钢管超高强混凝土柱拟静力试验

韦建刚，周 俊，杨 艳，陈宝春

(1.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108；2.福建工程学院 土木工程学院，福建 福州 350118)

0 引 言

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)在全世界范围内一直备受关注[1-2]，其在桥梁工程[3-4]中有着大量应用。迄今为止的研究和观察表明，UHPC有潜力将混凝土扩展为同以往不同的新形式，将UHPC与普通混凝土、钢材等材料进行组合形成新型组合结构是当前工程界的研究热点[5]；将未掺有钢纤维的UHPC[本文为将其与掺有钢纤维的UHPC进行区别，称之为超高强混凝土(Ultra-high Strength Concrete，UHSC)]与钢管组成钢管超高强混凝土(UHSC Filled Steel Tubular，UCFST)结构，不但具备普通钢管混凝土的组合效应特征，且外部钢管的约束可以在一定程度上弥补UHSC由于强度的提高而导致的脆性缺陷[6]。

对于UCFST结构的研究，目前主要集中在静力性能方面。Xiong等[7]、韦建刚等[8-9]以钢材强度、UHSC强度、套箍系数、径厚比以及长细比等为参数，对UCFST试件进行了长短柱的轴压、偏压试验研究，提出一系列适用于UCFST试件受压承载力的计算公式；对于UCFST结构抗震性能研究，Wei等[10]对该结构弯矩-曲率滞回性能进行了分析。还有部分学者以轴压比、径厚比以及钢材强度等为参数，进行了钢管高强混凝土(High Strength Concrete Filled Steel Tubular，HCFST)结构的拟静力试验，分析了各试件抗震性能[11-12]。

为了进一步探讨UCFST结构的抗震性能，本文借鉴CFST结构拟静力试验研究[13-14]，以UCFST柱为研究对象，采用拟静力试验方法分析轴压比、含钢率和长径比对UCFST试件荷载-位移滞回曲线、强度和刚度退化、耗能以及延性等指标的影响，了解该类结构的抗震性能，可为其应用研究提供参考数据。

1 试验概况

以轴压比、含钢率和长径比为试验参数，设计了11根UCFST柱。表1为试件的详细设计资料，其中，钢管采用Q345钢材，试件编号由五部分组成：S代表钢管，U代表UHSC，T为钢管厚度，L为试件长度，N代表试件轴压比n小数点后数值，且n=N0/Nu，N0为试验时施加在试件端部的水平轴力，Nu为钢管屈服时对应的试件强度承载力[15]，D为钢管外径，α为含钢率。

表1 试件参数

2 加载方案与测量方式

本文采用如图1所示两端铰支跨中作用集中荷载的梁式加载方式。试验加载制度采用位移控制方式[16]，试件屈服前每级位移加载1圈，屈服后，以屈服位移倍数为加载位移，每级位移加载3圈，直至试件破坏。在平面铰中心和试件两侧四分之一点处布置位移计对其挠度进行测量；由MTS伺服加载系统和放置在跨中处的位移计同时测量跨中挠度。试件最不利截面位于刚性夹具两侧，在试件刚性夹具两侧截面各选取4个点布置相互垂直的双向应变花，以测得最不利截面上关键点的钢管纵向和横向的应变。

图1 试验装置

3 试验结果与分析

3.1 荷载-位移滞回曲线

所有试件加载后都呈整体弯曲破坏。图2为各UCFST柱荷载-位移滞回曲线，从图2可以看出，11根试件呈大致相同的趋势，都较为饱满，无捏缩，呈纺锤形，说明其抗震性能较好。在加载初期，滞回曲线基本呈直线状，试件刚度无退化，处于弹性阶段，残余变形基本为0。随着位移的增大，试件进入弹塑性阶段，滞回曲线不再经过0点，呈直线上升，在该阶段，有残余变形开始产生，滞回曲线形成完整的滞回环，且随着循环位移的不断增大，滞回环所围成的面积不断增大，越来越饱满。由图2(a)～(e)可知：随着轴压比的增大，滞回环面积不断减小，耗能减弱；在轴压比较小时，荷载-位移滞回曲线在后期基本呈直线状，无明显下降，而轴压比较大时，荷载-位移滞回曲线有明显的下降段。由图2(c)，(f)～(h)可知，在保持其他参数不变情况下，随着含钢率的增大，滞回曲线围成的面积越大，形状越饱满，耗能能力越强。对比图2(c)，(i)～(k)可知，随着试件长径比增大，滞回曲线面积越小，耗能能力不断退化。因此，轴压比、含钢率以及长细比对试件荷载-位移滞回曲线具有较大的影响。

图2 荷载-位移滞回曲线

3.2 荷载-位移骨架曲线

图3和表2分别为试件的荷载-位移骨架曲线及骨架曲线特征值。从图3可知：试件在屈服前，骨架曲线基本呈直线上升趋势；随着跨中竖向位移增加，试件进入弹塑性状态，刚度下降，曲线斜率降低。结合图3和表2可知：轴压比对弹性段刚度没有太大影响，但是轴压比由0.03增大到0.23时，试件峰值承载力降低了36.77%，且下降段下降速度变快；随着含钢率的增大，试件弹性阶段刚度和极限承载力都有较大提高，含钢率由0.160增大到0.361，弹性刚度增大了43.12%，试件峰值承载力提高了63.32%；同时长径比对试件的弹性刚度及承载力影响也较大，长径比由10增大到21时，弹性刚度降低了84.74%，峰值承载力减小了70.44%。由此可知，轴压比、含钢率和长径比对UCFST柱荷载-位移骨架曲线影响较大。

