圆钢管混凝土轴压短柱对比试验研究

黄 宏，郭晓宇，陈梦成，许开成

(1.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌330013;2.江西省建筑过程模拟与控制重点实验室，江西 南昌330013;3.天津大学 建筑工程学院，天津300072)

近年来，钢管混凝土结构已经越来越广泛地应用于工程实践中，并展现出良好的发展前景。国内外学者已经对普通钢管混凝土结构做了大量有益的研究［1-3］，并且在传统钢管混凝土的基础上经过改进衍生出了多种具有新特点或能满足特定使用条件的新型钢管混凝土结构，例如，通过改进截面形式得到了钢管混凝土异型柱［4］、内置钢骨的钢管混凝土［5］、椭圆形截面的钢管混凝土［6］、中空夹层钢管混凝土［7-10］和复式钢管混凝土［11-12］等。这些新兴的钢管混凝土结构不仅继承了普通钢管混凝土的优点，同时也展现出一些新的特点。与普通钢管混凝土相比，中空夹层钢管混凝土具有自重轻、抗震性能好、截面开展和抗弯刚度大等优点［13］;复式钢管混凝土在承受重载，提高结构延性和耐火性能方面具有较好的使用前景。

本文设计了圆实心钢管混凝土、圆套圆和圆套方中空夹层钢管混凝土、圆套圆复式钢管混凝土4 种截面形式的短柱试件，对其轴向载荷下的力学性能进行对比试验研究，以期掌握各自的特点，为工程实践提供更优的选择。最后应用有限元软件ABAQUS 对4 种截面形式构件的轴力-应变全过程曲线进行了模拟计算。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

本次试验通过变化截面形式设计了4 根钢管混凝土短柱试件，包括圆实心钢管混凝土(C-S-N)、圆套圆中空夹层钢管混凝土(CC-DS-N)、圆套方中空夹层钢管混凝土(CS-DS-N)和圆套圆复式钢管混凝土(CC-RS-N)试件，试件截面示意图如图1 所示。4 根试件的外管均采用同种尺寸和强度的圆钢管，试件中填充混凝土的强度相等，这也就保证了所有试件具有相同的名义含钢率αn和约束效应系数ξ，即文献［14］中定义的等效截面。对于中空夹层钢管混凝土试件同时保证了空心率χ、内管径(宽)厚比Di(Bi)/ti相等;复式钢管混凝土试件由圆套圆中空夹层钢管混凝土试件的内管填实混凝土得到。表1列出了试件的实际量测参数，其中，D 为圆管直径，B 为方管边长，t 为钢管壁厚，下标o、i 分别对应外管和内管，L 表示试件长度，空心率χ=Di/(Do-2to)(圆套方中空夹层试件χ=Bi/(Do-2to))，名义含钢率αn=Aso/Ace(Aso为外钢管的截面面积，Ace为外钢管内部所包含的面积)，约束效应系数ξ=αnfyo/fck(fyo为外钢管屈服强度，fck为混凝土轴心抗压强度标准值)，Nue为试验实测的轴压承载力，Nuc为有限元计算得到的轴压承载力。

试验中采用的圆外管为直缝焊管，方内管由4 块钢板焊接而成，试件的上下盖板采用刚度较大的16 mm 厚的钢板制作;试件浇注过程中，混凝土采用人工搅拌。混凝土的用料包括水、普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)、中砂、碎石(4.75 ～31.5 mm 连续粒级)，其重量配合比为水泥∶水∶砂∶碎石=424.5∶157.8∶590.5∶1 194.1。试件加载前，钢管材性由拉伸试验确定，混凝土强度fcu由立方体试块按标准试验方法测得，材性试验结果见表2。

图1 试件截面示意图Fig.1 Cross sections of specimens

表1 试件实测参数Tab.1 Parameters of specimens

表2 材性试验结果1Tab.2 Test results of material properties

1.2 试验装置及加载制度

试验在华东交通大学结构实验室500 t 压力试验机上(配有500 t 压力传感器)进行。试验中的主要量测内容有:试件的轴向荷载、轴向位移以及钢管表面的纵向、横向应变。试验时将试件放在压力传感器上，进行轴压试验。为测定试件的压缩变形，试验过程中在试件的下端对称设置了4 个百分表，同时在试件中部截面钢管的外表面设置了纵、横向应变片，以观测试件在受力过程中应变的变化情况，试验数据由东华DH3815 数据采集仪采集，荷载值从压力传感器仪表读取。加载装置和测点布置如图2所示。

