镂空钢管约束混凝土柱试验研究

赵德芳，李 昶

(1.河北工业大学后勤管理处，天津 300130;2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)

镂空钢管约束混凝土柱试验研究

赵德芳1，李 昶2

(1.河北工业大学后勤管理处，天津 300130;2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)

钢管约束混凝土柱是一种新型结构构件，其约束钢管采用镂空形式，外部由一层纤维增强塑料(FRP，Fiber Reinforcement Plastic)封闭。研究采用的镂空钢管为方形管，边长为30.8cm，高度为11.43cm，有2种不同的镂空圆孔分布模式:一种为正方形布置，一种为梅花形布置。试验的约束混凝土柱试件总数为27根，单向压缩试验表明，镂空钢管约束混凝土柱极大地提高了混凝土的变形能力及能量吸收能力。同时，与梅花形镂空圆孔布置的镂空钢管约束混凝土试件相比，正方形镂空圆孔布置的钢管约束混凝土试件具有更强的变形及能量吸收能力。

格栅;钢管约束混凝土柱;纤维增强塑料

近年来，钢管及纤维增强塑料管约束混凝土柱的研究与应用得以迅猛发展［1-9］。与传统钢筋混凝土柱相比，钢管或FRP管约束混凝土柱的主要优势在于:不需要建筑模板，具有更高的强度和韧性，以及更好的能量吸收能力。特别是FRP管，还具有耐腐蚀能力，因此更适合恶劣环境下应用。

在钢管或FRP管约束混凝土柱中，约束管自身主要处于两向应力状态——轴向受压和环向受拉，约束混凝土柱的混凝土与约束管间需要有较强的界面结合能力，以利于荷载的传递［10］。近几年，镂空型FRP管约束混凝土柱越来越受到重视［11-14］，因其能充分利用混凝土和镂空圆孔之间的机械嵌锁能力。试验研究成果表明，相比于常规的FRP管，圆形FRP镂空管约束混凝土柱具有更高的承载能力、更大的变形能力和更大的能量吸收能力。

笔者主要研究了一种改进的镂空型钢管约束混凝土柱的结构性能和破坏模式。为了增强钢管的耐腐蚀能力，用一层薄的FRP从外部封闭镂空钢管，其另一个作用则是可防止混凝土浇筑时从镂空开孔流出。为便于试验加工，采用了方形钢管形式。

1 试验

1.1 原材料和试件制备

试件用混凝土采用I型波特兰水泥、碎石、天然砂、水和增塑剂DAVA170制备。研究中，为与国外已有研究成果相对照，混合物设计参照美国混凝土协会(ACI)的211.1(“Standard Practice for Selecting Proportions for Normal Heavyweight and Mass Concrete”，大体积混凝土配合比实用标准，1991年)。重量比是水泥∶水∶粗集料∶细集料∶添加剂 =1∶0.56∶3.80∶2.19∶0.001。为制作镂空钢管，选用了一种低碳钢钢板，其厚度为6.35 mm，屈服强度为308 MPa，弹性模量为200 GPa。首先将这种钢板切割成长30.8 cm、宽11.43 cm的小块，然后在其上钻圆孔，孔径为25.4 mm，从而得到镂空的钢板。通过边缘的接缝焊接，将镂空钢板组合成30.8 cm高、宽和长都是11.43 cm，两端开口的方形镂空管。

为评定这些方柱状镂空钢管结构性能，成型了2组试件，一组试件采用正方形镂空圆孔布置，而另一组则采用梅花形镂空圆孔布置，如图1根据钢管4个侧面的镂空面数目不同，每一组试件又细分为4类(第1类至第4类为正方形镂空圆孔布置;第5类至第8类为梅花形镂空圆孔布置):第1类和第5类有一面镂空，其余3面不镂空;第2和第6类在2个相对的表面上都有镂空，其余面不镂空;第3和第7类在3个面上有镂空，有一个面不镂空;第4和第8类则在所有4个面上均有镂空。而对照组试件，其钢管的4个侧面均为实心钢板，并在外面裹覆了一层相同的FRP薄层。

图1 正方形镂空圆孔布置钢板和梅花形镂空圆孔布置钢板示意Fig.1 Parallel and spiral arrangement of punch hole

分别称重每一类试件，以获得各类试件单位重量的荷载-位移曲线。根据天平称重结果，正方形镂空圆孔布置形式情况下，第1至第4类试件的平均重量分别为 5.62，4.96，4.25 和 3.55 kg，实体钢管对照组的平均重量为6.38 kg。而梅花形镂空圆孔布置的钢管约束混凝土试件，其5，6，7，8类试件的平均重量则分别为 5.69，5.01，4.37 和 3.66 kg。

