穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱轴压试验

2021-01-21郑新志孙玉涛郭好振

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年2期

郑新志，孙玉涛，郭好振

(1.河南理工大学生态建筑与环境构建河南省工程实验室,河南焦作 454000；2.河南理工大学土木工程学院,河南焦作 454000)

0 引言

方钢管对其内填混凝土的约束作用主要集中于截面的角部区域，管壁稳定性差，容易产生局部屈曲，使钢材的材料强度不能充分发挥，导致延性下降[1]。

为了增强方钢管混凝土柱管壁的稳定性，研究者进行了大量的试验研究和理论分析，提出了设置角部隅撑[2]、加劲肋[3]、螺旋筋[4]、约束拉杆[5]等构造。黄宏等[6]研究了方钢管的宽厚比和加劲肋的高厚比变化对带肋方钢管混凝土柱力学性能的影响；C.Petrus等[7]研究了加劲肋的设置对钢管混凝土构件抗轴压、抗弯的影响作用；何振强等[8]研究了约束拉杆直径和间距、钢管厚度、钢材强度的变化对带约束拉杆方钢管混凝土短柱的力学性能影响。其中，广州新中国大厦[9]、广州名汇商业大厦[10]等超高层建筑在建设过程中已采用带约束拉杆的方钢管混凝土柱。

已有研究成果表明：通过在方钢管上设置拉杆或加劲肋均有助于提高构件的承载力和延性。但是，对于仅设拉杆的方钢管混凝土柱，约束拉杆之间的区域会出现弹塑性局部屈曲现象，削弱对内填混凝土的约束作用[11]。对于仅设置加劲肋的方钢管混凝土柱，为了防止较早出现局部屈曲，增加则需要较多的钢材用量，使得工程造价增加。

1 试件概况

为了弥补仅设加劲肋和仅设拉杆的方钢管混凝土柱存在的性能不足，本文设计了穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱，其三维示意图及构造形式分别如图1～2所示。穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱具有以下优点：(1)开孔加劲肋与约束拉杆紧密结合，使钢管壁四个侧边中部到整个高度形成连续有效的约束作用，延缓或避免钢管与混凝土之间的滑移，使方钢管与核心混凝土的一体性得到显著强化；(2)穿孔肋拉杆的约束作用通过加劲肋均匀传递给钢板，使拉杆的点状约束转变为加劲肋的线状约束，避免产生应力集中；(3)穿孔肋拉杆沿高度方向、加劲肋沿截面长度方向将钢板进行分割，减小了钢板的高宽比和宽厚比，从而使其半屈曲波长大大减小[12]。

图1 试件三维示意图

1-螺母；2-加劲肋；3-拉杆；4-混凝土

1.1 试件尺寸设计

试件高度L为边长B的3倍，即L/B=3。具体参数见表1。

1.2 材料性能试验

在试件混凝土浇筑时，预留3个标准立方体试块，与试件同期养护，养护结束后，测得混凝土立方体试块的抗压强度为45 MPa。按GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》[13]要求对钢板和拉杆进行拉伸试验，结果见表1。

表1 试件主要参数及试验结果

1.3 试件制作

先按设计尺寸切割制作管壁和加劲肋的钢板，并在相应位置打孔，然后在管壁截面中间位置沿纵向焊接加劲肋，再拼焊成带肋钢管。浇筑混凝土前，将拉杆穿过预留孔，并在两端用垫片和螺母将其紧箍在钢管外壁上。为方便观察试件的破坏形态，在加工好的空方钢管外表面喷涂油漆，并画出30 mm×30 mm网格。为防止柱端被压坏，制作4个柱帽。试件加载前，先测出柱帽的几何中心，然后将柱帽套在试件两端，确保柱帽与加载板的几何中心对中，并预压。

1.4 试验加载

试验在河南理工大学结构大厅的500 t压力机上进行，加载示意图见图3。采用分级加载，弹性范围内每级荷载为预估承载力的1/10，当钢管进入弹塑性阶段后每级荷载为预计极限荷载的 1/20，每级荷载加载的持续时间为 2 min[1]。应变数据由DH3816N应变仪采集，荷载值由压力机测控软件记录。

图3 加载示意图

1.5 测点布置

百分表布置在试件的对角点处。试件应变片布置如图4所示，图4中数字为应变测点位置标记，横条为横向应变片，纵条为纵向应变片。

图4 应变片布置位置示意图

2 试验结果与应变分析

2.1 试件破坏过程

所有试件在荷载下降至极限荷载的70%左右时结束试验。试件最终破坏形态如图5所示。

图5 试件最终破坏形态

C1为仅设加劲肋的方钢管混凝土短柱，加载初期，C1无变形和形态变化，达到极限荷载75%左右时，听到试件内有噼啪声；达到极限荷载的 85%左右时，试件出现局部鼓曲。达到极限荷载后，纵向变形迅速增加，试件向外鼓曲明显。至最终破坏时，钢管外壁有两道半波鼓曲，鼓曲波峰间距约为1倍柱宽。

