方形四肢钢管混凝土格构柱拟静力试验与受力机理分析

曹艳

摘 要：为了解地震作用下方形钢管混凝土格构柱的工作情况及抗震性能，便于工程设计及工程应用，完成了2根方形四肢钢管混凝土格构柱恒压下的低周反复加载试验，并对格构柱的各组成构件进行了受力分析。试验结果表明：（1）柱肢钢管加载前期，紧箍作用不明显，但受力后期对核心混凝土的紧箍力非常大；（2）加载后期方形钢管混凝土格构柱各柱肢处于纵向受压环向受拉状态，并各柱肢均具有良好的延性性能；（3）柱肢与缀管的连接节点是受力的薄弱部位，加强节点构造、保证焊缝质量非常重要。试验结果及理论分析结果证实了方形钢管混凝土格构柱应用在抗震结构中的可行性和优越性。

关键词：方形四肢钢管混凝土格构柱；拟静力试验；受力机理分析；紧箍效应

钢管混凝土柱将钢管和混凝土有效组合，使得其具有承载力高，塑性、韧性好，施工方便及经济效益高等优点。因而，国内外对单肢钢管混凝土柱已有了深入的研究，并形成了相应的设计规范。目前，国内外对钢管混凝土格构柱的研究开展得还比较少，并且大部分都集中在对圆钢管混凝土格构柱及格构柱轴压、偏压的研究。随着建筑功能和造型的多样化，不同截面、变截面钢管混凝土格构柱的研究还需要大量的学者投入。近年来，震害的频繁和加剧，使得对钢管混凝土格构柱的抗震性能研究更是非常必要。

本文進行了2个四肢方形钢管混凝土格构柱在恒压下的低周反复加载试验研究，在试验的基础上对格构柱各构件分别进行分析，以便进一步了解钢管混凝土格构柱在地震作用下的受力机理，为钢管混凝土格构柱抗震性能理论分析、抗震设计及应用提供试验基础。

1 试验方案（Experiment Scheme）

1.1 试件设计 （Specimens Design）

试验共设计了2个四肢方形钢管混凝土格构柱试件。格构柱柱肢及缀管均为无缝钢管，缀管与柱肢之间的连接采用相贯节点，采用焊接并保证焊缝质量，柱肢灌浆采用自密实混凝土。在底座和柱帽的中央各开一个直径为80mm的圆孔用于螺杆对试件施加竖向力。材料强度及试件参数见表1.两个方格构柱的柱肢直径为80mm，缀管直径42mm，壁厚均为3mm，长1700mm，fy=259MPafu=356MPafcu=71.7MPa，伸长率为21%。

1.2 试验装置及加载方案（Test setup）

试验在湖南城市学院结构实验室进行，试验装置如图1所示。

用液压千斤顶对柱顶施加竖向荷载；通过固定在反力墙上的拉、压千斤顶对试件施加水平荷载。竖向为恒值加载，根据合理轴压比取竖向荷载为600kN，水平荷载采用荷载位移混合加载制度。加载初期采用荷载控制并分级加载，每次荷载增量为±30kN并每级循环一次，接近屈服荷载时，加载级差减小至±10kN；当试件屈服后采用位移控制并取屈服位移的1倍为级差分级加载，每级循环三次，直至试件破坏。

2 试验结果分析（ Experiment Result Analysis）

2.1 柱肢钢管受力分析 （Force Analysis of The Column Limb）

2.1.1 柱肢钢管纵向受力分析

图4 给出了柱肢跨中截面B、C处的荷载平均纵向应变曲线，以受拉为正。

（a）FZZG1柱肢钢管荷载纵向应变曲线

（b）FZZG2柱肢钢管荷载纵向应变曲线

加载初期，柱肢钢管跨中截面各位置荷载纵向应变曲线均为直线，钢管处于弹性受力阶段。继续加载至85%Pu左右时，柱肢钢管进入屈服阶段，应变迅速增加，构件因面外变形过大，进入几何非线性阶段。随着应变值的增大以及反复加载，构件极限值不断下降，说明钢管混凝土格构柱产生了包辛格效应。加载后期，柱肢纵向受力偏向受压。

