钢管约束钢筋混凝土受压构件力学性能试验研究

高春彦，刘明洋，段雅鑫,郭大伟

(1.内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010；2.包钢西北创业建设有限公司，内蒙古 包头 014010)

钢管约束钢筋混凝土柱是在薄壁钢管内填充混凝土，其中钢管不直接承受纵向荷载，仅对核心混凝土起约束作用的一种组合构件.1967年Gardner最早开始研究钢管约束素混凝土构件的力学性能，发现圆钢管约束素混凝土轴压构件的承载力要高于圆钢管混凝土构件[1]，Prion[2]、Peter[3]和Jasim[4]分别对钢管约束素混凝土柱进行了试验研究，得出了圆钢管约束混凝土短柱的轴压承载力公式和外包圆钢管可以有效提高钢筋混凝土短柱的抗剪承载力、延性和耗能能力，使钢筋混凝土短柱的破坏形态由剪切破坏转向弯曲破坏等重要理论成果.目前，钢管约束钢筋混凝土柱在中国被广泛推广并成功应用于大连中国石油大厦[5]等大型复杂公共建筑中，取得了良好的经济效益，国内学者对钢管约束混凝土构件的研究也在不断深入，韩林海[6]、王玉银[7]、张素梅[8]、刘界鹏[5-6，11-12]、周绪红[13-15]等对钢管约束混凝土构件的力学性能做出了大量的试验研究和理论分析，并取得了阶段性的研究成果.

钢管约束混凝土构件继承了型钢混凝土、密排箍筋混凝土和钢管混凝土的优点，可以有效解决钢筋混凝土框架结构层间变形能力差，抗震性能要求难以满足，梁柱节点构造复杂，不方便施工等问题.目前钢管约束混凝土组合结构主要应用在两个方面：一方面集中于新建结构中出现的短柱或超短柱；另一方面使用在修复与加固钢筋混凝土框架柱和桥梁的工程中.鉴于实际工程中的钢筋混凝土柱主要是中长柱并且存在一定的偏心，因此本文针对该类组合构件，以径厚比、加载偏心率和试件长细比为试验参数，对不同参数下该类组合构件的典型破坏形态、承载力和荷载-变形曲线关系等进行了试验研究，并给出相应的理论分析.

1 试验研究

1.1 试件设计

选取钢管径厚比(55、110)，试件长细比(12、24)和加载偏心率(0、0.23、0.46)作为参数，进行了12个圆钢管约束钢筋混凝土受压构件的试验研究.试件尺寸如图1所示.

试件钢管外直径D为219 mm，混凝土内配纵筋4C14，箍筋2A8@200，端板厚20 mm.试件编号及参数见表1，试件命名方法以CTRC-4-50-24为例来说明，CTRC表示circular tubed reinforced concrete，4表示钢管厚度，50表示偏心距，24表示试件长细比.

为保证钢管不直接承担纵向荷载，只对核心混凝土起约束作用，用角磨机在距试件两端30 mm处各割出一道宽度为10 mm的切缝.并在切缝下侧分别加焊宽20 mm，厚3 mm(针对2 mm的钢管)、5 mm(针对4 mm的钢管)的环向条带.

图1 试件尺寸图

表1 试件参数

本次试验所用钢管采用Q235钢.箍筋选取HPB300级钢筋，纵筋选取HRB400级钢筋，钢管和钢筋力学性能见表2，核心混凝土强度等级为C30，其力学性能见表3.

表2 钢材的力学性能

注：括号内为钢管实际厚度/mm.

表3 混凝土的力学性能

1.2 试验装置和量测方案

加载装置如图2所示，试验加载过程为一次性压溃加载，在弹性阶段每级荷载为极限荷载的1/10，钢管达到屈服荷载后，每级荷载约为极限荷载的1/15，每级荷载加载持荷时间约为2 min，直至最终试件破坏.考虑到加载时应满足不同试件不同偏心率的要求，加工了50 mm厚的钢板作为加载板，并在上面按预定的偏心距剔槽.

