圆形和方形配筋钢管混凝土短柱受压性能比较*

魏 华， 张 臻， 王海军

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

圆形和方形配筋钢管混凝土短柱受压性能比较*

魏 华， 张 臻， 王海军

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

为了研究圆形和方形配筋钢管混凝土柱受压性能，对圆形和方形的中空钢管柱、素混凝土钢管柱及配筋钢管混凝土柱共30个试件进行了轴压试验，在混凝土截面积、钢管截面积和钢筋截面积稍有差别的条件下，对圆形和方形柱试件的承载力、变形性能、合成效果以及破坏模式进行了对比分析.结果表明，圆钢管混凝土柱的承载力高，变形性能好，受压性能比方钢管混凝土柱更优越；就破坏模式而言，和圆钢管混凝土柱相比，方钢管混凝土柱对于屈曲变形更为有利.

受压性能； 配筋钢管混凝土柱； 素混凝土钢管柱； 截面面积； 压缩试验； 承载力； 延性系数； 破坏模式

钢管混凝土是在钢管中填充混凝土而得到的，由于它具有节省材料、施工进度快、抗震性能好等优点，已经被广泛应用于实际工程中[1-5]，同时，在钢管混凝土的研究和应用中，其截面形式出现了很多种，本文仅对圆形和方形这两种最为常见的截面形式进行介绍，对圆形和方形配筋钢管混凝土柱的受压性能进行比较分析[6-9].

本文对包括圆形和方形在内的共30个柱试验体进行了轴压试验，在稍有差别的条件下对圆形和方形这两种不同截面形状试验体的承载力、变形性能、合成效果以及破坏模式进行了对比分析.

1 试验概况

试验体尺寸、断面及配筋状况如图1所示(单位：mm).钢管厚度为3.2、4.5、6.0 mm.钢管内填充的状况为中空(CH)、混凝土(LM)、保护层厚度较小的钢筋混凝土(LB)、保护层厚度较大的钢筋混凝土(LS)和二重配筋混凝土(LW)，试验制作了圆形截面柱试验体(××-C)和方形截面柱试验体(××-SC)各15个，圆形和方形截面柱试验体的混凝土、钢管和钢筋的截面积如表1所示.从表1中可以看出，本文是在混凝土截面积Ac、钢管截面积As和钢筋截面积Ar稍有差别的条件下对圆形和方形这两种不同截面形状试件的力学性能进行了对比分析.钢管由热轧低碳钢板焊接而成，钢材实测屈服强度和抗拉强度分别为291.2和456.8 N/mm2.混凝土强度为28.0 N/mm2，内部填充的钢筋主筋直径为6 mm，箍筋直径为3 mm.试件在自然条件下养护28 d后进行试验[10].

图1 试件截面尺寸和配筋

表1 圆形和方形柱试验体的混凝土、钢管和钢筋的截面积

试验在2 940 kN 的试验机上以荷载控制的方式进行，加载速度为5.88 kN/s，荷载增量为196 kN，在荷载达到1 176 kN后每级重复三次加载.测试项目包括：柱顶端竖向位移、钢管表面应变以及充填混凝土中心位移.

2 试验结果及分析

试验得到的圆形和方形截面柱试验体的极限承载力与延性系数如表2所示.表2中的延性系数为试验体达到极限承载力时的位移与试验体发生屈服时的位移比值.圆形和方形截面钢管试验体的径厚比与极限承载力的关系如图2所示.从表2和图2中可以看出，二重配筋RCFT圆形截面柱试验体的极限承载力比方形截面柱试验体分别高10.5%(钢管厚度为3.2 mm)、9.6%(钢管厚度为4.5 mm)和1.4%(钢管厚度为6.0 mm).在CFT柱试验体中，钢管厚度为4.5 mm的圆形截面柱试验体比方形截面柱试验体的极限承载力高12.6%，钢管厚度为3.2和6.0 mm的方形截面柱试验体比圆形截面柱试验体的极限承载力分别高0.6%、8.6%.对于钢管厚度为3.2、4.5和6.0 mm的所有柱试验体来说，二重配筋RCFT圆形截面柱试验体的极限承载力比方形截面柱试验体分别高143.2%、185.7%、185.1%；CFT圆形截面柱试验体则比方形截面柱试验体分别高36.0%、354.5%、396.4%.

表2 柱试验体的极限承载力与延性系数

图2 柱试验体的径厚比与极限承载力的关系

使用方形截面钢管试验体的合成效果比圆形截面钢管试验体要小得多，因此，对于方形截面钢管试验体来说，基于合成效果的承载力和变形性能的提高不明显.图4为圆形和方形截面钢管试验体的径厚比与延性系数的关系曲线.由图4可以看出，无论是圆形还是方形截面柱试验体，延性系数都有随着径厚比的减小而增大的趋势，而圆形截面柱试验体的增大率要大一些.此外，RCFT圆形截面柱试验体比方形截面柱试验体的变形性能高2.4～4.6倍.

图3 钢管厚度为4.5 mm柱试验体的荷载位移包络图

图4 柱试验体的径厚比与延性系数的关系

柱试验体的破坏状况如图5所示.对于圆形柱试验体，几乎所有的CFT/RCFT柱的上端和下端都发生了局部屈曲，有的试验体在中央部位也发生了局部屈曲.对于方形柱试验体，在充填混凝土发生破坏前钢管有发生灯笼状屈曲的迹象，从试验体的上端向下看方形柱试验体，用混凝土充填钢管后，钢管的屈曲模式由图6a变化为对于屈曲有利的图6b的模式.

3 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) 圆形RCFT柱试验体表现出比方形RCFT柱试验体更高的极限承载力.对于圆形RCFT柱试验体，钢管内填充钢筋混凝土后，核心配筋混凝土与钢管的合成效果使柱试验体的极限承载力提高，而对于方形RCFT柱试验体，这种合成效果甚微.因此，对于方形截面钢管试验体来说，基于合成效果的承载力和变形性能的提高不明显.

图5 柱试验体的破坏状况

2) 无论是圆形还是方形RCFT柱试验体，延性系数都有随着径厚比的减小而增大的趋势，而圆形RCFT柱试验体的增大率要大一些.此外，RCFT圆形截面柱试验体比方形截面柱试验体的变形性能高2.4～4.6倍.

3) 就破坏模式而言，和圆钢管混凝土柱相比，方钢管混凝土柱对于屈曲变形更有利一些.

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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)

Comparison in compression performance of circular and square RCFT short columns

WEI Hua, ZHANG Zhen, WANG Hai-jun

(School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the compression performance of reinforced concrete-filled steel tube (RCFT) columns, the axial compression experiments were performed for 30 specimens including circular and square hollow steel tube columns, concrete filled steel tube (CFT) columns and RCFT columns. Under the condition that the cross section area of concrete, steel tube and reinforcement has a slight difference, the bearing capacity, deformation performance, synthetic effect and failure mode of circular and square column specimens were compared and analyzed. The results show that the circular CFT columns have higher bearing capacity, better deformation performance and more excellent compression performance than the square CFT columns. For the failure mode, the square CFT columns are superior to the circular CFT columns in the aspect of buckling deformation.

compression performance; reinforced concrete-filled steel tube column; concrete filled steel tube column; cross section area; compression test; bearing capacity; ductility coefficient; failure mode

2016-10-17.

沈阳市科技计划项目(F16-205-1-09).

魏 华(1973-)，女，山西交城人，副教授，博士，主要从事组合结构等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.03.20

TU 37

A

1000-1646(2017)03-0352-05

*本文已于2017-05-08 20∶25在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170508.2025.008.html