方钢管约束粉煤灰混凝土轴压短柱受力性能研究

2019-11-28张杰

建材发展导向 2019年21期

张杰

（山东建大建筑规划设计研究院，山东济南 250014）

1 钢管约束混凝土相关概述

钢管约束混凝土柱由Tomii 等人于上世纪八十年代初首次提出，即将钢筋混凝土柱中的箍筋用钢管代替，且钢管不直接承担轴向荷载，使得混凝土和钢管之间只存在环向的相互作用，从而形成钢管约束钢筋混凝土柱。其和普通钢筋混凝土柱相比，具有更好的抗剪承载力和抗震性能；柱子整个截面得到有效约束，一方面能防止纵筋压屈，纵向钢筋与混凝土间的粘结强度得到提高，另一方面柱的延性和轴向承载力也明显提高.和钢管混凝土柱相比，钢管作为混凝土施工模板的优势不变，但其仅起到横向钢筋的作用，与钢筋混凝土梁的连接节点施工方便，避免了钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁在节点处连接复杂的问题。

2 试验概况

2.1 试件设计

以钢管宽厚比（37.5 和45）、内填轻骨料混凝土的强度（LC30 和LC40）和是否配筋为变化参数，进行了4 组共12个试件的试验研究，试件高宽比H/B=3，钢管内配置纵筋为4Ф14，箍筋为φ8@200，端板厚10mm，用角磨机在试件两端距离柱上、下端30mm 处切出一道宽度为10mm 的环向条带，以实现钢管约束混凝土的目的。

钢管采用Q235 级钢.轻骨料采用粉煤灰陶粒，在混凝土制作过程中尽可能保证成型质量，轻骨料混凝土立方体试块截面尺寸为100mm×100mm×100mm，每组制作三块试块，对每组试块编号，静置24h 拆模，同条件养护28d 后测试其强度。

2.2 试验加载与测点布置

本试验在500t 压力试验机上进行，采用一次性压溃试验，试验过程中采用DHS816 静态应变采集仪自动采集试验数据。在弹性范围内每级载荷为预算极限载荷的1/10；钢管屈服以后，每级载荷约为预算极限载荷的1/15，直到试件破坏.试验时在各试件的钢管中部截面每隔90°分别粘贴纵向和横向应变片，在钢管上下端切口处每隔90°分别布置横向应变片。

3 试验结果

3.1 试验现象和破坏模式

各试件的破坏过程基本相同，当加载到极限载荷的50%～60%时，钢管表面出现轻微的铁锈脱落，在试件上、下端切口处混凝土出现裂纹，局部有碎屑掉落；当载荷达到极限载荷的80%～90%时，试件钢管上端切口处开始合拢，骨料出现脆响，而下端切口没有此现象，认为是轻骨料混凝土在分层浇筑过程中仍不可避免地出现了陶粒上浮现象，切口处为薄弱截面，导致试件上端切口裂缝首先贯穿轻骨料，因此上端切口处的压缩变形较大，首先开始合拢.达到极限载荷以后，试件压缩变形继续增大，当钢管上、下端切口完全闭合，两切口之间钢管向外膨胀鼓曲明显时，停止加载。

各试件钢管在切口处以及切口之间均出现了不同程度的膨胀外鼓.剖开试件STRLC-180-40 的钢管后发现，在距离试件上端1/3 处核心轻骨料混凝土被压溃.在本次试验中，钢管宽厚比、混凝土强度、是否配置纵筋对该种轴压短柱的破坏模式均无明显影响。

3.2 载荷-位移曲线

各试件的P-Δ 关系曲线由上升段和较长的近似水平段组成，说明该种组合构件具有良好的延性和后期承载力。①达到峰值载荷后，STLC 试件和STRLC 试件的P-Δ 关系曲线存在差异，STLC 试件在峰值载荷点后，载荷先下降，之后进入近似水平段；相比较而言，STRLC 试件在峰值载荷后直接进入水平段.部分试件在加载后期有微弱的上升段，这是由于此时试件上、下端切口闭合，钢管直接承担了部分纵向载荷引起的。②由曲线中钢管的屈服位置可以发现，在试件峰值载荷后，钢管才达到屈服。因此方钢管约束轻骨料混凝土轴压短柱的承载力不取决于钢管屈服强度。③宽厚比、有无纵筋对试件延性的影响不大，仅对试件承载力有影响.混凝土强度对试件承载力和延性的影响均不大。

3.3 钢管和纵筋应变分析

在加载初期，试件处于弹性受力阶段，由于核心混凝土和钢管之间存在粘结摩擦，试件中部截面钢管的纵向应变和横向应变均线性增加，且纵向应变增加的速率大于横向应变。峰值载荷以后，随着载荷的增加，核心混凝土的横向变形成倍增长（后一级载荷下的横向应变是前一级载荷下的2倍），而纵向应变增加的速率很小（后一级载荷下的横向应变是前一级载荷下的1.2 倍），说明在此阶段钢管主要对核心混凝土提供约束作用。轻骨料混凝土强度、是否配置纵向钢筋对载荷-应变曲线形状和钢管应变的影响均不明显，而钢管宽厚比对曲线形状的影响不大，但对应变数值影响较大.当其他参数相同时，随着钢管宽厚比减小（即宽厚比37.5 的试件和宽厚比45 的试件相比），应变增大，说明小宽厚比试件的钢管对核心混凝土的约束效果更为明显，因此，三个影响因素中，钢管宽厚比为关键影响因素。