吴阳峰，刘俊，张鸿梅*

(1.延边大学工学院 土木工程系; 2.延边建设工程质量检测鉴定有限公司：吉林 延吉 133002)

随着建筑业的高速发展，加固行业也得到了迅速发展.资料[1]统计,自1997年以来,我国加固工程量的年平均递增量达到30%以上,2000年全国年加固修复工程量已突破100万m2.钢管混凝土作为一种承压构件广泛应用于高层、超高层、地铁、车站、桥梁等结构，当钢管受到化学腐蚀、外力破坏等因素影响时，其结构承载能力会大大降低，对建筑的整体性能产生较大影响.目前，针对钢管混凝土结构加固的研究主要集中于通过外包CFRP的方式进行加固[2-5].林晓康等[6]采用外包钢管混凝土加固法对火灾作用后的钢管混凝土柱进行研究发现，加固后试件的极限承载力和抗弯刚度得到显著提高，均可以恢复到未受火时的状态.于洋[7]采用外套钢管混凝土的加固方法对在初应力作用下的钢管混凝土试件进行了研究，并推导出加固后试件的承载力计算公式.本文在上述研究基础上，采用外套钢管法加固受损钢管混凝土短柱，并研究受损钢管混凝土加固前后的承载力变化情况.

1 试验研究

1.1 试件设计及制作

对13根试件进行轴压试验,其中4根为单钢管混凝土试件，9根为加固试件.通过在钢管表面开口的形式来模拟钢管混凝土短柱受到损伤的情况，试件开口均为矩形口，开口位置如图1所示.

图1 试件开口及应变片位置示意图

1.2 试件参数

试验的各试件参数如表1所示.损伤钢管混凝土柱的钢管壁厚为4.0 mm，外径为200 mm，长径比为3.0.外套钢管壁厚分别为2、3、4 mm，外径为300 mm.为了便于内钢管应变片出线，在上承压板上留出400 mm×20 mm×15 mm的凹槽，具体作法如图2所示，损伤的钢管模型如图3所示.

表1 试件的基本参数

图2 上承压板构造示意图

图3 损伤钢管模型

1.3 材料特征

试验采用强度等级为C30的现浇混凝土，水泥为吉林亚泰生产的鼎鹿牌普通硅酸盐水泥(P.O42.5)，细骨料采用细砂，粗骨料采用最大粒径为15 mm的碎石.为了改善钢管对混凝土的约朿作用，在混凝土中掺入质量分数为7%的大川牌UEA型膨胀剂.混凝土配合比如表2所示.

表2 现浇混凝土配合比 kg

在试件混凝土浇筑过程中，同时制作一组边长为150 mm的混凝土立方体试块.试块在同条件下养护28 d，经实测其28 d的强度为33.8 MPa.本文的试验钢管分别采用2、3、4 mm厚的Q235级钢板，钢板按设计尺寸加工冷弯成型，经拉伸试验得出钢管屈服强度为253.5 MPa，极限强度为320.8 MPa.

2 试验结果与分析

2.1 加载制度

试验的加载方式为分级加载制.在预估极限荷载弹性范围内，每级施加荷载为预估极限荷载的1/10;在每级加载持荷2.5 min后再进行下一级的加载，持荷前后均需记录时间、荷载值和变形值等相关数据.当荷载约达到预估极限荷载的75%以后，每级施加荷载为预估极限荷载的1/20～1/15.当荷载达到最大值,试验机压力表指针开始回转时,仍继续送油,并不断记录仪表读数和相应的荷载值.当试件变形较大,荷载-变形曲线呈明显的下降时停止试验.当试件接近破坏时慢速连续加载，直至试件破坏.应变数据通过CM-2B数据采集仪采集和分析，人工读取荷载值[8].加载与采集装置和应变采集装置见图4和图5.

图4 加载与采集装置

图5 应变采集装置

2.2 试验现象分析

1) 损伤单钢管混凝土试件的破坏形态同普通钢管混凝土短柱的破坏形态相近，本文以试件C-IC-O0为例进行分析.加载初期，试件表面无明显变化；当荷载达到其极限荷载的70%(1 000 kN)时，试件表面发出轻微的“吱吱”声，试件开口处有轻微的张开;当试验荷载达到其极限荷载的90%(1 400 kN)时，靠近加载端的钢管表面有局部外凸现象，开口处有明显的撕拉破坏，并伴随有声响；当试验荷载达到其极限荷载的100%(1 550 kN)时，钢管开口处严重撕裂，靠近端部处呈现“腰鼓形”破坏，试件屈服.