在镂空钢管成型后，采用手工成型技术，在所有试件表面采用紫外线固化的7 715型玻璃纤维增强乙烯基酯复合材料裹覆以形成FRP裹覆层(7 715型玻璃纤维是一种无定形纤维)。本研究中，纤维沿环向定向以提供最大的约束。每根钢管用2层FRP裹覆，2层搭接长度为25.4 mm。裹覆后，将试件放置在紫外线光源下固化，该过程在1 h之内结束。浇筑混凝土前，钢管的一端用一层塑料布封闭，然后进行混凝土的拌和、浇筑、振捣、成型，最后在100%相对湿度的标准养生室养生28天。

1.2 压缩试验

压缩试验参考ASTM C39标准(Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens，混凝土柱体试件抗压试验标准)用FORNEY试验机进行。该设备具有2 688 kN的加载能力。每一试件都先单轴压缩加载至大约40%的混凝土无侧限抗压强度，然后卸载，以保证试验各部件紧密接触，减少位移测定中的误差。然后，试件被加载直至破坏，加载速率为0.23 MPa/s。在此过程中，通过计算机数据采集系统直接记录荷载-位移曲线。

2 试验结果分析

2.1 轴向荷载-位移行为

每一类试件的单位重量荷载(kN/kg)-位移(mm/kg)曲线如图2。可以看出:镂空钢管约束混凝土柱的荷载-位移曲线所表现出的力学行为与实体钢管约束混凝土对照组试件类似。荷载-位移曲线可以不失一般地描述为一个线弹性区间接一段几乎水平的曲线。

曲线图表明试件的屈服，接下来是应变硬化，直至达到荷载峰值。一旦达到峰值，柱体位移增加所需施加的荷载迅速减小，这表明柱体结构的破坏。这种结构行为的原因可解释如下:在单轴压缩荷载作用下，在方形约束钢管的环向，每个面上的拉应力逐渐增加，这种拉应力在钢管的四个角上最大。这一角点上的应力集中导致焊接位置的屈服和硬化，这与低碳钢在受拉时的情况类似。

图2 不同类型柱体的压应力和压应变Fig.2 Specific compressive stress and strain of various types of cylinders

2.2 抗压强度和变形能力

表1列出了试验的峰值荷载和对应的峰值位移汇总数据。比较镂空钢管和实体钢管试件可以发现，镂空钢管的轴向荷载减小了。这一减小随着镂空面的增加而变得越来越明显，特别是对正方形圆孔布置的镂空钢管。这种减少可能是由于钢管与混凝土芯共同承担荷载，由于减少了钢的用量，镂空钢管的刚度比实体钢管的低，从而在同样的轴向荷载作用下，混凝土芯分担了更多的荷载并产生了更多的侧向膨胀，导致钢管更大的环向应力，最终，镂空钢管柱体在更低的轴向荷载作用下破坏。

与实体钢管相比，镂空钢管约束混凝土柱在变形能力(韧性)方面有所增强。这种增强在镂空面增加时变得更加显著。变形能力增加的原因可解释如下:对于实体钢管和镂空钢管的实体面板，单向压缩加载时能观测到局部屈服失稳的发生，如图3所示。这种局部失稳的位移较小。另一方面，对于镂空钢管面，由于机械嵌锁和混凝土的侧面支撑作用，没有局部失稳发生，镂空钢管表面的破坏主要是每个单元的轴向变形，因而镂空钢管柱体表现出更好的变形性能。

比较正方形镂空圆孔布置的钢管约束混凝土柱和梅花形镂空圆孔布置的钢管约束混凝土柱可以发现，正方形钢管约束柱会有更大的强度损失，但变形能力更佳。具体应用时，正方形镂空圆孔布置钢管约束混凝土柱可能更适用于那些对韧性有更高要求的场合;另一方面，梅花形镂空圆孔钢管约束混凝土柱在抗压强度是控制性因素的情况下应用更合理。试验中观测到，实体钢管面的局部失稳或正方形镂空圆孔布置钢管的轴向变形位置都出现于柱体端部附近。对梅花形镂空圆孔布置钢管面来说，在每个侧面的端部上比正方形圆孔布置镂空钢管有更多的钢材，导致其具有更高的强度和更低的韧性，这一点与实体钢管面类似。

表1 约束混凝土柱的荷载和位移随镂空钢管类型不同而变化的情况Tab.1 Variation of specific load and specific displacement with number of ribs

图3 实体钢管柱和镂空钢管面破坏模式Fig.3 Failure modes of solid steel face and grid face

3 结论

笔者对镂空钢管约束方形混凝土柱的试件成型和相关试验进行了研究。试验结果表明:镂空钢管约束方形混凝土柱的力学行为与实体钢管约束混凝土柱对照组试件类似。与对照组相比，除个别情况(图2中曲线5-单面正方形镂空)外，镂空钢管约束混凝土柱普遍由于机械嵌锁而具有更高的韧性，同时由于镂空钢管面的刚度减小而强度下降。与正方形镂空圆孔布置钢管约束混凝土柱试件相比，梅花形布置钢管约束混凝土柱的抗压强度更高但韧性较差，这可能是由于在梅花形镂空圆孔布置钢管端部有更多的实体钢材，局部刚度更高所致。

［1］王文达，韩林海.钢管混凝土柱-钢梁平面框架的滞回关系［J］.清华大学学报:自然科学版，2009，49(12):1934-1938.

