轴压、压扭荷载作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的受力性能研究*

聂影 皮正波 陶修 罗崯滔 赵轩 陈春君 王宇航

1.中冶赛迪工程技术股份有限公司 重庆 400013

2.湖南工程学院建筑工程学院 湘潭 411104

3.重庆大学土木工程学院 400045

引言

钢管混凝土按照截面形式的不同分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土以及多边形混凝土等多种形式［1］，因其力学性能优异而被广泛用于各种结构中，Lai Zhichao 和Varma Amit H.［2］、Roeder Charles W.、Lehman Dawn E.和Erik Bishop［3］、Chen Baochun［4］等、Ayough Pouria 等［5］国内外学者对钢管混凝土进行了多工况下的受力性能分析。蔡绍怀和焦占拴［6］对57 个圆钢管混凝土短柱轴压试验，通过变化“套箍指标”、加载方式以及试件高度等参数，分析得到了“套箍指标”是影响其承载能力和变形能力的主要因素；蔡绍怀和顾万黎［7］对26 个圆钢管混凝土长柱轴压试验，通过变化长细比，推导了轴心受压长柱的承载力简化计算公式。韩林海和杨有福［8］对24 个矩形截面钢管混凝土短柱进行了轴压试验，通过变化约束效应系数以及截面的长宽比分析矩形钢管混凝土柱的力学性能和强度承载力。还有Ekmekyapar Talha 和Hasan Hussein Ghanim［9］、王清湘等［10］、毛文婧等［11］、朱美春［12］等对钢管混凝土柱进行了轴压试验，通过变化含钢率、混凝土强度以及是否内嵌钢骨等参数，分析了不同参数变化对柱承载力、延性以及刚度的影响。韩林海［13］对钢管混凝土构件进行了压扭试验，揭示了钢管混凝土构件在压扭作用下的工作性能，为后续研究提供了本构关系。苏义峰［14］等对新型钢管混凝土构件进行了压扭试验，通过有限元建模分析，提出了抗扭承载力计算方法与数值模拟的结果吻合良好。史艳莉［15］等对内配三种型钢钢管混凝土压扭构件进行了有限元分析，提出了含钢率是影响构件承载力的主要因素。陈全有等［16］、王静峰［17］等、王先铁［18］等人对传统钢管混凝土组合柱进行了结构形式的优化，对新型构件进行了有限元以及试验研究。由于钢与混凝土的组合形式较广泛，尚未有学者对内嵌H型钢钢管混凝土柱进行相关力学性能的研究。

本文拟在钢管混凝土组合结构的基础上进一步进行试验研究，通过在钢管混凝土柱中加入H型钢，记录试件在加载过程中的试验现象，分析其在轴压和压扭工况下其失效模式、扭矩-扭转角滞回关系曲线、扭矩-扭转角骨架曲线等多方面的受力性能。

在普通钢管混凝土组合结构中内嵌H 型钢，与未内嵌的组合柱相比较而言，由于内置型钢对整个试件的强度、刚度提升，考察其力学性能指标，拟对复杂使用环境下的组合柱进行改良设计。目前国内外学者对在钢管混凝土中内嵌型钢的研究较少，且较多仍出于有限元模拟阶段，本文对其进行试验研究，分析其多个受力性能指标。

本文简要分析了钢材料与混凝土材料相互组合的组合效应，整理了部分学者对于钢管混凝土的受力性能研究，在已有研究基础上，提出了内嵌H型钢钢管混凝土柱新型组合结构，并对其进行轴压、压扭荷载作用，分析研究两种工况下受力性能。共设计制作了3 个试件，其中一个用于轴压试验，其余两个用于压扭试验，3 个试件的高度与回转半径均保持一致，对于压扭试验，设置了不同的轴压比，对比分析不同轴压比下试件的破坏形态和受力性能。重点分析了压扭试件的扭矩-扭转角滞回曲线，其滞回曲线非常饱满，强度和刚度的损伤退化程度较低，具有良好的耗能能力。简要分析了压扭试件的扭矩-扭转角骨架；力学特征以及扭转刚度退化。

1 试验概况

1.1 试件制作

试验中设计了3 个内嵌H型钢钢管混凝土柱试件，试件总高度均为975mm，内嵌H 型钢的尺寸为80mm ×80mm ×3.7mm ×3.7mm。在制造过程中，为保证钢管以及H型钢与底板和顶板有良好的抗环向剪切性能，故采用焊接连接的方式。用气保焊将试件连接至顶板和底板，通过顶板的孔洞将混凝土浇筑至钢管内部，并将其振捣密实，其截面构造见图1。

