长期荷载作用对钢管约束的组合短柱变形及承载力的影响*

李艳华 张素梅 王 焰 王玉银

(1. 哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院, 广东深圳 518000; 2. 哈尔滨工业大学土木工程学院, 哈尔滨 150090)

随着社会经济的发展以及土地资源的日益紧缺,我国土木工程已进入高速发展期,对重载建筑、大跨度桥梁和重型基础设施的建设需求越来越旺盛。钢-混凝土组合结构因结合了钢和混凝土两种材料的优势而广泛应用于工程中。[1-12]钢管约束钢管混凝土柱、钢管约束钢筋混凝土柱和钢管约束型钢混凝土柱具有节点构造简单、承载力高、延性好和抗火性能优越等特点,非常适合在以轴压为主的长期重载下工作。徐变指混凝土在持续荷载作用下,变形随时间不断增加的特性。[13-18]大量工程实践和研究成果表明,混凝土的徐变变形最高可达其瞬时弹性变形的3倍,对结构产生不可忽视影响。[19-25]混凝土收缩是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象,一般分为塑性收缩、自身收缩、干燥收缩及碳化收缩,较大的收缩会引起混凝土开裂。长期变形为收缩变形与徐变变形的总和。混凝土长期变形在结构全寿命周期一直存在,准确把握收缩徐变发展规律,对钢-混凝土组合结构的设计、施工、使用和维护均具有重要意义。目前对钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱和钢管混凝土柱徐变的研究较多,而对外加钢管约束的钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱和钢管混凝土柱长期荷载作用后的性能研究较少,为此,将对比研究上面3种钢管约束的组合短柱在长期荷载作用下的长期变形,并对经长期荷载作用和未经长期荷载作用的试件进行轴压承载力试验,探究长期荷载作用对外加钢管约束的组合短柱变形和承载力的影响。

1 长期持荷试验研究

1.1 试件设计

设计并制作12个钢管约束钢管混凝土短柱、9个钢管约束型钢混凝土短柱和6个钢管约束钢筋混凝土短柱试件,对其中的4个钢管约束钢筋混凝土短柱、6个钢管约束型钢混凝土短柱和8个钢管约束钢管混凝土短柱进行了760 d的持荷试验;其余为对比试件,未进行持荷;经过760 d后对所有试件进行了轴心受压承载力试验。主要研究参数混凝土强度等级为C50和C70、加载时核心混凝土龄期分别为7,14,28 d。钢管约束钢管混凝土试件(图1a)的内层钢管直径为219 mm、壁厚为2 mm ,外层钢管直径为273 mm、壁厚为2 mm;钢管约束钢筋混凝土试件(图1b)外套钢管直径为219 mm、壁厚为2 mm,纵向钢筋选用6φ18 HRB400筋,箍筋选用φ8@200 HPB300筋;钢管约束型钢混凝土试件(图1c)外套钢管直径为219 mm、壁厚为2 mm,型钢选用HW100×100。试件名义总含钢率均为8%,名义总含钢率为钢管和纵向钢筋(或型钢)的横截面积之和与核心混凝土横截面积的比值。为保证核心混凝土发生线性徐变,在长期持荷试验中将核心混凝土持荷应力比取为0.35[26]。

a—钢管约束钢管混凝土柱; b—钢管约束钢筋混凝土柱; c—钢管约束型钢混凝土柱。图1 试件设计示意Fig.1 Design of columns

各试件设计参数见表1,表中NL为施加在试件上的长期荷载值;ξ为加载时名义套箍系数,ξ=(As1fy1+As2fy2+As3fy3+As4fy4)/(Acfck);As1、As2、As3和As4分别为同一试件中内层钢管、外层钢管、纵向钢筋和型钢的横截面积;fy1、fy2、fy3和fy4分别为对应的屈服强度;Ac为核心混凝土横截面积;fck为加载时刻核心混凝土的抗压强度。进行轴压承载力试验时,应选取合适的长径比:若试件长径比过大会发生侧向弯曲,影响试验结果;若试件长径比较小,其端部效应的影响较大。故选取试件长度L=600 mm,其长径比为3≤L/D≤3.5。

表1 试件设计参数Table 1 Design parameters of specimens

表中编号规则为:以TCFST-T7-50-a 为例,TCFST表示试件类型为钢管约束钢管混凝土试件,本批试件共有3种类型,其余2种分别为钢管约束型钢混凝土试件TSRC和钢管约束的钢筋混凝土试件TRC;T7表示试件加载时的养护龄期为7 d;50表示核心混凝土的强度等级为C50;a/b/c为具有相同设计参数的试件,a/b为持荷徐变试件,c为未加载的对比试件。

