倒角半径对矩形钢管混凝土柱的轴压性能影响

柏佳文，魏洋，柴继乐，丁明珉，王立彬

倒角半径对矩形钢管混凝土柱的轴压性能影响

柏佳文，魏洋，柴继乐，丁明珉，王立彬

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

为了研究倒角半径对矩形钢管混凝土柱的轴压性能影响，进行3个系列15个矩形钢管混凝土柱的轴压试验。变化参数包括倒角率(/=0.06~1.00)和钢管厚度(2，4和6 mm)。研究结果表明：倒角半径的改变能够有效地减弱矩形钢管混凝土柱角部的应力集中现象，提高钢管的环向约束效果，改善约束混凝土柱的轴压性能；随着倒角半径的增大，矩形钢管混凝土试件破坏模式从剪压破坏转变为腰鼓破坏，其峰值应力、峰值应变和极限应力显著提高，倒角率为1.00试件的极限强度比倒角率为0.06的试件提高幅度为40%~45%，表现出较高的承载能力和变形能力；钢管厚度的增加对约束混凝土的轴压性能也存在有益影响。

钢管混凝土；矩形；倒角半径；约束；轴压性能

混凝土作为传统建筑材料，得到了广泛的研究与应用[1-4]，相对于普通混凝土，约束混凝土具有更高的承载能力和变形能力，是一种理想的结构形式。目前研究较为广泛的约束材料有钢管、箍筋、纤维增强复合材料等[5-7]，在工程应用中，以钢管混凝土结构应用最为广泛，在不同截面形式的钢管混凝土柱中，研究与应用多集中于圆形截面钢管混凝土的静力性能、抗震性能和抗扭性能等[8-11]，圆形钢管较矩形钢管更能充分地约束核心混凝土，表现出优越的力学性能以及抗震性能。但是在实际工程中，矩形钢管混凝土凭借梁柱节点构造及连接简单，设计施工方便，能够满足美学要求等优点，具有更好的应用前景，因此，国内外学者针对矩形钢管混凝土提出一系列措施改善其力学性能[12-22]，包括设置约束杆、内置螺旋箍筋、内置钢管、圆端矩形、焊接加劲肋等。CAI等[17]研究表明约束杆能够有效延缓钢管局部屈曲；陈宗平等[18]试验发现矩形钢管内放置螺旋箍筋能较好的约束核心混凝土，改善矩形钢管混凝土的轴压性能；TAO等[19]研究表明内置矩形钢管能够显著提高钢管混凝土短柱的延性，但是对承载力提高并不明显；ZHU等[20]通过圆形、方形和八角形三种截面形式的钢管混凝土，对比了不同截面形状与约束效果之间的关系；YUAN等[21-22]研究了不同加劲形式方钢管混凝土柱的轴压性能，通过参数化研究提出了较大宽厚比下加劲钢管混凝土承载力简化模型，同年又对加劲方钢管混凝土的偏压性能展开研究。从上述研究成果可见，现有研究中矩形钢管混凝土截面形式单一，并未能考虑到实际工程中矩形钢管混凝土不同倒角的实际影响，本文针对倒角半径对矩形钢管混凝土柱的轴压性能影响，进行了15个不同倒角半径的矩形钢管混凝土柱的轴压试验，从倒角半径和钢管厚度2个变化参数对约束混凝土柱轴压性能的影响进行分析。

1 试验概况

1.1 试验设计

为了准确地研究倒角半径对矩形钢管混凝土的轴压性能，所选择的试件长细比必须恰当，过大易导致失稳破坏，过小短柱效应影响较大，参考以往研究，本文设计试件长细比为3.0，制作15个高度400 mm，截面尺寸133 mm×133 mm的矩形钢管混凝土柱，各试件参数见表1，其中为倒角半径，为钢管边长，t为钢管厚度。试验变化参数为倒角半径和钢管厚度，按照钢管厚度(2，4和6 mm)不同分为3个系列，每个系列5种倒角半径(0，15，30，45和66.5 mm)。试件命名规则如下：第1个字母“S”表示钢管混凝土试件，其后的数字如“2”表示钢管厚度为2 mm，“”及后面的数字表示倒角半径大小，如“15”表示倒角半径为15 mm。

