kN;对比实测值中提高的部分,分别为250 kN,490 kN,560 kN,两者相差不大。

此外,本文还对采用普通箍筋和螺旋箍筋的配筋钢管混凝土进行了对比分析,在钢管厚度一样,直径一样,混凝土强度一样,配筋率近似的情况下,采用普通箍筋与螺旋箍筋的配筋钢管混凝土承载力相差不大,采用螺旋箍筋后配筋钢管混凝土的承载力最高仅上升3.9%,有的甚至还出现了下降。同时分析箍筋的承载力—应变曲线可知,环向应变基本上同时达到最大值,这进一步说明了两种箍筋对核心混凝土的束缚作用基本一样,因而采用不同箍筋的配筋钢管混凝土承载力相差无几。

为了进一步确认配筋对于钢管混凝土是否合算,本文将部分配筋钢管混凝土中的钢筋折算成了含钢率,再重新对比,如表1所示。折算后对比发现,在相同强度混凝土,含钢率近似的情况下,承载力有10%以上的提高;而当折算含钢率与未配筋试件的含钢率相差3.5%时,两者承载力相差不大。

表1 配筋折算后承载力对比表

通过上文分析,在实际工程中应用配筋钢管混凝土时需注意以下两个方面:1)配筋钢管混凝土中的核心混凝土强度不宜太高。随着核心混凝土强度的提高,钢管对于核心混凝土和纵筋的束缚作用反倒减弱,从而影响到了柱的整体承载力;2)为了达到较好的承载力提高效果,配筋率不宜低于3%;为了节省钢筋工程的工作量,应采用普通箍筋。