脱空钢管混凝土偏心受压力学性能试验研究

刘夏平，唐述，唐春会，宁运琳，刘爱荣

(广州大学土木工程学院，广州 510006)

脱空钢管混凝土偏心受压力学性能试验研究

刘夏平，唐述，唐春会，宁运琳，刘爱荣

(广州大学土木工程学院，广州 510006)

本文进行了30个核心混凝土脱空的钢管混凝土偏心受压构件试验研究，试验参数有脱空率、偏心率、加载模式及构件长细比。试验过程中记录了试件在各级荷载下的纵向、横向变形，以及中截面纵向、横向应变，获得了试件破坏时承受的最大荷载。试验结果表明，核心混凝土脱空降低了钢管混凝土极限承载力，脱空率越大，极限承载力越小;偏心率越大，极限承载力也越小;在脱空一侧加载较之在非脱空一侧加载的极限承载力小;脱空对长柱极限承载力影响比短柱小。

钢管混凝土 脱空 偏心受压 力学性能 试验研究

由于钢管混凝土具有承载能力高，抗震性能突出，自重轻，施工方便，造价经济等优点，目前已在工程结构中得到了广泛的应用［1-3］。根据钢管与混凝土的黏结状态，钢管混凝土的工作状态可以分为:钢管与核心混凝土径向挤压、径向临界和径向脱空［4］。大量钢管混凝土拱桥的应用实践表明，钢管混凝土拱肋中钢管与混凝土之间常常出现脱空现象［5］，这是一种危险的病害，往往导致结构变形加大，极限承载能力降低。目前工程界对拱肋混凝土脱空的原因和分类已开展了研究，对核心混凝土脱空后的钢管混凝土力学性能研究也取得了一些成果［6-9］。但研究工作远落后于工程实践的需要，其中对脱空钢管混凝土的试验研究还较少，且基本限于轴心受压构件的试验研究。

偏心受压构件是工程结构的基本构件，准确掌握脱空后的偏心受压钢管混凝土柱的力学行为和破坏机理，是研究和评估脱空后的钢管混凝土结构力学性能的基础。为此，本文首次开展了考虑脱空率(脱空率=(核心混凝土面积－脱空面积)/核心混凝土面积)、偏心率、加载模式及构件长细比等多参数的脱空偏心受压钢管混凝土柱承载力试验研究，观察了脱空偏心受压钢管混凝土试件的破坏形态，记录了试件在各级荷载下的纵向、横向变形，以及中截面纵向、环向应变，获得了试件破坏时承受的最大荷载，分析了核心混凝土脱空对偏心受压钢管混凝土力学性能的影响，初步揭示了各参数对钢管混凝土偏心受压力学性能的影响规律，为进一步开展相关研究提供了科学依据。

1 试验模型设计

试验设计了30个试件，其中24个短柱试件，6个长柱试件。脱空形状与范围按断面为弓形的通长缝考虑(见图1)。考虑到实际工程中脱空位置出现的可能性，试验中按图1的A式和B式两种方式加载。

钢管采用Q235焊管，外直径为168 mm。短柱试件长500 mm，长柱试件长1 000 mm，管内灌浇C50混凝土。试件的套箍指标按《CECS 28:90规程》［10］计算结果为θ=1.195。钢管脱空由加垫钢板形成，钢板待混凝土浇筑5 h后抽出，留下断面为弓形的通长脱空缝隙。

采用42.5普通硅酸盐水泥，粒径0.5～2.0 cm的碎石，以及河砂和自来水拌制混凝土(水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.37∶2.54∶0.45)，混凝土从钢管顶端灌入，用振捣棒插入振实，每次填入混凝土层的厚度为25～35 cm，最后用水泥砂浆将柱顶抹平。试件采用自然养护，管内混凝土强度由同条件成型养护并与试件同龄期的150 mm×150 mm×150 mm立方体试验确定。