表2、3给出了实测的混凝土和钢管的主要力学性能指标。混凝土材性根据GB 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[27]测得,其中fcu,100为加载当天测得的混凝土立方体试块(100 mm×100 mm×100 mm)抗压强度平均值;fcu为换算得到的混凝土标准立方体试块(150 mm×150 mm×150 mm)抗压强度;fcm为换算得到的混凝土标准圆柱体(150 mm×300 mm)抗压强度,换算系数[28]见表4,Ec为实测混凝土弹性模量。所用混凝土的fcu,100、fcu、fcm、Ec分别在37.7～97.8、35.8～92.9、29.7～81.3、28 300～42 500 MPa范围内。钢材材性由GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分 室温试验方法》[29]标准拉伸试验确定,钢材的屈服强度fy在373.5～480.3 MPa、抗拉强度fu在469.0～571.5 MPa、弹性模量Es在(1.83～2.01)×105MPa、泊松比μs处于0.248～0.315。

表2 混凝土主要力学性能指标Table 2 Main mechanical property indexes of concrete

表3 钢材主要力学性能指标Table 3 Main mechanical property indexes of steels

表4 不同形状和尺寸试件的混凝土单轴抗压强度换算系数Table 4 Conversion coefficients for concrete uniaxial compressive strength of specimens with different shapes and sizes

1.2 测量装置和加载过程

加载装置采用弹簧式压缩徐变仪,最大出力为2 000 kN。为了提高试验机使用效率及提高试验结果的可靠性,相同参数设置了2个试件,采用叠放的方式同时受载(图2)。在每个试件的180°对称位置设置2个线性可变差动变压器式位移计以监测试件的长期变形;在徐变仪顶部设置力传感器以监测试件在试验过程中的荷载变化。所测得的荷载数据和长期变形由测量系统XBY-2000同步读数记录,读值频率为6次/h,413 d后减少为2次/h。

a—弹簧式压缩徐变仪; b—测量装置。图2 加载装置及测量装置Fig.2 Loading devices and measuring devices

混凝土养护到第7天时,对2个参数相同的钢管约束钢管混凝土试件进行加载。加载前通过4次预加载进行物理对中,直到同一试件的2个位移计读值增量差值在5%以内。正式加载分三级进行,每次施加设计长期荷载的三分之一(NL/3),同时观察位移传感器的数据以保证试件处于轴心受压状态;当力传感器读值达到NL后完成加载。由于持荷时间长达760 d,混凝土产生收缩徐变可能造成持荷压力波动,试验中通过实时监测荷载变化并及时调整;另外由于试验过程中季节交替,温湿度变化较大,实验室采用了空调控制温度在(20±5)℃范围,除湿机控制相对湿度在60%±10%范围,确保试验环境的相对稳定。采取与上面相同的程序,在混凝土养护到第14天时,对2个参数相同的钢管约束钢管混凝土试件、2个钢管约束型钢混凝土试件和2个钢管约束钢筋混凝土试件进行加载并持荷;在混凝土养护到第28天时,对4个参数相同的钢管约束钢管混凝土试件、4个钢管约束型钢混凝土试件和2个钢管约束钢筋混凝土试件进行加载。

1.3 试验结果

经过760 d持荷试验,得到灌注C50混凝土的钢管约束钢管混凝土柱试件长期应变随时间变化的曲线(图3a)。对比试验结果可以看出:无论加载龄期早晚,在持荷初期各试件长期应变增长均较快,前100 d的长期应变达到760天长期应变的50%左右,300 d时能达到760 d的75%～80%左右,第300天后长期应变增长速率基本平稳。除了龄期为14 d加载的试件,龄期7,28 d加载试件总体呈现了加载龄期越早长期应变越大。图3b对比了混凝土龄期28 d开始持荷的试件长期应变发展情况,灌注C50混凝土的2个试件试验结果差异较大,但总体呈现混凝土强度越高早期的长期应变越大。比较相同参数试件试验结果的平均值(图3c)可以看出:灌注C70混凝土试件长期应变发展较灌注C50混凝土试件快,前期差别约5.0×10-5;灌注C50混凝土试件的长期应变后期发展较快,直到第500天左右两者长期应变相当并有超过灌注C70混凝土试件长期应变的趋势。造成的原因可能是高强混凝土前期收缩变形较大,而后期混凝土收缩变形趋于稳定,徐变变形占据主导地位,表现为灌注C50混凝土试件的长期变形发展较快。对比不同龄期持荷的试件(图3c)可以看出,随着加载龄期的增加,试件早期的长期应变增长速率和最终的长期应变减小;当加载龄期为从7 d增加到28 d时,试件第760天时的长期应变减小约20% 。

a—灌注C50混凝土试件; b—混凝土28 d加载试件;c—相同参数试件试验结果平均值。图3 钢管约束钢管混凝土试件长期应变随时间变化曲线Fig.3 Strain curves of TCFST with time

