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 張玉琢1，  呂學(xué)濤2，  劉海卿2

（1遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，阜新123000；2遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，阜新123000）

[摘要]  為研究圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱承載力計算方法，以配筋率為變化參數(shù)進(jìn)行了6個圓鋼管鋼筋混凝土短柱的軸壓試驗。結(jié)果表明，圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱在峰值荷載之前的荷載-位移曲線呈線性變化，試件的破壞形態(tài)呈剪切破壞，由于配筋對混凝土的進(jìn)一步約束，試件具有較高的承載力和很好的延性。通過試驗數(shù)據(jù)對比，進(jìn)一步驗證了采用疊加法計算圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱承載力的計算方法是可行的，《實心與空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( CECS 254:2012)和《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 28: 2012)的計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好。

[關(guān)鍵詞]  鋼管鋼筋混凝土；短柱；軸壓試驗；極限承載力；計算方法

中圖分類號：TU352.5  文章編號：1002 -848X(2016) 07 -0064 -04

0  引言

 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因充分發(fā)揮鋼管和混凝土各自的優(yōu)勢，具有承載力高和塑性變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，隨著對鋼管混凝土研究的深入及工程應(yīng)用實例的增多，我國相繼頒布多部關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的行業(yè)技術(shù)規(guī)程（或標(biāo)準(zhǔn)），這為拓寬鋼管混凝土在實際工程中的應(yīng)用和推廣奠定了技術(shù)支撐。近年來，隨著超高層建筑等結(jié)構(gòu)對高聳、重載要求的進(jìn)一步提高，研究人員開始在鋼管素混凝土柱中加配鋼筋形成鋼管鋼筋混凝土柱，從而改善柱的受力性能。

 研究人員針對圓鋼管鋼筋混凝土柱進(jìn)行了試驗研究和理論分析，但有關(guān)圓鋼管鋼筋混凝土短柱承載力設(shè)計方法的研究尚不夠完善，為使圓鋼管鋼筋混凝土短柱的承載力設(shè)計方法與現(xiàn)有的行業(yè)技術(shù)規(guī)程（或標(biāo)準(zhǔn)）更好地銜接，從而方便工程技術(shù)人員理解和應(yīng)用，本文在進(jìn)行6個圓鋼管鋼筋混凝土短柱軸心受壓加載試驗、分析其承載力和延性等力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的4部鋼管混凝土規(guī)程（或標(biāo)準(zhǔn)），利用本文及以往試驗數(shù)據(jù)驗證采用疊加法計算圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱極限承載力的計算方法，以期為工程實踐提供參考。

1  試驗概況

 制作了2組共6個以截面配筋率為變化參數(shù)的試件，試件配置C30商品混凝土，鋼管采用Q235級，縱筋采用HRB335級，混凝土保護(hù)層厚度為25mm，試件相關(guān)參數(shù)及混凝土力學(xué)性能見表1，鋼材力學(xué)性能指標(biāo)見表2。將鋼板按照要求的截面尺寸卷成鋼管，采用對接焊縫焊接成型，鋼管兩端截面刨平，試件兩端各制作一個10mm厚的蓋板，澆筑前鋼管底部用塑料薄膜密封，混凝土封層振搗密實，澆筑完畢后，將頂部混凝土抹平，放置室內(nèi)進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。

 試驗在哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)與抗震實驗中心5 000kN壓力試驗機(jī)上進(jìn)行，按照位移控制的加載制度進(jìn)行分級加載(圖1(a))，每級荷載為預(yù)計荷載的1/10，每級持荷2~3min，加載速度為2kN/s。應(yīng)變計布置如圖1(b)所示，將試件沿柱中截面周長四等分，在等分點(diǎn)處布置沿環(huán)向和縱向的一對電阻應(yīng)變計，每個試件共布置8個電阻應(yīng)變計，以測量鋼管的應(yīng)變，同時布置4個LVDT位移傳感器測量構(gòu)件軸向變形，構(gòu)件加載裝置和測量系統(tǒng)布置圖如圖1所示。

2  試驗結(jié)果及分析

2.1試件破壞過程及形態(tài)

 6個試件的破壞形態(tài)均屬于剪切破壞。加載初期，試件表面無明顯變化，鋼管的軸向和環(huán)向應(yīng)變均不大，試件處于彈性受力階段；隨著荷載的進(jìn)一步增加，在試件的兩端部首先出現(xiàn)少量的剪切滑移線，同時局部可見微小鼓曲；當(dāng)荷載增加到峰值荷載的85%左右后，鋼管表面的剪切滑移線逐漸向中部擴(kuò)展，鋼管局部屈曲明顯可見，試件進(jìn)入塑性變形階段；伴隨內(nèi)部混凝土清晰的碎裂聲，變形繼續(xù)增大，而承載力不再增加，預(yù)示著試件達(dá)到峰值荷載；隨后鋼管局部屈曲更加明顯，同時在柱中某一薄弱部位發(fā)生剪切破壞，破壞角均在450~ 600之間，當(dāng)荷載降到峰值荷載的80%或者變形超過20mm后可認(rèn)為試驗結(jié)束。所有試件的破壞形態(tài)如圖2所示。

