方钢管约束型钢超高强混凝土轴压短柱的力学性能

刘 建 伟

(山西工程职业技术学院， 山西 太原 030009)

在现代建筑结构中，底层钢筋混凝土柱(如框支柱)承受的荷载普遍较大[1]，使得柱轴压比不满足规范规定的限值要求。为降低柱的轴压比，有两种途径：一是提高混凝土的强度等级，二是增大钢筋混凝土柱的截面面积。由混凝土应力-应变曲线[2]，随着混凝土强度的提高，延性性能降低，抗震性能变差；如果增大钢筋混凝土柱的截面面积，将会导致成本提高、施工困难及使用空间减少等问题。因此，上述两种途径均不可行。钢管约束混凝土柱的外围钢管具有很好的抗拉性能，能够限制核心混凝土的径向膨胀，同时能够提高柱的抗火性能和耐腐蚀性能。

在钢管约束混凝土柱出现之前，研究人员对FRP约束柱做了很多研究[3-6]，但因FRP脆性较大，使其逐步退出历史舞台。肖岩等[7]首先对圆钢管约束钢筋混凝土短柱的抗剪性能进行研究，结果表明经过钢管约束后试件的抗剪承载力、耗能能力和延性性能均得到显著提高。此后，Peter等[8]对圆形截面钢管约束高强混凝土轴压短柱进行了试验研究，通过数据回归建立了圆钢管约束混凝土轴压短柱的极限承载力公式。张素梅等[9]对圆钢管约束高强混凝土短柱在单调和循环荷载作用下的力学性能进行研究，建立了试件的极限承载力计算公式。国建飞[10]、周旭红等[11]进行了钢管约束型钢高强混凝土短柱的轴压试验，分析了钢管径厚比、钢管屈服强度及轴压比对构件承载力的影响。王宣鼎[12]还研究了抗剪件对钢管约束型钢混凝土柱的影响。齐宏拓[13]分析了长细比、偏心距和钢管约束模式对钢管约束钢筋混凝土柱承载力的影响。陈兰响等[14]利用ABAQUS软件对型钢-钢管混凝土柱的抗弯力学性能进行了算例验证，分析结果与试验结果相一致。综上可知，前人采用的混凝土强度一般都在C80以下，对钢管约束超高强混凝土柱的研究较少。因此，本文在前人研究的基础上，对方形钢管约束超高强混凝土短柱的轴压力学性能进行研究，并对不同核心混凝土强度的试件进行对比分析。为避免核心混凝土被剪断，本文在核心混凝土中植入型钢。

本文通过对钢管约束型钢混凝土试件的轴压试验，研究钢管壁厚、型钢截面形式、钢管屈服强度、混凝土强度对试件轴压力学性能的影响，最后通过对比分析，得出了钢管壁厚、钢管屈服强度、型钢截面形式、混凝土强度对试件力学性能的影响规律。

1 试验概况

1.1 试件的设计

试件设计柱高L=540 mm，钢管内边长均为180 mm，高宽比L/B=3，混凝土强度为C100；为提高核心混凝土的抗剪承载力并便于与前人研究进行对比分析，本试验中型钢采用10#工字钢，X、O形型钢采用截面面积与I形型钢相同的组合型钢，X形组合型钢板厚度均为4 mm，翼缘宽度为40 mm，腹板高度72 mm；O形型钢内径为92 mm，壁厚为4 mm。试件其它参数和极限承载力实测值见表1。试件的横截面及立面图如图1、图2所示。

图1 试件横截面

图2 试件立面

注：编号中SC表示方钢管约束型钢高强混凝土柱，235/345表示钢管屈服强度235 MPa和345 MPa；I表示10#工字钢，O、X表示与10#工字钢截面面积相等的组合型钢；最后的数字表示钢管壁厚。最后一个试件中80表示混凝土强度等级为C80，其余试件为C100。柱中约束是指试件在荷载作用下钢管仅承受环向拉应力，对核心混凝土的膨胀变形施加的一种环向作用力。