钢材强度由钢管上切割下来的标准试条经单轴拉伸试验给出，屈服强度为330 MPa。实测混凝土立方抗压强度为56 MPa。

2 试验装置与试验方法

试验装置见图2。全部试件均在YE-500A液压式压力试验机上进行加载。荷载通过设于试件两端的刀铰和30 mm厚的加载板传递。为保证钢管与混凝土共同均匀受力，在试件两端均以20 mm厚的端板与钢管焊牢。

试验采用分级单调加载。初始阶段，每级为极限荷载的1/15～1/12，在总荷载大约超过极限荷载的50%以后，每级减少为1/25～1/20极限荷载。每级持载2～3 min。在大约0.8倍极限荷载以后，则采取慢速连续加载，并连续记录读数，以捕捉极限荷载时的应变和挠度。当荷载达到最大值时(该荷载定义为极限荷载)，试验机压力表指针开始回转后，仍继续向试验机油缸送油，并连续记录下位移、应变和荷载读数，直到荷载—位移曲线已明显下降或变形过大，无法继续加载后停止试验。

试件纵向应变的量测采用两种方式，一是采用在试件中部纵向黏贴应变片测试，另外采用千分表测试件顶端的变形。试件纵向分四段三点用千分表量测试件的侧向挠度，每测点采用一对相向千分表。试件中截面沿环向等距离黏贴8个应变片，应变片采用相互垂直的双向电阻应变片，测点布置见图3。

图1 加载方式

图2 试验装置及实物照片

图3 应变片布置

3 试验结果与分析

试验结果表明，中截面在不同的荷载阶段，基本上保持平面，试件的横向变形曲线近似为半波正弦曲线，脱空率、偏心率以及加载模式均对钢管混凝土受力性能有相当的影响。

3.1 荷载—挠度曲线

图4为部分试件的荷载—挠度曲线。从图4可看出，各试件荷载—挠度曲线与脱空率、偏心率、加载模式及长细比有关，一般由线性增长、非线性增长和水平发展三个阶段组成。曲线水平发展阶段通常较长，说明脱空后的偏心受压钢管混凝土构件还具有良好的延性。

图4 荷载—挠度曲线

总体来说，在加载初期的线性增长阶段混凝土脱空对曲线的影响不大;在加载的后期，在同样的荷载作用下，脱空率越大，挠度越大;偏心率越大，挠度越大; A式加载比B式加载的挠度要大。

3.2 纵向应变

图5为部分试件的中截面最大压应变的荷载—最大纵向应变曲线，曲线一般也是由线性增长、非线性增长和水平发展三个阶段组成，水平发展阶段通常较长，再次说明脱空后的偏心受压钢管混凝土构件还具有良好的延性。

根据单轴拉伸试验的结果，钢材的屈服应变为1.4×10－2，如忽略双向应力场的影响，所有试件在停止试验时，中截面钢管最大压应力均已达到屈服。

图6为部分试件的荷载—纵向应变曲线。图6的ε1和ε5为试件中截面主弯曲面上左右两测点的应变，ε0为中截面形心处的纵向应变(即钢管表面实测纵向应变的平均值)。

图5 中截面荷载—最大纵向应变曲线

图6 中截面荷载—纵向应变曲线

图7 脱空率—承载力曲线

图8 脱空率—承载力折减系数曲线

3.3 极限承载力

试件所承受的极限荷载也称为极限承载力，其实测结果见表1。表1中的极限荷载计算值Nj按下式计算［11］

式中，N0为短柱轴压极限承载能力;φe为考虑偏心率的极限承载能力折减系数;Ac为核心混凝土的横截面积，不考虑脱空的影响;As为钢管的横截面面积;f′c为混凝土的抗压强度;fs为钢管的屈服强度;e为初始偏心距;rc为管内混凝土半径。从表1可以看出，混凝土的脱空会降低钢管混凝土极限承载力，同时，脱空后的钢管混凝土极限承载力与偏心率、加载模式及长细比等参数有关。