2.1.2 柱肢钢管环向应变分析

柱肢跨中截面荷载平均环向应变曲线如图5，取受拉为正。

（a）FZZG1柱肢钢管荷载环向应变曲线

（b）FZZG2柱肢钢管荷载环向应变曲线

柱肢跨中截面各位置钢管的环向应变相差不大。加载初期，柱肢钢管与核心混凝土变形相对协调，环向应变值很小。继续加载，两材料之间相互作用增大，核心混凝土裂缝开展致使混凝土的膨胀力大于钢管混凝土的约束力，柱肢钢管环向应变增长速率显著增加，滞回环明显离开原来轨迹偏向受拉一侧。

2.2 紧箍效应分析（ Analysis of The Confinement Effect）

为正确反映柱肢钢管紧箍效应的作用，排除构件残余应力及缀管拉压力对柱肢作用的影响，此处仅对B、C位置分析紧箍效应的作用。文献[5]指出紧箍效应反映了核心混凝土所受最大纵向力与其所对应的最大紧箍力的关系。由泊松比μ=环向应变纵向应变可得到钢管混凝土格构柱紧箍效应情况。

钢材实测泊松比为0.28。如图4，当荷载水平较低时，柱肢钢管的泊松比集中在0.3左右，即此时钢管的套箍作用尚不明显；荷载继续增加时，泊松比随之增大，甚至达到1.5，说明钢管对核心混凝土已产生了相当大的紧箍作用。

2.3 节点受力分析（Force Analysis on The joint）

试验中当荷载加至0.65Pu时，柱肢跨中节点就出现了第一条裂缝，进入位移控制加载时，多处缀管与柱肢连接处出现了撕裂。最终由于缀管的脱落，节点所能承受的水平荷载收到限制，且随着水平位移的增加，荷载值降低，柱肢鼓曲而破坏。《钢结构设计规范》中格构柱交叉节点按桁架链接计算，但由于焊缝残余应力及应力集中等的影响，格构柱恒压往复荷载作用下，节点受力非常复杂，不仅承受拉、压力，还有剪力、弯矩的作用，因此实际工程中必须采取措施减小节点过早破坏对结构承载力的影响。

3 结论（Conclusion）

通过对方形钢管混凝土格构柱的拟静力试验研究和理论分析，可得以下结论：

（1）低周反复荷载下，方形钢管混凝土格构柱因加载后期弯曲变形较大，柱肢处于纵向受压环向受拉状态，并均具有非常好的延性性能。

（2）加载初期，柱肢钢管紧箍作用不明显或是基本未发生紧箍作用，但随着荷载的增加，泊松比快速增大，受力后期，钢管对核心混凝土产生了相当大的紧箍力，大大提高了构件的抗震性能。

（3）方形钢管混凝土格构柱中，斜、横缀管受力均比较小，整个加载过程中始终处于弹性受力阶段。设计中，在保证缀管截面面积的情况下，可按弹性理论设计。

（4）方形钢管混凝土格构柱中，柱肢与缀管的节点是受力的薄弱部位，试件的破坏最先于节点的撕裂，最终于缀管的脱离。实际工程中，加强节点构造和保证焊缝质量非常必要。

参考文献：

[1]韩林海.管混凝土结构[M].北京：科学出版社，2007.

[2]钟善桐.钢管混凝土统一理论研究与应用[M].清华人学出版社，2006.

[3]吴建林，姚永.钢管混凝土组合柱在重钢结构工业厂房工程中的应用[J].建筑钢结构进展，2003（3）：1116.

[4]欧智菁，陈宝春.钢管混凝土格构柱发展和研究[J].福州大学学报，2008，36（4）：585591.

[5]吉伯海，杨明，陈甲树，周文杰.钢管约束下轻集料混凝土的紧箍效应及强度准则[J].桥梁建设，2006.