圆中空夹层钢管RPC轴心受压短柱的试验研究

唐昌辉，欧阳鹏

(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082)

圆中空夹层钢管RPC轴心受压短柱的试验研究

唐昌辉，欧阳鹏

(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082)

对13根圆中空夹层钢管RPC(活性粉末混凝土)轴心受压短柱的受力性能进行试验研究，得到圆中空夹层钢管RPC轴心受压短柱随内钢管壁厚变化的承载力及其力学性能特性。在总结已有研究成果的基础上，给出圆中空夹层钢管RPC短柱极限承载力的计算建议公式，并通过ABAQUS有限元软件对试验全过程进行模拟分析，计算得到的承载力和荷载-应变曲线与试验结果较吻合。

圆中空夹层钢管RPC；内钢管壁厚；极限承载力；有限元软件ABAQUS

RPC活性粉末混凝土是20世纪90年代由法国研发的一种集超高强度、高耐久性、高韧性及低孔隙率于一体的新型水泥基复合材料[1-2]。优良的性质使得其在铁路桥梁中早已被应用，如北京五环路将RPC用于人行道板，蓟港铁路应用RPC制作低高度梁，青藏铁路采用RPC制作冻土区桥梁的盖板[3]。通过以往试验可知：RPC未掺入钢纤维时，其延性性能很差，当受力达到极限荷载后，通常会发生爆裂式的脆性破坏。然而若将钢管与RPC结合成钢管RPC，可以将两者优点有效结合，可大大改善其性能。中空夹层钢管混凝土是在钢管混凝土基础上发展起来的一种新型钢管混凝土，它主要是将2个钢管同心放置，在2个钢管之间浇筑混凝土而形成的一种比钢管混凝土更为合理的结构形式。它不仅具有实心钢管混凝土的优点，而且具备自重轻、刚度大、耐火性能良好等特点[4-5]，使其备受国内外研究人员的青睐，具有良好的工程应用前景[6-8]。目前，圆中空夹层钢管普通混凝土的研究已经取得一定的成果[9-11]，但是对圆中空夹层钢管RPC的研究才刚刚起步，本文通过13根圆中空夹层钢管RPC轴心受压短柱的试验，研究圆中空夹层钢管RPC轴心受压短柱随内钢管壁厚变化的承载能力及其力学性能，为其工程应用提供试验数据。

1 试验概况

本试验共制作了13根圆中空夹层钢管RPC短柱试件，其中无内钢管试件1根，内钢管壁厚为2,3,4,5,6,24(实心)各2根。外钢管采用直缝焊接的Q235钢，内钢管采用无缝20#优质碳素结构钢，先按设计尺寸对钢管进行加工，保证内外钢管两端截面平齐且光滑平整。本试验采用的RPC由湖南固力工程新材料有限责任公司提供，为搅拌均匀装袋活性粉末混凝土干混料，按比例加水搅拌即可。

试件制作时，先将内钢管插进事先做好的钢板上，外钢管端部表面涂上AB胶与钢板固定，并将盖板盖上防止浇混凝土时内外钢管松动，将RPC从盖板上预留的孔中灌入并震动，对不同搅拌批次的活性粉末混凝土同时成型100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试块，进行力学性能测试，棱柱体试件和其泊松比见图1。试件及试块先在常温下静止2 d，再采用热水养护，温度为90～95 ℃，养护2 d后进行加载试验。各试件的基本情况见表1。

图1 棱柱体弹性模量和泊松比Fig.1 Elasticity modulus and poisson’s ratio of RPC

圆中空夹层钢管RPC短柱试件的轴压试验是在湖南大学建筑结构实验室500 t长柱压力试验机上进行的。试件测点布置与加载装置如图2所示，本试验在内外钢管中部表面沿纵向及环向各均匀对称布置4组电阻应变片，同时在下承板试件的两侧对称布置2个位移计以测量试件在加载过程中的纵向位移。采用东华DH3816静态应变测量系统采集试件加载工程中的纵向和环向应变。

图2 试件测点布置及加载装置Fig.2 Instrumentations and test set up

试验采用力控制加载，试验开始前，首先进行预加载，对试件进行几何和力学对中，并检测试验设备和测量仪器是否正常工作。弹性阶段每次加载为预计极限荷载的1/10；当达到极限荷载的80%左右时，每次加载为预计极限荷载的1/15且持续加载；当到达极限荷载后，则采用连续采集应变数据。每级加载后保持荷载5 min，分级读取试验数据。