钢管约束型钢混凝土试件和钢管约束钢筋混凝土试件的长期应变与钢管约束钢管混凝土试件具有相似的表现(图4),均为持荷初期各试件长期应变增长较快,后期逐渐趋于稳定增长;加载龄期越早,长期应变越大;龄期28 d开始持荷的钢管约束型钢混凝土试件试验结果(图4a)表明后期收缩变形逐渐趋于稳定而徐变变形成为主要影响因素,因此表现为C50混凝土试件第400天后长期应变超过C70混凝土试件。对于钢管约束钢筋混凝土试件(图4b)还表现为加载龄期越早,后期长期应变增长速率越高;龄期28 d开始持荷的试件在第250天左右长期应变开始增长缓慢并趋于稳定,而龄期14 d开始持荷的试件在第250天后长期应变仍然以一定速率增长,并未见速率降低趋势。

a—钢管约束型钢混凝土试件; b—钢管约束钢筋混凝土试件。图4 钢管约束的型钢混凝土和钢筋混凝土试件变形Fig.4 Deformation of TSRC and TRC

对比具有相近名义含钢率的3种试件(图5),钢管约束钢管混凝土试件的长期应变总体小于钢管约束型钢混凝土和钢管约束钢筋混凝土试件,且在持荷第300天左右变形基本稳定,但另外2种试件的长期应变仍然继续呈现较快发展趋势,特别是加载龄期14 d的试件。可以看出,将钢管约束钢管混凝土柱用于以受压为主的重载结构对减小长期变形对结构体系的影响具有重要意义。

图5 各组试件变形平均值曲线Fig.5 Average deformation curves of each group

2 长期荷载作用后的轴压承载力试验

2.1 试验装置及加载方法

长期荷载试验结束后,卸掉施加长期荷载的装置,在3 000 t液压试验机上进行轴压承载力试验,在试件中部截面四等分位置布置4组应变片,以及在试件周围等距布置4个位移计以测得试验过程中试件的纵向变形(图6)。试验采用位移控制,加载速率为0.5 mm/min,直至试件失去承载能力或变形过大停止试验。

a—试件加载; b—钢管约束钢管混凝土柱试件测点布置; c—钢管约束钢筋或型钢混凝土柱试件测点布置。图6 试验加载装置及测点布置Fig.6 Arrangements of test loading device and measuring points

2.2 试验现象及破坏模式

为观察各试件内部的破坏情况和相互作用,试验结束后将试件沿某一对称截面逐层剖开,其中部分钢管约束钢筋混凝土试件因内部箍筋被移除,图中未能展示;典型试件破坏后的形态如图7～9所示。

a—TRC-T14-50-b; b—TRC-T28-70-b; c—TRC-T14-50-c; d—TRC-T28-70-c。图7 钢管约束钢筋混凝土试件试验现象Fig.7 Experimental phenomena of TRCs

a—TSRC-T14-50-b; b—TSRC-T28-50-a; c—TSRC-T28-70-a; d—TSRC-T14-50-c; e—TSRC-T28-50-c; f—TSRC-T28-70-c。图8 钢管约束型钢混凝土试件试验现象Fig.8 Experimental phenomena of TSRCs