图1 截面构造Fig.1 Cross-sectional structure

本试验中针对3 个圆形截面进行轴压、压扭荷载作用，其中一个用于轴压试验，另两个用于压扭试验，试件编号及试验参数见表1。在控制3 个试件的高度一致情况下，在压扭试验中，通过变化轴压比的大小来分析不同轴压比作用下，内嵌H型钢钢管混凝土柱的受力性能；此外通过与只有轴力作用下的试件进行对比，定性分析两种不同工况下的破坏现象与受力机理。

表1 内嵌H型钢钢管混凝土柱试件编号及试验参数Tab.1 Specimen number and test parameters of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

1.2 材料力学性能

采用C40 混凝土，根据混凝土立方体强度值测量方法，在浇筑试件的过程中，同时取3 组尺寸为150mm ×150mm ×150mm 混凝土立方体试块，实测其28d立方体抗压强度为40.7MPa。

钢材强度由标准拉伸试验确定，测量试件从同批钢管中抽取，每组抽取3 个，测得试件钢管和H型钢钢材的屈服强度、抗拉强度以及弹性模量见表2。

表2 材料力学性能Tab.2 Mechanical properties of materials

1.3 试验装置及加载制度

本试验在重庆大学土木工程学院振动台实验室进行，制作并使用了一套可施加轴压、压扭等多工况荷载的试验装置，加载装置示意图和加载现场如图2 所示。

图2 加载装置Fig.2 Loading device

在试验过程中，数据采集使用高精度直线位移传感器（LVDT）和数据自动采集系统。其中LVDT1 量测水平液压伺服器的水平位移，而LVDT2 和LVDT3 布置在钢梁底部，用于量测竖向位移。LVDT4 布置在柱顶钢梁竖向约1／2 高度处，用于量测柱顶水平方向位移。测点布置详图如图3 所示。

图3 位移量测Fig.3 Displacement measurement

对于此次试验中的轴压作用试件，采用预加载方法，首先加载至200kN，然后卸载至0，重复两次后开始加载。对于此次试验中的压扭作用试件，由于内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭转角和水平位移之间存在近似线性相关关系，试件CH2-CT1 和试件CH2-CT2 的等增量扭转角Δθ 为±0.86°，故使用水平方向的位移来控制加载过程，对试件施加循环扭矩。水平位移的加载速度控制为4mm／min。当达到每个循环次数的最大或最小扭转位移时，暂停1min 用于拍照和记录数据，加载整个过程使用固定摄影机位记录。当试件发生破坏或试件承载力小于85%最大承载力时停止加载。

2 试验现象及破坏形态

试件CH2-C受单向轴压力作用，由于在钢管混凝土柱中加入了H型钢，整个试件的含钢率较高，故整个试件的破坏形式与钢结构破坏形式接近。由图4中可以看到，试件在轴力作用下发生了竖向弯曲，其竖向位移达到了21.7mm，试件失效。

图4 CH2-C失效模式Fig.4 Failure mode of CH2-C

试件CH2-CT1 受压扭组合作用，为了得到更加清晰的试验破坏现象，试件失效后，首先将外钢管剥落，分析记录内部混凝土的裂缝开展情况；其次将内部混凝土剥落，分析记录内嵌H 型钢的破坏模式。试验开始后，在扭转角达到17°时，试件破坏，外钢管发生三种不同方向的鼓屈：斜向鼓屈、竖向鼓屈和环向鼓屈，如图5 所示。将外钢管剥落，观察试件发现内部混凝土有压碎以及开裂现象，其中上下部与支座连接的混凝土被压碎，中部混凝土呈现单向斜裂缝，未发现X 形破坏。将内部混凝土剥落，观察试件内嵌H型钢的破坏形态，从试件中可以看到H型钢发生了多处屈曲破坏，在与支座相连，与压碎混凝土同等高度处的H 型钢发生翼沿屈曲。对于整体内部H型钢发生了整体屈曲破坏，在H 型钢上方约1／3处，其腹板部分发生屈曲破坏。

图5 CH2-CT1 失效模式Fig.5 Failure mode of CH2-CT1

试件CH2-CT2 受压扭组合作用，试验方法与观察分析方法与试件CH2-CT1 保持一致。与试件CH2-CT1 不同之处在于，两者控制的轴压比不同，CH2-CT2 轴压比为0.48，CH2-CT1 轴压比为0.24。试验开始后，在扭转角达到11°

