钢管超高性能混凝土短柱轴心受压应力-应变关系试验研究

杨英欣，卢秋如，李 彪，颜燕祥，刘 粲

(1.武汉大学 土木建筑工程学院， 湖北 武汉 430072； 2.重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045)

随着经济社会的快速发展，为顺应大跨度结构的需要，建筑工程的结构形式逐渐趋向超高层与超大跨结构，与此同时，新型超高强水泥基复合材料应运而生。超高性能混凝土以其超高强度、优良力学性能和超高耐久性[1]得到了广泛关注，成为21世纪建筑材料研究的热点。

超高性能混凝土是基于活性粉末混凝土的配制原理研发产生的一种高强水泥基复合材料[2]。超高性能混凝土剔除了粗骨料[3]，水泥基体均匀密实，具有强度高、韧性好、耐久性好等特点，满足了建筑结构对于混凝土材料工作性能的要求[4]。作为新型混凝土复合材料，超高性能混凝土强度一般高于C60，强度越高，脆性问题越明显，破坏时极易出现贯穿试件的裂缝或者炸裂，工作性能稳定性低[3]。为解决超高性能混凝土脆性破坏的问题，将超高性能混凝土灌入钢管形成钢管超高性能混凝土，钢管侧向约束超高性能混凝土，提高核心超高性能混凝土抗压强度，韧性与耐久性也进一步提高，能最大限度发挥超高性能混凝土的优势，减少构件截面积，优化结构层次，满足现代建筑工程对结构综合性的要求。

关于钢管活性粉末混凝土的轴心受压性能，国内外学者进行了大量研究，取得了众多研究成果[5-7]。蔡绍怀[8]对钢管混凝土进行了不同加载方式下的轴压力学性能研究，研究表明加载方式对试件破坏模式和极限承载力影响不大。韩林海等[9]对钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点滞回性能进行了对比试验研究，结果表明钢管约束混凝土节点抗震性能好于钢管混凝土环绕梁节点。甘丹[10]通过有限元方法分析了钢管混凝土短柱中钢管与核心混凝土在峰值荷载时的应力状态，得出了钢管峰值荷载力学平衡方程组和峰值荷载应力表达式。Pnguyen D L等[11]对圆钢管约束混凝土材料进行了轴压试验，发现圆钢管混凝土材料轴压试验过程中发生剪切破坏。Hasspvm A M T等[12]进行了圆钢管混凝土轴压力学性能试验研究，测量了加载过程钢管应力变化，指出钢管在峰值或峰值前已达到屈服。Kim J等[13]在试验研究的基础上，提出了圆钢管约束混凝土短柱的轴压承载力计算公式。周凯凯等[14]通过数值模拟分析，得出所有钢管高强混凝土短柱构件均为强度破坏，提高混凝土强度可提高构件承载力，但构件延性随混凝土强度增加而降低。宋扬等[15]通过对方钢管超高强混凝土偏心受压中长柱进行有限元模拟分析，得出构件主要为弯曲破坏，长宽比和偏心距对构件延性影响明显。

目前，针对钢管超高性能混凝土构件力学性能研究尚少，轴压短柱应力-应变关系规律有待进一步研究。本文将考虑钢管壁厚对钢管超高性能混凝土轴压短柱力学性能的影响规律，研究钢管超高性能混凝土短柱的极限承载力和应力-应变关系。

1 试验概况

1.1 试件设计

表1 试件参数表

1.2 材料性能

1.2.1 钢材性能

钢管材性试验从不同厚度的无缝钢管上切割制成每组三个标准试件。试验按照《金属材料室内拉伸试验方法》[16](GB/T 228—2002)的规定，在300 kN万能试验机上进行拉伸，屈服强度如表1所示，标准试件尺寸如图1所示。

1.2.2 UHPC性能

一位年轻教师问询：班上学生纷纷表示受不了新调来的一位老教师，我作为这么年轻的班主任，怎么去和这位教师沟通呢？

参考课题组前期试验配合比，设计UHPC试验配合比如下：水泥∶硅灰∶粉煤灰=7∶1∶2，胶砂比1∶1.2，高效减水剂掺量2%，水胶比为0.18。试验中采用等效直径为0.2 mm镀铜剪切型钢纤维，钢纤维长径比为60，体积掺量为3%。掺用钢纤维时，采用内掺法取代细砂。参考文献[17]中计算方法，UHPC试件具体配合比如下表2所示。

