内衬管螺纹连接中空圆钢管混凝土的轴压性能实验

2023-05-13王庆利高行程

辽宁科技大学学报 2023年1期

关键词：轴压内衬中空

王庆利，高行程，彭宽

（1.辽宁科技大学土木工程学院，辽宁鞍山 114044；2.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500）

中空钢管混凝土是指在钢管内浇筑混凝土形成中部带有空心的钢管混凝土结构［1］，具有承载力高、刚度大及塑性好等优势，广泛用于工程实践［2］。由于此类构件中部为空心，可以节省混凝土的用量，降低结构自重的同时，便于在中空部分布置管线［3］。

在实际工程中，因钢管原材料长度、吊装或运输能力的限制，需要在施工现场接长钢管。现阶段常用的钢管混凝土的接长方式有焊接、法兰盘连接和盖板-螺栓连接等［4］，如图1所示。

图1 钢管混凝土钢管的常用接长方式Fig.1 Main lengthening methods of concrete filled steel tubes

焊接作为现阶段钢结构中应用最广泛的连接形式，不受试件尺寸的影响，施工方便，但焊接处容易发生应力集中等问题［5］，并且焊接工艺易受人为、环境和气候因素等影响，从而导致出现一些质量问题［6］。杨红等［7］为了减小钢管混凝土结构在施工现场的焊接工作量，提出基于法兰连接和外设加强环的钢管混凝土柱-钢梁连接装配方法。陈前等［8］通过2种内外法兰分别连接钢管混凝土柱，以此来研究其抗弯承载力的变化，并建立有限元模拟，研究荷载传递机理以及连接螺栓、钢管与混凝土的力学性能。法兰盘连接方式会改变构件的外观，不利于荷载的传递，且在施工过程中不易装配与拆卸［9］。Abdessamade 等［10］建立盖板-螺栓连接处的三维有限元模型，研究钢盖板连接处的局部变形，再以螺栓位置为影响因素，对连接处荷载变化和变形能力进行研究。盖板-螺栓连接的构造形式复杂、施工周期过长，且螺栓打孔处易发生应力集中等问题［11］。

螺纹连接方式受力合理，在生产过程中可以采用标准化、流水线作业，在施工过程中组装方便，节约工期的同时也可以充分保证结构质量。因此，本文尝试采用螺纹连接长钢管混凝土结构。如果采用内、外螺纹直接连接钢管，螺纹连接处的强度至少被削弱一半，从而降低承载力。为了避免这种情况，本文设计内衬管作为一种过渡用于连接管身，如图2所示。

图2 内衬管螺纹接长钢管示意图Fig.2 Schematic diagram of steel tube lengthened by thread through lined tube

螺纹连接圆钢管混凝土最不利的受力形式应为轴拉和扭转，其次为拉-弯、纯弯和压-弯等，而轴压和剪切强度最高。但轴压性能是钢管混凝土最核心、最重要和最基本的性能。本文以内衬管螺纹连接中空圆钢管混凝土轴压短柱为研究对象进行实验，分析轴压力-纵向压缩量曲线、轴压力-钢管应变曲线、轴压承载力、刚度以及试件的破坏模态等。根据不同文献提出的承载力计算式与本文实验结果进行对比，对内衬管螺纹连接中空圆钢管混凝土承载力计算方法给出建议。

1 实验概况

1.1 试件设计及制作

设计制作12个内衬管螺纹连接中空圆钢管混凝土轴压短柱，内螺纹位置分别设在中截面和端截面。为了对比，又设计制作了1个无连接中空圆钢管混凝土轴压短柱，2个焊接中空圆钢管混凝土轴压短柱，焊接位置分别设在中截面和端截面。部分试件的钢部件结构尺寸如图3所示，试件实物如图4所示。

图3 部分试件的钢部件结构示意图Fig.3 Schematic diagrams of steel components of partial specimens