C2为穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱。加载初期，试件无变形和形态变化，达到极限荷载的80%左右时，试件发出噼啪声，达到极限荷载时，第一排拉杆高度附近有轻微鼓曲。极限荷载后，随着荷载值下降，试件向外鼓曲程度进一步加大。最终破坏形态为：在设置第一排约束拉杆的同一高度附近，钢管外壁出现单波鼓曲，试件角部焊缝因相邻钢管外壁鼓曲变形贯通而被撕裂，且柱下部有一个拉杆的螺母因受力过大脱落。

C3，C4，C5，C6同为穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱。在达到极限荷载的80%左右时，试件外表面附着的砂浆开始脱落，之后，试件发出轻微噼啪声，在极限荷载之前，始终未发现试件有明显屈曲，直到荷载下降到极限荷载的85%左右，试件两排约束拉杆之间的区域才开始向外鼓曲。随着荷载值下降，试件向外鼓曲逐渐明显。最终破坏形态为：在两排约束拉杆之间的区域，钢管外壁出现双波或半波的鼓曲。

结合试验现象可知，除C1，C2外，其他试件鼓曲变形均发生在极限荷载之后，且C4，C5，C6发生依次延后。

2.2 试件承载力及延性

延性系数采用陶忠等[14]等提出的定义。

由表1可知：

(1)与C1相比，C3的极限承载力提高了6.4%，延性提高了22.7%，说明穿孔肋拉杆的设置增强了试件对核心混凝土的约束作用，从而减缓了钢管壁的局部屈曲和混凝土的压碎延迟。

(2)对比C2和C4，拉杆直径从4 mm增大到6 mm，试件的极限承载力提高了3%，延性提高了12.6%。说明拉杆直径增大对极限承载力的提高有限，但对试件的延性有较大提高，这是因为较大的拉杆直径增强了钢管壁的侧向刚度，有效限制了加载后期钢板屈曲的发展。

(3)对比C3和C6，拉杆纵向间距从150 mm减小到75 mm，试件的极限承载力提高了6.9%，延性提高了17.7%。说明拉杆纵向间距减小不仅能增大试件的极限承载力，而且能提高其延性，这是因为随着拉杆间距缩小，增强了拉杆对加劲肋及管壁的约束作用，使得加劲肋与核心混凝土黏结滑移延迟，从而提高了试件极限承载力和延性。

2.3 试件荷载-纵向应变曲线

取对角设置的2个百分表测得的纵向变形平均值，作为试件的轴向位移，并将其转化成试件的纵向应变。

图6为试件的N-ε曲线，由图6可知：

图6 试件的N-ε曲线

(1)所有试件荷载-纵向应变关系曲线在弹性阶段基本重合，说明拉杆直径与拉杆纵向间距变化对试件的初始刚度影响不大。

(2)进入弹塑性阶段，C4的曲线斜率大于C2,C3的斜率，说明随着荷载增加，C4拉杆较早地发挥了对核心混凝土的约束作用，这与拉杆-应变曲线图中C4拉杆应变在弹塑性阶段后发展加快相吻合；C2,C3,C4的极限荷载和对应的峰值平均纵向应变接近，但与C2,C3不同的是，C4的曲线下降段没有拐点，且比C2,C3的曲线下降段平缓。由此可见：增大拉杆直径能提高试件的延性，但对承载力的提高并不明显。

(3)达到极限荷载时，C3，C5，C6的极限荷载和对应的峰值平均纵向应变依次增大。在极限荷载后，C3，C5，C6的荷载-纵向应变关系曲线下降段越来越平缓，表明试件加载后期约束作用依次增强，延性依次提高。这是因为随着拉杆纵向间距缩小，两排约束拉杆之间的受约束区高度减小，核心混凝土受拉杆约束作用增强，使得核心混凝土的极限应变有所提高，钢板局部鼓曲得到延缓，极限应变提高。

2.4 加劲肋的荷载-应变曲线

为了比较拉杆的设置对加劲肋的影响，图7给出了C1,C3无量纲荷载N/Nu与各自加劲肋中部应变ε的关系曲线。

由图7可知：

(1)C1,C3的加劲肋中部测点纵向应变曲线的发展趋势基本一致，C1加劲肋中部测点纵向应变比C3发展明显变慢，在达到极限荷载时，C1加劲肋中部测点应变小于C3加劲肋中部测点应

图7 加劲肋的N/Nu-ε曲线

变，说明由于拉杆的约束作用，加劲肋对钢管壁的加劲作用明显增强，减缓了试件中部向外鼓曲，增大了对核心混凝土的约束作用。

(2)在极限荷载后，C3加劲肋中部测点应变发展比C1下降慢，这是由于穿孔肋拉杆的设置加强了对加劲肋约束作用，使加劲肋的延性增加。

2.5 拉杆应变特点

C2,C3,C4的无量纲荷载N/Nu和拉杆中部应变ε曲线如图8所示。

图8 C2,C3,C4拉杆的N/Nu-ε曲线Fig.8 N/Nu-ε curves of C2,C3,C4 bars

由图8可知：

(1)C2,C3,C4在弹性阶段的曲线斜率基本相同，直到极限荷载的70%左右后拉杆才进入弹塑性阶段，其应变增长加快。说明加载初期拉杆的约束作用较小，原因是拉杆的约束力与钢管鼓曲变形大小有关，加载初期试件所受承载力较小，不会发生鼓曲，拉杆的约束力较小，因而，其应变发展缓慢。

