圆钢管混凝土中长柱轴压性能试验研究★

李 斌 落凯妮 王柯程

(1.内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010； 2.西北设计院，陕西 西安 710065)

钢管混凝土柱作为组合结构中重要的支柱，在建筑结构发展和研究过程中，已进行了大量的理论、试验研究[1-5]。但目前对大长细比条件下钢管混凝土柱轴压性能的研究比较少，且变化长细比的参数之间跨度大，在过渡阶段的研究有所空白，所得结果并未区分出钢管混凝土轴压中长柱和长柱的界限。因此，有必要对圆钢管混凝土中长柱的静力性能进行进一步的分析，得出长细比、含钢率对中长柱轴压力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件参数表见表1。

表1 试件参数表

1.2 材料性能

实验前进行了材性试验，测得钢管的弹性模量为204 000 MPa，屈服强度403 MPa，极限强度518 MPa，混凝土的弹性模量为30 000 MPa，立方体抗压强度31 N/mm2。

2 试验现象

各试件的破坏过程基本相似：在达到各自预计极限荷载的50%之前，试件处于弹性阶段，试件中截面横纵向应变和轴向变形随着荷载的增长呈线性增长，试件中截面各方向的纵向应变基本相等，表现为全截面受压，试件跨中挠度几乎为零并没有增长的趋势，表明试件处于轴心受压状态；此后，试件中部截面应变随荷载增长的速度逐渐加快，但试件外观仍无明显变化；当荷载达到极限荷载的75%之后，试件中截面纵向应变随荷载的增长速度产生差异：受压面纵向应变的增速明显加快，受拉面纵向应变的增速逐渐降低，其他各面纵向应变的增长速度介于受压面、受拉面两个面之间，同时，试件的轴向位移随荷载的增长速度也明显加快；当荷载达到极限荷载的90%之后，试件中部截面受拉面的纵向应变开始减小，跨中挠度变化渐趋明显，直至试件在达到极限荷载时发生整体失稳；随后荷载进入下降段，试件中截面的部分纵向应变由受压变为受拉，同时试件的挠度发展加快；当荷载下降到极限荷载的90%之后，试件受压面中部产生局部屈曲并迅速发展；最终以试件的跨中挠度过大标志试件完全破坏(见图1)。

3 试验结果及其分析

3.1 荷载—跨中挠度曲线

如图2所示为荷载—跨中挠度关系曲线。荷载—跨中挠度关系曲线反映了试件失稳破坏的过程。由曲线可以看出，试件荷载约达到极限荷载的90%后，跨中挠度趋于明显。

由图2可知，施加荷载在极限荷载的90%以内时，挠度发展很小，曲线和横轴几乎成垂直关系，此阶段挠度约为极限荷载的20%。超过该范围后挠度发展明显增加，二阶效应产生，当挠度达到某一临界时，二阶弯矩的增长速度开始大于截面抵抗矩速度的增长，荷载下降，跨中挠度迅速发展，最后柱构件发生失稳破坏。

3.2 荷载—应变曲线

研究试件的荷载—纵向应变曲线，可以更有代表性地研究出试件的受力性能。钢管混凝土柱中部的荷载—纵向应变关系曲线反映了试件中截面附近局部的变形情况。

由图3可看出，所有试件两侧端点的纵向应变在加载初期都较为接近，表示试件加载初期对中情况良好。在荷载达到极限荷载的75%～80%以前，荷载与纵向应变基本呈线性关系，表现为弹性，此后曲线出现拐点。加载至接近极限荷载时，端点1处的纵向压应变持续增大，端点2处的压应变逐渐减小直至转为拉应变。表明试件已发生弯曲。

3.3 含钢率的影响

由图4可知，随着壁厚增大，即含钢率增加，极限承载力呈明显的升高趋势。在构件轴心受压时，随含钢率的增大，构件的极限承载力提高，延性有所上升，钢管壁厚的增大其对核心混凝土的约束能力，从而增强了构件的极限承载力和延性。

3.4 长细比的影响

由图5可知，随着长细比增大，试件的线刚度减小，极限承载力逐渐减小，延性也有一定程度的下降，但是在本次试验参数中，对于较长试件，长细比这一因素影响不大，下降幅度较小。

4 结语

1)所有试件的破坏形态相似，均为整体弹塑性失稳。加载初期由于不可避免的初始缺陷及试验误差，在轴压试件失稳之前柱中已有发展一定的挠度但极小，挠度是逐渐发展的，随着挠度的发展，二阶效应产生，当跨中挠度达到某一临界值时，二阶弯矩增长速度开始大于截面抵抗矩增长的速度，荷载下降，跨中挠度迅速发展，随后柱子发生失稳破坏。

2)在68～80范围内，长细比对钢管混凝土柱的极限承载力有影响但是不明显，极限承载力随长细比增大而呈减小趋势。在达76～80及以后时，钢管与核心混凝土的相互作用消失。

3)含钢率和长细比对钢管混凝土轴压构件力学性能有一定影响，表现在含钢率越高，极限承载力越高；长细比越大，极限承载力越低。

参考文献:

[1] 丁发兴，余志武．钢管混凝土短柱力学性能研究—理论分析[J]．工程力学，2005，1(22):175-181.

[2] 姜绍飞，廖 云，张昕宇，等．大长细比钢管混凝土轴压柱的力学性能[J]．沈阳建筑工程学院学报，2002，18(1)：1-4.

[3] 王力尚，钱稼茹．钢管高强混凝土柱轴向受压承载力试验研究[J]．建筑结构，2003(7)：46-49．

[4] 林永安，谢晓峰.钢管混凝土核心短柱轴心受压承载力的研究[J].广东土木与建筑，2003(1)：21-23.

[5] 顾维平，蔡少怀，冯文林.钢管高强混凝土长柱性能和承载能力研究[J].建筑科学，1991(3)：3-8.

[6] 蔡绍怀．现代钢管混凝土结构[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[7] 韩林海．钢管混凝土结构[M]．北京:科学出版社，2000．