从地文

(长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023)

异形钢管混凝土短柱轴心受压力学性能试验研究

从地文

(长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023)

目的：了解异形钢管混凝土短柱的受力、变形机制和破坏形态，着重考察约束效益系数对异形钢管混凝土短柱的力学性能影响。方法：设计制作了4个T形钢管混凝土短柱和4个L形钢管混凝土短柱，通过轴心受压试验来实测试件极限承载力和荷载-位移曲线，分析约束效益系数对异形钢管混凝土短柱力学性能的影响。结果：试件压坏现象明显，呈现出局部鼓曲或角部开裂两种破坏形态，且开裂集中在T形试件腹板处和L形试件内角处。结论：提高约束效益系数能有效提高试件极限承载力和改善试件后期承载能力；试件工作状态可分为三个阶段；T形试件腹板处和L形试件内角处易出现应力集中。

异形钢管混凝土;轴心受压;短柱;力学性能

近年来，钢管混凝土得到广泛应用。T形、L形、十字形等异形钢管混凝土柱作为结构的主要承重部位应用到高层建筑中：一方面具有较大的抗侧刚度和强度，能避免出现肥柱肥梁；另一方面能够配合墙体布置，避免房间出现棱角，提高使用面积。目前，雷敏等进行了T形钢管混凝土柱轴心受压稳定承载性能研究[1]，王丹等进行了T 形、L 形钢管混凝土柱抗震性能试验研究[2]，华南理工大学提出了带约束拉杆的T形、L形钢管混凝土柱[3]，张继承等对异形钢管混凝土轴压短柱进行了非线性分析研究[4]，杜国峰等进行了WRC-T钢管混凝土短柱轴心受压力学性能的研究[5]。总结并分析他们所做的各种研究，可以发现钢管壁厚对异形钢管混凝土力学性能影响较大，为此设计制作了两种壁厚的钢板组合焊接T形和L形试件并进行试验研究，以期得到不同壁厚异形钢管混凝土轴压力学性能。

1 试验概况

1.1 试件的设计与制作

本次试验以钢管壁厚(可视为约束效应系数)为变量参数制作了2组共4个T形试件和2组共4个L形试件(每组2个相同型号的试件，壁厚每组分别取3 mm和4 mm)。混凝土和钢材的材料力学性能，均按照标准试验方法实测而得，混凝土采用商品混凝土，实测150×150×150(mm)标准立方块抗压强度为42.0 MPa,钢材采用普通碳素结构钢Q235。异形钢管采用钢板折弯对接满焊制成，柱高均为400 mm,截面尺寸如图1所示。

图1 试件截面尺寸

对应每个试件加工制作2块10 mm厚的300×300(mm)方形钢板作为盖板。先将一块盖板焊在空钢管一端，然后浇灌混凝土，待混凝土养护两周后将端口磨平，在坑洼处填补高强水泥砂浆，最后焊上另一盖板，以期尽可能保证钢管与核心混凝土在试验加载时共同受力。所有试件的上下盖板焊接时要与空钢管几何对中，所有焊缝均按《钢结构设计规范》(GB J50017—2003)进行设计，并保证焊缝质量。

1.2 试验过程

本试验在长江大学土木工程试验中心500 T长柱压力机上进行(见图2)。为保证试件轴向受力均匀，将试件居中放置在试验台上，放置前在试验台上撒一层石英砂以方便对中。试件居中放置后降下压力机横梁距离试件1～2cm位置，开始加载时，先采用位移加载使得试件上下两端能充分接触试验台，之后试验采用力控式分级加载，在试件初期的弹性范围内每级加载为预计极限荷载的1/10，每级保持时间为5分钟，当施加荷载达到预计极限荷载的75%～80%时，每级加载为预计极限荷载的1/20，每级保持时间为2分钟，荷载值由压力传感器测得。另外,在每个试件的外壁布置纵向和环向的应变片测量试件的应变(见图3)。

图2 500 T长柱压力机

T型 L型

图3 应变片布置示意图

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏形态

T形、L形试件的破坏形态主要表现为局部鼓曲破坏和角部开裂破坏。

当荷载达到试件极限承载力的75%左右时，T形试件长肢外侧的面-1处钢管壁首先出现鼓曲现象，随着荷载继续增大钢管壁鼓曲现象愈加明显，当荷载达到试件极限承载力后，混凝土产生局部开裂和压碎,随后试件进入鼓曲破坏阶段，鼓曲部位集中在上(下)柱端10～15 cm处，试件鼓曲破坏。L形试件鼓曲现象由等长两肢外侧的面-1和面-2处的钢管壁开始出现，随着荷载发展进入鼓曲破坏阶段，同T形试件一样鼓曲现象集中在柱端上(下)10～15 cm处，试件鼓曲破坏。当荷载继续增加，T形试件腹板面-3、4、5相交处顶端出现裂缝，试件呈现角部开裂破坏状态，L形试件等长双肢内侧面-4和面-5处钢管壁随着荷载增加出现开裂,试件角部开裂破坏。