4 极限承载力的参数分析

4.1 脱空率影响

表1的数据显示，核心混凝土脱空率对钢管混凝土极限承载力有较大的影响，脱空率越大，极限承载力降低越多，说明随着脱空率的增大，钢管对核心混凝土的套箍作用不断削弱。

图7和图8分别为偏心距为20 mm时短柱试件的脱空率与承载力关系曲线和脱空率与承载力折减系数曲线，从图中可看出，脱空率与承载力之间呈非线性关系，脱空率较小时，承载力随脱空率增大而降低的速度较快;脱空率较大时，承载力随脱空率增大而降低的速度减缓。

与文献［8］的脱空轴心受压钢管混凝土短柱相比，当脱空率较小(脱空率在2%以下)时，脱空率对钢管混凝土极限承载力影响程度，偏压构件与轴压构件相当;当脱空率较大(脱空率达3.47%以上)时，脱空率对钢管混凝土偏压构件极限承载力影响程度降低，即在同样脱空率下，脱空的偏心受压钢管混凝土极限承载力比脱空的轴心受压钢管混凝土极限承载力折减要少，而且脱空率越大，偏压构件比轴压构件因脱空导致的极限承载力折减越小。

4.2 偏心率影响

图9和图10分别是脱空率为0.68%(脱空高度为4 mm)的短柱试件的偏心率—承载力曲线和偏心率—承载力折减系数曲线。从图9可看出，脱空后的钢管混凝土极限承载力随偏心率增大而降低，但从图10的承载力折减系数曲线来看，偏心率对承载力折减系数的影响较小，表明当脱空率为0.68%时，因核心混凝土脱空引起的承载力折减随偏心率的改变而变化较小。

图9 偏心率—承载力曲线

4.3 加载模式影响

从上述图7至图10可看出，钢管混凝土短柱因脱空引起的极限承载力降低，A式加载比B式加载程度严重。当偏心率为0.253时，B式加载比A式加载的承载力约大10%左右;B式加载比A式加载的承载力增加量还与偏心率有关，当脱空率=0.68%，偏心率e =0.253～0.759时，B式加载比A式加载的承载力约大4%～9%左右。

表1 试件极限荷载实测值

图10 偏心率—承载力折减系数曲线

4.4 长细比影响

从表1可以看出，脱空的钢管混凝土长柱极限承载力比短柱小。脱空率、偏心率、加载模式对脱空的钢管混凝土长柱极限承载力均有影响，且影响规律与短柱相似，但总体来说，影响比短柱小，所有长柱试件的承载力折减均在8%以下，远小于短柱试件的承载力折减量。

5 结论

通过30个脱空钢管混凝土偏心受压构件试验研究，可以初步得出以下结论:

1)脱空钢管混凝土偏心受压构件中截面在不同的荷载阶段基本上保持平面，脱空后的偏心受压钢管混凝土构件还具有良好的延性。

2)在加载的初期，混凝土脱空对构件横向变形影响不大;在加载的后期，同样的荷载作用下:脱空率越大，挠度越大;偏心率越大，挠度越大;A式加载比B式加载的挠度要大。

3)核心混凝土脱空会降低钢管混凝土偏压构件极限承载力，脱空率越大，极限承载力降低越多，脱空率与承载力之间呈非线性关系;脱空后的钢管混凝土极限承载力随偏心率增大而降低，当脱空率较小时，因核心混凝土脱空引起的承载力折减随偏心率的改变而变化较小;钢管混凝土短柱因脱空引起的极限承载力降低程度，A式加载比B式加载严重;脱空对长柱极限承载力的影响远比短柱小。

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TU392.3

B

1003-1995(2011)02-0117-05

2010-08-25;

2010-11-12

国家自然科学基金项目(5097806);广东省自然科学基金项目(9151065004000002);广州市建设科技计划项目(200617)资助。

刘夏平(1959—)，女，广西陆川人，副教授。

(责任审编 白敏华)