L形加肋钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

2020-05-29朱彦奇陈梦成

铁道学报 2020年4期

朱彦奇，黄宏，陈梦成，杨超

(1.华东交通大学土木建筑学院,江西南昌 330013；2.南昌工程学院,江西南昌 330099)

在建筑物的角柱处通常采用L形柱，由于其截面形状在角部可做到不露柱的特殊性，能够更加有效利用建筑物的使用空间，更好满足人们对建筑美观及家具布置等方面的要求。与钢筋混凝土异形柱相比，钢管混凝土异形柱的承载力更高，且不需另支模板，因而施工更加便利。但由于L形钢管混凝土中钢管对混凝土的约束主要集中在角部及构件核心位置，横截面中部钢板处约束几乎为零，通过设置纵向加劲肋可提升管壁中部对混凝土的约束，控制局部屈曲的发展，增强构件的承载能力和延性[1-2]，故对此类构件的研究十分有意义。

目前，国内外已有学者开展了L形钢管混凝土柱的试验及理论研究。屠永清等[3]利用ABAQUS建立了L形钢管混凝土柱在轴向荷载作用下的模型，研究其轴压力学性能、工作机理和材料强度、含钢率等参数对其轴压承载力的影响，并提出承载力计算方法；张继承等[4]考虑异形钢管对混凝土的约束作用与规则截面形式钢管对混凝土的约束作用的异同，在圆形和方形核心混凝土本构关系的基础上，通过引入等效约束效应系数，提出L形钢管混凝土的混凝土本构关系式，并带入有限元模型进行模拟计算；沈祖炎等[5]通过变换管壁宽厚比、长宽比、偏心率及长细比等因素，对6根L形钢管混凝土长柱进行了单向偏压试验研究，并利用纤维模型分析回归出压弯构件的强度承载力相关公式和稳定承载力相关公式；Zhou等[6]研究了L形钢管混凝土框架结构的抗震性能。增强管壁稳定性的方法主要是设置约束拉杆和加劲肋，对于在管壁处增加约束的L形钢管混凝土柱的研究：蔡健等[7-8]对带约束拉杆的L形钢管混凝土短柱进行了轴压试验，分析了带约束拉杆L形截面钢管混凝土在轴向荷载下的工作机理，并在此基础上对此类构件的等效单轴本构关系进行了深入研究；Zuo等[9]进行了9根L形钢管混凝土柱在设置不同约束拉杆条件下的偏压受力相关试验和理论研究；林震宇等[10]对不同宽厚比下的无加劲肋L形钢管混凝土短柱试件和有加劲肋L形钢管混凝土短柱试件进行了轴压试验研究，考察宽厚比及纵向加劲肋的设置与否对试件力学性能的影响。然而，目前国内外学者关于L形钢管混凝土在轴压荷载下的力学性能研究仅局限于一种加肋形式，对不同加肋形式的此类构件的研究还未有相关报道。

本文改变纵向加劲肋布置形式，对8根L形钢管混凝土短柱进行了轴压试验，并对试验后试件的整体破坏及屈曲情况和轴压全过程的荷载-纵向应变关系曲线进行归类对比分析。在此基础上，通过有限元分析软件ABAQUS模拟所有构件的轴压全过程，以分析轴压受力构件在不同加肋方式下的工作机理。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

为考察L形钢管混凝土短柱在不同加劲肋设置方式下的轴压力学性能，本次试验设计了8根L形等肢钢管混凝土短柱试件，其中2根无肋，6根加肋，试件的截面形式以及加肋方式等详见图1，图中：(1)L-NR-1/2两根试件为无肋试件；(2)L-WR-1为全贯通加肋试件，其加劲肋长度与柱同高；(3)L-WR-2和L-WR-3试件的加劲肋为间断设置，两根试件肋的长度以及肋间间距不同；(4)L-WR-4试件加劲肋设置于L形截面2面上；(5)L-WR-5试件加劲肋设置于两个阳角边中部处。图1(c)～图1(f)中试件的加劲肋面积相同，考虑到L形柱存在阴角对整体约束的影响，设计L-WR-6试件，在阴角处比L-WR-5多设置一根纵向加劲肋。

试验用试件制作步骤：

(1)试件尺寸设计。参考GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》中以受压为主的钢管混凝土构件宽厚比的要求进行试件尺寸设计，所有试件的阳角边边长a=200 mm，阴角边及短边边长b=100 mm，钢板及加劲肋厚度t=4.3 mm，试件总长度L=600 mm，试件其他参数详见表1。