2 试验结果分析

2.1 试验现象和破坏形态

试件破坏类型主要有中部鼓曲破坏和剪切滑移破坏，在弹性阶段，试件变形不大，随着荷载增至极限荷载的80%左右时，可以听到微小的RPC撕裂声音，但是变形仍然不明显；达到极限荷载后，空心钢管RPC荷载下降速度很快，随着壁厚的增大，下降速率逐渐减慢，顶部开始出现屈曲，并很快延伸到中部，外钢管表面应变片也逐渐剥落；随着荷载的继续增加，变形也迅速发展，直至构件破坏，具体破坏形态如图3所示。

图3 圆中空钢管RPC短柱试件破坏形态Fig.3 Failure pattern of concrete-filled steel tube

主要原因是：RPC的匀质性良好，内部结构非常致密，具有极低的孔隙率等特点，使得前期对内外钢管压力不明显，当RPC破坏时，横向变形发展较快，迅速对内外钢管产生压力。这与实心钢管RPC短柱轴压破坏一致。将试件取下，发现内部钢管也向内侧屈曲(见图4)。

表1 圆中空夹层钢管RPC短柱试件参数Table 1 Parameters of concrete-filled double skin steel tubular columns with circular sections

注：表中fyo和fyi分别为外、内钢管屈服强度；fc为100×100×300棱柱体抗压强度；Ne0为试验值;Nc0为模拟值

图4 试件典型破坏模式Fig.4 Typical failure modes of concrete-filled steel tube

2.2 圆中空钢管RPC的荷载-竖向位移曲线

图5为不同内钢管壁厚下圆中空夹层钢管RPC荷载-竖向位移的关系曲线。由图可知，试件的荷载-位移的关系曲线具有明显的3个阶段：弹性上升阶段、弹塑性上升阶段、卸载阶段。这与中圆中空夹层钢管普通混凝土的荷载-位移曲线有点不同，没有塑性阶段，主要原因是RPC强度高，延性要差些，其弹性阶段延长而弹塑性阶段缩短，当达到极限荷载后，迅速破坏，导致没有塑性阶段。随着内钢管壁厚的增大，极限承载力缓慢增大，同时下降速率减慢，荷载下降后上升的趋势更明显。

2.3 荷载-应变全过程分析

由试验得到的各试件的整体荷载-应变曲线如图8所示。由图可见，各曲线主要分为3个阶段。

图5 试件荷载-位移Fig.5 Load-displacement curves of concrete-filled steel tube

1)弹性阶段：试件加载初期，内外钢管和RPC分别单独受力，由于RPC的横向变形小于钢管的横向变形，此时钢管和RPC之间的相互作用很小。钢管外表面无明显变化，RPC的内部初始裂缝也比较稳定，当达到极限荷载的80%时，RPC裂缝才逐渐发展。

2)弹塑性阶段：试件表面仍无明显变化，但是可以听到RPC被撕裂的声音，此阶段曲线仍然处于上升趋势，斜率逐渐减小，说明试件的延性很好，随着内钢管壁厚的增大，试件的极限承载力也缓慢增大。

3)卸载阶段：此阶段各试件已经达到极限承载力，钢管进入塑流状态，可以明显看到外钢管变形逐渐变大，核心RPC所承受的压应力达到其抗压强度，可以听到RPC被撕裂的声音，随着内钢管壁厚的增大，荷载-应变曲线下降更缓慢。

表2 圆中空夹层钢管混凝土承载力计算公式一览表Table 2 Bearing capacity formulas for concrete filled double skin steel tubular

3 极限承载力计算公式

关于圆中空夹层钢管混凝土短柱的极限承载力计算，国内外有过研究。表2为几种有代表性的计算公式，由于这些公式都是针对圆中空夹层钢管普通混凝土提出来的，故是否能适用于钢管RPC短柱的极限承载力计算，还有待进一步验证。

根据本文进行的13根圆中空夹层钢管RPC短柱的试验结果，运用表2中计算公式进行计算，每个试件的极限承载力实测值与计算值的比较列于见表3，从表3中可以看出，按式(1)的形式吻合较好。根据实验结果可知，随着壁厚的增加，内钢管对混凝土的约束作用越明显，但式(1)中θ并没有考虑内钢管的作用，考虑壁厚的变化，根据式(1)的形式，将本次试验结果对φ进行拟合，拟合结果如图6所示，于是可得中空夹层钢管RPC短柱的承载力公式(5)，按该式计算的结果列于表3中，从表中可以看出，式(5)与试验结果吻合程度很好。