表1 试件参数

本试验中矩形钢管混凝土柱试件均由钢管内部填充混凝土制作而成，其截面尺寸如图1所示。预先将钢板通过倒角钢模冷弯加工成2个具有相同倒角半径的对称U形截面，随后对拼焊接成完整矩形截面钢管。受实际弯折工艺的影响，倒角半径并不能完全弯折为0，实际弯折倒角半径随钢板厚度的增加而增大(见表1)；分层浇筑混凝土，并振捣密实，顶面收平后置于室内条件养护28 d以上；养护完成的试件顶底面打磨平整光滑，防止加载时出现偏压，同时对钢管外表面进行除锈处理；为避免加载时试件两端塑性铰区域出现破坏，上下端分别黏贴宽度为20 mm的浸渍纤维布条。

单位：mm

1.2 材料性能

试验用混凝土原材料严格按照国家标准进行质量控制，混凝土强度等级为C30，制作了6个标准立方体试块(150 mm×150 mm×150 mm)，同条件下养护测得立方体试块的抗压强度平均值为45.4 MPa，圆柱体轴压强度为37.8 MPa，强度等级满足试验要求。同一批次钢材制作成每种厚度3个标准试件，按照《金属材料拉伸试验》(GB/T228.1—2010)规定方法进行拉伸试验，获得钢管厚度2 mm试件的平均屈服强度和弹性模量分别为219.0 MPa和205.8 GPa；钢管厚度4 mm试件的平均屈服强度和弹性模量分别为219.7 MPa和206.7 GPa；钢管厚度6 mm试件的平均屈服强度和弹性模量分别为304.8 MPa和206.5 GPa。具体力学性能见表2。

表2 钢管的力学性能

1.3 试验加载与测试

试验在3 000 kN高刚度电液伺服试验机上进行。为了准确地测量试件的变形，对于倒角率为1.0(=66.5 mm)的试件中部四周沿纵向分别对称黏贴4个纵向应变片，沿环向分别对称黏贴4个横向应变片；对于倒角率小于1.0的试件，沿横截面对角线的倒角圆弧切点和中点处增加黏贴横向应变片。同时，沿试件纵向设置了2个普通位移计和2个激光位移计，以测得试件的整体纵向变形及试件中部一定标距内纵向变形，普通位移计测量范围为试件全高，激光位移计的测量范围为试件中部360 mm。正式加载前，试件居中放置，采用试验力控制，以300 kN荷载预加载3次，正式加载时，改为变形控制，加载速率为0.5 mm/min。试验荷载由试验机传感器采集，试件位移及应变数据均有TDS530采集仪与试验机同频率采集。

2 试验现象及试验结果分析

2.1 试验现象

图2给出了典型矩形混凝土柱破坏情况(以S4系列为例)，在受载初期，试件表面均无明显的变化，继续加载至峰值荷载之后，试件单面开始出现轻微鼓起现象，随后延伸到其他3个面，并形成一个凸鼓圈[15]，对于倒角较小的矩形截面试件，鼓起位置一般出现在矩形截面沿边长中部，角部变形较小；对于倒角较大的矩形截面试件，试件的环向变形整体较均匀。从整体来看，对于大多数试件的凸鼓变形首先出现部位为试件高度方向的中部，随着荷载的增加，凸鼓变形向上下部延伸，钢管在纵向出现多个类似褶皱的凸鼓圈，继续加载，钢管的凸鼓圈变形越来越明显，钢管纵向屈曲后，试件保持一定的残余承载力。对于倒角半径较小的试件，钢管表面出现的凸鼓圈数量多且明显，以S4R0试件为例，4个面的凸鼓位置形成的不在同一水平面上，试件破坏属于典型的剪压破坏[16]；随着倒角增大，试件截面退化至圆形，钢管的环向受力分布较均匀，膨胀变形均匀连续，未出现严重变形的凸鼓圈和褶皱现象，呈腰鼓破坏。另外，随着试件钢管厚度的增加，试件表面钢管纵向屈曲现象所表现出的褶皱和凸鼓圈减少。

