多工况荷载作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的受力性能

赵轩,皮正波,陶修,罗崯滔,聂影,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，湖南 湘潭411104；3.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045）

由于结构所受荷载日渐复杂且结构趋向大型化发展，工程结构中主要受力构件的结构形式也在不断发展，从钢筋混凝土结构、钢结构逐渐发展到钢管混凝土结构等组合结构。由于力学性能优异，钢管混凝土组合柱得到广泛使用，学者们已对钢管混凝土组合柱受力性能进行了较多研究，包括试验研究、数值分析等。王志滨等[1]提出了带直角六边形钢管混凝土柱的荷载-位移恢复力模型，简化计算结果和试验结果吻合较好。王宇航等[2]在试验结果的基础上，基于理论计算提出了钢管混凝土柱的抗扭承载力和轴力-抗扭承载力相关关系简化计算公式。Roeder 等[3]通过压弯试验提出了一种新的强度、刚度计算方法。Tao 等[4]对不同材料形式的方钢管混凝土短柱进行了极限承载力试验，并与有限元结果进行了对比。Lai 等[5]提出了一种新的高强矩形钢管混凝土短柱设计方法，以弥补目前相关规范的缺失。Chen 等[6]基于钢管混凝土柱轴压试验数据库建立了轴压强度公式。Ayough 等[7]通过对多种规范的调研，指出材料性能和尺寸对钢管混凝土柱的轴心受力性能影响显著。赵大洲等[8]通过数值积分方法，模拟计算了钢骨-钢管混凝土压弯组合柱的荷载-变形关系曲线，并分析了影响承载力的主要参数，模拟结果与试验结果吻合良好，由此提出了压弯组合柱承载力的简化计算公式。陈明杰[9]通过变化偏心率、内部含钢率、外部含钢率、长细比参数，设计了9 个内置十字形钢钢管混凝土柱试件用于试验研究，并通过ABAQUS 对试件进行模拟分析，提出了钢骨-钢管混凝土轴压短柱、偏压短柱及轴压中长柱的承载力计算公式。刘晓[10]制作了18 根钢管钢骨高强混凝土构件，对其进行了偏心受压、抗弯、压弯工况下的试验研究，并进行了理论分析，考虑内部钢骨对混凝土的双重紧箍作用和后期的延性改善，修正了核心混凝土的本构关系模型，得到了轴压稳定承载力简化公式，计算值与试验值吻合较好。刘涵等[11]对圆锥形中空夹层钢管混凝土纯弯构件进行了数值模拟，提出了抗弯承载力计算方法。余洁等[12]针对不同结构形式的钢管混凝土组合柱开展了研究，通过改变钢管强度、厚度等参数进行试验及数值模拟分析，在钢管混凝土中配置钢筋并设置不同参数，其受弯承载力和受扭承载力之间的相关关系基本一致。许友武[13]将外圆管的截面形式设置为椭圆形，并提出了其设计公式。王文达等[14]对内置不同型钢类型进行了试验研究，主要探究方钢管混凝土构件压弯剪复合受力工作机理。迄今为止，尚未有学者在钢管混凝土组合柱中内嵌H 型钢并分析其在复杂荷载下的受力性能。笔者在钢管混凝土柱中加入H 型钢，通过试验分析其在纯弯、压弯、扭弯及压弯扭4 种工况下的受力性能。

1 试验概况

1.1 试件制作

试验设计了4 个内嵌H 型钢钢管混凝土柱试件，试件总高度均为975 mm。为保证钢管及H 型钢与底板和顶板有良好的抗环向剪切性能，在制造过程中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。试件截面构造见图1。

图1 内嵌H 型钢钢管混凝土柱截面构造Fig.1 Cross-sectional structure of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