表3 圆中空夹层钢管混凝土短柱极限承载力及特征值比较Table 3 Ultimate bearing capacity calculation and statistical eigenvalues for RPC-filled double skin steel tubular

(5)

φ=0.612 2-0.078 5 Di/ti。

图6 内钢管径厚比拟合Fig.6 Matching of radius-thickness ratio

4 ABAQUS模拟计算

4.1 材料本构模型

混凝土本构采用韩林海提出的实心钢管混凝土本构关系[15]：

式中：

本文选用ABAQUS中提供的混凝土损伤塑性本构模型(CDP模型)，因其是使用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非弹性行为，是一个基于塑性的连续介质损伤模型，为分析在单调加载、循环加载和动态加载条件下混凝土结构的力学响应提供普适的材料模型，同时能够很好地模拟混凝土三向受压力学状态，具有较好的收敛性。

钢材本构采用简化的双折线模型，屈服后强化模量取为初始弹性模量的0.01倍，

4.2 接触问题

接触面之间的相互作用包含2个部分：一是接触面间的法向作用，二是接触面间的切向作用。本文模拟中切向行为定义为有摩擦，且为罚函数，大量试验表明，圆钢管混凝土间的摩擦系数宜取为0.3；法向行为定义为硬接触。设置软材料、面网格密度大的混凝土为从表面，内外钢管为主表面，这样计算时更容易收敛。

4.3 单元类型选择和网格划分

混凝土单元模型采用六面体为主线性缩减积分C3D8R，该单元类型适合于接触分析，在节省计算时间的同时可以获得较好的分析结果；对于内外钢管，由于其厚度远小于其整体结构尺寸，分析时可以忽略厚度方向的应力，适合采用4节点一般壳单元来模拟。

本模型采用扫掠分网技术，其中核心混凝土采用中性轴算法，有利于提高计算速度和计算精度，更容易收敛。

5 模拟计算结果

对于上面建好的有限元模型进行计算分析得到应变云图如图7所示，混凝土被压缩而中部鼓起，应变最大。其承载力模拟结果如表1所示，由表1可知，各试件的有限元模拟值比试验值均大8%左右，二者比值的平均值为0.91，标准差为0.029 3，二者差异的原因是有限元模拟是在完全理想的条件下进行。

经计算分析得到轴压荷载-应变关系曲线的模拟结果，图8为每个试件的模拟结果和试验结果的对比，由图中可以看出，二者的上升段比较吻合，峰值应变也非常接近，模拟值比试验值略大。二者轴压曲线的下降段有所差异，这是因为试验用的RPC是一种新型材料，尚且无确定的本构关系，并且有限元模型是极为理想的情况，与真实情况的试验条件和试件初始缺陷存在一定的差异。

图8 模拟结果和试验结果的荷载-应变曲线比较Fig.8 Load-deformation curves of analysis and test

6 结论

1)试验结果表明，圆中空夹层钢管RPC短柱试件与圆中空钢管普通混凝土试件荷载-应变曲线不同，圆中空钢管RPC试件包括3个阶段：弹性上升阶段、弹塑性上升阶段和卸载阶段。圆中空夹层钢管RPC短柱试件的荷载-位移曲线在达到极限荷载后，有一定的下降段，随后荷载趋于稳定，甚至还有所上升，这说明试件具有很好的延性，同时具有很好的后期承载力。随着内钢管壁厚的增加，试件的极限承载力有所上升，下降段的下降速率减缓，稳定荷载增大，说明内钢管壁厚的增大对于延性及后期承载力有所增强。

2)根据圆中空夹层钢管RPC短柱试件的试验结果，得到了圆中空夹层钢管混凝土承载力公式。

3)基于有限元软件ABAQUS模拟得到试件轴压荷载-应变曲线，该模拟曲线与试验结果两者吻合较好，验证了本文有限元模型的合理性，说明ABAQUS软件能较好地实现对圆中空夹层钢管RPC短柱的轴压全过程的模拟和分析。

[1] Richard P. Reactive powder concretes: A new ultra-high-strength cementitious matrial[C]//Proceedings of the 4th International Symposium on Utilization of High-Performan ceconcrete, Paris:1996,1343 - 1349.

[2] Richard P， Cheytezy M. Reactive powder concrete with high ductility and 200-800 MPa compressive strength[J]. ACI Spl44,1997:507-518.