2.2 试验结果分析

2.2.1 应力−应变曲线

图3给出了矩形钢管混凝土柱试件的名义应力−整体纵向应变曲线图，名义应力根据试验荷载除以初始截面面积计算得到，纵向应变根据普通位移计与激光位移计相互校核计算得到，矩形钢管混凝土整体试件的受力过程的名义应力−应变曲线可以分为4个工作阶段。第1阶段为弹性工作阶段，钢管混凝土在加载初期的名义应力−应变关系呈线性变化，该阶段内钢管和核心混凝土共同承受纵向荷载，试件表面无明显变化；随着荷载的增加，曲线进入弹塑性阶段，此阶段内核心混凝土的膨胀变形导致钢管由受压状态转向纵向承压和环向受拉并存的状态；峰值荷载后试件进入下降阶段，试件钢管表面的褶皱和凸鼓变形逐渐明显，钢管屈服，对于倒角半径较小的试件，矩形钢管截面边长中部变形大于倒角处变形，环向受力不均，曲线出现显著的下降段，下降速率随着倒角半径增大和钢管厚度的增加逐渐变小，趋于平缓；随着钢管的变形增加，试件进入2次强化阶段，钢管的矩形凸鼓圈变形加剧，逐渐发展成为类圆形凸鼓圈，此时该部位的约束机理与圆形截面钢管相似，因此加载后期试件的承载力略有提高，曲线呈上升趋势[16]，倒角半径和钢管厚度越小，这一阶段越明显，最后由于试件变形过大而终止试验。

(a) S4R0; (b) S4R15; (c) S4R30; (d) S4R45; (e) S4R66.5

(a) S2系列；(b) S4系列；(c) S6系列

各试件局部名义应力−应变关系曲线如图4所示，横向应变及纵向应变均由试件中部的应变片测得。由图4可以看出，加载初期，曲线变化一致，对于倒角半径较小的试件，试件达到峰值荷载后，承载力下降幅度大，尤其是钢管厚度较小时下降段更为陡峭，这是由于矩形截面钢管混凝土柱的倒角处与边长部位受到不均匀的约束力，倒角处应力集中，而截面边长中部不能有效地对核心混凝土约束，表现出承载力下降[14]。随着倒角半径的增大，曲线下降段的斜率由负值变为正值，当截面退化为圆形，试件环向约束应力分布均匀，钢管混凝土表现出更强的承载能力，这表明倒角半径的改变能够减弱应力集中现象，改善钢管混凝土柱的受力性能。同时随着钢管厚度由2 mm变化至6 mm，其承受的纵向荷载增大，约束作用越明显，钢管混凝土的承载力提高明显，延性越好。

(a) S2系列；(b) S4系列；(c) S6系列

2.2.2 对比分析

试件主要试验结果如表3所示，表中(2/为倒角率，cc和cc为试件的峰值应力及峰值应变，cu为试件的极限应力。对于峰值后下降型试件，峰值应力及峰值应变定义为峰值最大点，对于峰值后无下降型试件，峰值应力及峰值应变定义为曲线水平或上升变化的转折点，极限应力定义为荷载最大值所对应的应力值，而极限应变不具有对比意义。

表3 试件主要试验结果

图5给出不同钢管厚度试件的力学性能与倒角半径的关系图，纵坐标为各试件峰值应力、峰值应变与极限应力和素圆柱体混凝土试件相应力学指标的比值。从表3和图5可以看出，矩形钢管混凝土柱的轴压性能与倒角半径和钢管厚度呈正相关，相同钢管厚度，倒角半径越大，力学性能提高效果越好，如S4系列试件倒角半径从0 mm变化到66.5 mm，其峰值应力分别提高了1.70，1.72，1.78，2.05和2.41倍，峰值应变分别提高了3.20，3.30，5.35，7.30和9.25倍，极限应力分别提高了1.70，1.72，1.88，2.06和2.47倍，在倒角半径最小时，矩形钢管的约束效果最差，对于倒角半径=0和15 mm 2组试件，峰值应力、峰值应变及极限应力提高比差异不是十分显著，主要由于=0的钢管实际弯折加工时的倒角半径并不为0，实际倒角半径可见表3。随着钢管厚度增加，=0和15 mm 2组试件倒角半径差异变小。随着倒角半径从0 mm变换到66.5 mm，S2系列、S4系列和S6系列倒角率最大的试件较倒角率最小的试件峰值应力提高幅度分别为38.0%，41.8%和42.4%，极限应力提高幅度分别为42.6%，45.0%和45.6%，峰值应力最大提高比分别为4.25，9.25和10.90。对比可见，倒角半径对矩形钢管混凝土柱的峰值应力、峰值应变及极限应力均有显著的提高，结合名义应力−应变曲线可见倒角半径的增加可以减弱截面约束应力集中，提高约束混凝土柱的承载能力和变形能力；此外，在倒角半径一定时，钢管厚度的变化也是影响矩形钢管混凝土柱轴压性能的重要参数，如试件S4R66.5与S2R66.5相比，钢管增加2 mm，试件峰值应力、峰值应变及极限应力提高幅度为62.2%，117.6%及60.5%，钢管厚度越大，其轴压性能越优异。