加载制度:正式加载前，先对试件进行预加载，观察应变仪、百分表读数，对试件进行几何和物理对中，以确保试件正式加载时轴心受压，最大预载值不超过10%的极限荷载。采用分级加载，弹性阶段荷载级差为估算极限荷载的1/10，外管屈服后，荷载级差减为估算极限荷载的1/15，每级荷载持续2 ～3 min，临近破坏时连续缓慢加载，百分表达到最大量程时试验结束。

图2 加载装置和测点布置Fig.2 Test setup and measurement points arrangement

2 试验现象及破坏形态对比

加载初期，试件处于弹性阶段，荷载与轴向压缩变形成线性关系;当轴向载荷加载至65%～75%的极限荷载时，进入弹塑性阶段，试件横截面直径均匀增大，钢管表面开始有铁锈剥落，这表明外钢管已达到屈服，钢管混凝土短柱轴压刚度开始降低，轴力-应变关系曲线明显偏离初始轨迹。随后，轴向变形继续增大，试件达到其极限承载力，而在此之前，试件并未出现局部凸曲特征;随着轴向应变的不断增加，轴力-应变曲线进入下降段，此时短柱变形明显，直径显著增大，由于试件端部焊有盖板，其横截面向外膨胀受到比中部更强的限制，内部混凝土所积聚的能量无法得到有效释放，产生应力集中现象，故试件端部首先出现局部鼓曲，此时管内混凝土被压碎，随后中部出现鼓曲，轴力-应变曲线下降至最低点。此后，短柱继续受压，混凝土迅速填充到钢管凸曲处，并被压密实，试件横截面面积变大，轴力-应变关系曲线开始出现上升趋势。试验过程中所有试件均表现出较好的延性和后期承载能力，其中复式钢管混凝土短柱尤为明显。

图3 为试验后圆钢管混凝土短柱的整体破坏形态。可见，4 根试件的横截面尺寸显著增大，柱体外形均已发生严重皱曲。试件C-S-N 的鼓曲变形主要集中于两端和中部，整体变形较为均匀;试件CC-DS-N、CS-DS-N 的鼓曲变形主要出现在试件上端和中部，下端均未出现明显凸曲，这使得试件的变形主要集中于上L/2 范围内，表现出上粗下细的变形特征;复式钢管混凝土短柱CC-RS-N 的两端和中部也都出现了鼓曲，但其中部有两圈凸曲，且凸曲程度较大的部分都集中于试件一侧，这使得试件最终表现出一定的偏压破坏特征。

试验结束后，先后剖开试件外钢管和夹层混凝土，观察管内混凝土的破坏情况和内钢管的变形特征，结果如图4 所示。其中，图4(a)为试件C-S-N 中混凝土的破坏形态，图4(b)、图4(c)、图4(d)分别为试件CC-DS-N、CS-DS-N、CC-RS-N 中圆内管、方内管、核心钢管混凝土的破坏形态。由图4(a)可知，试件中混凝土在钢管鼓曲处被局部压碎，但仍保持为一完整柱体，钢管对混凝土提供了很好的约束作用。观察图4(b)、图4(c)、图4(d)可见，中空夹层试件的圆内管和方内管均发生了向内的凹曲，复式钢管混凝土试件的内钢管由于中心混凝土的存在并未向内凹曲而是出现了向外的鼓曲，但三者都发生了斜向错位;中空夹层钢管混凝土短柱中内管的凹曲位置和复式钢管混凝土短柱中内管的凸曲位置均位于试件中部上方，并且与试件外钢管中部鼓曲处形成斜向剪切错动趋势。这与试件整体的斜剪破坏特征相一致。

