穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱轴压试验研究*

郑新志， 孙玉涛， 郭好振

(河南理工大学土木工程学院， 焦作 454150)

0 引言

近年来，随着我国建筑业的不断发展，钢管混凝土在工程结构中得到了广泛应用。与普通的厚壁钢管混凝土相比，采用薄壁钢管可以减少钢材用量和焊接工作量，从而达到降低工程造价的目的[1]。方形钢管混凝土柱中钢管对内填混凝土的约束作用主要集中于柱角区域，侧边约束取决于钢管壁的平面外刚度。常用的钢管混凝土柱由于钢管壁的宽厚比较大，因而侧边的约束力较小，对柱的承载力和变形能力的改善很难达到预期效果[2]。由此可见，薄壁方钢管混凝土柱的侧边约束作用将更小，管壁将更易发生局部屈曲。

为了延缓方钢管混凝土柱局部屈曲的出现，国内外学者提出了设置纵向加劲肋[3]、约束拉杆[4]、角部隅撑[5]以及对拉片[6]等构造措施，并进行了相关试验研究。何振强等[7]研究了约束拉杆直径和间距、钢管厚度、钢材强度对带约束拉杆方钢管混凝土短柱力学性能的影响；黄宏等[8]对14个带肋方钢管混凝土短柱进行了研究，结果表明:随钢管宽厚比增大，管壁局部鼓曲发展加快；随加劲肋高厚比增大，管壁局部鼓曲发展延缓；孙焱焱等[9]以总用钢量不变为前提，研究了增大壁厚和设置加劲肋对方钢管混凝土短柱承载力和延性的影响，同时采用ANSYS有限元软件进行模拟计算。另外，广州名汇商业大厦[10]、广州新中国大厦[11]等超高层建筑在建设过程中已采用带约束拉杆这种构造措施。

基于已有文献的研究成果，可以发现：对方钢管混凝土柱设置拉杆或加劲肋，可有效减缓管壁局部屈曲的出现，从而提高构件的极限承载力和延性。但是仅设拉杆或仅设加劲肋的方钢管混凝土柱各自存在一定的不足。仅设置约束拉杆的钢管混凝土柱约束拉杆之间的区域会出现弹塑性局部屈曲现象，削弱对内填混凝土的约束作用；若仅设置加劲肋，为了防止局部屈曲的发生，需要增加相对较多的钢材用量[12]。

针对存在的不足，本文提出了穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱[13]，即由方形钢管、混凝土、加劲肋、拉杆组成，加劲肋厚度与钢管壁厚相同，加劲肋及管壁上拉杆穿过部位应在拼焊前开孔，孔的大小恰能穿过拉杆。将加劲肋垂直焊接在钢管管壁中间，拉杆垂直穿过方形钢管对边，沿柱高以适当间距交错布置，拉杆端部与钢管外壁采用螺栓连接[13]。三维示意图如图1所示，构造形式如图2所示。

图2 方钢管混凝土柱的构造形式

1 试验概况

1.1 试件设计

试验设计了4个试件，包括1个穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱，与仅设约束拉杆、仅设加劲肋、普通方钢管混凝土短柱3个对照试件，试件高度均为钢管外边长的3倍，具体参数见表1。

表1 试件主要参数

1.2 材性试验

混凝土立方体抗压强度由与试件同条件养护下的标准混凝土立方体试块测得。按照《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[14]规定对钢板和拉杆标准试样进行拉伸试验，测得其屈服强度fy和极限强度fu，试验结果见表2。

表2 材性试验结果

1.3 试件制作

在加工完成的方钢管外表面刷上油漆，并绘制30mm×30mm网格，以便观察试件破坏后的鼓曲变形。为了减少焊接产生的残余应力，本试验制作6个柱帽(内截面尺寸为150mm×150mm×10mm，外截面尺寸为190mm×190mm×30mm)，代替在方钢管两端焊接盖板。

在浇筑混凝土前，将方钢管底部套好柱帽，浇筑时将其竖立，分层浇筑混凝土，并用振捣棒振捣直至密实。在自然条件下养护两周后，凿去柱表面混凝土浮浆，用高强环氧砂浆将混凝土表面与钢管顶面抹平，试件加载前，顶端套上柱帽。

1.4 试件加载方式

试验在河南理工大学结构试验中心进行。采用500t的压力试验机对试件施加轴向荷载，轴向变形由对角布置的两个30mm量程的百分表测量，加载装置如图3所示。首先进行试件的几何对中，然后预加荷载进行物理对中，试验加载为分级加载，弹性范围内每级荷载为预估极限荷载的1/10；当钢管发生局部屈曲后，每级荷载约为预估极限荷载的1/20。每级荷载的持荷时间约为2min，接近破坏时慢速连续加载，直至试件破坏[3]。试验变形数据由DH3816N自动采集，加载值由压力机软件记录。