(2)试件制作过程。由6块独立钢板相互焊接形成L形钢管，加劲肋预先焊接在钢板上，试件的上下端盖板均采用14 mm厚钢板，首先将下盖板焊接于L形钢管的一端；选用P.O.42.5普通硅酸盐水泥、中砂、连续粒级4.75～25 mm的普通碎石，按照水泥∶水∶砂∶碎石=404∶183∶589∶1 196的质量配合比制作试验所用混凝土，随后分层灌入试件，并用振捣棒和小锤分别在试件内外部进行振捣，以确保混凝土密实；对混凝土采用自然养护后，凿去其表面浮浆，并用高强环氧砂浆进行抹平，待高强环氧砂浆硬化后再将其与钢管管面打磨平整，并将上盖板焊接完成。

(3)钢材及混凝土强度测定。将钢板制作成标准拉伸试件并进行标准拉伸试验，测得钢材屈服强度fy为328.2 MPa；制作与试件同条件成型养护的混凝土立方体(150 mm×150 mm×150 mm)试块，以标准试验方法测定其强度fcu,k，得均值为38.1 MPa。

图1 不同加肋方式截面示意

表1 试件各参数尺寸及极限荷载

注：试件编号中，L表示试件截面形状为L形；NR(No Ribs)表示无肋试件；WR(With Ribs)表示设置了加劲肋的试件。另外，bs为加劲肋的宽度；hs为加劲肋的高度；as为间断加肋时肋间间距；ds为间断加肋时肋与试件上下表面间的间距；As为加劲肋面积；Nue为轴压试验极限承载力实测值；Nuc为轴压有限元模拟极限承载力计算值。

1.2 试验加载情况

本试验以华东交通大学结构实验室500 t压力试验机为轴压试验加载设备，为方便对中，使试件在受力时为轴心受压，试验前以面积矩确定L形截面的形心，并如图2(a)所示在试件的上下端盖板上分别标记出通过形心且相互垂直的两条直线。在对试件进行正式加压试验前，需对试件进行10%预计极限荷载(Nu)阈值内的预加载，观察各仪表读数，调试试件位置至对中，加载装置如图2(b)所示。然后进行正式加压试验，加压过程为分级加载，在弹性阶段荷载级差为1/10Nu，在外钢管达到屈服强度后荷载级差降至1/15Nu，在接近预计极限荷载时保持缓慢连续加载，在承载力下降至约60%极限承载力时卸载，试验结束。

试件纵向总变形数据由对称布置于试件下端沿L形截面对角线处的2个量程为300 mm的位移计记录所得，试件表面应变变化情况由布置于钢板外表面中部及角部的电阻应变片(纵向及横向)记录所得，应变片具体布置位置如图2(c)所示。加压试验荷载值由人工在试验过程中从压力传感器仪表读取，其他数据由东华数据采集仪收集，数据分析和图表处理采用Excel和Origin软件。

图2 试验加载情况及测点布置

2 试验现象及最终截面破坏形态

图3 试件整体破坏形态

外部钢管表面出现鼓曲，焊缝开裂为所有试验试件在破坏时的普遍表现，但L形截面阴角焊缝处均未出现开裂现象，仅有焊渣脱落。为了对所有试件的破坏形态进行直观比较，8根试件1面破坏形态如图3所示，通过对试验过程及现象进行分析可得：(1)对于两根无肋试件而言，当有较大荷载作用在L形钢管混凝土短柱端部时，由于其两条阳角边的钢板宽厚比较大，且未布置加劲肋进行有效支撑，其钢管壁较易出现局部屈曲，这与试验过程中2面钢管首先出现轻微鼓曲，并在最终破坏时靠近短柱上端位置两阳角边钢管出现严重鼓曲并伴随焊缝开裂相呼应。(2)对于设置了与柱同长的加劲肋且将L形截面分隔为三个矩形腔室的全贯通加肋试件L-WR-1，其在试验结束后两阳角边仅出现轻微鼓曲并未出现焊缝开裂，这是由于此种加劲肋的设置方式显著提高了阳角边钢管中部对混凝土的约束效应。(3)通过观察图3(d)～图3(g)四个加肋面积相同试件的破坏形态，两根间断加肋试件(L-WR-2、L-WR-3)均在靠近试件中截面位置的两根间断肋之间的钢板处产生向外鼓曲，而有间断肋的位置未出现鼓曲；由于L-WR-4的加劲肋设置在2面上而未在1面上设置，且将L形截面分隔为一大一小两个矩形，加劲肋对2面中部钢管对混凝土的约束起到有效提升，而在受到压力作用时大矩形长边所在的1面钢管由于没有有效约束，在靠近端部出现鼓曲；L-WR-5的加肋方式使得试件破坏时在两个阳角面(1、2面)中部位置出现鼓曲程度相当的2个半波鼓曲。(4)本次试验中在阴角处增设斜向加劲肋的L-WR-6试件与未设置阴角加劲肋的L-WR-5试件的破坏形态基本相同。