在试验过程中可以观察到:在加载初期各试件基本处于弹性阶段,外观无明显变化;当荷载增大内层钢管、型钢或钢筋进入弹塑性阶段时,试件的纵向压缩变形增长速度加快,外层钢管变形增长平稳;随荷载进一步加大至临近极限荷载,可听到混凝土破坏发出的声音;达到试件极限承载力后,内层钢管、型钢或钢筋纵向变形速率明显增大,外层钢管中间截面横向变形随之增大。对于钢管约束钢筋混凝土试件(图7)和钢管约束型钢混凝土试件(图8),无论试件是否受到长期持荷的作用,从试件整体外观、核心混凝土到内部钢筋或型钢,试件均呈现出明显的剪切破坏现象,有较为明显的剪切滑移面,且混凝土强度等级越高、加载龄期越晚,剪切破坏特征越明显。而钢管约束钢管混凝土试件整体破坏模式得到显著改善(图9),这是由于内部和外部钢管同时约束核心混凝土使其性能改善明显,但改善的幅度受长期荷载加载时龄期和混凝土强度影响:灌注C50混凝土并在浇筑龄期为7 d加载的试件均表现为混凝土压溃破坏(图9a),灌注C50混凝土并在浇筑龄期为14 d的试件表现出剪切破坏(图9b)和腰鼓型压溃破坏(图9c)的不确定性,而龄期为28 d加载的试件则表现为明显的混凝土剪切破坏(图9d);另外,灌注C70混凝土试件均发生了混凝土剪切破坏(图9e);对比未受长期荷载作用的试件,其破坏模式具有同样的规律(图9f～h)。

对3种试件破坏形态的分析比较表明:即使试件的名义含钢率相同或相近,由于核心混凝土受到的紧箍作用不同其破坏形式会发生不同形式的转化。表1展示了名义套箍指标ξ与核心混凝土的破坏形式的紧密联系:当套箍指标ξ=1.09时,组合试件发生了截面压溃的延性破坏;当套箍指标ξ=0.87时,试件既可能发生压溃破坏,也可能发生剪切破坏,具有不确定性;当ξ小于等于0.79时,试件均发生了核心混凝土的剪切破坏,表现出较大的脆性。因此当名义含钢率相同时,钢管约束钢管混凝土试件的套箍指标越大,对核心混凝土就能提供更大的约束作用,可以有效改变破坏模式,提高延性和塑性变形能力。

2.3 承载力试验结果

试件整体纵向位移由等距分布在四周的位移计测得,再将位移转化成应变得到各试件的荷载-纵向应变关系全曲线。将同参数的2个试件a和b及对比试件c的荷载-纵向应变关系全曲线对比分析(图10),3种试件的荷载-纵向应变关系全曲线发展规律大致相同:在加载初期钢管和混凝土都处于弹性阶段,荷载和纵向应变呈线性关系;随着荷载增加,核心混凝土进入弹塑性阶段,曲线斜率逐渐减小;当荷载进一步加大,内层钢管开始屈服,钢管横向应力增大,曲线开始出现下降段;采用C50混凝土的试件,峰值荷载后曲线下降较缓慢,当荷载下降到峰值荷载的25%左右时曲线基本能保持稳定;而采用C70混凝土的试件达到峰值荷载后曲线下降较快,呈现明显的脆性破坏特征;是否受到长期持荷作用对钢管约束钢管混凝土试件(图10a～c)的承载力和弹性刚度均无明显影响。对比钢管约束钢筋混凝土和钢筋约束型钢混凝土试件,未受到长期持荷作用的试件均表现为初始弹性刚度不同程度的减小,但对峰值承载力和下降段的变形性能均未产生明显影响(图10c～h)。

图11、12给出了各试件的峰值荷载以及峰值应变的对比信息,图中k表示经长期荷载作用后试件的极限承载力与未受持荷作用的对比试件极限承载力的比值,m表示经长期荷载作用后试件极限承载力对应的峰值应变与对比试件对应峰值应变的比值。可以看出:对于钢管约束钢管混凝土长期受载试件,当加载龄期从7 d增大到14 d和28 d时,试件承载力基本无变化,但峰值应变表现出不同程度的减小;当混凝土强度等级从C50提高到C70时,试件承载力增大了54.8%,峰值应变减小了18.4%。对于钢管约束型钢混凝土长期受载试件,当加载龄期从14 d增大到28 d时,试件承载力仅提高了2.5%;当混凝土强度等级从C50提高到C70时,试件承载力提高了62.8%,峰值应变减小了8.2%。对于钢管约束钢筋混凝土长期受载试件,加载龄期为28 d、混凝土强度等级为C70的试件承载力比加载龄期为14 d、混凝土强度等级为C50的试件承载力高56.6%。对长期受载试件,其承载力变化的幅度受加载龄期的影响较小,受混凝土强度等级的影响较大,此规律对未受长期荷载作用的对比试件也成立。

a—钢管约束钢管混凝土柱试件; b—钢管约束型钢混凝土柱试件; c—钢管约束钢筋混凝土柱试件。图11 受与未受长期荷载作用试件峰值荷载对比Fig.11 Comparisons of peak loads between specimens subjected to and not subjected to long-term loading

a—钢管约束钢管混凝土柱试件; b—钢管约束型钢混凝土柱试件; c—钢管约束钢筋混凝土柱试件。图12 受与未受长期荷载作用试件峰值应变对比Fig.12 Comparisons of peak strains between specimens subjected to and not subjected to long-term loading