图3 试件整体破坏形态Fig.3 Failure modes of specimens

图4 混凝土和内管的破坏形态Fig.4 Failure modes ofconcrete and inner tubes

3 试验结果与分析

3.1 轴力-纵向应变关系曲线

图5 给出了不同截面形式的圆钢管混凝土短柱的轴力(N)-纵向应变(ε)关系曲线。由图可知:①在弹性阶段，试件CC-RS-N 的轴压刚度较大，中空夹层试件其次，CC-DS-N 和CS-DS-N 的轴压刚度接近，试件C-S-N 的轴压刚度最小;②当外钢管的应变达到其屈服应变0.0018 时，轴力-纵向应变关系曲线出现明显拐点，此时试件的轴压刚度均有所降低，但CC-RS-N 的刚度仍为最大;③随后试件达到其极限承载力(见表1)，中空夹层试件的承载力与实心试件接近，复式钢管混凝土短柱的承载力有较大提高，相对于试件C-S-N、CC-DS-N、CS-DS-N 的提高幅度分别为15.1%、13.0%和15.2%;④紧接着轴力-纵向应变曲线进入下降段，在此阶段，C-S-N、CS-DS-N、CC-RS-N 的N-ε 关系曲线下降缓慢，表现出良好的塑性和延性性能，与之相比，CC-DS-N 的延性稍差一些。

可见，不同截面形式对圆钢管混凝土轴压短柱的应力—纵向应变关系曲线有一定影响。复式钢管混凝土短柱的轴压力学性能最优。究其原因在于:与实心试件相比，复式钢管混凝土短柱相当于在其内部加入了钢骨，并且内管中的混凝土受到比外层混凝土更强的约束作用;与中空夹层试件相比，复式钢管混凝土短柱相当于在其内管中浇注了混凝土，同时混凝土的存在又限制了内管的凹曲，因此，复式钢管混凝土试件的承载力提高显著。

圆套方中空夹层钢管混凝土短柱的力学性能与实心试件最为接近，相比之下，圆套圆中空夹层钢管混凝土短柱的后期延性要稍差一些。有此现象的原因是:试件最终的破坏特征均为斜剪破坏，而方内管在加载后期抵抗斜向剪切变形的能力要强于圆内管。观察图4 可知，圆套圆中空夹层试件的圆内管出现了较明显的向内凹曲和斜向错动，对试件轴向的支撑减弱，而圆套方中空夹层试件方内管的向内凹曲和斜向错动变形较小，其角部尚能承受一定的轴力。

图5 轴力N－纵向应变ε 关系曲线Fig.5 Axial load-longitudinal strain curves

3.2 平均应力—应变关系曲线

为了消除不同截面形式的圆钢管混凝土短柱横截面面积的差异，将图5 中试件所承受的轴力(N)除以试件的横截面积(Asc)，即得到圆钢管混凝土短柱的平均应力()-应变(ε)关系曲线，如图6 所示。同时，取曲线上试件平均应力σ 达到50%的实测轴压强度(σu)时的直线段，通过线性拟合得到不同截面形式的圆钢管混凝土短柱的实测组合弹性模量(Esc)，其具体数值及试件实测轴压强度列于表3。σ=N/Asc，Asc=Aso+Ac+Asi，其中，Aso、Ac、Asi分别为外钢管、混凝土、内钢管截面面积。

图6 平均应力－应变ε 关系曲线Fig.6 Average stress-strain curves

表3 组合弹性模量和轴压强度实测值1Tab.3 Measured value of composite elastic modulus and axial compressive strength

由图6 和表3 可见，圆钢管混凝土短柱的σ-ε 关系曲线的走势与N-ε 关系曲线相同，中空夹层试件和复式试件由于含有内钢管，其组合弹性模量和轴压强度得到明显提高。试件CS-DS-N、CCRS-N、CC-DS-N 的组合弹性模量依次增大，这是由内管弹性模量的差异及其在试件横截面上所占比例的大小造成的。试件中的圆内管和方内管由于加工方式的不同会导致圆管的弹性模量更高一些，整体上表现出试件CC-DS-N 的组合弹性模量较大;复式钢管混凝土试件由于在内管中浇入了混凝土，使得钢管在横截面上所占的比例减小，整体上表现出试件CC-RS-N 的组合弹性模量要稍低于CC-DS-N 的，但试件CC-RS-N 的轴压强度仍为最大。