3 试验结果分析

本次试验中所有试件的荷载-纵向应变关系曲线如图4所示，为了便于不同类型试件曲线之间的比较，分三个图分别进行呈现，并将试件外钢管出现鼓曲时对应的点在各图中分别进行标记。由于粘贴在钢管表面的应变片在试件达到极限承载力后有部分随钢管外表面鼓曲脱离钢管，故本试验曲线中的纵向应变分两段取值：极限承载力前的数值为钢管外表面上的电阻应变片数值平均所得，极限承载力后的数值为两个位移计(布置于L形截面对角线对称处)读数平均后换算转化为纵向应变所得。对比图4中各类试件曲线可知：(1)图4(a)中无肋试件(L-NR-1/2)、全贯通加肋试件(L-WR-1)以及两根间断加肋试件(L-WR-2、L-WR-3)中除无肋试件的刚度稍低外，其余试件的前期刚度相差不大，且与加肋试件相比，无肋试件的极限承载力明显偏小，延性明显偏差；由于L-WR-1的加肋方式将L形截面分隔为三个腔室后极大的提升了钢管对混凝土的约束效应，使得其极限承载力最大，延性最优；对比两根间断加肋试件发现加劲肋间间距更小者L-WR-3，其延性较肋间间距更大者L-WR-2更优。(2)为考察设置加劲肋面积相同情况下不同加肋方式对试件刚度、承载力以及延性的影响，图4(b)中的荷载-纵向应变曲线为4根加劲肋面积相同试件试验实测所得，对比之后可以发现，除L-WR-2的实测承载力稍低、L-WR-3的延性稍好之外，4根不同加肋方式试件在前期刚度、极限承载力以及延性上均相差不大。(3)为考察在阴角处增设加劲肋对试件的影响，图4(c)中将L-WR-5(在阴角处未设置加劲肋)和L-WR-6(在阴角处设置加劲肋)进行对比，两根试件刚度和极限承载力方面均无明显差别，在阴角处增设加劲肋后试件延性略有提升。

图4 所有试件N-ε曲线比较分析

4 有限元计算分析

为进一步分析不同加肋方式对L形钢管混凝土短柱轴压力学性能的异同之处，运用ABAQUS软件模拟了8根试件的轴压全过程，具体建模方法参考文献[11]。L形钢管、纵向加劲肋、上下端盖板以及内填混凝土的单元模型选择以及钢材和混凝土的本构关系模型、受压核心混凝土的应力-应变关系模型、混凝土的受拉软化性能以及各部件之间的约束类型选择等具体详见文献[12]。有限元模型建立采用全构件进行建模分析，边界条件的设置情况为一端固定，另一端为自由，并对自由端进行位移加载模拟。

4.1 荷载-纵向应变试验与计算曲线对比

试验实际量测曲线与有限元建模模拟所得计算曲线的对比如图5所示，从图中可见，所有试件的前期刚度的计算情况与试验实测情况相差无几；试验实测值Nue与计算值Nuc均表示为试件极限承载力大小，具体数值列于表1，经对比发现，Nue/Nuc比值的均方差为0.04。