采用C50混凝土、加载龄期为14 d的长期受载试件,钢管约束钢管混凝土试件的峰值荷载较钢管约束型钢混凝土试件提高28.7%、较钢管约束钢筋混凝土试件提高19.2%;采用C50混凝土、加载龄期为28 d的长期受载试件,钢管约束钢管混凝土试件的峰值荷载较钢管约束型钢混凝土试件提高23.3%;采用C70混凝土、加载龄期为28 d的长期受载试件,钢管约束钢管混凝土试件的峰值荷载较钢管约束型钢混凝土试件提高17.3%、较钢管约束钢筋混凝土试件提高15.6%。对长期受持荷作用试件,当总含钢率、混凝土强度等级和加载龄期相同时,各试件承载力变化的幅度受试件类型影响较大,其中钢管约束钢管混凝土试件的承载力最高,钢管约束型钢混凝土试件和钢管约束钢筋混凝土试件的承载力无明显差别,这是由于钢管约束钢管混凝土试件中核心混凝土受到的约束作用最强,钢管约束型钢混凝土试件和钢管约束钢筋混凝土试件中核心混凝土受到的约束作用基本相同,此规律对未受长期荷载作用的对比试件也同样适用。

经长期荷载作用后的试件与未经长期荷载作用的对比试件相比,受持荷作用试件的极限承载力与未受持荷作用试件承载力的比值在0.98～1.03,两者的极限承载力基本一致,且试件类型、加载龄期和混凝土强度等级对承载力比值影响较小;但受持荷作用试件的峰值应变总体小于未受持荷作用试件,说明试件长期持荷消耗了部分塑性变形能力;对低应力长期持荷的轴压组合构件,核心混凝土及夹层混凝土的收缩徐变对其轴压承载力没有明显影响。

3 结束语

共设计并制作了12个钢管约束钢管混凝土短柱、9个钢管约束型钢混凝土短柱和6个钢管约束钢筋混凝土短柱试件,对其中的4个钢管约束钢筋混凝土短柱、6个钢管约束型钢混凝土短柱和8个钢管约束钢管混凝土短柱进行了760 d的持荷试验;长期持荷试验结束后对所有试件进行了轴心受压承载力试验。根据试验结果对比分析了各参数对试件长期变形性能的影响,以及持荷760 d对试件轴压性能的影响,得到如下结论:

1)长期变形主要发生在前期,加载时间为100 d时就能达到第760天长期变形的50%左右,第300天时能达到第760天的75%～80%左右,第300天后钢管约束钢管混凝土长期变形增长速率基本平稳。长期变形速率也呈现出前期增长较快,后期随时间增长而逐渐降低的趋势。当总含钢率相同时,混凝土强度等级越大、加载龄期越晚,试件长期变形越小;当总含钢率、加载龄期和混凝土强度等级相同时,钢管约束钢管混凝试件的长期变形最小,钢管约束型钢混凝土试件的长期变形和钢管约束钢筋混凝土试件的长期变形差别不大。

2)在轴压荷载作用下,无论试件预先受到长期持荷作用与否,在研究的参数范围内,钢管约束钢筋混凝土和钢管约束型钢混凝土试件呈现出明显的剪切破坏,而加载龄期较早或混凝土强度中等的钢管约束钢管混凝试件能够呈现较好的腰鼓型截面压溃破坏。当套箍指标为1.09时,组合试件发生截面压溃的延性破坏;当套箍指标为0.87时,试件既可能发生压溃破坏,也可能发生剪切破坏,具有不确定性;当套箍指标小于等于0.79时,试件将发生核心混凝土的剪切破坏,构件表现出较大的脆性。

3)经长期荷载作用后的试件与未经长期荷载作用的对比试件相比,受持荷作用试件的极限承载力与未受持荷作用试件承载力的比值在0.98～1.03,且试件类型、加载龄期和混凝土强度等级对承载力比值影响较小;对于钢管约束钢筋混凝土和钢管约束型钢混凝土试件,受长期荷载作用试件的峰值应变均小于未受长期荷载作用试件的峰值应变,说明试件长期持荷消耗了部分塑性变形能力;对低应力长期持荷的轴压组合试件,核心混凝土及夹层混凝土的长期变形对其轴压承载力没有明显影响。