3.3 横向应变发展规律

为了研究不同截面形式的钢管混凝土短柱外钢管的横向应变(εL)发展规律，图7 给出了试件的N/Nue-εL关系曲线。可见，实心试件和复式钢管混凝土试件外钢管的横向应变发展规律类似，2 根中空夹层试件外钢管的横向应变发展规律接近;相比于中空夹层试件，实心短柱和复式短柱的内部均由混凝土填实，在轴向载荷下，混凝土向外的鼓胀力较大，故其横向应变发展较快。

3.4 各项力学指标对比

为了全面掌握不同截面形式的圆钢管混凝土轴压短柱的力学性能，对其各项轴压力学指标进行了综合比较，如表4 所示。其中，εue为试件达到极限承载力时对应的极限压应变;Nr、εr分别为试件N-ε 关系曲线中下降段最低点对应的轴力和应变;γ 为衡量试件后期承载能力的指标(γ=Nr/Nue);SI 为承载力提高系数(SI=Nue/Nuo，Nuo=fyoAso+fcAc+fyiAsi，fyi、fyo、fc分别为内外钢管和混凝土的实测强度，见表2，Asi、Aso、Ac分别为内外钢管和混凝土的横截面面积);为衡量圆钢管混凝土短柱中混凝土强度提高程度的指标，在本文中我们称之为混凝土强度提高系数。

图7 试件N/Nue－εL关系曲线Fig.7 N/Nue－εL curves of specimens

表4 轴压力学指标比较Tab.4 Comparison of axial compression mechanical indexes

由表4 可以看出:①当试件达到极限承载力时，CC-RS-N、C-S-N、CC-DS-N、CS-DS-N 对应的极限压应变εue依次减小。结合图5 可知，与实心试件相比，复式钢管混凝土短柱具有很好的耗能能力，中空夹层钢管混凝土短柱表现出较强的抵抗变形的能力。②通过比较εr和γ，可见试件CC-RS-N、C-S-N 和CS-DS-N展现出较好的延性和后期承载能力，试件CC-DS-N 的延性和后期承载能力要差一些。③复式钢管混凝土短柱的承载力提高系数SI 与实心短柱接近，2 根中空夹层试件的SI 相差不大并且均小于实心和复式钢管混凝土试件的。④由和β 可以看出，试件CC-RS-N 中混凝土的强度提高幅度要比C-S-N 的大。有此规律的原因:复式钢管混凝土内管中的混凝土受到比外围混凝土更强的约束效应，而其外围混凝土所受到的约束作用与实心短柱中的混凝土基本相同;试件CC-DS-N 和CS-DS-N 的混凝土强度提高程度要小一些，并且两者相差不大，这表明中空夹层短柱中的夹层混凝土受到钢管的约束作用要比实心短柱中的核心混凝土稍弱一些，并且内管截面形式对夹层混凝土所受约束效应程度的影响不大。

4 有限元计算结果与试验结果比较

利用有限元软件ABAQUS 分别对圆实心、圆套圆中空夹层、圆套方中空夹层和圆套圆复式4 种截面形式的钢管混凝土轴压短柱的轴力-应变关系曲线进行了模拟计算。有限元建模方法参考文献［15］，混凝土和钢管均采用八节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R);钢材的本构关系采用塑性分析模型，其单轴应力—应变关系采用五段式的二次塑流模型;混凝土的本构关系采用塑性损伤模型，其应力—应变曲线采用改进后的适用于计算钢管内核心混凝土的应力—应变关系模型。全构件建模，构件一端固定，另一端自由，为加载端。

对于复式钢管混凝土构件，建模过程中，其内管外围混凝土的本构关系考虑外钢管的约束效应，这与实心和中空夹层钢管混凝土构件相同，约束效应系数为1.03;其内管中混凝土的本构关系考虑内钢管的约束作用［10］，约束效应系数为2.66。图8 给出了构件CC-RS-N 内管中和内管外围混凝土的本构关系曲线，为了了解钢管内混凝土所受的约束作用，同时列出了混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)中建议的素混凝土的应力—应变模型。可见，由于钢管的约束效应，混凝土的塑性得到极大改善，复式钢管混凝土构件内管中混凝土的塑性增加尤为明显。