(a) 峰值应力(fcc/fco)；(b) 峰值应变(εcc/εco)；(c) 极限应力(fcu/fco)

3 结论

1) 对于矩形钢管混凝土试件，加载初期，试件表面无明显现象，峰值后矩形钢管首先一面出现凸鼓，随荷载增大而延伸到其余3个面，形成完整凸鼓圈，倒角半径越小，凸鼓圈数量多且明显，呈斜平面，属于典型的剪压破坏，倒角率增大，截面逐渐退化至圆截面时，试件膨胀变形均匀，属于腰鼓破坏。

2) 矩形钢管混凝土柱试件的名义应力−整体纵向应变曲线图可分为弹性工作阶段、弹塑性阶段、下降阶段和2次强化阶段4个阶段，峰值荷载后随着钢管凸鼓、褶皱现象逐渐明显，曲线进入下降阶段，随着钢管的矩形凸鼓圈变形加剧，逐渐发展成为类圆形凸鼓圈，约束机理与圆形截面钢管类似，承载力略有提高，曲线进入2次强化阶段。

3) 对于倒角半径和钢管厚度越小的试件，局部名义应力−应变曲线下降段越明显，钢管约束效果越差，当倒角半径从0 mm变化至66.5 mm，曲线的下降段斜率由负值变为正值，钢管发挥出更强的约束力，试件表现出更好的承载能力和变形能力，倒角半径的增加能够有效地改善应力集中现象。

4) 矩形钢管混凝土柱的轴压性能与倒角半径和钢管厚度密切相关，倒角半径增大对矩形钢管混凝土柱试件的轴压性能存在有益影响，相同钢管厚度下，倒角率越大，轴压性能提高效果越明显；此外，钢管厚度的增加对约束混凝土柱的承载能力和变形能力也有一定提高。

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Effect of corner radius on axial compression behavior of rectangular concrete filled steel tubular columns

BAI Jiawen, WEI Yang, CHAI Jile, DING Mingmin, WANG Libin

(College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In order to study the effect of corner radius on the axial compressive behavior of concrete filled rectangular steel tubular columns, three series of fifteen concrete filled rectangular steel tubular columns under axial compression were tested. Variable parameters include corner radius ratio (2/=0.06~1.00) and tube thickness (2, 4 and 6 mm). The results show that the increase of corner radius can effectively weaken the stress concentration at the corner of concrete filled rectangular steel tubular columns, and can improve the circumferential confining effectiveness of steel tube, and can improve the axial compression behavior of confined concrete columns. With the increase of corner radius, the failure modes of specimens change from shear-compression failure to waist drum failure, the peak stress, peak strain and ultimate stress of concrete filled rectangular steel tube are obviously increased. The ultimate strength of specimens with corner ratio of 1.00 is 40%~45% higher than that of specimens with corner ratio of 0.06 showing higher bearing capacity and deformation capacity. The increase of steel tube thickness also has a beneficial effect on the axial compression performance of the confined concrete.

concrete filled steel tube; rectangular; corner radius; confinement; axial compressive behavior

TU398.9

A

1672 − 7029(2020)03 − 0707 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190407

2019−05−13

国家自然科学基金资助项目(51778300)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20151520，BK20191390)；江苏省“333”工程资助项目(BRA2016421)；江苏省六大人才高峰资助项目(JZ-017)

魏洋(1978−)，男，安徽合肥人，教授，博士，从事复合材料及其在土木工程中的应用研究；E−mail：wy78@njfu.edu.cn

(编辑 蒋学东)