1.2 试件制作

首先需要进行钢管加工，根据钢管的设计尺寸计算出每根钢管所需钢板的长和宽，然后从整张钢板上裁剪下来，并采用高精度的卷管机将钢板卷曲成方形，接口焊牢。每个钢管加工两块边长为240 mm厚度为10 mm厚的钢板,作为试件的顶板和底板；事先在底板上标出型钢和钢管的位置，然后将内置型钢焊在指定位置，再将空钢管套在上述型钢的外部，并在标定位置焊牢。试件顶板待试件混凝土终凝后焊接。

为了获得试验所需钢材的力学性能参数，按照试验标准确定的试样尺寸，从整张钢板的剩余部分将拉伸试样裁下，每组做3个试样，按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》[15](GB/T 228.1—2010)规定的方法进行拉伸试验，获得的钢材力学参数见表2。

表2 钢材的力学性能

核心混凝土强度等级为C100，配合比见表3。其中水泥采用52.5R普通硅酸盐水泥；微硅粉采用920U级微硅粉；粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰；减水剂采用聚羧酸高效减水剂；缓凝剂采用葡萄糖酸钠；细骨料采用40目～70目石英砂；粗骨料采用粒径为5 mm～20 mm碎石。立方体抗压强度标准值由养护28 d的边长为150 mm的立方体试块试验获得；轴心抗压强度采用截面边长为150 mm高300 mm的棱柱体试件试验获得，轴心抗压强度标准值为105 MPa。

表3 C100混凝土配合比

作为对比试件的混凝土强度等级为C80，配合比见表4。其中水泥采用62.5普通硅酸盐水泥；矿渣采用S95级粒化高炉矿渣；粗骨料采用粒径为5 mm～20 mm碎石；细骨料采用级配良好的中粗砂；其余材料与C100所用材料相同。立方体抗压强度标准值由养护28 d的边长为150 mm的立方体试块试验获得；轴心抗压强度采用截面边长为150 mm高300 mm的棱柱体试件试验获得，轴心抗压强度标准值为84.5 MPa。

表4 C80混凝土配合比

混凝土拌合好以后，将混凝土从钢管顶部灌入，边浇筑混凝土边采用振捣棒振捣。自然养护28 d，并将上端板焊接在钢管上。在距离上下端板约50 mm的位置，沿钢管外表面切下一个宽度为10 mm的方形条，目的是使钢管只承受核心混凝土膨胀产生的环向拉力。

1.3 测量和加载装置

试验采用10 000 kN液压伺服试验机进行，为了分析试件变形随荷载的变化规律，在方钢管每个面的中心部位布置一对横纵向应变计，每个试件共4对。沿试件轴向布置两个位移计,以便分析试件纵向变形随荷载的变化规律。

加载试验时，弹性过程中按力加载，加荷速率为1.5 kN/s；当试件即将进入屈服阶段时按位移加载，加荷速率为0.3 mm/s，直至试验结束。采用数据采集系统IMC采集应变、位移及荷载数据。

2 试验现象与结果分析

2.1 试验现象与破坏模式

为准确分析试件的破坏机理，详细观测了试件的变化过程。加荷初期，试件外观基本没有变化。当加载继续进行时，试件中部开始出现微小凸起；当荷载达到峰值荷载附近时，贴近试件观察发现钢管表面有氧化层脱落，听到试件内部不断发出混凝土开裂的噼啪声，同时发现试件端部10 mm的分格缝间距逐渐变窄。峰值荷载之后，纵向变形继续增长而荷载缓慢下降，一段时间后荷载-位移曲线趋近于水平，试件外表面有较大凸起。加载完成后去除钢管，观察发现混凝土外表面有许多竖向短裂缝。部分试件的破坏形态如图3所示。

