阿里甫江·夏木西 阿卜杜瓦伊提·喀斯木 韩风霞 塔依尔·图尔荪 艾热帕提·帕尔哈提 叶里兰·衣里吾斯孜

(新疆大学建筑工程学院,乌鲁木齐 830047)

0 引 言

配筋钢管混凝土结构(Reinforced Concrete Filled Steel Tube,以下简称RCFT)是通过常规的钢管混凝土结构(Concrete Filled Steel Tube,以下简称CFT)内插入钢筋来提高CFT的延性和强度为目的而提出来的结构,图1示意了CFT和RCFT的构件模型。根据RCFT既有的研究成果[1-5],CFT核心混凝土内插入钢筋形成RCFT后,纵筋和箍筋组成的钢筋骨架能降低因混凝土材料的不均匀性造成的不利影响,显著改善核心混凝土的受力和变形性能,提高构件的延性和屈服后的塑性变形能力。可谓是一种性能优越、值得推广的结构体系之一。然而,从实际施工以及构件制作的角度看,RCFT并没有什么优势。因为,与CFT相比,RCFT构件的制作多了一道工序,也就是RCFT内钢筋骨架的绑扎生成并正确定位安置其内,这也许就是RCFT没有能得到CFT那样广泛推广的原因之一。

图1 CFT和RCFT结构模型Fig.1 Model of CFT and RCFT

RCFT的钢筋骨架是由纵向受力钢筋与环向箍筋绑扎而成的。在纵向受力钢筋的数量一定的情况下,环向箍筋的数量或间距可以被认为是影响绑扎工作量的主要影响因素,即箍筋数量越少(或者箍筋间距越大)构件的制作越省工省时。因此,为了明确是否可以少配箍筋以简化RCFT制作工序,本文通过试验研究,探讨了不同箍筋间距(数量)对RCFT性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

准备了环向箍筋间距分别是200 mm和50 mm的两组RCFT(分别编号为RF200和RF50)、一组CFT(编号为CFT)和一组素混凝土(编号为C)共4组试件,对应每组制作3根相同的试件,总共制作了12根试件。RCFT和CFT所用钢管材料是Q235B,采用薄壁有缝(焊接)钢管,壁厚t=2.75 mm。RCFT所用纵向钢筋(以下简称纵筋)材料是HPB300,直径为Φ8,根数8根。两组RCFT所用环向箍筋直径为Φ4,箍筋环外径as=140 mm,沿高度的箍筋间距分别是200 mm和50 mm,箍筋数量为14和13。RCFT各试件的纵筋配筋率ρ=1.11%。混凝土试配强度C30。所有试件采用圆形截面,截面外径D=220 mm,高度H=600 mm,径厚比D/t=80。RCFT试件的构造示意于图3。

1.2 材料试验

制作试件时间的同时准备6块混凝土试块,在与试件相同的环境下养护28天,最终确定的混凝土立方体抗压强度是30.8 N/mm2。另外,依据文献[6]进行钢管和纵向钢筋的材料拉伸试验,准备3根钢管切片(每片宽20 mm,总长200 mm)和3根纵向钢筋(每根总长220 mm)。本次试验最终获得的应力-应变曲线如图2所示,由此确定的钢管屈服强度fsy= 278 N/mm2,与其对应的屈服应变εsy=4 300 μm/m,纵筋屈服强度fry=379 N/mm2,与其对应的屈服应变εry=5 873 μm/m。

图2 材料试验Fig.2 Material test

1.3 加载方法及测点

加载设备是WEY-5000 长轴压力机,采用轴向单调递增加载方法,加载增量是1 000 kN以下时2.5 kN/s、1 000 kN至1 500 kN之间时1.0 kN/s、1 500 kN以上时0.5 kN/s。试件测点分布示意见图3。试验加载方式照片如图4所示。试验中获得的数据有RCFT和CFT的钢管及RCFT钢筋的应变以及各试件荷载和位移数据。

图3 RCFT试件构造及测点布置示意图Fig.3 Illustration for formation of RCFT specimen

2 试验结果及其分析

2.1 荷载与位移关系的分析

各试件的相关数据列于表1,而RCFT和CFT的荷载对位移的关系绘制成曲线如图4所示。

图4 试验加载照片Fig.4 Photograph of test setup

表1试验数据

Table 1 Experimental Results

(3) 从图5中可以看出,两种箍筋间距RCFT的荷载—位移关系曲线没有发生明显差别,显示出相同的轴心受力特性。另外还可以看出,最大荷载后,两组RCFT和CFT均显示出较好的塑性变形能力,均没有出现承载力明显下降现象。然而,进一步观察后看出,RF50没有发生最大荷载后的承载力下降,其曲线基本保持0水平直线直到构件被破坏,而RF200和CFT出现了最大荷载后的承载力下降,其中CFT的承载力下降趋势较RF200更加明显,RF200虽有下降趋势与RF50相比其幅度却很小可以忽略不计。总之,箍筋间距对RCFT轴心受力性能没有明显影响,无论RCFT的箍筋间距如何,只要配置适量纵筋就可提高构件的塑性和延性。