2) 对加固后的钢管混凝土短柱，本文以试件C-IC-O3为例进行分析.当荷载达到其极限荷载的75%(2 500 kN)时，在试件表面出现45°的剪切滑移线，并伴随有声响，但无较大变形；当荷载超过2 500 kN时，变形有明显增大，这可能是内部混凝土压碎而导致内力重新分布所引起；当荷载达到其极限荷载的95%(3 400 kN)时，靠近试件端部的表面出现斜向的鼓曲，且向下拓展，靠近试件中部附近，出现大面积的凹陷，这可能是内钢管开口处撕裂，混凝土被严重压碎而引起的；当荷载达到其极限荷载的100%(3 576 kN)时，虽然对试件无法继续加荷，但是荷载并未马上降低，下降速率较慢，可见加固后试件无论在承载能力方面，还是在延性方面都有较大的提高.试件典型破坏形态如图6所示.

图6 试件典型破坏形态

2.3 轴压试件的荷载变形曲线分析

从图7(a)的单钢管混凝土柱的荷载-变形曲线可以看出：加载初期，曲线基本呈线性增长，各试件变形曲线接近；当荷载加载到一定数值时，各曲线开始出现逐步分离的趋势，但是对于损伤率小于10%的试件，其变形程度与完整的单钢管混凝土试件接近;而损伤率为16.7%和25%的试件，当其荷载达到极限值时，其变形较大，钢管套箍作用减弱，变形曲线下降速率较快.

不同损伤率的加固试件其荷载变形曲线如图7(b-e)所示.由图可知，尽管加固试件的损伤率以及外套钢管壁厚不同，但受损单钢管混凝土试件与加固后试件的受力过程相似，均可以分为以下3个阶段：

第1阶段:弹性阶段.此时OA段与OA′段基本呈线性关系，但KOA>KOA′，且PA>PA′, 这说明加固后试件的初始刚度以及承载力都比损伤试件高.不同壁厚的加固试件斜率接近，说明在弹性阶段外套钢管壁厚对试件变形影响不大.而相同外套壁厚的不同损伤试件，K10%>K16.7%>K25%，说明损伤率较大的试件先进入下一段弹塑性阶段.

第2阶段：弹塑性阶段.随着荷载的增加，曲线开始偏转，如图7(e)中AB段与A′B′段.此时受损钢管的刚度压缩，对于不用损伤程度的钢管混凝土短柱，随着损伤率的增大，其变形也相应的增大，相同外套壁厚的加固试件，其变形量δ25%>δ16.7%>δ10%.而单钢管损伤试件，在开口处钢管撕裂，同时混凝土被压碎，钢管提前屈服，变形增大.由此可知：对于开口程度较大的试件，其整体变形较大.对于加固后的试件，轴向变形受到限制，未出现明显变形，随着外套钢管壁厚的增大，试件整体变形变小.

图7 试件荷载变形曲线

第3阶段：破坏阶段.当荷载超过极限值时，单钢管试件的钢管迅速软化，曲线呈下降的趋势，如图7(e)中B′C′段；而加固试件的变形缓慢增长(BC段)，荷载并没有马上下降，说明外套钢管与外层混凝土的双重约束延缓了试件荷载下降速率，提高了试件的承载力和延性.对于不同损伤率的加固试件，随着外钢管壁厚的增大，试件变形下降速度减慢，其中损伤率较大的试件，荷载下降较快.

2.4 试件的承载能力分析

如图8(a)所示：对于单钢管混凝土试件，当损伤率小于10%时，其对试件承载力影响不大.随着损伤率增大，试件极限承载力明显降低，这是由于试件开口降低了钢管对混凝土的环向约束，套箍系数变小而造成的.试件C-IA-O0、C-IB-O0、C-IC-O0的极限承载力分别为原钢管混凝土试件C-Y-0(极限承载力为1 960 kN)的96.7%、90.2%、79%.如图8(b)所示：对于开口长度为60 mm的损伤单钢管试件，分别采用壁厚为2、3、4 mm的外套钢管进行加固后，试件承载力分别提高到原来的2.02、2.12、2.36倍.对于开口长度为100 mm的损伤单钢管试件，分别采用上述壁厚的外套钢管进行加固，试件承载力分别提高到原来的1.92、2.15、2.35倍.对于开口长度为150 mm的损伤单钢管试件，分别采用上述壁厚的外套钢管进行加固，试件承载力分别提高到原来的1.94、2.31、2.49倍.

图8 试件承载力的影响因素

3 结论

本文通过对13根损伤钢管混凝土试件进行轴压试验，讨论了试件损伤率、外套钢管壁厚对加固前后试件承载力的影响，并得出以下结论：①对于损伤单钢管混凝土试件，其极限承载力随着损伤率的增大而降低，但对于损伤率小于10%的试件，其承载力变化不明显，只是在后期延性方面影响较大.②在试件开口长度一定时，采用壁厚分别为2、3、4 mm的外套钢管进行加固，加固后试件的承载力为加固前的1.9～2.5倍.③加固试件的受力过程与单钢管混凝土短柱受力过程相似，同样可以分为弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段.④外套钢管的壁厚与提高受损钢管混凝土短柱的极限承载力呈正比关系.以上结果表明，外套钢管法可作为加固受损钢管混凝土短柱的一种加固方法.

参考文献：

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