图3 荷载-位移骨架曲线

由表2可知：随着轴压比的增大，试件承载力减小，延性系数呈先增大后减小趋势，主要是因为轴压比为0.03的试件骨架曲线未出现下降段，使得轴压比由0.03增大至0.06时延性系数增大；随着长径比的增大，试件承载力减小，延性系数呈先增大后减小趋势；随着含钢率的增加，试件承载力和延性系数则呈增大趋势。由此可知，轴压比、含钢率以及长径比对试件承载力和位移延性系数有着较大的影响。

表2 骨架曲线特征值

3.3 耗能能力

等效黏滞阻尼系数是衡量结构耗能能力的重要参数，各试件等效黏滞阻尼系数-位移曲线见图4。从图4可以看出，随着位移增大，试件等效黏滞阻尼系数都不断增大。随着轴压比增大，同一位移试件等效黏滞阻尼系数都有所增大，这与普通钢管混凝土结构的表现一致[14]。对于不同含钢率试件，等效黏滞阻尼系数呈减小趋势。对比不同长径比试件，试件等效黏滞阻尼系数整体上呈减小趋势。

图4 等效黏滞阻尼系数-位移曲线

3.4 刚度退化

UCFST柱随着位移的增大，刚度会随着试件进入塑性阶段而不断减小，从而发生刚度退化。刚度退化采用割线刚度[16]表示，图5为UCFST柱刚度退化曲线，横坐标为累积滞回耗能，可根据文献[17]计算。由图5可知，在加载初期，曲线下降程度明显，刚度退化较快，在加载后期，曲线则趋于平缓。其中，随着轴压比和长径比的增大，刚度退化程度越大，且长径比的变化对其影响较大；随着含钢率的增大，试件刚度退化程度则不断减小。

图5 刚度退化曲线

3.5 强度退化

试件的强度退化是指试件随着反复加载位移的增大，其承载力不断降低的过程，可用同级荷载退化系数[17]表示。试件强度退化曲线如图6所示，与极限荷载Pu(Pu=0.8Pmax)对应的退化系数为±0.8水平线进行比较可知，试件在屈服后仍有较长水平段，表明其不会很快丧失承载能力，达到破坏荷载时仍能继续承载。试件强度退化程度随着轴压比和长径比的增大而增强，且轴压比小于等于0.06的试件总体强度退化较小。同时，试件强度退化程度随着含钢率增大而降低，且含钢率为0.361的试件强度退化程度较低。

图6 强度退化曲线

3.6 抗弯刚度和极限弯矩

图7为典型的UCFST柱(SU-T6-L19-N03)弯矩-曲率骨架曲线。由图7可知：在加载初期，曲线刚度变化较小，为弹性阶段；曲线刚度随着加载继续不断减小，直至达到试件极限弯矩Mu。同文献[12]，本文将0.2Mu割线刚度定义为初始截面抗弯刚度Ki，将0.6Mu割线刚度定义为使用阶段抗弯刚度Ks，通过本文试验得到的初始阶段刚度试验值Kie和使用阶段刚度试验值Kse。采用ACI[18]，BS 5400[19]，ANSI/AISC[20]以及EC4[21]中的计算公式计算本文试件抗弯刚度，并将其结果与试验值比较，结果如表3所示。并采用上述规程以及GB 50936—2014[22]中对极限弯矩的计算公式，对试件极限弯矩进行计算，与试验结果进行比较，如表4所示。由于截面抗弯刚度和弯矩与试件长度无关，因此以下对不同长径比的试件并未分析。

图7 典型弯矩-曲率骨架曲线

表4 极限弯矩规程计算值与试验值对比

由表3可知，UCFST柱抗弯刚度随着轴压比的增大呈先增大后减小趋势，但影响程度不大，这与CFST柱[14]结果类似，主要是由于轴压比的增大使得核心UHSC初始应力增大，模量有所降低，且核心UHSC对截面抗弯刚度作用占比不大，因此核心UHSC受压面积增大对抗弯刚度影响不大。截面抗弯刚度随着含钢率的增大也呈增大趋势。此外，采用上述规程对UCFST柱截面抗弯刚度的计算结果都偏保守，分析其原因为本文采用的核心混凝土为超高强混凝土，而上述规程适用范围未将其含括进去，因此有必要对其进行适当修正，以期适用于高强材料组合结构抗弯刚度计算；对比4种规程，BS 5400计算结果相对更接近试验结果，后面依次为ANSI/AISC，EC4和ACI。

表3 抗弯刚度规程计算值与试验值对比

由表4可以看出，当轴压比较小时，极限弯矩随轴压比增大呈增大趋势，当轴压比较大时，则呈减小趋势。含钢率增大时，极限弯矩也随之增大。对比不同规范对极限弯矩的计算结果与试验结果可知，GB 50936—2014计算结果与试验结果最为接近，BS 5400次之，后面依次为ACI，ANSI/AISC以及EC4。

4 结 语

(1)轴压比、含钢率和长径比对试件的承载力和延性影响较大。试件极限承载力随着轴压比和长径比增大而减小，随着含钢率增大而增大；延性系数随着轴压比和长径比增大呈先增大后减小趋势，随着含钢率增大而增大。

(2)轴压比、含钢率和长径比对试件的耗能及强度和刚度退化具有较大的影响。试件整体耗能能力随着轴压比和长径比增大而减弱，随着含钢率增大而提高；强度和刚度退化程度则随着轴压比和长径比增大而增强，随着含钢率增大而减弱。

(3)随着轴压比增大，试件抗弯刚度呈先增大后减小趋势，极限弯矩呈减小趋势；含钢率的增大，有利于截面抗弯刚度和极限弯矩的增大。由于受适用材料范围的限制，目前规程中的抗弯刚度和弯矩计算方法并不适用于钢管超高强混凝土柱，计算结果偏差较大。