内置开孔钢管的钢筋混凝土梁抗弯试验

陈晶，付秀艳，2，张欢鸾，储金亮

(1. 华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

引言

型钢混凝土结构由内部型钢与外包混凝土构成，两部分共同受力。同时型钢混凝土结构具有抗震性能好、减小构件截面尺寸和自重、防火性能好等优点[1]。型钢混凝土结构凭借其优良的受力性能得到了国内外学者的广泛关注。目前，国内外研究主要集中在型钢混凝土正截面受弯、斜截面受剪、构件及节点的抗震性能研究[2-6]。同时型钢混凝土( steel reinforced concrete，SRC) 结构因其承载力高、刚度大及抗震性能好等优势，广泛应用于超高层建筑及大跨度重载结构中[7-9]。

钢管混凝土(Concrete Filled Steel Tube简称CFST)其在力学性能方面，拥有强度高、塑性好等优点。聂建国、Han、郭全全等研究了钢管混凝土叠合柱轴压、偏压及滞回性能，认为钢管混凝土叠合柱具有较高的承载力和较好的抗震性能[10-13]。钱稼茹等指出钢筋混凝土梁-钢管混凝土组合柱节点实现了"强核心区弱梁"，发生钢筋混凝土梁弯曲破坏[14]。Liao等通过试验研究了钢筋混凝土梁(钢梁)-钢管混凝土叠合柱节点的滞回性能，结果表明钢筋混凝土梁(钢梁) -钢管混凝土叠合柱节点发生梁端弯曲破坏，具有较好的抗震性能[15]。

当今的建筑中内置开孔钢管的钢筋混凝土构件得到应用较少，同时此类构件也是研究较少的一种结构形式。对此结构从外向内观察，其外部的钢筋混凝土把钢管包围在内部，由内部而言，钢管包裹着混凝土。这种新形式，能够增强混凝土和钢材的材料优势，进而让这2种材料性能得到更好的发挥。内置开孔钢管的钢筋混凝土构件与传统SRC结构不同的是，用混凝土填充钢管形成的部分作为结构内部。此时的钢管为型钢，其内部受力复杂程度比普通的SRC结构要高。并且当前对钢管作为型钢的SRC梁研究较少，因此它是一种具有研究空间的型钢混凝土结构。

1试验概况

1.1 试件设计

该试验共有3根简支梁构件，2根为相同配筋尺寸的内置开孔钢管的钢筋混凝土梁，不同的是钢管的开孔个数与开孔间距，其中一根梁的钢管开孔为6个孔洞，它的编号为L1，另一根梁的钢管开孔为12个孔洞，它的编号为L2，最后一根为相同配筋和尺寸的钢筋混凝土梁，其编号为L3。梁长为3 400 mm；梁高为400 mm；梁宽为200 mm；受拉区2根直径16 mm，长为3 320 mm的钢筋在边缘弯折90°，弯折长度为192 mm的弯折处直径为64 mm，受压区2根直径12 mm，长为3 350 mm的钢筋在边缘弯折90°，弯折长度为144 mm，弯折处直径为48 mm，受拉钢筋和受压钢筋弯折部分间距为9 mm；箍筋弯剪段为6@150，纯弯段为6@200，箍筋弯折135°，弯折长度为30 mm弯折处直径为24 mm；钢管长度是3 300 mm外直径是108 mm内直径是100 mm，壁厚是4 mm；试验梁保护层为20 mm；钢孔示意图如图1、图2所示。

图1 开孔个数为6的钢管三维示意图 图2 开孔个数为12的钢管三维示意图

1.2 材料性能

本试验采用C25混凝土，其由水泥:水:砂:碎石=1:0.47:1.59:3.39的比列配置而成。为了材料性能选择同批次浇筑的混凝土，并预留边长为 100 mm的混凝土立方体试块，同条件养护28 d，采用标准试验方法测得混凝土的平均立方体抗压强度为26.1 MPa，平均弹性模量为2.01×104 MPa。试验所用的钢管均为 Q235 钢，平均屈服强度为277.5 MPa，平均极限强度为345.6 MPa。构件中所使用的钢筋均为HRB400级钢筋。测得钢筋平均屈服强度为444.05 MPa，平均极限强度为599.76 MPa。梁截面示意图如图3和图4所示。

图3 内置开孔钢管钢筋混凝土梁弯剪段截面图 图4 同尺寸配筋的钢筋混凝土梁截面图

1.3 加载装置与加载方案

加载装置的布置方式如图5所示。该试验采用的加载方案是开始采用力控制，当达到合适条件之后改为位移控制。在试验梁净跨的2个三等分点处设置加载点。本次试验加载示意图如图6所示。