[3] 方志,杨剑.FRP和RPC在土木工程中的研究与应用[J].铁道科学与工程学报，2005，2(4)：54-62. FANG Zhi,YANG Jian.Study and application of FRP and RPC in civil engineering[J].Journal of Railway Science and Engineering,2005,2(4):54-62.

[4] HAN Linhai,YAO Guohuang.Behaviour of concr-ete-filled hollow structural steel(HSS)columns with pre-load on the steel tubes[J].Journal of Constructional Steel Research.2003,59(12):1455-1475.

[5] Chitawagi M V, Narasimhan M C, Kulkarni S M.Axial strength of circular concrete-filled steel tube columns-DOE approach[J].Journal of Constructional Steel Research,2010,66(10):1248-1260.

[6] 陶忠，韩林海，黄宏.圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究[J].土木工程学报，2004,37(10)：41-51. TAO Zhong,HAN Linhai,HUANG Hong.Mechanical behaviour of concrete-filled double skin steel tubular columns with circular sections[J].China Civil Engineering Journal,2004,37(10):41-51.

[7] YU Min,ZHA Xiaoxiong,YE Jianqiao,te al.A unified formulation for hollow and solid concrete-filled steel tube columns under axial compression[J].Engineering Structures,2010,32(4):1046-1053.

[8] Han T H, Yoon K Y, Kang Y J.Compressive strength of circular hollow reinforced concrete confined by an internal steel tube[J].Construction and Building Materials,2010,24(9):1690-1699.

[9] 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京：人民交通出版社，2003. CAI Shaohuai.Modern steel tube confined concrete structures[M].Beijing:China Communications Press,2003.

[10] 陶忠，韩林海.中空夹层钢管混凝土的研究进展[J].哈尔滨工业大学学报(增刊)，2003,35:144-146. TAO Zhong, HAN Linhai.Development in the research of concrete-filled double skin steel tubes[J]. Journal of Harbin Institute of Technology(Suppl),2003,35:144-146.

[11] 韩林海.钢管混凝土结构[M].北京：科学出版 社，2000. HAN Linhai.Steel tube confined concrete structures[M].Beijing:Science Press,2000.

[12] 聂建国，廖彦波.双圆夹层钢管混凝土柱轴压承载力计算[J].清华大学学报(自然科学版)，2008，48(3):312-315. NIE Jianguo,LIAO Yanbo. Bearing capacity calculations for concrete filled double skin tubes[J]. Journal of Tsinghua University(Sci & Tech),2008，48(3):312-315.

[13] 赵钧海，孟晓健，刘建军.圆中空夹层钢管混凝土短柱的承载力[J].长安大学学报(自然科学版)，2009，29(1):70-74. ZHAO Junhai, MENG Xiaojian, LIN Jianjun. Bearing capacity of concrete-filled double-skin steel-tube stub column[J].Journal of Chang’an University(Natural Science Edition),2009，29(1):70-74.

[14] 蔡绍怀，焦占拴.复式钢管混凝土柱的基本性能和承载力计算[J].建筑结构学报，1997,18(6)：20-25. CAI Shaohuai,JIAO Zhanshuan.Behavior and ultimate load analysis of multibarrel tube-confined concrete columns[J].Journal of Building Structures,1997,18(6):20-25.

[15] 刘威，韩林海.ABAQUS分析钢管混凝土轴压性能的若干问题研究[J].哈尔滨工业大学学报， 2005,37:157-161. LIU WEI, HAN Linhai.Research on some issues of ABAQUS analysis on the behavior of axially loaded concrete-filled steel tubes[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2005,37:157-161.

Mechanical behavior of RPC filled double skin circular steel tube columns

TANG Changhui，OUYANG Peng

(School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The article carries out experiments of 13 RPC(Reactive Powder Concrete)-filled double skin steel tubular short columns under axial compression loading, and obtains ultimate capacity and mechanical properties under the inside steel tube wall different thickness of RPC-filled steel tube. Based on the existing research achievements at domestic, the article proposes the calculation formula of ultimate capacity of RPC-filled double skin steel tubular. By utilizing the finite element software ABAQUS, the article simulates the process of experiment, and obtains ultimate capacity and load-strain curves, which are agree with the experiment results.

RPC-filled double skin steel tubular; the inside steel tube wall thickness; load carrying capacity; finite element software ABAQUS

2016-01-26

国家自然科学基金资助项目(51278181)

唐昌辉(1963-)，男，湖南长沙人，副教授，博士，从事预应力和组合结构研究；E-mail:2863472302@qq.com

TU375

A

1672-7029(2016)12-2427-07