对4 个圆形截面钢管混凝土柱试件施加纯弯、压弯、弯扭和压弯扭荷载，试件参数如表1 所示。符合工程需求，根据钢管混凝土结构及相关工程经验，对于有轴向压力的试件，轴压力大小为730 kN，其轴压比n(n=N/Nu)控制为0.24；对于有扭矩作用的试件，其扭弯比大小控制为0.34。对4 个同等参数的试件采用不同的加载方向，定性分析其在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Table 1 Numbers 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测量方法，在浇筑试件的过程中，同时取3 组尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的混凝土立方体试块，实测其28 d 立方体抗压强度为44.4 MPa。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、抗拉强度及弹性模量，如表2 所示。

表2 钢材材料力学性能Table 2 Mechanical properties of steel materials

1.3 试验装置及加载制度

试验在重庆大学土木工程学院振动台实验室进行，制作并使用图2 所示试验加载装置来实现纯扭、压扭、纯弯、压弯、扭弯和压弯扭加载。加载现场如图3 所示。试件上部设置钢端板，与加载钢梁通过螺栓连接（加载相关设置）。

图3 加载现场Fig.3 Loading site

在试验过程中，通过高精度直线位移传感器（LVDT）和数据自动采集系统采集数据。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。对于试件CH2-CB 和CH2-CBT1，轴压力作用采用预加载方式，首先加载至200 kN，然后卸载至0，重复两次后开始加载。对于试件CH2-TB1 和CH2-CBT1，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线性相关关系，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4 mm/min。对于试件CH2-CB 和CH2-CBT1，采用等增量柱顶位移加载。加载时，先施加竖向轴压力，当达到每个循环次数的最大或基本滞回扭转位移时，暂停1 min 用于拍照和记录数据，当试件破坏或试件承载力小于最大承载力的85%时停止加载，整个加载过程使用固定摄影机记录。加载模式如图4所示，其中Nu为730 kN。

图4 加载模式Fig.4 Loading mode

2 试验现象及破坏形态

试件CH2-B 受纯弯作用，其失效模式表现为柱底钢管发生鼓屈，鼓屈处内部混凝土膨胀，且钢管在柱底受拉区发生开裂破坏，裂缝方向为水平方向，如图5（a）所示。

图5 失效模式Fig.5 Failure mode

试件CH2-CB 受压弯作用，其失效模式与试件CH2-B 相似，试件破坏发生在底部，柱底钢管发生鼓屈，鼓屈处内部混凝土膨胀，且受拉区钢管开裂，裂缝方向水平，如图5（b）所示。

试件CH2-TB1 受扭弯荷载作用，其失效模式表现为柱底钢管发生斜向鼓屈，并在鼓屈处进一步发展裂缝，表现为斜向撕裂，如图5（c）所示。

试件CH2-CBT1 受压弯扭荷载作用，其失效模式与试件CH2-TB1 相似，试件破坏发生在底部，柱底钢管在荷载作用下首先发生斜向鼓屈，随着试验的继续进行，钢管在鼓屈处开展斜向裂缝，如图5（d）所示。

3 弯矩-位移和扭矩-位移滞回性能

纯弯和压弯作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的弯矩-位移滞回曲线如图6 所示。纯弯和压弯作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的卸载刚度与加载刚度均差异较小，其滞回曲线较为饱满，无明显“捏拢”效应，具有良好的耗能能力。

图6 内嵌H 型钢钢管混凝土柱弯矩-位移滞回曲线Fig.6 Bending moment - displacement hysteresis curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with Hshaped steel tubular

内嵌H 型钢钢管混凝土柱在弯扭和压弯扭作用下的弯矩-位移滞回性能曲线如图7 所示。在轴压比为0.24、扭弯比为0.34 的试验条件下，仅受弯扭作用的试件弯矩-位移滞回曲线更为饱满，表明轴压作用会降低内嵌H 型钢钢管混凝土柱的受弯承载力和耗能能力。

图7 内嵌H 型钢钢管混凝土柱弯矩-位移滞回曲线Fig.7 Bending moment-displacement hysteresis curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with Hshaped steel tubular

通过对比试件CH2-B 和CH2-TB1 的弯矩-位移滞回曲线可以发现，扭矩作用也会降低内嵌H 型钢钢管混凝土柱的受弯承载力和耗能能力，主要原因为，往复扭矩的剪切作用使得内部混凝土破坏而减小了其强度。