表2 UHPC材料配合比

1.3 试件制作与测点布置

本试验采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件测试UHPC抗压强度。将拌合物放置在棱柱体试模中，试模在振动台(振动频率为50 Hz)上振动3 min。待拌合物成型，自然放置，24 h后拆模。对棱柱体外部用锡纸包裹，以模拟钢管对UHPC的保护成型和约束作用，将试件放在室温(25±5)℃，相对湿度为60%以上的室内自然养护。

为准确测量UHPCFST试件轴压过程变形，在每个试件中部截面处沿四面对称布置环向、轴向电阻应变花；为准确测量试件整体变形，在下承压板设置四个电测位移计，同时为消横梁影响，上承压板对侧布置两个位移计。应变花和位移计通过应变箱数据采集系统自动采集。

1.4 加载装置与制度

试验在5 000 kN液压式压力机上进行。试验前，将试件开口打磨平整，在压力机上进行轴压对中，对中荷载不超过计算极限荷载的30%。试验加载装置如图2所示。

试验中，UHPCFST采用全截面、分级加载制。弹性范围内每级荷载为计算极限荷载的1/10，钢管屈服后，每级荷载为计算极限荷载的1/20。每级荷载持荷时间为3 min。试件初始加载速率为3 kN/s，加载至计算荷载的80%后改为位移控制0.5 mm/min。试件整体变形超过总长的1/40即8 mm或荷载下降至峰值荷载的80%以下后，暂停压力机，试验结束。试验中，荷载和应变采集系统同步采集。

2 受力全过程及破坏形态

2.1 UHPCFST受力全过程

UHPCFST试件工作过程可分为三个阶段：

第一阶段：弹性阶段(OA段)，在此阶段应力-应变曲线呈线性变化。加载初期，试件体积、外形无明显变化。核心UHPC内部无明显开裂，钢管和UHPC均处于弹性阶段[18]。核心UHPC横向变形相较于钢管变形较小，此时两者的相互作用较弱，钢管和UHPC均在单向应力状态下工作。

第二阶段：弹塑性阶段(AB段)，在这一阶段内，应变花读数超过钢材屈服应变，钢管进入弹塑性阶段，弹性模量减小，但核心UHPC仍处于弹性状态，引起两者相互作用，导致UHPCFST应力-应变曲线逐渐偏离直线，明显非线性变化。

第三阶段：强化阶段(BC段)，UHPCFST经过塑流状态[19]后，钢管进入强化阶段，导致试件承载力成回升状态。基于试验结果，回升幅度取决于试件的套箍系数。套箍系数越大，约束效应越明显，回升幅度越大。

2.2 UHPCFST破坏状态

从UHPC单轴受压试验过程来看，无钢管约束的UHPC均质性良好，在达到极限荷载之前横向变形很小，仅出现微裂缝。当荷载增大接近抗压强度的80%～90%时，试件有明显的劈裂声，内部出现裂缝。随裂缝扩展，试件发生劈裂性破坏，出现贯穿试件整体的裂缝。裂缝处钢纤维呈垂直断裂面分布，纤维被拔出。破坏状态如图4所示。

UHPCFST在达到极限荷载之前，试件外形、体积无明显变化。核心UHPC强度提高，致使弹性段被延长，弹塑性段被缩短。和UHPC轴心受压试验相比，UHPCFST破坏过程中，核心UHPC均无明显裂缝，在达到极限承载力前试件无明显变形。随荷载增加，UHPCFST试件表面出现铁锈剥落，下端部出现微小鼓曲；随荷载进一步增大，曲线进入平稳段，UHPCFST试件呈靠近端部上下鼓曲，试件缩短变粗。试验结果表明，达到极限荷载后，根据UHPCFST套箍系数，破坏形态可以分为以下两种：对于套箍系数较小(0.1≤ξ≤1.5)、约束效应较不明显的薄壁试件，多呈剪切破坏；试件达到极限荷载后，继续加载，试件承受的压力从钢管传递到核心UHPC，核心UHPC轴心受压的同时还要承担钢管转嫁的压力，致使UHPC产生与轴线呈一定角度的剪切破坏。而对于套箍系数较大(1.5<ξ≤6)、约束效应明显的试件，破坏形式表现为墩粗型破坏，发生腰部鼓曲破坏；由于钢管的约束效应较强，核心UHPC剪切破坏被约束，混凝土在钢管内部塑性流动，薄弱区剪切破坏被限制。试件破坏形态如图5所示。

