钢骨L形截面钢管混凝土短柱力学性能试验

蔡振兴 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

秦承索 (山东省泰安市交通培训中心，山东 泰安 271000)

鞠开林，梁明华 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

蔡振兴 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

秦承索 (山东省泰安市交通培训中心，山东 泰安 271000)

鞠开林，梁明华 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

为了解钢骨-钢管混凝土柱力学性能，设计制作9根钢骨-L形截面钢管混凝土短柱，并进行轴压承载力试验，分析套箍指标、配骨指标等因素对钢骨-L形截面钢管混凝土柱轴压性能的影响。试验研究表明，在轴心压力作用下，设置了钢骨的L形截面钢管混凝土柱的极限承载力有所提高，能够延缓钢管过早发生局部屈曲，从而提高了短柱的延性。

组合柱；短柱；钢骨混凝土；钢管混凝土

为提高高层、大跨度建筑承重柱的承载力和延性，同时解决梁柱突出室内占用使用面积的问题，笔者提出钢骨-异形截面钢管混凝土柱设计构想，即将焊接工字形钢插入异形截面钢管混凝土柱内[1]。这种组合柱可以在满足较高承载力和延性要求的情况下，解决传统承重柱占用房屋使用面积的问题。

1 试件设计

设计制作了9根钢骨-L形截面钢管混凝土短柱试件，试验目的是探讨钢骨-L形截面钢管混凝土短柱力学性能并分析其影响因素。试验构件选用C40混凝土和Q235钢材制作。混凝土和钢材的力学性能均按标准试验方法[2-4]实测得到，混凝土的轴心抗压强度为34.318MPa，钢材屈服强度为301.903MPa。

试件加工过程如下，将不同厚度的钢板按试验要求的尺寸加工成型，将应变片粘贴在钢骨中部，组装时先将钢骨按照要求垂直焊接在厚10mm、边长300mm的方钢板上，然后套装外层钢管并焊接，表1所示为试件主要参数，图1所示为试件截面尺寸，图2所示为组装后的组合柱。在试件钢管外侧布置纵向和环向电阻应变片测量钢管的应变，钢骨仅布置纵向应变片，应变片布置如图3所示。其中1、2、3、4、5、6、7、12、13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。

表1 L型短柱试件主要参数

2 试验过程

试验在5000kN液压式长柱试验机上进行。试验采用力控式分级加载，在弹性范围内每级荷载为100kN，当荷载接近名义极限荷载的80%时，每级荷载按50kN递增。每级荷载的持荷时间约为2min，每级加载后记录仪表读数。试件发生明显变形时慢速连续加载，直至试件完全变形时停止加载。

图1 试件截面尺寸 图2 组合柱截面形式 图3 应变片布置图

3 试验现象

图4所示为部分试件的破坏形态。从图中可以看出短柱的破坏形态主要表现为剪切破坏(见图4(a))、局部屈曲破坏(见图4(b))；当组合柱受压屈曲时，由于焊接质量等原因，部分试件出现焊缝开裂现象(见4(c))。

图4 试件破坏形态

图5 荷载-位移典型曲线图

组合短柱试件荷载-位移典型曲线如图5所示。从图5可以看出，试件工作分阶段可分为如下几部分：①弹性工作阶段(OA段)。该阶段荷载-位移曲线近似于直线，试件无明显变化，此时式件处于弹性工作阶段。②弹塑性工作阶段(AB段)。随着荷载的增加，试件出现局部突曲，钢骨、钢管进入弹塑性应力状态。此时钢材和混凝土受压均产生横向变形，但混凝土的泊松比超过钢管的泊松比，钢管对混凝土的约束作用增强，使得构件承载力进一步提高。③破坏阶段(BC段)。达到极限荷载后，钢材屈服，荷载增量由混凝土承担，混凝土的应力、应变快速增大，达到极限应变后，混凝土被压碎，钢管屈曲，试件破坏。

4 试验数据分析

4.1配骨指标

不同配骨指标影响下的荷载-应变曲线如图6所示。从图6可以看出：①随着配骨指标增大，试件极限承载力增大，极限荷载对应的应变值也增大。如配骨指标为0.8715的柱ZFHTC1极限承载力是配骨指标为0.4364的柱ZDHTA1极限承载力的1.28倍。②配骨指标越大，试件荷载-纵向应变曲线下降段越平缓，其延性越好。③随着配骨指标的增大，荷载-纵向应变曲线弹性阶段对应的斜率增大，试件的刚度有所增加。

4.2套箍指标

不同套箍指标影响下的荷载-纵向应变曲线如图7所示。由图7可知，在钢骨配置相同的情况下，随着套箍指标的增加，钢管对核心混凝土柱的约束效应加强，试件极限承载力提高，极限承载力对应的峰值应变也随之增加。达极限承载力后，套箍指标越大，试件荷载-纵向应变曲线的下降段越平缓，说明增大套箍指标，能改善试件的延性。

图6 受配骨指标影响的荷载-应变曲线 图7 受配骨指标影响的荷载-应变曲线

5 结 论

1)钢骨-L形钢管混凝土短柱破坏形态主要包括剪切破坏和局部屈曲破坏。短柱试件的工作阶段可分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，并表现出一定的弹塑性性能。

2)短柱试件的极限承载力随着配骨指标的增大而增大，达极限荷载后，荷载随应变增加而降低，配骨指标越大，下降越平缓，试件延性越好；短柱试件的极限承载力随套箍指标的增大而增大；达到极限荷载后，荷载随应变增大呈减小趋势，套箍指标越大，下降趋势越不明显，试件延性越好。

3)钢管混凝土中加入钢骨后，钢骨承担部分荷载，钢管、钢骨和混凝土三者相互作用，改善了结构的力学性能，有效延缓了钢管局部屈曲的发生。

[1]杜国锋.钢管混凝土组合T形柱力学性能研究[D].武汉：武汉大学，2008.

[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].

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.07.033

TU398.9

A

1673-1409(2011)07-0092-03

2011-05-26

国家级大学生创新性实验项目(Q20091210)。

蔡振兴，女，现主要从事土木工程专业方面的学习。