弯扭和压弯扭作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的扭矩-扭转角滞回曲线如图8 所示。两个试件的区别在于，试件CH2-CTB1 承受了轴压比为0.24的竖向作用力，通过滞回曲线的比较可以发现，轴向作用力使得试件耗能能力减小，极限荷载作用下最大扭转角变小。

图8 内嵌H 型钢钢管混凝土柱扭矩-扭转角滞回曲线Fig.8 Torque-torsional angle hysteresis curve of concretefilled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

4 弯矩-位移、扭矩-位移骨架和力学特征

试件CH2-B、CH2-B、CH2-TB1、CH2-CBT1 的荷载工况中均存在弯矩作用，其弯矩-位移骨架曲线如图9 所示。弯矩作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的力学特征如表3 所示，扭矩作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的力学特征如表4 所示。

表3 弯矩作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的力学特征Table 3 Mechanical characteristics of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular under bending moment

表4 扭矩作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的力学特征Table 4 Mechanical characteristics of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular under torque

图9 内嵌H 型钢钢管混凝土柱弯矩-位移骨架曲线Fig.9 Bending moment-displacement skeleton curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

由图9 和表3 可知，4 个试件屈服弯矩无明显差异，屈服位移随荷载情况的逐渐复杂而逐渐减小，峰值弯矩和极限弯矩值也无明显差异。对比试件峰值位移可以发现，在轴向压力作用下，试件的峰值位移比无轴力作用下的试件明显降低。轴向力作用使得内嵌H 型钢钢管混凝土柱的延性系数整体降低，相对于无轴向力的工况分别下降了32% 和28%。

试件CH2-TB1、CH2-CBT1 的荷载工况中均存在扭矩作用，其扭矩-扭转角骨架曲线见图10。

图10 内嵌H 型钢钢管混凝土柱扭矩-位移骨架曲线Fig.10 Torque-displacement skeleton curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with Hshaped steel tubular

由图10 和表4 可知，试件CH2-TB1 和CH2-CBT1 在屈服扭矩、屈服扭转角、峰值扭矩和极限扭转角上无明显差异。但试件CH2-CBT1 峰值扭转角为1.1°，与无轴力作用的CH2-TB1 对比可知，轴向压力会使试件扭转性能下降，极限扭转角也有降低，试件延性变差。

5 刚度退化

Wang 等[15]对钢管混凝土柱进行了复杂工况下的加载试验，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，见式（1）。

内嵌H 型钢钢管混凝土柱扭转退化刚度Kθ如图11 所示。分析图11 中受扭刚度退化曲线可知，在弯扭和压弯扭作用下，扭转角与屈服扭转角之比（θ/θy，θy为纯扭作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的屈服扭转角）随kθ/kθe（kθe取纯扭下屈服扭转刚度）的降低而降低。

图11 内嵌H 型钢钢管混凝土柱受扭刚度退化Fig.11 The torsional stiffness degradation curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with Hshaped steel tubular

纯弯和压弯作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的受弯刚度退化如图12 所示。由图12 可知，当受弯位移与屈服受弯位移之比（Δ/Δy，Δy为纯弯下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的屈服位移）小于1.5 时，压弯作用下试件的受弯刚度与初始受弯刚度比（ΚΔ/ΚΔe，ΚΔe为纯弯下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的屈服位移）大于纯弯作用下的刚度比，而压弯作用下试件的受弯刚度衰减较纯弯下柱更快，说明轴压力可增大柱的早期受弯刚度，但也加大了内嵌H 型钢钢管混凝土柱的受弯刚度衰减。

图12 内嵌H 型钢钢管混凝土柱受弯刚度退化Fig.12 Degradation of bending stiffness curve of concretefilled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

扭弯作用和压弯扭作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱的受弯刚度退化如图13 所示。扭弯作用下，受弯刚度与初始受弯刚度比（ΚΔ/ΚΔε，ΚΔε为纯弯下试件的屈服位移）随位移与屈服位移的增大而降低，当Δ/Δy达到1.3 时，刚度比降低减缓。

