钢管钢骨高强混凝土压弯柱全过程分析

刘 晓，李 敏，王连广

(1.清华大学 土木工程系，100084北京;2.沈阳大学 建筑工程学院，110044沈阳;3.东北大学资源与土木工程学院，110004沈阳)

钢管钢骨高强混凝土(Steel Tube Columns Filled with Steel-Reinforced High-strength Concrete，STSRHC)是将工字钢插入空钢管中，并浇筑混凝土而形成组合构件，与钢骨混凝土和钢管混凝土相比，它具有承载力高、抗震性好、耐火性和耐腐蚀性能好等特点［1－5］.目前，已有对内部为十字形钢骨的STSRHC进行了2个压弯试件研究，并给出了简化计算公式［6］.而对内部为工字形钢骨的STSRHC的研究，主要有:轴压构件的试验和理论研究［7－9］，抗弯构件的试验和理论研究［10］，而对此类构件的压弯试验研究未见报道，但在实际工程中组合柱多处于压弯受力状态，因此本文对这种新型组合构件进行了压弯性能的全过程研究.

1 试验概况

1.1 设计参数

试验设计的压弯柱为5个圆钢管钢骨高强混凝土.参数主要为:轴压比n0(n0=N/N0，N为柱上下两端轴力，N0为轴压极限荷载);加载方向分别沿工字钢的强轴和弱轴;钢管的截面尺寸为○165×4.5mm，钢骨为10号工字型钢，试件长度为825mm，套箍指标θ=0.871(θ=Atfty/Acfck，Ac为截面混凝土面积，fck=48.6MPa为核心混凝土轴心抗压强度标准值，At为钢管面积，fty=330MPa为钢管屈服强度)，配骨指标ρ=0.599(ρ=Asfsy/Acfck，As为钢骨面积，fsy=360MPa为钢骨屈服强度).试件详细情况见表1.

表1 试验参数

1.2 试验现象

首先按设计轴压比施加轴向压力，试件始终保持垂直，没有侧向挠度，见图1(a);然后施加水平力，在加载初期，侧向挠度缓慢增加，在达到极限荷载之前没有局部鼓曲，但轴压比较小的试件，钢管受拉侧氧化层脱落的现象较明显，表明受拉侧钢管应变已达到屈服;当达到极限荷载之后挠度迅速增加，且在加载区附近有局部鼓曲现象，见图1(c)，表明内部混凝土已经压碎，受拉侧钢管表面有明显的拉伸现象，具有明显的弯曲破坏特征;试件的跨中挠度在整个加载过程中为最大，且基本符合正弦曲线，见图1(b).

图1 试验图

2 试验分析

由试验得到钢管钢骨高强混凝土压弯构件的荷载-挠度(P-um)曲线，见图2，主要包括弹性、弹塑性和破坏3个阶段:弹性阶段，外部荷载P与挠度um成比例增加，但挠度的增长速度明显落后于外荷载，且预加轴力的大小决定了压弯构件弹性阶段的长短;弹塑性阶段，P-um明显偏离原有直线，荷载的增加速度逐渐减慢，试件达到极限荷载;破坏阶段，部分混凝土逐渐退出工作，试件呈现下降趋势，表现为塑性或强化现象.

2.1 影响参数分析

本次对钢管钢骨高强混凝土压弯承载力的试验研究，主要分析轴压比和加载方向对承载力的影响.通过试验得到各自的荷载－挠度曲线.

1)不同轴压比情况，见图2(a).4个试件除了施加的轴力大小不同之外，其他各个参数均相同，从图中可见，轴压比的增量Δn依次为0.12、0.07、0.10，极限荷载的增加幅度分别为0.201、0.247和0.348，可见承载力的降低幅度不与轴力的增加幅度成线性比例，而是随轴压比的增加，降低幅度越来越大.这是因为随着预压力的增加，加大了截面进入塑性的深度，降低了构件继续承担荷载的能力，所以承载力降低幅度加大.从图2(a)的横坐标分析，轴压比的变化基本没有影响极限荷载(图中黑点)所对应的挠度值，即结构的峰值位移没有太大变化.

2)不同加载方向，见图2(b)，对轴压比n=0.749的试件进行了两种方向的加载试验，沿弱轴方向加载的试件(YW4)极限承载力低于强轴方向加载的试件(YW3)，这主要由于二者抗弯能力不同，即YW4惯性矩小于YW3;从下降段分析，可知YW3的下降段斜率比YW4平缓，二者其他参数相同只是改变了内部钢骨的加载方向，这说明钢骨翼缘与钢管对混凝土形成的双重紧箍效应要好于钢骨腹板，从而对试件的破坏起到一定延缓作用.