图3 试验加载装置

1.5 应变片布置

试件测点布置如图4所示，图中数字代表测点位置，横条为横向应变片，纵条为纵向应变片，在拉杆中部及靠近管壁位置分别贴一个应变片。

图4 试件测点布置

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及破坏形态

所有试件的最终破坏形态如图5所示，图中已标记出钢管壁表面鼓曲位置和焊缝撕裂位置。通过观察和分析可知：在加载初期，各试件均无变形和形态变化。

图5 试件最终破坏形态

试件C1：达到极限荷载的50%～60%左右时，试件发出明显的噼啪声，达到极限荷载的75%左右，试件开始有局部鼓曲出现。达到极限荷载之后，伴随着清晰的混凝土被压碎的声音，荷载值急剧下降，钢管壁迅速外鼓。最终破坏形态：一侧焊缝被撕裂，钢管外壁出现两道单波鼓曲，一道出现在距柱上部120～150mm处(焊缝被撕裂部位)，另一道出现在试件中部，鼓曲位置波峰间的间距约为1/2柱宽。

试件C2：达到极限荷载的60%～70%时，听到试件内有噼啪声，达到极限荷载的85%左右，试件开始出现局部鼓曲。达到极限荷载之后，试件向外鼓曲变形更加明显。最终破坏形态：在钢管外壁出现两道半波鼓曲，一道出现在距柱上部60mm处，另一道出现在距柱上部210mm处，鼓曲波峰间距约为1倍柱宽。

试件C3：达到极限荷载的70%～80%时，试件内有轻微的噼啪声传来，达到极限荷载的90%左右，试件开始出现局部鼓曲。达到极限荷载之后，随荷载值下降，试件向外鼓曲变形增大。最终破坏形态：在钢管外壁出现两道单波鼓曲，位于上下两排约束拉杆之间，鼓曲位置波峰间的间距约为90mm。

试件C4：达到极限荷载的80%左右时，外表面粘贴的砂浆开始脱落，达到极限荷载之前，始终未发现管壁的局部鼓曲。达到极限荷载之后，有轻微的混凝土被压碎的声音，试件未出现明显的变形，一直到荷载值下降到极限荷载的90%左右，试件才出现轻微的向外鼓曲。对比发现，相对于试件C1，C2，C3，试件C4荷载值下降明显减慢，试件向外鼓曲则出现在极限荷载之后。最终破坏形态：在设置约束拉杆附近，钢管外壁出现双波鼓曲，其他位置未发现有明显变形。

可见，开孔加劲肋与拉杆的紧密结合，进一步增强了钢管壁的抗弯刚度，拉杆为加劲肋提供了强有力的侧向约束，从而延缓了钢管与混凝土之间的滑移，使钢管和混凝土的一体性得到显著强化，这有效地阻止了管壁在试件达到极限荷载之前出现局部鼓曲，试件的极限承载力及延性都得到了较大的提高。

2.2 试件性能

试件的延性性能由延性系数来反映[15]，试件性能的相关参数见表3。

表3 试件性能

DI=ε85%/εy

式中：DI为试件的延性系数；ε85%为荷载下降到峰值荷载的85%时对应的轴向应变；εy=ε75%/0.75，ε75%为荷载在上升段达到75%峰值荷载时对应的轴向应变。

由表3可见：1)与试件C1相比，试件C3的轴压极限承载力提高了11%，延性提高了44%；与试件C1相比，试件C2的轴压极限承载力提高了14%，延性提高了33%。这说明仅设加劲肋或仅设约束拉杆均能提高方钢管混凝土柱的轴压承载力和延性，且设置加劲肋更有利于提高方钢管混凝土柱轴压承载力，设置拉杆更有利于增大其延性；2)与试件C1相比，试件C4的轴压极限承载力提高了21%，延性提高了63%；这说明穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱具有优异的轴压承载能力和延性；3)当试件截面含钢率相同时，与仅设置加劲肋的方钢管混凝土柱(试件C2)相比，穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱(试件C4)的轴压极限承载力提高了7%，延性提高了30%；与仅设置拉杆的方钢管混凝土柱(试件C3)相比，穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱(试件C4)的轴压极限承载力提高了10%，延性提高了19%，说明在进行工程设计时，采用穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱不仅能有效减少钢材用量，降低工程造价，而且具有较好的抗震性能。