图13 内嵌H 型钢钢管混凝土柱受弯刚度退化Fig.13 Degradation of bending stiffness curve of concretefilled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

6 破坏机理

压弯扭作用可看作轴压、纯弯和纯扭3 种作用的叠加，当轴压为零时，为弯扭作用。轴压作用下内嵌H 型钢钢管混凝土柱截面受到均匀压应力作用，组合柱内混凝土因钢管的约束作用而处于三向受压状态（σ1＞σ2=σ3），钢管因竖向轴压力和混凝土的环向膨胀而处于双向压-拉应力状态，H 型钢因轴压而处于压应力状态。纯弯作用下组合柱截面沿中性轴两边分别为受压区和受拉区，受压区和受拉区中钢管、混凝土和H 型钢都分别受到非均匀压应力和拉应力，受压区钢管处于压（纵向）-拉（环向）应力状态，混凝土处于三向受压状态，H 型钢处于单向受压应力状态，而受拉区钢管处于双拉应力状态，混凝土处于环向受压而纵向受拉的应力状态，H 型钢处于单向受拉应力状态。纯扭作用下H-CFST柱截面钢管、H 型钢和混凝土处于纯剪应力状态，混凝土的剪应力最外侧最大而中心位置最小。

轴压力、弯矩和扭矩作用下H-CFST 柱截面沿中性轴分别为压剪区和拉剪区。压剪区钢管环向受到拉剪应力而纵向受到压剪应力的双向应力，混凝土的环向和纵向都受到压剪应力的双向应力，H型钢受到单向压剪应力。拉剪区钢管的环向和纵向都受到拉剪应力的双向应力，混凝土环向受到压剪应力而纵向受到拉剪应力的双向应力，H 型钢受到单向拉剪应力。轴压力、弯矩和扭矩作用下，H-CFST 柱破坏时，钢管表面鼓屈兼有三者单独作用时的破坏形状特点，轴压作用时外钢管的鼓屈方向为环向水平，纯弯作用时外钢管的鼓屈方向为环向水平（鼓屈位置位于受压区最外侧），纯扭作用时柱的鼓屈方向为斜向并与水平成45°夹角，弯扭同时作用时，组合柱的鼓屈方向为斜向并与水平成0～45°夹角，压弯扭作用时，因轴压的引入，HCFST 柱的鼓屈方向斜向鼓屈与水平方向的夹角会进一步减小。轴压力沿组合柱截面产生压效应，扭矩沿H-CFST 柱截面产生剪切效应，而弯矩沿HCFST 柱截面受拉区和受压区分别产生拉压效应，H-CFST 柱正是在压效应、剪切效应和拉压效应共同作用下破坏，压弯扭作用下H-CFST 柱的破坏叠合了压、弯、扭下H-CFST 柱破坏形态的特点，如图14 所示。

图14 破坏机理Fig.14 The failure mechanism

7 结论

在纯弯、压弯、扭弯及压弯扭荷载作用下，对4个内嵌H 型钢钢管混凝土柱进行拟静力加载试验，对试验结果进行定性分析，并对实际工程使用提出建议，得到以下主要结论：

1）设计制作了4 个试件以进行多工况试验，控制试件的轴压比为0.24，扭弯比为0.34，对比分析不同荷载作用下试件的破坏形态和受力性能。但由于试件数量有限，在实际工程中轴压比和扭弯比有一定的变化范围，笔者将其控制为一定值。

2）分析试件在多工况下的滞回曲线发现，轴力与扭矩会使试件的抗弯承载力降低，试件耗能能力变差。由于扭转和弯矩作用，分析试件骨架曲线时将其分为两类：扭转-位移角骨架曲线与弯矩-位移骨架曲线，并分析其力学特征。

3）内嵌H 型钢钢管混凝土柱用于实际工程中的造价成本低于纯钢结构，且力学性能也有提升。实际使用内嵌H 型钢钢管混凝土柱时，在设计阶段应合理考虑轴压比与扭弯比，使结构整体性能更优。