利用有限元方法对试验中4 根试件的轴力-纵向应变关系曲线进行模拟，并将模拟结果与试验曲线进行比较，如图9 所示。可见，有限元计算曲线与实测曲线吻合较好，两者得到的构件前期刚度基本一致。表1 列出了试件轴压承载力计算值Nuc，Nuc/Nue的平均值为0.99，均方差为0.018，可见计算结果与试验结果接近，有限元模拟与试验相互验证。

图8 混凝土的本构关系曲线比较Fig.8 Stress-strain curves of concrete

图9 计算曲线与试验曲线对比Fig.9 Comparison between calculated and test curves

5 结 语

①试验中4 种截面形式的圆钢管混凝土试件最终的破坏形态均为斜剪破坏。

②复式钢管混凝土试件承载力较高、轴压刚度大、后期延性好，圆套方中空夹层钢管混凝土试件的力学性能与实心钢管混凝土试件接近，相比之下，圆套圆中空夹层钢管混凝土试件的后期延性要稍差一些。

③相比于实心钢管混凝土试件，由于内钢管的存在，中空夹层钢管混凝土和复式钢管混凝土试件的组合弹性模量和轴压强度提高明显。

④中空夹层钢管混凝土短柱中的夹层混凝土受到外钢管的约束作用要比实心钢管混凝土短柱中的核心混凝土稍弱一些，内管截面形式对夹层混凝土所受约束效应程度的影响不大。

⑤有限元计算得到的4 种截面形式的圆钢管混凝土构件的轴压承载力与试验结果吻合较好，两者得到的构件前期刚度基本一致。

［1］ 梁本亮，刘建新.圆钢管混凝土短柱轴压极限承载力分析［J］.上海交通大学学报，2010，44(6):749-754.

［2］ 陆新征，张万开，李易，等.方钢管混凝土短柱轴压承载力尺寸效应［J］.沈阳建筑大学学报:自然科学版，2012，28(6):974-980.

［3］ ABED F，MOHAMMAD A，SULIMAN A.Experimental and numerical investigations of the compressive behavior of concrete filled steel tubes(CFSTs)［J］.Journal of Constructional Steel Research，2013，80(1):429-439.

［4］ 任庆新，刘明哲，贾连光.异形钢管短柱轴压力学性能研究［J］.工业建筑，2014，44(4):16-20.

［5］ 周海兵，何益斌，郭健，等.钢骨钢管混凝土柱-钢骨混凝土梁组合节点试验研究［J］.土木工程学报，2012，45(3):67-73.

［6］ DAI X，LAM D.Numerical modelling of the axial compressive behaviour of short concrete-filled elliptical steel columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，2010，66(7):931-942.

［7］ LI W，HAN L H，ZHAO X L.Axial strength of concrete-filled double skin steel tubular(CFDST)columns with preload on steel tubes［J］.Thin-Walled Structures，2012，56(7):9-20.

［8］ HUANG H，HAN L H，ZHAO X L.Investigation on concrete filled double skin steel tubes(CFDSTs)under pure torsion［J］.Journal of Constructional Steel Research，2013，90(11):221-234.

［9］ 黄宏，杨建，张安哥，等.方中空夹层钢管混凝土纯扭力学性能研究［J］.广西大学学报:自然科学版，2012，37(4):676-682.

［10］黄宏，郭晓宇，陈梦成.圆中空夹层钢管混凝土压扭构件试验研究［J］.实验力学，2015，30(1):101-110.

［11］钱稼茹，张扬，纪晓东，等.复合钢管高强混凝土短柱轴心受压性能试验与分析［J］.建筑结构学报，2011，32(12):162-169.

［12］王卫华，尧国皇，王玲玲.复合钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析［J］.北京工业大学学报，2013，39(6):886-891.

［13］黄宏.中空夹层钢管混凝土压弯构件的力学性能研究［D］.福州:福州大学土木工程学院，2006.

［14］钟善桐.圆、八边、正方与矩形钢管混凝土轴心受压性能的连续性［J］.建筑钢结构进展，2004，6(2):14-22.

［15］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.