加载工作如下：

(1)正式试验前需要进行预加载。预加载的主要作用是试验前检验各装置的使用性能。本次试验计划预加载到10 kN左右。

(2)本次试验正式加载分为3个阶段。第1阶段为力加载:每级速率为5 kN/min，当开裂荷载出现即停止加载。第2阶段在开裂之后，此阶段同样为力加载：每级在速率为10 kN/min，当钢筋应变达到1 800 ue时停止此阶段加载。第3阶段改为位移控制，位移速率为5 mm/min，当梁达到破坏要求时停止加载。

图5 加载装置布置图 图6 加载位置示意图

1.4 试验测试内容

在试验中重点对一些部位进行合理的应变及位移与裂缝变化趋势的测试。

(1)型钢应变测试

为了探讨梁的抗弯能力，在钢管位于跨中部分的上下左右4个边缘分别粘贴应变片。

(2)钢筋应变测试

钢筋中应变最重要的部分为中部受拉区钢筋。因此在此部位的钢筋的侧边都粘贴应变片。并在受压钢筋的一侧也粘贴上应变片用来探索试验时受压区钢筋应变数据与趋势。且同一位置2根钢筋都粘贴上应变片。在梁的两侧弯剪段的箍筋处同样分别粘贴应变片，目的是测试试验过程中箍筋是否破坏进而导致梁发生剪切破坏。

(3)混凝土应变测试

根据研究目的选择位于跨中的混凝土成为主要的研究对象。因此，选梁跨中位置的侧面相应的位置分别粘贴5个应变片。截面的应变片位置如图7所示。

(4)挠度测试

在加载位置对应处的梁的底部和梁跨中对应的梁的底部各自固定3个位移计，同时在两边底座处也各自固定一个位移计。位移计布置如图5所示。

(5)裂缝量测

首先为了观察的更加清晰需要给构件进行刷白。试件干燥之后先做好标记再用墨斗通过弹线的方式在试件上画上100 mm×100 mm 的正方形网格。试验过程中当发现裂缝时，及时进行记录。试验过程中和结束时都对裂缝宽度进行了测量，并测量了裂缝之间的距离。

图7 截面应变片位置详图

2试验结果

2.1 试验器械及构件装配

试验开始之前，调整作动器的位置，使其保持平衡再将其固定，给作动器安装加载头，然后给加载头安装分配梁。之后使用地梁、压梁、地锚等工具来固定底座。在每个底座上面根据实验距离放置铰支座固定装置。通过合理地转动作动器，保证分配梁与试件保持水平且对齐。其中本试验在铰支座和加载点位置设置钢板。

试验梁与加载装置装配完成之后，进行应变片导线和带屏蔽层导线的连接。之后将带屏蔽层的导线一边连接到采集仪上，另一边连接到补偿线上。采集仪连接完成如图8所示。

图8 采集仪连接完成图

2.2 试验现象

(1)L1试验现象

当作动器将荷载加载至28 kN时出现一条自北侧底座1 080 mm(加载点对应底部向纯弯段偏80 mm处)由底部偏上50 mm为起点向南测上部偏离80°长约100 mm的肉眼可见的小裂缝。当作动器将荷载加载至50 kN时南侧加载点的正下方向北偏离70 mm为起点出现一条向北侧上部偏离80°长约120 mm的肉眼可见的小裂缝。当作动器将荷载加载至126 kN的时候两侧弯剪段均产生指向加载点的大约180 mm的斜裂缝。当作动器将荷载加载至246 kN的时候裂缝变宽，此时裂缝发展缓慢大多裂缝竖向高度达到300 mm。当作动器将荷载加载至267 kN时南侧加载点附近的受压区混凝土顶部出现裂缝为破坏的现象，之后位移增大力开始下降。当作动器将荷载加载至214 kN作动器位移为82 mm时，南侧加载点附近的受压区混凝土向北400 mm范围彻底被压碎。期间最大裂缝宽度为5 mm。