图5 荷载-位移关系曲线Fig.5 Load-displacement curves

2.2 荷载与钢管应变关系的分析

图6 钢管的荷载-应变关系曲线Fig.6 Load-strain curves of steel tube

2.3 延性率的分析

构件对应于最大荷载的位移δu对屈服位移δy的比值可以定义为延性率μ,即

μ=δu/δy

(1)

本次试验中,各试件屈服位移是先将材料试验获得的屈服应变εsy=4 300 μm/m与钢管的纵向中心处测得(图3)的四个纵向应变的平均值对应而确定屈服荷载,再通过荷载位移曲线进行校准确定的。最终确定的屈服荷载和屈服位移以及由屈服位移的平均值算出的延性率列于表1。RF200、RF50和CFT的延性率分别为μRF200=3.6、μRF50=3.3和μCFT= 2.8,可见不同箍筋间距的RCFT延性率没有发生明显差别,而RCFT的延性率超过了CFT,说明无论箍筋间距如何,只要配置适量纵筋就可以使RCFT构件的延性率得以显著提高。

2.4 套箍系数的分析

我国《钢管混凝土结构技术规范》(以下简称《规范》)[9]给出了在统一强度理论[10-11]的基础上建立的CFT轴心受压短柱的承载力公式:

NCFT=Ascfsc

(2)

fsc=1.212+Bθ+Cθ2

其中,θ为套箍系数:

θ=αsc(fsy/fc)

(3)

αsc=Ass/Ac

式(2)和式(3)中NCFT为钢管混凝土短柱的轴压承载力;Asc为构件的截面面积;fsc为构件的组合抗压强度值;Ass和Ac分别为钢管和核心混凝土的面积;αsc为含钢率;fss和fc分别为钢管和混凝土的抗压强度值;B和C分别为截面形状对套箍效应的影响系数。

由式(2)可以推导出本次试验实测套箍系数θT表达式为

(4)

式中

B=(0.176/213)fsy+0.974

C=(-0.104/14.4)fc+0.031

D=Nu/(Ascfc)-1.212

利用式(4)计算出相关构件的套箍系数并列于表1中。可以看出,RF200、RF50和CFT的套箍系数分别为θTRF200= 2.56、θTRF50= 2.54和θTCFT= 1.91,可见不同箍筋间距的RCFT套箍系数没有发生明显差别,而各RCFT的套箍系数均明显超过了CFT的套箍系数,说明无论RCFT的箍筋间距如何,只要配置适量纵向钢筋就可以使构件的套箍系数得以显著提高。

2.5 荷载与钢筋应变关系的分析

图7 钢筋的荷载—应变关系曲线Fig.7 Load-strain curves of reinforcement

2.6 破坏模式的分析

CFT和RCFT各试件破坏时的照片如图8所示。它们的破坏形态都是以钢管的局部失稳为特征。其中,RF200和RF50各试件的破坏形态没有明显的差别,各试件在与压力机顶板接触的受压端部处由于应力集中均出现钢管的局部失稳现象。依据文献[12]关于CFT轴压构件破坏模式的分类方法和综合观察结果,认定RCFT和CFT的破坏模式相同,都是以如图9虚线为破坏面的剪切破坏模式。

另外,图10还列出了钢管被切开后RCFT和CFT典型试件内部的破坏形态照片。RF200和RF50的核心混凝土虽发生了严重的变形却仍然保持了完整的整体,没有发生被压碎的现象,核心混凝土依然能独立地直立,可见不同箍筋间距的RCFT内部破坏模式没有发生明显差别。与此相反,CFT的核心混凝土完全地被压碎了。

图8 RCFT和CFT各试件的破坏形态照片Fig.8 Photograph of failure patterns

图9 破坏形态的对照Fig.9 Comparison of failure patterns

3 结 论

本文通过轴心受压试验,采用基于整体性能的比较研究方法,研究了配筋钢管混凝土柱纵筋不变的情况下不同环向箍筋间距或箍筋数量对构件整体性能的影响。根据试验数据的全面分析结果,得出如下结论:

图10 内部破坏形态Fig.10 Internal failure patterns

(1) 在承载力、变形能力、延性性能、套箍系数以及破坏模式等方面对RCFT试验结果的综合分析表明不同箍筋间距没有引起构件上述方面轴心受压性能的明显变化。由此得出结论,环向箍筋不是影响轴心受压配筋钢管混凝土构件性能的主要因素,在施工RCFT轴心受压构件时可以适当增大箍筋间距或减少箍筋数量以减少材料用量、加快构件制作速度。

(2) RCFT轴压短柱的破坏模式与CFT相似。

(3) 本试验只是通过少量试验证明RCFT构件轴心受压时箍筋对构件的性能没有明显影响,而箍筋的第二次套箍作用和螺栓性箍筋形式等对构件轴压性能的影响还需要进一步研究。

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