图2 不同参数的荷载-挠度曲线

2.2 截面应变分析

通过试验测得柱中截面纵向应变沿截面高度分布情况，见图3.所有试件在加载过程中基本上保持平截面变形，但随着荷载的增加，中和轴位置发生改变.在加载初期，中和轴靠近受拉区边缘;之后，随着荷载的增加，中和轴逐渐向受压区偏移，偏移的距离与轴心压力有关，轴压比越大，中和轴越远离形心轴，靠近受拉区.

2.3 侧向挠度分析

图4为不同受荷下的侧向挠度.横坐标为试件侧向挠度(u)，纵坐标为试件各点距试件中部与试件高度的比值(x/L0)，n值为各阶段荷载(N)与极限荷载(Nu)的比值.试验结果表明，侧向挠度在荷载作用初期变化幅度较小，当达到80%极限荷载时开始明显增加，且随长细比和偏心距的增加而加大.

图3 截面应变分布

图4 典型侧向挠度

3 数值计算

3.1 本构模型与假定

钢材本构关系采用5阶段典型方程，混凝土本构关系采用修正后的核心混凝土2阶段典型方程［7］.STSRHC组合柱采用如下假定:① 忽略钢材和混凝土之间相对滑移;②不考虑构件的剪切变形;③截面上应变分布满足平截面;④ 组合柱两端为铰接，侧向挠度为正弦半波曲线.

3.2 计算程序

根据纤维模型法，将混凝土、钢管及钢骨的截面上进行条带划分，条带划分数量以满足精度为准，利用平衡条件得

式中:t和tw分别是钢管壁厚和钢骨腹板厚度;

Asf1和Asf2分别为钢骨上下翼缘的面积;dAsi、dAci和dAti分别为对应圆心角dθi的钢骨、核心混凝土和钢管的截面积;σti、σsi和σci分别是钢管、钢骨和核心混凝土的应力;σsf1和σsf2分别是工字钢上下翼缘的应力;rc为钢管内径.

具体计算流程见图5.

图5 程序流程图

3.3 数值计算与试验结果对比

按照上述计算程序将试验参数输入程序中，得到数值计算曲线和试验曲线的对比，见图6，全过程曲线形状基本相同，二者的平均误差为1.048，离散系数为0.016，在理想范围内.

图6 计算结果和试件结果对比

利用程序YWTCSLX对钢管钢骨高强混凝土影响因素进行分析.设定基本参数混凝土强度fck=48.6MPa，fty=fsy=320MPa，配骨指标ρ=0.52，套箍指标θ=0.63，计算长度l0=600mm，钢管半径Rt=100mm，壁厚t=4.2mm，内埋置I10工字钢.计算在其他参数不变情况下，分别改变轴压比、长细比和混凝土等级，由此得到荷载-变形关系的影响曲线，见图7.

1)轴压比的影响，见图7(a).组合柱随轴压比的增加承载力降低，曲线下降段的斜率越来越陡，表明构件延性逐渐降低;弹性段随轴压比的增加而减小，因为在预压轴力作用下，构件提前进入弹塑性阶段;此外，图中还表明，当轴压比较小时，增加适当的轴压比有助于构件提高承载能力，如:轴压比为0.4的承载力高于轴压比为0.2的极限承载力.

2)长细比的影响，见图7(b).承载力随长细比的增加而降低，但降低幅度逐渐减缓，当长细比λ=4L0/D≥20，构件因失稳而导致变形过大，承载能力将很快丧失.

3)混凝土等级的影响，见图7(c).随着混凝土等级的提高，承载能力加强，弹性阶段加大;但过极值点后，曲线斜率随混凝土等级的提高而越来越陡，表明构件延性逐渐降低.

图7 计算参数对荷载-变形关系的影响

4 结论

1)在压弯荷载作用下，组合柱的荷载－挠度曲线呈现弹性、弹塑性和破坏3个阶段特征，其中弹性阶段的长短与预加轴力大小有关，破坏阶段的曲线形式与轴压比有关.

2)在压弯荷载作用下，组合柱随轴压比的增加而减小，降低幅度与轴力呈现非线性，但对峰值点的挠度影响不大;强轴方向的承载力高于弱轴，且钢骨翼缘与钢管对混凝土形成的双重紧箍效应要好于钢骨腹板.

3)在压弯荷载的整个加载过程中，试件截面始终保持平面;侧向挠度曲线沿构件高度符合正弦半波分布;与计算程序的基本假定相符合.

4)钢管钢骨混凝土YWTCSLX非线性分析程序计算结果与试验结果吻合较好.通过参数分析可知:轴压比越大，承载力越低，曲线的下降段越陡;长细比越大，承载力越低，当λ＞20时，转变为失稳;混凝土等级越高，承载力越强，下降段越陡，延性较差.

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