图4 试件实物图Fig.4 Physical images of specimens

试件详细参数见表1。试件长度L=399 mm，外钢管直径Ds=133 mm，外钢管壁厚ts=6 mm，混凝土内径Dci=76 mm，内衬管直径Dis=126 mm，内衬管壁厚tis=8 mm。螺纹长度l分别取Ds/2、Ds/4和Ds/8；螺纹深度h分别取0.1ts和0.15ts。

表1 试件参数表Tab.1 Parameters of specimens

1.2 试件性能参数

经计算，试件的约束效应系数ζ［12］为3.77，空心率ψ［13］为0.39。ζ和ψ的计算式

式中：As为钢材截面面积；fy为钢管屈服强度；Ac为混凝土截面面积；fck=0.67fcu为混凝土轴心抗压强度标准值；fcu为混凝土立方体抗压强度；Aci为混凝土内壁包围的面积；Asi为钢管内壁包围的面积。

实验采用Q345 钢材，并按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1-2010）测得外钢管及内衬管指标如表2 所示。其中，fu为钢管抗拉强度，Es为钢管弹性模量，vs为钢管泊松比，δ为钢管拉断伸长率。

表2 钢管性能指标Tab.2 Performance indices of steel tube

混凝土配合比：水泥432 kg/m3，水168 kg/m3，砂子558 kg/m3，石子1 242 kg/m3。测得fcu=51.71 MPa，混凝土弹性模量Ec=30 GPa，泊松比为0.21。

1.3 实验装置

实验在3 000 kN压力机上进行，图5为加载全貌。沿试件四周间隔90°布置4 个位移计，测量试件整体纵向变形；在钢管外壁沿试件横截面圆周间隔90°粘贴横向和纵向应变片各1 枚，测量钢管横向和纵向应变。

图5 试件加载全貌Fig.5 Full view of loading specimens

当试件和设备调试完毕后，根据预估承载力［14］对试件分级加载。在弹性范围内，每级加载为预估承载力的1/10，持载2 min 后再进行下一级加载，直至加载到预估承载力的60%；随后以2 kN/s的速率加载，直至压缩量达到30 mm停止实验。

2 试件破坏特征

2.1 普通试件和焊接试件

图6 为普通试件和焊接试件的破坏模态。两种试件的破坏模态类似，均是在靠近端板处的钢管产生明显的鼓曲，这是试件的端部效应所致［15］。剖开钢管可见，均是内层混凝土先压溃，再逐渐向外层混凝土扩展，直至整个截面的混凝土压溃。因为内层混凝土双向受压，而外层混凝土由于钢管的约束为三向受压。混凝土压溃部位与钢管变形部位一致，表明混凝土与钢管协调变形，且混凝土具有良好的塑性填充性能。

图6 普通试件和焊接试件的破坏模态Fig.6 Failure modes of common specimen and welded specimen

2.2 中截面内衬管螺纹连接试件

图7 为中截面内衬管螺纹连接试件的破坏模态。此类试件都表现出相似的破坏模态，除了端截面附近钢管的鼓曲之外，在管身对接处发生外翻变形，这表明中截面为试件最薄弱处。混凝土压溃部位与钢管鼓曲或者外翻部位一致。

图7 中截面内衬管螺纹连接试件的破坏模态Fig.7 Failure modes of specimens connected at middle section by thread through lined tubes

2.3 端截面内衬管螺纹连接试件

图8 为端截面内衬管螺纹连接试件的破坏模态。此类试件都表现出相似的破坏模态，除了端截面附近钢管的鼓曲之外，在内衬管边缘产生鼓曲。这表明该截面为试件薄弱处。混凝土压溃部位与钢管鼓曲或者外翻部位一致。

图8 端截面内衬管螺纹连接试件的破坏模态Fig.8 Failure modes of specimens connected at end section by thread through lined tubes

3 轴压力-变形曲线分析

3.1 轴压力-纵向压缩量曲线分析

部分试件的轴压力N-纵向压缩量Δ位移曲线如图9 所示。所有曲线在加载初期均处于弹性阶段；当试件进入弹塑性阶段后，试件的纵向压缩量快速增长；在到达峰值荷载后，荷载开始缓慢下降。此趋势与文献［16］的一致。