(2)L2试验现象

当作动器将荷载加载至30 kN时产生一条自北侧底座1 060 mm处的梁的纯弯段受拉区底部(北侧加载头对应的受拉区底部混凝土向南侧60 mm)为起点向上90 mm的垂直裂缝。当作动器将荷载加载至40 kN时在开裂荷载南侧约100 mm处纯弯段内自底部产生一条120 mm的向上的垂直裂缝。当作动器将荷载加载至104 kN时，自北侧底座往南1 420 mm处位于梁纯弯段受拉区底部产生一条大约100 mm的垂直裂缝。当作动器将荷载加载至223 kN时，两侧弯剪段再次产生裂缝，之前的弯剪段的缝延长且均指向加载点。当作动器将荷载加载至256 kN时纯弯段和弯剪段均出现一些肉眼可见的小裂缝。当作动器将荷载加载至265 kN作动器位移25 mm时随位移增长加载力已经不再增大，已有裂缝延长较快且长度均达到200 mm左右，受压区南侧加载点在纯弯段附近产生裂缝且爆皮，受压区混凝土破坏。当作动器将荷载加载至217 kN作动器位移74 mm时，在南侧加载点附近的纯弯段受压区大量破坏。此阶段梁的受压区的混凝土被压碎的情况肉眼可见，且掉皮面积扩大，间最大裂缝宽度为6 mm。

(3)L3试验现象

当作动器将荷载加载至25 kN时自南侧底座向北1 000 mm的南侧加载点对应受拉区混凝土底部产生一条向上约90 mm长的小裂缝。当作动器将荷载加载至36 kN时，自南侧底座向北1 150 mm，梁的纯弯段受拉区底部产生一条向上长约100 mm的垂直裂缝。当作动器将荷载加载至64 kN时，梁的纯弯段中部受拉区自底部产生3条垂直小裂缝长约90 mm，3条裂缝间距约100 mm。当作动器将荷载加载至128 kN时，纯弯段之前的裂缝长度增长加快均达到240 mm并且裂缝明显加宽，且纯弯段新产生一些均匀的小裂缝。当作动器将荷载加载至146 kN作动器位移25.6 mm时，两侧加载头的纯弯段附近的受压区混凝土均出现裂缝，此时受压区混凝土破坏，混凝土表面纯弯段裂缝垂直高度达到330 mm左右。当作动器将荷载加载至103 kN作动器位移60 mm时，裂缝宽度较大，两侧加载头的纯弯段附近受压区混凝土肉眼可见起皮，受压区表面横裂缝较多，受压区混凝土压碎且裂缝宽度较大因此停止加载。期间最大裂缝宽度为4 mm。试验梁受压区压碎如图9所示。

图9 试验梁破坏图

3数据分析及公式推导

3.1 试验梁混凝土应变数据分析

图10所示为试验梁纯弯段跨中部分混凝土截面应变分布。内置开孔钢管的钢筋混凝土梁中的混凝土截面的应变分布接近于一次函数(直线)变化。从而认为内置开孔钢管的钢筋混凝土梁截面的混凝土的应变符合平截面假定。同时可看出同尺寸配筋的钢筋混凝土梁也满足平截面假定。

图10 试验梁混凝土跨中应变曲线

3.2 钢筋应变分析

图11所示为本次试验的3根试验梁的受拉钢筋和受压钢筋跨中截面的荷载应变曲线。

图11 试验梁跨中钢筋应变曲线

经过对比可发现，内置开孔钢管的钢筋混凝土梁中的钢筋应变趋势与同配筋尺寸的钢筋混凝土梁钢筋应变趋势大致相同。经过观察可发现，在加载初期，受拉区混凝土承担了试验梁大部分荷载。之后作动器给予的外力加大，受拉区混凝土的裂缝变多变宽且延伸，混凝土逐渐就不再主要承担拉力。这时候拉力更多的作用到受拉钢筋和钢管混凝土上，体现在数据图上就是钢筋的屈服应变斜率开始变大，应变变化速度随之增大。之后随着钢筋的屈服，钢筋应变斜率再次发生变化。其中受拉区钢筋主要正向增长，受压区钢筋主要是负向增长。

3.3 型钢应变数据处理

从荷载应变曲线中可以看出，随着混凝土退出工作，与钢筋屈服，钢管的荷载应变曲线斜率都会随之发生变化，数据如图12所示。

图12 试验梁跨中钢管应变曲线

3.4 试验梁挠度荷载曲线对比分析

3根试验梁的挠度荷载图有着明显的差异，因此将其数据处理并放在一起更能直观地分析此类数据，数据如图13所示。

图13 试验梁位移荷载对比图

由图13可以看出，3根试验梁中以位移为基准，达到屈服的顺序首先是L3，然后是L2，最后是L1。从开始加载到破坏L1所用位移最大为79.939 mm，其次是L2所用位移为72 mm，最少的是L3所用位移为59.6 mm。L1和L2内置开孔钢管的梁屈服之后的承载力较强且较为接近，其极限荷载是同尺寸配筋的钢筋混凝土梁的1.82倍。L1梁从极限荷载到最终破坏所用的位移为58.249 mm。L2梁从极限荷载到最终破坏所用的位移为54.51 mm。L3梁从极限荷载到最终破坏所用的位移为33.955 mm。内置开孔钢管钢筋混凝土梁从极限荷载到最终破坏，相比同尺寸配筋的钢筋混凝土梁需要1.6倍以上的位移，构件在变形持续增长的情况下，承载力下降很慢，内置开孔钢管的存在使得试验梁到达极限荷载之后，持续承载力有明显的增强。经过此数据还可发现，L1比L2开了较少的孔洞且在开孔间距较大的情况下，L1达到屈服、极限荷载和构件有明显下降段所需要的位移均比L2要少。