图2 加载装置

试验前在每个试件不同位置的钢管表面(顶部、中部和底部)，沿圆周方向每隔90°粘贴纵向、环向应变片，以考察加载过程中钢管表面应变状况.在试件端板角部布置1个YHD位移计以测量试件在受力过程中的轴向变形，在各试件中部布置1个YHD位移计以测量其侧向挠度.应变片和位移计布置见图3.

图3 应变片和位移计布置图

2 试验结果分析

2.1 破坏形态及其分析

各试件的破坏形态见表4和图4、图5、图6，偏心受压柱端部破坏详图，如图7所示.

对各试件的破坏形态进行总结可知，钢管约束钢筋混凝土试件的径厚比越大，加载偏心率越大，钢管切缝处和中部的撕裂程度越严重，切缝下侧混凝土的局部压溃也更为严重，反之径厚比越小，加载偏心率越小，钢管对核心混凝土的约束作用越充分，钢管在不同截面处出现不同程度的凸曲.

相比较而言，大长细比的试件的混凝土均无明显破坏现象，破坏也主要发生在切缝处，而长细比越大钢管越容易发生鼓曲现象但不易被撕裂.对于无偏心和长细比小的试件切缝处会被压的更加紧密，钢管在中部沿着斜向或纵向被撕裂，混凝土发生剪切破坏.

2.2 荷载-挠度曲线分析

本文分析了部分有代表性试件的荷载-挠度曲线，如图8所示，曲线中包含了钢管屈服点和极限荷载点.图8(a)表示长细比相同，径厚比相同时，偏心率对试件荷载-挠度曲线的影响规律，由图可知，随着偏心率的增大，试件承载力降低.对于短柱试件，随着偏心率的增大，刚度降低，钢管容易被撕裂，导致极限荷载显著降低.中长柱偏压试件较之于轴压试件，极限承载力降低了40%.CTRC-4-50-24试件和CTRC-4-25-24试件极限荷载基本没有变化，是因为两个试件的最终的破坏均集中在切缝处，且钢管均出现水平环向鼓曲带.

图8(b)表示长细比相同，偏心率相同时，径厚比对试件荷载-挠度曲线的影响规律，由图可知，当加载偏心率、试件长细比相同时，钢管径厚比的变化对试件极限承载力影响较小，但对延性的影响较大.在到达极限荷载以后，径厚比为55的试件的荷载-挠度曲线更为平缓，延性较好.

图8(c)表示径厚比相同，偏心率相同时，长细比对试件荷载-挠度曲线的影响规律，由图可知当加载偏心率、钢管径厚比相同时，随着试件长细比的增大，试件的极限承载力降低.以CTRC-2-25-12试件和CTRC-2-25-24试件为例，相较于CTRC-2-25-12试件，CTRC-2-25-24试件的承载力降低了40%，但达到极限荷载后的挠度增加.这一现象主要与试件最终破坏形态相关联，试件CTRC-2-25-12达到极限荷载后，受压侧切缝处钢管被撕裂，混凝土压溃，荷载急剧下降，而试件CTRC-2-25-24切缝处钢管未撕裂，仅在试件不同位置处有几道环向鼓曲带，承载力下降缓慢，表现出较好的延性.

表4 各试件破坏形态

图4 轴心受压短柱破坏形态

图5 偏心受压短柱破坏模式

图6 中长柱破坏模式

图7 偏心受压柱端部破坏

图8 荷载-挠度曲线

3 结论

本文进行了12个圆钢管约束钢筋混凝土受压构件的试验研究，得出以下结论：

(1)圆钢管约束钢筋混凝土轴心受压短柱的破坏形态为剪切破坏，试件中部核心混凝土出现明显的斜向剪切破坏面，轴心受压长柱没有出现明显的破坏现象.

(2)圆钢管约束钢筋混凝土偏心受压短柱切缝下侧混凝土被局部压溃，部分试件切缝下侧钢管被撕裂；而偏心受压长柱切缝处的破坏较轻微，其破坏位置主要集中在中部截面.

(3)钢管径厚比对该类试件破坏形态和承载力的影响不大，对其延性的影响较大；试件长细比和加载偏心率对破坏形态和承载力影响显著.

(4)根据本文试验结果，钢管约束钢筋混凝土组合结构适宜用于轴心受压短柱试件，可以更好的发挥钢管对混凝土的约束作用.