通过对比各试件的计算曲线和试验曲线可以发现：(1)对于无肋试件L-NR-1和L-NR-2，导致实测承载力Nue均低于有限元计算承载力Nuc的原因是试件在试验过程中其钢管出现屈服较早，钢材未充分发挥其实际强度；(2)对于设置全贯通加劲肋后将L形分隔为三个腔室的L-WR-1，其实测极限承载力Nue及延性与计算模拟曲线相比均更优，说明此种加肋方式使得试件实际加肋后的效果较模拟情况更优；(3)由于试件中的钢材在实际试验中可能发生局部屈曲等因素造成偏差，而有限元软件模拟时为理想状态，导致两根间断加肋试件L-WR-2以及L-WR-3的计算值Nuc与实测值Nue相比相差均达到6%左右；(4)有限元软件能够较好的模拟L-WR-4和L-WR-5两种加肋方式下构件的刚度和极限承载力；(5)从图5(g)中可以看出L-WR-5加肋方式下试件的实测值Nue大于模拟计算值Nuc，说明有限元模型低估了此类加肋方式在实际加压试验过程中所能提升的约束效果，此类加肋方式能够充分发挥材料的整体性能。

图5 有限元与试验N-ε曲线对比分析图

图6 所有试件的2面钢管纵向应力分布情况(单位：MPa)

4.2 钢管纵向应力分析

由于所有加肋试件的加劲肋均布置在钢管2面上，为方便比较，图6所示为在纵向应变达到10 000微应变(各试件荷载-纵向应变关系曲线中下降段80%的极限荷载左右所对应的压应变)时钢管壁2面上的纵向应力分布云图，通过对比可以发现：(1)对于无肋试件L-NR-1/2，钢管壁由于没有加劲肋增强约束，在压力作用下试件高度中间位置处向外产生了较大的局部鼓曲，故在钢管壁上出现了非常明显的拉应力区；(2)对于全贯通加肋试件L-WR-1，在达到同一压缩量时，钢管壁上的纵向应力分布均表现为压应力的原因是设置了加劲肋后将L形分隔成三个腔室，其钢管对混凝土的约束效应显著提升；(3)从图6(c)、图6(d)中可以看出，试件L-WR-2以及L-WR-3均在靠近试件中截面处的两个间断加劲肋之间出现了两个上下几乎对称的的拉应力区，但与无肋试件相比，其拉应力区的范围有了较为显著的缩小，通过将这两个间断加肋试件进行对比可以发现，最大拉应力数值以及拉应力区的范围随肋间间距的变大而变大，这与试验中在两肋间隔处出现鼓曲相呼应；(4)L-WR-4和L-WR-5的管壁应力分布没有出现拉应力区，均显示为压应力，且两个试件的压应力各数值和其所对应的范围相比，L-WR-5的均更大一些；(5)对于L-WR-6，其在钢管2面上的纵向应力分布均显示为压应力，在阴角布置加劲肋后其压应力数值较未在阴角布置加劲肋的L-WR-5稍有减小，但范围几乎无变化。

图7 所有试件2面中截面处相互作用力分布情况

4.3 钢管与混凝土间的相互作用

图7中所示为沿钢管2面边长a，所有试件(无肋试件、不同加肋方式试件)跨中截面钢管对混凝土的约束力p分布情况。除无肋试件外，其余加肋试件均在钢管2面边长中部布置了加劲肋，即虚线处所示位置，Nu为试件极限承载力。通过对比可以发现：(1)由于未设置加劲肋，无肋试件中钢管对混凝土的约束主要集中在角部位置，且角部约束力随荷载的增大随之增大，其跨中截面靠近中部位置约束力几乎为零，试件在受到较大压力时其内部混凝土的向外膨胀更容易在阳角边产生，故靠近1面(阳角面)处角部约束大于靠近短边角部约束。(2)对于全贯通加肋试件L-WR-1，由于在设置加劲肋后L形整体被分隔为三个腔室，其钢管对混凝土的约束效应整体更加均匀，且约束力在角部以及加肋处均有较大提升。(3)对于加劲肋面积相同的4个试件(L-WR-2、L-WR-3、L-WR-4、L-WR-5)，通过设置间断加劲肋，L-WR-2和L-WR-3将内部分隔成了三个部分，且肋间间距较大的L-WR-2中肋在沿试件长度中部的跨度较长，故其约束力较L-WR-3更大；试件L-WR-4在2面设置加劲肋后将试件分隔成一大一小两个矩形，故在靠近短边的小矩形处钢管对混凝土的约束更强；在两个阳角面(1、2面)均设置了加劲肋的L-WR-5，其2面管壁约束效应较L-WR-4更均匀一些。(4)对于2面处的约束效果比较，在阴角处增设加劲肋的L-WR-6与未在阴角处设置加劲肋的L-WR-5相差不大。(5)随着荷载的增加，所有加肋试件的钢管角部和加劲肋处的约束力迅速增长。