3.5 影响试验梁相关因素探讨

将梁的一些相关因素进行列表分析。表1所示为试验梁主要数据，表2所示为试验梁极限承载力对比。

表1 试验梁主要数据

表2 试验梁极限承载力对比

由表1中数据可知，本次试验3根试验梁开裂荷载相差不多，其中梁L1和梁L2的开裂荷载为极限荷载的12%左右，而同尺寸配筋的钢筋混凝土梁开裂荷载为极限荷载的18%。并且由此表可以看出，内置开孔钢管的钢筋混凝土梁承载力明显高于同尺寸配筋钢筋混凝土梁的承载力，前者屈服荷载大约是后者的1.92倍，且前者的极限荷载是同尺寸配筋的钢筋混凝土梁的1.82倍。其中梁L1和梁L2内配钢管，其极限承载力明显高于梁L3，说明有无钢管对试验梁的承载力影响较大。同时内置开孔钢管钢筋混凝土承载力随着钢管开孔体积比的增大而减小。试验梁L1和试验梁L2极限荷载较为接近，因钢管开孔数不多且孔洞不大，钢管均匀开孔的开孔间距及开孔个数对其抗弯性能影响较小。

3根试验梁的延性比均较大，均有较好的延性。其中梁L1和梁L2内置开孔钢管钢筋混凝土梁比同尺寸配筋的钢筋混凝土梁L3承载力大，且可保持良好的延性比。同时内置开孔钢管的钢筋混凝土梁比同样承载力的钢筋混凝土梁截面尺寸要小很多，进而在增大建筑使用空间的同时还方便了结构设计。

现有规范对型钢为钢管的SRC梁计算方法并不全面，通过之前的试验得出的内置开孔钢管的钢筋混凝土梁和相同尺寸配筋的钢筋混凝土梁极限承载力和通过规范的计算方法得出试验梁极限承载力进行对比，可以看出梁L1和梁L2的实际承载力比规范计算承载力大36%。内置开孔钢管实际承载力比较大的原因除了钢管刚度较大外，还因已有规范对钢管为型钢情况下不太适用。

3.6 内置开孔钢管钢筋混凝土梁受弯承载力计算方法

从试验数据可看出，试验梁纯弯段内部的钢筋与钢管在达到极限荷载之前均屈服。由此在考虑钢管开孔的情况下可根据力的平衡条件推导出下列公式。

(1)

根据力矩平衡条件推出下列公式:

(2)

(3)

(4)

式中

γ1为横截面开孔系数，无量纲;

γ2整体开孔系数，无量纲;

β为钢管强化系数，无量纲;

Ase为横截面开孔面积,mm2；

Aaf为不开孔状态下横截面钢管面积,mm2；

Vse为所有孔洞体积,m3；

Va为不开孔状态下钢管体积,m3；

s为钢管形心位置到受拉钢筋合力点的距离,mm。

将2根试验梁的数据带入公式得出钢管强化系数分别为1.192 428和1.192 45，因此取钢管强化系数为1.192 4。通过计算得出试验梁L1最大弯矩为133.504 kN.m，极限荷载为267.008 kN，其实际极限荷载为267 kN，计算得出试验梁L2最大弯矩为132.534 kN.m,极限荷载为265.068 kN，其实际极限荷载为265 kN，由此可看出理论计算数值与实际接近。理论计算数值与实际数值相对比如图14所示。

图14 理论数值与实际数值对比

4结论

(1)内置开孔钢管钢筋混凝土承载力随着钢管开孔体积比的增大而减小。开孔个数与开孔间距影响了构件达到屈服、极限荷载和构件有明显下降段所需要的位移。

(2)本试验中内置开孔钢管钢筋混凝土梁的屈服荷载与极限荷载均为同尺寸配筋钢筋混凝土的1.8倍，且3根试验梁延性比均较大。体现出内置开孔钢管钢筋混凝土梁具有良好抗弯性能且拥有较好的延性。

(3)已有规范并不适用于内置开孔钢管钢筋混凝土梁的承载力计算，提出了一种关于此类梁承载力提出了相对合理的计算公式。