图9 部分试件轴压力-纵向压缩量曲线Fig.9 Axis pressure vs longitudinal compression volume curves of connected specimens

在弹塑性阶段，焊接试件的承载力和刚度略高于普通试件。这是由于为了保证对比实验的客观性，焊接试件均采用全熔透焊缝，且焊角尺寸较大所致。而内衬管螺纹连接试件的刚度与普通试件基本一致，并且承载力也不低于焊接连接试件。

试件承载力及主要指标详见表3。中截面内衬管螺纹连接试件的承载力与焊接试件基本持平，平均值为1 325.5 kN；而刚度略低，平均值为776.833 kN/mm；端截面内衬管螺纹连接试件承载力和刚度均不低于焊接试件，平均值为1 402.5 kN和948.087 kN/mm。

表3 试件的承载力及主要指标Tab.3 Load capacity and main indicators of specimens

3.2 轴压力-钢管应变曲线分析

图10为所有试件的轴压力N-钢管应变εs曲线。内衬管螺纹连接试件的曲线与普通连接试件和焊接连接试件走势无明显区别。所有试件在加载的初始阶段，横向应变约为纵向应变的0.28倍，接近混凝土的泊松比。随着荷载的持续施加，内衬管螺纹连接试件的横向应变与纵向应变的比值显著增大，且增加幅度与焊接连接试件基本一致，说明二者的钢管管身对混凝土均有着良好的约束效应。

图10 所有试件的N-εs 曲线Fig.10 N-εs curves of all specimens

4 影响因素分析

图11为螺纹长度对内衬管螺纹连接中空圆钢管混凝土轴压短柱轴压力-纵向压缩量曲线的影响。

图11 螺纹长度对试件轴压力-纵向压缩量曲线的影响Fig.11 Effect of thread length on axis pressure vs longitudinal compression volume curves of specimens

试件的刚度和承载力随着螺纹长度的增加而增大。这是由于螺纹长度越大，其内衬管长度越长，螺纹区段对混凝土的约束效应更大，因此对试件的刚度和承载能力都有一定的增强作用。这表明此类连接没有弱化轴压短柱强度。

图12为螺纹位置对内衬管螺纹连接中空圆钢管混凝土轴压短柱轴压力-纵向压缩量曲线的影响。从加载初期至试件达到峰值荷载阶段，端截面连接试件的刚度和承载力高于中截面连接试件。原因在于内衬管的存在提高了试件的刚度和承载力，而端截面内衬管螺纹连接试件采用两个内衬管，从而提升程度更高。

图12 螺纹位置对试件轴压力-纵向压缩量曲线的影响Fig.12 Effect of thread position on axis pressure vs longitudinal compression volume curves of specimens

图13为螺纹深度对内衬管螺纹连接中空圆钢管混凝土轴压短柱轴压力-纵向压缩量曲线的影响。随着螺纹深度增加，承载力与刚度略有提高。这是由于螺纹深度的增加对混凝土的约束效应更大，因此对试件的刚度和承载能力都有一定的增强作用。但本次试件螺纹深度参数分别为0.6 mm和0.9 mm，两种螺纹深度相差较小，所以对承载力的增幅影响不明显。

图13 螺纹深度对试件轴压力-纵向压缩量曲线的影响Fig.13 Effect of thread depth on axis pressure vs longitudinal compression volume curves of specimens

5 轴压承载力计算

对于实验用轴压短柱来说，连接长度占试件整体长度比较大，但在实际工程中连接长度占比很小。因此，可以忽略螺纹连接处内衬管厚度的影响，按照管身的厚度计算承载力。试件的承载力计算值与实验值对比结果详见表4。其中，Nue为承载力实验值的峰值荷载，Nuc为承载力理论计算值，分别采用文献［17，15，18，19］中的计算方法。按照文献［17］和［15］方法计算结果与本文的实验值吻合最好。