钢骨-T形截面钢管混凝土短柱力学性能试验

鞠开林，蔡振兴，梁明华 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

为提高高层建筑承重柱的承载力和延性，同时解决梁柱凸出室内占用房屋使用面积、影响室内装修和家具的布置问题，笔者提出钢骨-异形截面钢管混凝土柱设计构想，参照文献 ［1］将型钢内置于T形截面钢管混凝土柱内。这种组合柱可以在满足承载力和延性的前提下方便建筑布局，提高房屋使用面积，是一种极具发展前景的结构形式。

1 试件设计

为探讨影响钢骨-T形截面钢管混凝土短柱受力性能和极限承载能力的主要因素，设计制作9根钢骨-T形截面钢管混凝土短柱试件和3根T形截面空钢管混凝土短柱试件。混凝土和钢材的材料力学性能均按标准试验方法［2-4］实测得出，混凝土的设计抗压强度为C40，边长150mm立方体的抗压强度为46．29N／mm2。试件加工过程如下：将6mm厚的钢板按试验要求的尺寸加工成工字型，将应变片粘贴在钢骨中部，组装时先将钢骨垂直焊接在厚10mm边长300mm的方钢板上，然后套装外层钢管，并将应变片导线由钢管下端的钻孔中引出，使钢管和钢骨的几何中心重合后将钢管焊接在方钢板上，所有焊缝均按文献 ［4］进行设计。试件主要参数如表1所示。

表1 T形短柱试件主要参数表

2 试验过程

试验在500T压力试验机上进行 （见图1）。采用力控式分级加载，在弹性范围内每级加载为预计极限荷载的1／10，持载5min后再进行下一级加载，当荷载达到预计极限荷载的75%以后，持荷时间为2min，试件破坏时慢速连续加载。在每个试件的外壁布置纵向和环向电阻应变片测量试件的应变 （见图2）。其中1、2、3、4、5、6、7分别表示环钢管壁外侧中部电阻应变片的位置，9AF、11BF分别表示内置钢骨腹板处中部应片的位置，8AY、10BY分别表示钢骨翼缘处应变片的位置。

图1 500T压力试验机

图2 应变片布置图

3 试件受力性能分析

3．1 试验现象描述

图3所示为部分试件的破坏形态。当外荷载达到极限荷载的80%左右时，钢管壁出现剪切现象，随荷载增大现象越明显，最后呈剪切破坏形态 （见图3（a））。当外荷载达到极限荷载后，混凝土产生局部压碎，距试件上、下柱端15cm处凸曲，呈局部屈曲破坏形态 （见图3（b））。当外荷载继续增加，试件角部钢管开始屈服，产生裂痕，直至开裂破坏，呈角部开裂破坏形态 （见图 （c））。

图3 试件典型破坏形态

试件荷载-位移典型曲线图如图4所示。从图4可以看出，整个试件可以分为3个工作阶段：①弹性工作阶段 （AB段）。从加载初期到极限荷载的80%以前，柱子的荷载-位移曲线近似一条直线，荷载与位移呈正比例关系，此时柱子处于弹性工作阶段。②弹塑性工作阶段 （BC段）。当荷载超过了极限荷载的80%以后，混凝土中的微裂缝不断扩展，钢管开始受压屈服，试件的轴向刚度不断减小 （BC段）。③破坏阶段 （CD段）。当荷载超过极限荷载后，柱子出现比较大的变形。随变形增大，混凝土中的微裂缝急剧发展，承载力也急速下降，柱子软化直至发生破坏。

3．2 荷载-应变曲线

图5所示为受配骨指标ρ影响的荷载-应变曲线。从图5可以看出如下特点：①随配骨指标ρ的增加，试件的极限承载力也增加，对应的峰值应变也相应较大。②配骨指标ρ增大，试件弹性工作阶段对应的斜率增大，说明试件的刚度有所增加。③随配骨指标ρ的增大，荷载-应变曲线的下降段越来越平缓，说明试件的延性有所提高。

图6所示为受套箍系数θ影响的荷载-应变曲线。由图6可知，套箍系数θ越大，钢管对核心混凝土柱的约束效应越强，试件的极限承载力越大，试件的延性越好，试件荷载-应变曲线的下降段越平缓，下降越缓慢。

图4 荷载-位移典型曲线图

图5 受配骨指标ρ影响的荷载-应变曲线

图6 受套箍系数θ影响的荷载-应变曲线

通过上述分析，发现钢管混凝土柱与钢骨-钢管混凝土柱相比，其极限承载力较低。

4 结 论

1）钢骨-T型钢管混凝土柱破坏形态包括局部屈曲破坏、剪切型破坏和角部开裂破坏。

2）试件工作阶段分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，并表现出一定的弹塑性性能。

3）增大套箍系数，可以增加钢管对核心混凝土的约束作用，提高试件的极限承载力和延性；增大配骨指标可以减少管壁局部屈曲的发生，提高试件的刚度和极限承载力，延性也有所增加。

［1］杜国锋，徐礼华，徐浩然，等 ．钢管混凝土组合T形短柱轴压力学性能研究 ［J］．西安建筑科技大学学报，2008，40（4）：549-555．

［2］GB／T228-2002，金属材料室温拉伸试验方法 ［S］．

［3］GB／T50081-2002，普通混凝土力学性能试验方法标准 ［S］．

［4］GB500172-2003，钢结构设计规范 ［S］．