(2)C2，C3，C4达到极限荷载的90%后，拉杆应变的发展速度依次增大，说明在临近极限荷载及以后的加载过程中，随着试件拉杆直径增大，拉杆的约束作用增强。

为了对比试件同一高度处的拉杆应变，取C5第二排拉杆与C6第三排拉杆中部位置的测点应变，试件的无量纲荷载N/Nu和拉杆应变ε曲线如图9(a)所示；取C3第一排拉杆与C6第二排拉杆中部与端部位置的测点应变进行比较，试件的无量纲荷载N/Nu和拉杆应变ε曲线如图9(b)所示。G1，G2分别为拉杆的端部、中部测点。

由图9可知：

图9 C3,C5,C6拉杆的N/Nu-ε曲线

(1)整个加载过程中试件拉杆中部和端部应变发展趋势基本一致，且随着荷载增加，应变逐渐增大，达到极限荷载时，拉杆基本都已屈服，这表明拉杆有效约束了试件的径向变形。

(2)结合表1可知，C3，C5，C6的钢管约束系数[15]相同，拉杆约束系数由大到小为：C6>C5，C6>C3。随着试件拉杆间距缩小，即拉杆系数增大，试件中部位置拉杆应变发展加快，达到极限荷载时，拉杆应变增大。原因是：随着拉杆间距缩小，管壁、加劲肋和核心混凝土受到的约束作用增强，从而延迟了试件局部屈曲，极限承载力和延性均得到提高。随着拉杆间距缩小，拉杆要提供更大的约束力，因而其拉杆应变发展较快，达到极限荷载时应变较大。

为了研究同一试件中不同高度处拉杆应变变化的特点，图10(a)给出了C5第一排拉杆与第二排拉杆中部位置测点无量纲荷载N/Nu和应变ε曲线；图10(b)给出了C6第一排拉杆、第二排拉杆和第三排拉杆中部位置测点无量纲荷载N/Nu和应变ε曲线。

由图10可知,加载过程中C5第二排拉杆比第一排拉杆中部应变发展快，C6第一排拉杆、第二排拉杆和第三排拉杆中部应变发展依次加快，说明拉杆位置越靠近试件中部，拉杆中部的应变发展越快。这是因为试件中部更易产生鼓曲变形，靠近试件中部拉杆需提供更大的约束反力，对应的应变发展比远离试件中部拉杆应变发展快。

图10 C5,C6拉杆的N/Nu-ε曲线

2.6 钢管壁横向应变和纵向应变特点

为了研究穿孔肋拉杆设置后对试件中部管壁应变的影响，图11给出了C1，C3管壁1号、11号测点的无量纲荷载N/Nu与管壁应变ε关系曲线。测点布置见图4。

图11 C1,C3管壁1号，11号测量的N/Nu-ε曲线

由图11可知：弹性阶段后，C3管壁1号测点的纵、横应变发展加快，达到极限荷载时，其纵、横应变值也明显大于其他测点应变值，这是因为穿孔肋拉杆提高了加劲肋对管壁的约束，加劲肋与管壁的相互作用增强，达到极限荷载时，管壁的极限应变增大。C3管壁1号、11号测点的无量纲荷载纵、横应变均大于C1，曲线发展趋势一致，说明截面周边两侧约束能力得到增强；在极限荷载后，C1管壁1号、11号测点的纵、横应变发展较快，尤其是横向应变，说明管壁1号、11号测点附近发生变形，与C1早于C3发生局部鼓曲相吻合，见图5(a)。

C3，C6管壁无量纲荷载与各测点的纵向应变、横向应变的关系曲线如图12所示。

图12 C1,C3管壁所有测量点的N/Nu-ε曲线

由图12可知：

(1)弹性阶段后，管壁1号测点的纵、横应变发展加快，达到极限荷载时，其纵、横应变值也明显大于其他测点应变值，说明试件截面中部提供了较大的环向应力，由于拉杆和加劲肋的协同作用，截面中部鼓曲变形明显减小。

(2)达到极限荷载时，C3与C6的1号测点纵、横应变达到屈服应变，说明由于穿孔肋拉杆的设置，钢管壁的环向约束能力达到了极限。C3的2号和22号测点，C6的2号和11号测点在极限荷载后应变发展加快，且横向应变发展速度大于纵向应变，这是因为极限荷载后,钢管壁的环向约束能力发挥逐渐增强，横向约束能力的增加有利于减慢纵向应变发展。试件发生鼓曲变形部位距离较近，应力的传递作用使测点受其影响，应变发展加快。