图3试件破坏形态

2.2 试验结果分析

2.2.1 钢管壁厚的影响

图4(a)为其他条件相同时不同钢管壁厚的方钢管约束型钢超高强混凝土试件的荷载-位移关系曲线。可以得出：钢管壁厚增大时，曲线在弹性阶段的斜率变大，峰值荷载逐渐增加。即试件在弹性阶段的弹性模量随着壁厚的增大而逐渐增大，试件所能承受的最大承载力随着壁厚的增加而增大。设钢管壁厚为2 mm的方钢管约束型钢高强混凝土试件的极限承载力为Nu，其他壁厚的试件的极限承载力为Nu,s，定义(Nu,s-Nu)/Nu为试件的极限承载力提高率。不同壁厚试件的极限承载力如表1所示，壁厚为3 mm、4 mm、5 mm时试件的极限承载力提高率依次为4.8%、19.2%、28%，极限承载力提高率与钢管壁厚关系曲线如图4(b)所示。由图4(b)可知，当钢管壁厚小于4 mm时，曲线斜率随着钢管壁厚的增加而增大；当钢管壁厚大于4 mm时，曲线斜率随着钢管壁厚的增加趋于减小。可以得出：钢管壁厚为4 mm，即边厚比为45时，试件极限承载力提高率达到最大，经济性最好。由图4(a)可知，峰值荷载之后，试件的荷载-位移曲线的斜率随着壁厚的增加下降变缓。即随着壁厚的增加，试件的延性性能在一定程度上得到改善。

图4试件的荷载-位移曲线

2.2.2 钢管屈服强度的影响

图5为其他条件相同时，不同钢管屈服强度的试件荷载-位移关系曲线。由图可知，在弹性阶段，钢管屈服强度为Q345的试件的斜率高于Q235的试件斜率，即随着钢管屈服强度的增大，试件在弹性阶段的弹性模量逐渐增大。由图5(a)可知，钢管壁厚为3 mm，当试件钢管的屈服强度由Q235变为Q345时，试件的极限承载力提高10.7%，且延性性能也得到显著改善；由图5(b)可知，钢管壁厚为4 mm，当钢管屈服强度由Q235增加到Q345时，试件的极限承载力没有提高，可以得出试件SC345-I-4破坏时钢管并未屈服，试件的破坏始于核心混凝土被压碎，且延性也未得到改善。因此，当钢管壁厚较小时，提高钢管强度，试件承载力得到显著提高，延性性能也得到显著改善。

图5试件的荷载-位移曲线

2.2.3 型钢截面形式的影响

图6为相同含钢率不同型钢截面形式的试件荷载-位移关系曲线。I型、X型和O型钢骨的试件的含钢率均为5.6%。三种钢骨对核心混凝土的约束能力不同：I型钢骨基本未包裹核心混凝土，未产生“附加约束”；X型钢骨不完全包裹核心混凝土，产生部分“附加约束”；O型钢骨完全包裹核心混凝土，产生“附加约束”。 由图6可知，含钢率相同的三种配骨型式的方钢管约束型钢超高强混凝土短柱试件随着钢骨对核心混凝土的约束加强，试件刚度和极限承载力均增大。峰值荷载之后，曲线均显著下降，型钢截面形式对试件延性性能的改善不明显。显然，峰值荷载后，核心混凝土膨胀，方形截面钢管未对核心混凝土形成有效约束。因此，钢骨的配骨型式对方钢管约束型钢超高强混凝土短柱的受力性能具有不可忽略的影响，X型和O型钢骨对核心混凝土形成“附加约束”，从而使其表现出更高的极限承载力。

图6试件的荷载-位移曲线

2.2.4 核心混凝土强度的影响

图7为其他条件相同时不同核心混凝土强度的方钢管约束型钢高强混凝土短柱的荷载-位移关系曲线。由表1可知，核心混凝土强度为C100时试件的极限承载力比C80时提高42.3%；随着混凝土强度的提高，曲线在弹性阶段的斜率增大，即试件的整体刚度增强。峰值荷载后，与核心混凝土强度为C80的试件相比，核心混凝土强度为C100的试件承载力下降较快，方形钢管对核心混凝土的约束效果较差。因此，随着混凝土强度提高，试件刚度增加，极限承载力显著提高，但试件的延性变差。

图7试件的荷载-位移曲线

3 结 语

(1) 随着钢管壁厚的增加，方钢管约束型钢超高强混凝土柱的极限承载力显著增加，延性性能在一定程度上得到改善。

(2) 方钢管约束型钢超高强混凝土柱随着钢管屈服强度的提高，试件的整体刚度增加。

(3) 钢骨的配骨型式为X型和O型时，钢骨对核心混凝土形成“附加约束”，从而使方钢管约束型钢高强混凝土柱具有更高的极限承载力。

(4) 随着核心混凝土强度的提高，试件的整体刚度和极限承载力均显著提高，但试件的延性性能变差。