2.2荷載-軸向變形關(guān)系曲線

 試驗機(jī)自動采集的荷載-軸向變形關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出，所有試件的荷載一軸向變形關(guān)系曲線變化趨勢大致相同，都經(jīng)歷了彈性上升段、彈塑性下降段和表現(xiàn)出再回升趨勢段三個歷程。構(gòu)件加載初期((0~80%)Nu)，荷載與軸向變形呈線性關(guān)系增長，軸壓剛度基本保持不變；但當(dāng)加載至峰值荷載后，表現(xiàn)為荷載開始下降，軸向變形繼續(xù)增長，而試件下降段荷載下降并不明顯，部分試件的軸壓剛度還有一定的回升，總體來說，由于配筋對混凝土的進(jìn)一步約束，試件具有更高的承載力和良好的變形能力。

2.3荷載-縱向應(yīng)變關(guān)系曲線

 試驗測得的同一試件4個面應(yīng)變發(fā)展基本一致，故給出各試件鋼管縱向應(yīng)變和環(huán)形應(yīng)變的算術(shù)平均值εh和εv。試驗實測的荷載-縱向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可以看出，試件在軸向壓力作用下，鋼管荷載-縱向應(yīng)變關(guān)系曲線在很大范圍內(nèi)(0~ 400με) 呈直線，由于鋼筋和核心混凝土共同協(xié)調(diào)對外部圓鋼管起到支撐作用，延緩甚至避免圓鋼管的過早屈曲，同時核心混凝土受到圓鋼管和鋼筋的雙重約束作用，有效地延緩其縱向開裂，改善了素

混凝土的變形能力。

2.4荷載一環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線

 試驗實測的荷載一環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可以看出，加載初期，圓鋼管環(huán)向應(yīng)變在一定范圍內(nèi)較小，說明圓鋼管在加載初期并未對混凝土產(chǎn)生約束作用；隨著荷載的增加，內(nèi)配鋼筋混凝土的環(huán)向應(yīng)變逐漸大于圓鋼管的環(huán)向應(yīng)變時，圓鋼管的環(huán)向應(yīng)變逐漸增大；荷載繼續(xù)增加，圓鋼管對內(nèi)配鋼筋混凝土的約束作用持續(xù)增大，至圓鋼管屈曲之后，環(huán)向應(yīng)變迅速增大。鋼管屈曲后，環(huán)向應(yīng)變迅速增加，試件的極限環(huán)向應(yīng)變均超過0. 004，

圓鋼管鋼筋混凝土柱中鋼管因核心混凝土受壓膨脹存在較大的環(huán)向應(yīng)力，即鋼管對核心混凝土的約束作用顯著。圖5(b)與圖5(a)相比，兩組試件達(dá)到極限荷載后，環(huán)向應(yīng)變都迅速增大，但荷載下降緩慢，說明一定范圍內(nèi)高配筋率對核心混凝土的開裂起到更好的控制作用，改善了混凝土材料的不均勻性，從整體上增強(qiáng)了試件的延性。

3  圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱承載力計算

 目前，我國現(xiàn)行多部設(shè)計規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)中給出了圓鋼管混凝土柱承載力的計算方法，但規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)中暫未直接給出圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱的承載力計算方法，國內(nèi)研究人員普遍采用疊加法給出圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱配筋作用后的極限承載力Nu0為：

 目前有關(guān)鋼管鋼筋混凝土柱的試驗研究不多，基于疊加法的各規(guī)程計算公式有待驗證。為此，采用式(1)計算了圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱承載力，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比（表3），其中，規(guī)范中關(guān)于求解Nu0的計算公式通常有統(tǒng)一強(qiáng)度理論和套箍理論。

3.1統(tǒng)一強(qiáng)度理論計算公式

 CECS 254: 2012及鐘善桐提出的鋼管素混凝土柱承載力計算公式如下：

 式(6)中各符號含義見DBJ  13 -51-2010。

3.2套箍理論計算公式

蔡紹懷提出的鋼管混凝土柱承載力計算公式如下：

式(9)，(10)中各符號含義。

 采用式(1)對圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱承載力進(jìn)行計算(式(1)中Nu0分別采用式(2)，(6)，

(7)，(9)進(jìn)行計算），并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，具體結(jié)果見表3。由表3可知：總體上看計算值與試驗值吻合較好，說明采用式(1)計算是可行且偏于安全的；采用統(tǒng)一強(qiáng)度理論的式(2)，(6)和采用套箍理論的式(7)，(9)雖然在形式上存在較大的差異，但是計算結(jié)果相近；總體上說，CECS254: 2012和CECS 28: 2012的計算值與試驗值最為吻合，偏差在8%以內(nèi)，且偏于安全；DBJ 13-51-2010的計算值富余較多，偏于安全；采用式(7)的個別試件的計算值略大于試驗值，公式有待更多圓鋼管鋼筋混凝土試驗數(shù)據(jù)驗證。

4  結(jié)論

 (1)圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱的破壞形態(tài)主要呈剪切破壞，試件在峰值荷載之前的荷載一軸向變形關(guān)系曲線基本呈線性變化，圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱具有較高的承載力和良好的延性。

 (2)基于統(tǒng)一理論和疊加法，計算圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱極限承載力采用式(1)是可行的，且與現(xiàn)有規(guī)程計算公式能夠很好地銜接，從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度綜合考慮，采用CECE 254: 2012和CECS 28:2012計算圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱承載力結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。