WANG Wen-da，HAN Lin-hai.The hysteresis curves of concrete filled square steel tube columns and steel beam planar frames［J］.Journal of Tsinghua University:Natural Science，2009，49(12):1934-1938.

［2］李竹，王文达，于清.地下工程中钢管混凝土柱的抗火计算与实践［J］.铁道建筑，2009(9):60-63.

LI Zhu，WANG Wen-da，YU Qing.The Anti-flame computation and application of steel tube concrete cylinder in underground engineering［J］.Railway Architecture，2009(9):60-63.

［3］韩金生，董毓利，徐赵东，等.配筋钢管混凝土柱抗压性能［J］.土木建筑与环境工程，2009，31(3):11-17.

HAN Jin-sheng，DONG Ming-li，XU Zhao-dong，et al.The anti-compressive character of steel and bar reinforced concrete cylinder［J］.Civil Engineering and Circumstance Engineering，2009，31(3):11-17.

［4］曹远军，黄明奎，庄家智，等.矩形钢管混凝土柱局部屈曲分析［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2010，29(1):30-32.

CAO Yuan-jun，HUANG Ming-quan，ZHUANG Jia-zhi，et al.Local buckling performance of rectangular concrete-filled steel columns［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Sciences ，2010，29(1):30-32.

［5］张志权，赵均海，张玉芬，等.复合钢管混凝土柱轴压承载力的计算［J］.长安大学学报:自然科学版，2010，30(1):67-70.

ZHANG Zhi-quan，ZHAO Jun-hai，ZHANG Yu-feng，et al.Axial bearing capacity of composite-sectioned square concrete-filled steel tubes［J］.Journey of Changan University:Natural Science，2010，30(1):67-70.

［6］张江彬，徐赵东，韩金生，等.接触热阻及热湿耦合作用对火灾下钢管混凝土柱温度场影响的研究［J］.工程力学，2010，27(9):133-138.

ZHANG Jiang-bing，XU Zhao-dong，HAN Jin-sheng，et al.Study on the effect of thermal contact resistance and coupled heat and moisture on temperature field of cfst columns［J］.Engineering Mechanics，2010，27(9):133-138.

［7］Hajjar J F，Gourley B C.Representation of concrete-filled steel tube cross section strength［J］.Journal of Structural Engineering，1996，122(11):1327-1336.

［8］Mirmiran A，Shahawy M.Behavior of concrete columns confined by fiber composites［J］.Journal of Structure Engineering，1997，123(5):583-590.

［9］Spacone E，El-Tawil S.Nonlinear analysis of steel-concrete composite structures:state of the art［J］.Journal of Structural Engineering，2005，130(2):59-168.

［10］ LI Guo-qiang.Experimental study of FRP confined concrete cylinders［J］.Engineering Structures，2006，28(7):1001-1008.

［11］ LI Guo-qiang.Experimental study of hybrid composite cylinders［J］.Composite Structures，2007，78(7):170-181.

［12］ LI Guo-qiang，Maricherla D.Advanced grid stiffened FRP tube encased concrete cylinders［J］.Journal of Composite Materials，2007，41(15):1803-1824.

［13］ LI Guo-qiang，Velamarthy R C.Fabricating，testing，and modeling of advanced grid stiffened fiber reinforced polymer tube encased concrete cylinders［J］.Journal of Composite Materials，2008，42(11):1103-1124.

［14］ JI Ge-fu，OUYANG Zhen-yu，LI Guo-qiang.Experimental investigation into the interfacial shear strength of AGS-FRP tube confined concrete pile［J］.Engineering Structures，2009，31(10):2309-2316.

Experimental Research of Grid Tube Steel and FRP Confined Concrete Cylinders

ZHAO De-fang1，LI Chang2
(1.Department of Facility Management and Service，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China;
2.College of Transportation Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China)

This paper introduced a new kind steel tube confined concrete cylinder，which had grid steel tube style，and closed in FRP(Fiber Reinforcement Plastic)membrane.The tube had the rectangle shape，and its width was 30.8cm，height was 11.43cm，the punch circle had two types of arrangements:one was square，the other was spiral.There were totally 27 specimen.Single dimensional compressive experiment showed that grid steel tube improves the deformation and energy-absorbing abilities.Comparing with spiral type arrangement，the square type arrangement specimen had better abilities of deformation and energy-absorption.

grid;steel tube confined concrete cylinder;FRP

TU398.9

A

1674-0696(2011)03-0381-03

2011-02-10;

2011-04-30

赵德芳(1974-)，女，河北廊坊人，助工，主要从事土木工程试验方面的研究。E-mail:zdf007007@sohu.com。