时，试件破坏，外钢管发生三种不同方向的鼓屈：整体竖向屈曲、斜向鼓屈、环向鼓屈，如图6 所示。将外钢管剥落，观察试件发现内部混凝土上部多处开展微裂缝，在试件中部有两条斜裂缝，斜裂缝方向与水平方向约成45°且两条裂缝互成约90°，成X状裂缝。将内部混凝土剥落，观察试件内嵌H型钢的破坏形态，从试件中可以看到H型钢发生了3 处屈曲破坏，在与支座相连的H型钢上下端呈现翼沿屈曲破坏，对于整体内部H型钢则发生整体屈曲破坏。

图6 CH2-CT2 失效模式Fig.6 Failure mode of CH2-CT2

3 扭矩-扭转角滞回曲线及分析

压扭作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的扭矩-扭转角滞回关系曲线见图7 所示。

图7 内嵌H 型钢钢管混凝土柱扭矩-扭转角滞回曲线Fig.7 Torque-torsional angle hysteresis curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

从图7 中可以看出，内嵌H型钢圆形截面钢管混凝土柱的滞回曲线非常饱满，没有产生“捏拢”现象，卸载刚度几乎等于初始弹性刚度，试件的强度和刚度的损伤退化程度较低，在往复荷载作用下具有良好的耗能能力。

4 扭矩-扭转角骨架与力学特征

由图8 和表3 可知，在轴压力和往复扭转作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭矩-扭转角骨架曲线主要呈弹性和塑性两阶段。对比两个压扭作用试件可以发现，在轴压比相对较高的情况下，试件的屈服扭转角会有较明显的提升，但试件的峰值扭转角则会有下降，整个试件的延性变差。

图8 扭矩-扭转角骨架曲线Fig.8 Torque-torsion angle skeleton curve

表3 压扭作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱力学特征Tab.3 Mechanical properties of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

5 扭转刚度退化

文献［19］对钢管混凝土柱进行了复杂工况的加载试验，提出了扭转退化刚度的计算公式。内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭转退化刚度kθ定义为最大扭矩Ti与扭转角θi之间的相关关系：

内嵌H型钢钢管混凝土柱退化刚度见图9 所示。由图9 可知：1）当扭转角与屈服扭转角之比（θ／θy，θy取纯扭下屈服扭转角）≤4 时扭转刚度与屈服扭转刚度之比（Kθ／Kθe，Kθe取纯扭下屈服扭转刚度）随θ／θy的增大而急速降低，当θ／θy＞

图9 内嵌H 型钢钢管混凝土柱的扭转刚度退化Fig.9 The torsional stiffness degradation of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

4 时Kθ／Kθe衰减变缓，表明内嵌H 型钢钢管混凝土柱的混凝土的剪切变形能力低，而混凝土早期的剪切变形失效加速了扭转刚度的衰减；2）长细比较大的内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭转刚度随θ／θy的增大而衰减程度更快。

6 破坏机理

压扭作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱的破坏机理见图10。轴力作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱截面受到均匀压应力作用，因钢管的约束作用柱内混凝土处于三向受压状态（σ1＞σ2＝σ3），钢管因竖向轴压力和管内混凝土的横向膨胀而处于竖向受压而环向受拉的双向压-拉应力状态，H型钢因竖向轴压力而处于压应力状态。纯扭作用下柱截面钢管、H 型钢和混凝土处于纯剪应力状态，混凝土的最外侧剪应力最大而中心位置最小。

图10 破坏机理Fig.10 The failure mechanism

轴压力和扭矩作用下，因轴压力的压效应和扭矩的剪切效应，柱截面钢管沿纵向和环向分别受到压剪应力和拉剪应力，混凝土沿纵向和环向均受到压剪应力，而H 型钢受到单向压剪应力。轴压力沿柱截面产生环向膨胀和沿竖向产生整体屈曲的压效应，而扭矩沿柱截面产生环向剪切效应，因而可总结轴压和往复扭转作用下破坏机理为：轴压力的压效应和扭矩的剪切效应导致内嵌H型钢钢管混凝土柱的混凝土和钢管沿斜向的主压应力方向的垂直方向产生鼓屈破坏；轴压力的压效应导致构件产生整体屈曲破坏。

7 结语

本文完成了3个内嵌H型钢钢管混凝土柱在轴压、压扭荷载作用下的拟静力加载试验，对试验结果进行了定性分析。对于压扭的两种工况，随着轴力的增大，试件的峰值扭转角等力学特征指标降低，且整个试件的延性系数降低明显。试件扭转刚度在实际工程中使用内嵌H 型钢钢管混凝土柱时，组合结构的刚度以及抗火性能、耗能能力也更有一定优势。实际使用内嵌H型钢钢管混凝土柱时，应合理控制轴压比，使结构的整体性能更优。