2.3 荷载-位移曲线

试验中，对角设置的2个百分表测量的纵向变形数据基本一致，取二者平均值作为试件的轴向位移，荷载-位移(N-Δ)曲线如图6所示。

图6 试件的N-Δ曲线

由图6可见：1)在加载初期，所有试件的荷载-位移曲线均近似为直线，说明均处于弹性工作状态，且所有试件的荷载-位移曲线均由上升段和下降段组成；2)试件C4的轴压极限承载力大于对比试件C1，C2，C3，试件达到极限荷载时对应的位移相对较大，且达到极限荷载后荷载下降趋势相对平缓，说明穿孔肋拉杆的设置增强了钢管对核心混凝土的约束作用，提高了试件的承载力与延性，改善了试件后期的变形能力。

2.4 应变分析

对试件C3，C4拉杆中部应变数据进行分析，其荷载-应变(N-ε)曲线如图7所示。

图7 拉杆的N-ε曲线

由图7可见：1)在整个加载过程中，随着荷载值增加，拉杆应变逐渐增大，达到极限荷载时，拉杆基本上都已达到屈服，说明拉杆对加劲肋起到了显著的约束作用；2)在达到极限荷载前，试件C4拉杆的荷载-应变曲线斜率大于试件C3，这说明穿孔肋约束拉杆的设置增强了钢管对核心混凝土的约束力，减缓了应变的增大；3)在达到极限荷载后，拉杆的应变发展加快，这说明穿孔肋约束拉杆起到了较强约束作用，并提高了钢管壁的侧向刚度，为延缓钢管混凝土短柱的破坏筑起了“第一道防线”。

对各试件管壁应变数据进行分析，其荷载-应变关系曲线如图8所示。其中，X代表测点横向应变，Y代表测点纵向应变，测点位置见图3。

图8 钢管壁的荷载-应变曲线

由图8可见：1)在达到极限荷载时，试件上各测点的纵、横向应变值均分别达到钢管的单轴抗压屈服应变值、抗拉屈服应变值；2)试件C1钢管壁上测点1，11的纵横应变随荷载变化的规律一致，说明试件整个管壁发生了鼓曲，这与试件C1呈现的破坏模式(图5(a))相吻合；3)试件C2钢管壁上测点1的纵横应变随荷载的变化量小于测点11，说明加劲肋的存在，有效限制了管壁的鼓曲，这与试件C2呈现的破坏模式(图5(b))相吻合；4)试件C3钢管壁上测点1的纵横应变随荷载增加的速度远大于其他测点，说明拉杆之间的管壁发生了鼓曲，拉杆起到了约束钢管壁屈曲发展的作用，这与试件C3呈现的破坏模式(图5(c))相吻合；5)试件C4钢管壁上测点11的纵横应变随荷载增加的速度远大于其他测点，其次是测点22的纵横应变随荷载增加较快，说明拉杆之间的管壁发生了鼓曲，拉杆由于约束加劲肋与钢管壁之间的相互挤压增大，这与试件C4呈现的破坏模式(即图5(d))相吻合。

比较图8中的(a)～(d)可见，在达到极限荷载前，穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱管壁上各测点的荷载-应变曲线基本呈线性，其斜率均大于其他试件。说明穿孔肋拉杆对钢管壁的约束作用通过加劲肋均匀地传递给钢板，使拉杆的点状约束转化为加劲肋的线状约束，对核心混凝土的约束作用明显增强，减缓了钢管的纵横向应变发展；达到极限荷载后，拉杆应变迅速增加，钢管纵横应变发展变慢，钢管壁局部屈曲发展减缓，混凝土压碎延迟。说明穿孔肋拉杆在达到极限荷载后对钢管壁的屈曲和破坏起到了明显的遏制作用。

3 结语

(1)穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱同时设置了拉杆和加劲肋，通过穿过开孔加劲肋的拉杆约束钢管壁，对钢管壁形成线状约束后，对核心混凝土的约束作用明显增强，减缓了钢管的局部屈曲，使混凝土压碎延迟。说明穿孔肋拉杆在达到极限荷载后对钢管壁的屈曲和破坏起到了明显的遏制作用，能有效改善仅设拉杆或仅设加劲肋的方钢管混凝土柱的不足。

(2)与普通方钢管混凝土柱相比，仅设加劲肋的方钢管混凝土柱的轴压极限承载力提高了11%，延性提高了44%；仅设约束拉杆的方钢管混凝土柱的轴压极限承载力提高了14%，延性提高了33%；穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱的轴压极限承载力提高了21%，延性提高了63%；说明穿孔肋拉杆的设置显著提高了方钢管混凝土柱的轴压极限承载力和延性。

(3)当试件截面含钢率相同时，与仅设加劲肋的方钢管混凝土柱相比，穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱的轴压极限承载力提高了7%，延性提高了30%；与仅设约束拉杆的方钢管混凝土柱相比，穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱的轴压极限承载力提高了10%，延性提高了19%；说明在进行工程设计时，采用穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱不仅能有效减少钢材用量，降低工程造价，而且具有较好的抗震性能。