2.2 实验结果分析

试验所得出的各试件承载力结果如表1所示，图4—7为试件的荷载位移曲线图，具体分析如下：

表1 试验主要数据

注：试件实测承载力为两个相同试件的平均值。

图4 ZYTX-1荷载-位移曲线图

图5 ZYLX-1荷载-位移曲线图

图6 ZYLX-1、ZYLX-2试件荷载-位移曲线图

图7 ZYTX-1、ZYTX-2试件荷载-位移曲线图

(1)由T形、L形试件破坏状态可以看出，T形钢管混凝土短柱腹板处和L形钢管混凝土短柱内角处随着荷载增加容易出现应力集中现象，导致角部开裂破坏。

(2)以试件ZYTX-1的荷载-位移曲线(见图4)为例说明，试件在荷载施加开始分三个工作阶段：

第一阶段：AB段即弹性工作阶段。T形钢管混凝土短柱处于弹性工作阶段，荷载-位移基本呈现线性变化状态，异形钢管大致在B点开始进入弹塑性阶段。 第二阶段：BC段即弹塑性阶段。钢管内混凝土的微小裂缝随着荷载增加而扩展，T形钢管开始受压屈服从而出现鼓曲，试件的轴向刚度也在减小，试件的实测荷载-位移曲线开始呈现出明显的非线性。

第三阶段：CD阶段即破坏阶段。试件达到极限荷载后，钢管内的混凝土裂缝宽度急剧发展，混凝土局部被压碎，T形钢管鼓曲变形也迅速增加，试件承载力下降，试件破坏。

(3)由表1可以看出，随着壁厚的增加，T形、L形钢管混凝土短柱实测极限承载力均有不同程度的提升，其中T形构件实测荷载在钢管壁厚增加1 mm的情况下提升了5%，L形试件则提升了4%，说明增加壁厚可有效提高异形钢管混凝土短柱的承载能力。同时钢管壁厚增加也有利于改善异形钢管延展性，提高试件后期承载力。图6和图7所示的不同壁厚T形、L形钢管混凝土短柱荷载-位移曲线对比能明显地反映出试件的后期承载能力随着钢管壁厚增加有了明显的提高。

3 结论

(1)异形钢管混凝土短柱破坏形态有两种，即局部鼓曲破坏和角部开裂破坏。T形试件钢管开裂主要发生在试件腹板处，L形试件钢管开裂主要集中在试件内角处，这两处容易出现应力集中现象。

(2)异形钢管混凝土短柱工作状态可分为弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段等表现出一定的弹塑性性能的三个阶段。

(3)本试验验证了约束效益系数是影响异形钢管混凝土短柱的主要参数，约束效益系数增加有利于提高异形钢管混凝土短柱的极限承载力，改善试件后期承载能力。

[1]雷敏,沈祖炎,李元齐,等. T形钢管混凝土柱轴心受压稳定承载性能研究[J].同济大学学报(自然科学版),2016,44(4):520-527.[2]王丹,吕西林．T形、L形钢管混凝土柱抗震性能试验研究[J]．建筑结构学报，2005，26(4)：39-44．

[3]龙跃凌，蔡健．带约束拉杆L形钢管混凝土短柱轴压性能的试验研究[J]．华南理工大学学报(自然科学版)，2006，34(11)：87-92．

[4]张继承,沈祖炎,林振宇.异形钢管混凝土轴压短柱的非线性分析[J].桂林理工大学学报,2011,31(1):80-85.

[5]杜国锋,徐礼华,温芳,等.WRC-T钢管混凝土短柱轴心受压力学性能[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2008,24(6):939-944.

[责任编辑：赵 伟]

Experimental Study on Mechanical Properties under Axial Compression of Special-Shaped Concrete-Filled Steel Tubular Columns

CONG Diwen

(School of Urban Construction,Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

In order to know the destruction form，mechanical and distortion，the constraint factor's influence on the special-shaped concrete-filled steel tubular columns was especially investigated.4 short columns of T-shaped concrete-filled steel tube and 4 L-shaped concrete-filled steel tubular short columns were designed and manufactured.The load-deformation curve and ultimate bearing capacity of the test specimen were measured by axial compression test.The experimental results showed that the failure modes of the short columns were mainly the local bending and corner cracking,and the cracking concentrated in the webs of the T-shaped columns and the inside corners of the L-shaped columns.The ultimate bearing capacity and later bearing capacity can be heightened obviously by increasing the constraint factor．The operative mode of the test specimen can be divided into 3 stages.The stress concentrate in the webs of the T-shaped columns and the inside corners of the L-shaped columns.

special-shaped concrete filled steel tube; axis compression; short column; mechanical properties

2016-12-28

从地文(1991—)，男，河南信阳人，长江大学城市建设学院硕士研究生，研究方向为结构工程。

TU398

A

1008-6811(2017)01-0013-03