图5 试件破坏形态

2.3 UHPCFST轴压应力-应变全曲线

图6为UHPCFST荷载作用下的应力-应变曲线，为分析比较壁厚对UHPCFST力学性能的影响，按照试件壁厚进行了对比绘制图。从曲线中可以看出：

(1) UHPCFST与钢管普通混凝土相比，极限变形能力提升。钢管普通混凝土的峰值应变大约在4 000 με，UHPCFST峰值应变为10 000 με～12 000 με，峰值应变增加近3倍。随钢管壁厚增大，构件延性也随之增加，在达到极限荷载后，卸荷速度变慢，平稳段稳步上升，承载能力增加。

(2) 掺入长径比为60、体积掺量为3%的钢纤维，纤维和水泥基体粘结作用较好，桥接作用相对明显，钢纤维可阻止裂缝扩展；同时由于掺入钢纤维量足够，混凝土开裂时间相对滞后，UHPC与钢管发生作用时间较晚，弹性阶段被延长，弹塑性阶段缩短。

(3) 钢管的环向应变与轴向应变变化趋于一致，曲线呈先线性增长后脱离直线平滑过渡，达到极限承载力后，曲线平稳上升。大壁厚(壁厚为10 mm、16 mm)试件，由于套箍效应较强，核心UHPC裂缝扩展小，变形被约束，曲线变化略有不同。

3 轴心受压承载力计算公式

国外目前有关钢管混凝土的设计规范或规程主要有：欧洲EC4、德国DIN18806、美国ACI319-89和日本AIJ等，这些规范或规程都详细规定了圆钢管混凝土构件承载力的计算公式，其中以美国ACI、日本AIJ和欧洲EC4应用最为广泛，目前国内针对钢管混凝土现行的设计规范为《钢管混凝土结构设计规范》(GB 50936—2014)。

以上所有的设计规范仅仅讨论了钢管包裹普通混凝土情况下承载力的计算方法，没有考虑钢管内填高强混凝土或者超高性能混凝土的情况，因此采用以上规范的计算结果与本试验结果存在偏差。在考虑超高性能混凝土高强度高性能的情况下，提出以下计算公式：

Nu=αAcfc+Asfy

(1)

其中：α为套箍增强系数，本文取2.3。Nu为极限承载力；Ac、fc分别为UHPC棱柱体横截面积和抗压强度；As、fy分别为钢管横截面积和屈服强度。

通过公式(1)计算UHPCFST试件承载力，计算值与试验值相比，平均值比值为1.012，变异系数是0.062。计算结果与试验结果拟合良好。

4 结 论

本文通过静力试验，主要研究超高性能混凝土棱柱体轴心抗压强度、钢管超高性能混凝土短柱轴心受压基本力学性能，分析不同套箍系数下钢管超高性能混凝土短柱应力-应变关系，重点分析钢管超高性能混凝土短柱轴心受压全过程和破坏形态，得到如下结论：

(1) 圆钢管超高性能混凝土轴心受压短柱具有良好的承载能力和抗变形能力，同时和超高性能混凝土相比，钢管有效约束了混凝土的横向变形，构件整体强度和延性增强，超高性能混凝土脆性炸裂得到了很好的约束。

(2) 不同的套箍系数，导致钢管超高性能混凝土短柱的破坏模式不同。套箍系数较小(ξ≤1.5)时，侧向约束效应不明显，试件表现为剪切破坏，靠近端部上下两端对侧鼓曲；套箍系数较大(ξ≥1.5)时，钢管的存在约束了核心超高性能混凝土的横向变形，试件成腰鼓状鼓曲，墩粗变形。

(3) 钢管超高性能混凝土短柱应力-应变全过程曲线主要分为三个阶段：弹性段、弹塑性段和平稳段。弹性段呈线性变化，钢管和超高性能混凝土均处于弹性阶段，二者相互作用较小；弹塑性阶段内，钢管和超高性能混凝土变形不同致使二者相互作用明显，导致曲线偏离直线；曲线没有明显卸荷阶段，二者共同受力，经塑流状态后进入强化阶段，复合材料承载力呈回升状态。回升幅度取决于试件的套箍系数。套箍系数越大，约束效应越明显，回升幅度越大。

(4) 通过本试验数据，优化了钢管超高性能混凝土短柱极限承载力计算公式，得到混凝土套箍增强系数，计算结果与试验结果拟合良好。