李胜强 杨 博 金 焕 郭红燕

(广东石油化工学院建筑工程学院， 广东茂名 525000)

钢管混凝土竖向构件由于有封闭钢管，因此特别适用于模套预制、混凝土现浇的“半装配式”结构。然而，钢管混凝土构件成本偏高，因此选择一种经济的构件形式以降低其成本十分必要。

钢管混凝土竖向构件有多种形式，如格构式钢管混凝土柱、方钢管束剪力墙、内含钢骨的钢管混凝土柱、复式钢管混凝土柱、纤维增强材料钢管混凝土柱、带约束拉杆钢管混凝土柱等。其中，众多学者对带约束拉杆的钢管混凝土竖向构件进行了研究[1-5]，发现约束拉杆可以延缓钢管局部屈曲、发挥钢管与混凝土的共同作用、提高构件承载力和改善延性；此外，从用钢量的角度看，带约束拉杆的钢管混凝土构件用钢量更合理，钢材抗拉强度可充分发挥，因而最为经济。

本研究针对一种“半装配式”结构[6]，设计了带内拉架的钢管混凝土方柱，进行短柱轴压试验研究，以寻找带内拉架钢管混凝土方柱用钢量的最优分布。

1 试件设计

1.1 试件做法

选取某项目结构柱作为参照，缩尺1∶2确定钢管混凝土试件截面尺寸为350 mm×350 mm，高度为1 050 mm。钢管设置水平拉结筋，同时在水平拉结筋与钢管的相交处设置竖向钢筋，水平拉结筋与竖向钢筋形成内拉架与钢管内壁焊接。水平拉结筋起水平约束作用，竖向钢筋起钢板加劲作用。此外，角部设置竖向钢筋，以利于提高构件的双向受弯承载力，见图1。

图1 试件横截面 mmFig.1 Cross sections of specimens

1.2 试件设计思路

在总用钢量相同情况下，按正交试验设计方法确定钢管、竖向钢筋、水平拉结筋三者用钢量的不同比例，由此对设计试件进行轴压试验，取轴心受压承载力最优所对应的用钢量比例为最优。此外，设计无内拉架钢管混凝土柱、普通钢筋混凝土柱作为比较。

1.3 试件设计方案

1.3.1总用钢量及混凝土强度等级相同

按参照柱换算，确定试件柱总用钢量为45 kg/m，混凝土强度等级为C30。

1.3.2按正交试验设计方法确定试件设计方案

以钢管、竖向钢筋、水平拉结筋用钢量占总用钢量百分比为影响因素，每因素按三水平设计正交试验方案。钢管用钢量占比按45%、50%、62.5%，由此计算得到钢管壁厚分别为1.8，2.0，2.5 mm；竖向钢筋用钢量占比按25%、30%、35%，由此计算结果选用竖向钢筋(表1)；然后按总用钢量相同计算确定拉结筋直径及间距。增加对比组后，确定试件设计方案，见表1、表2。

表1 试件设计方案Table 1 Design schemes of specimens

用钢量占比指的是各部件用钢量占总用钢量的百分比，所有试件的总用钢量按45 kg/m计算；试件CFT-b-9b为对比试件，其与试件CFT-b-9a相比，钢管与内拉架的焊接长度加倍；钢管牌号为Q345;竖向钢筋采用HRB400；拉结筋采用HPB200。

表2 对比试件设计方案Table 2 Design schemes of control specimens

2 试件制作

2.1 有内拉架试件制作

有内拉架试件制作按以下顺序进行：钢板加工成槽形→焊接内拉架→粘贴内拉架上的应变片→钢管合拢→浇筑混凝土、振捣密实→粘贴钢管外壁应变片。

水平拉结筋与竖向钢筋间、内拉架与钢管间均采用焊接连接，其中内拉架与钢管的焊接采用断续焊，焊接位置与水平拉结筋的位置一一对应。焊脚高度为d、焊缝长度为2d(其中CFT-b-9b的焊缝长度加倍)，d为水平拉结筋直径。

实验室制作时，内拉架与钢管间的焊接有一定难度，钢管合拢后需要人工在钢管空腔内施焊。试件制作见图2。

图2 试件制作Fig.2 Specimen making

工厂制作时，内拉架与钢管间的焊接按自动化焊接考虑，采用一维线式移动的自动焊接方式在钢管空腔内施焊可以实现足尺的长柱试件。

2.2 对比试件制作

对比试件包括无内拉架钢管混凝土柱及普通钢筋混凝土柱。

无内拉架钢管混凝土柱直接在钢管空腔内浇筑混凝土而成，但是钢管壁厚加大，使其总用钢量与有内拉架钢管混凝土柱相同；普通钢筋混凝土柱试件按常规做法制作。

3 加载方案及测点布置

3.1 加载方案

试件采用单调静力加载，预估承载力为3 000 kN。正式加载前，先进行几何和物理对中，预加载至预估承载力的15%，取450 kN，校正试件及仪器仪表并对中后卸载；隔3 min正式加载。加载采用等位移连续加载，加载速度1 mm/min，当试件荷载下降到峰值的70%或竖向位移达到40 mm时，认为试件发生破坏。

当竖向位移达到40 mm时，加载速度增大为5 mm/min，继续加载至位移达到70～80 mm，观察构件的破坏形态，考察构件的延性，然后停止加载。

3.2 测点布置

试验时每个试件共布置全高位移计2个、中高位移计2个，应变片17片(钢管外壁四个面纵向10片、两个面水平向2片、水平拉结筋3片、角部竖向钢筋2片)。

测点布置见图3。

图3 测点布置Fig.3 Arrangements of measuring points

4 试验结果及分析

4.1 试验结果

试验结果见图4及表3。图4是各试件承受轴向荷载N与所发生轴向位移Δ的关系曲线，表3是各试件最大承载力、首个峰值承载力、纵向应变ε=0.2%，0.5%时对应承载力的比较。其中，试件的轴向位移Δ取两个全高位移计量测值的平均值。

从试验结果可以看出：

1)同等用钢量情况下，钢管混凝土柱的轴向承载能力明显优于钢筋混凝土柱。

2)钢管混凝土柱中，试件CFT-b-1～5无论是最大承载力还是首个峰值承载力均高于其他试件；而在小应变(ε=0.2%)情况下，试件CFT-b-1、3的轴向承载能力优于试件CFT-b-2、4、5，此时试件CFT-b-1、3的轴向荷载已分别达到首个峰值承载力的73.7%、77.0%，以及最大承载力的73.1%、72.2%。

3)用钢量相同情况下，有内拉架的钢管混凝土柱轴向承载能力优于无内拉架的钢管混凝土柱。钢管、竖向钢筋、水平拉结筋三者之间用钢量比例在45∶35∶20附近(如试件CFT-b-2～4)时，构件的轴向承载能力较高。

1—CFT-b-1； 2—CFT-b-2； 3—CFT-b-3； 4—CFT-b-4；5—CFT-b-5； 6—CFT-b-6； 7—CFT-b-7； 8—CFT-b-8；9—CFT-b-9； 10—CFT-b-9b； 11—CFT-0-1； 12—RC-1。图4 各试件轴向荷载N与轴向位移Δ的关系曲线Fig.4 Relation curves between axial pressure N and axial displacement Δ of specimens

4)水平拉结筋用钢量占比不小于20%的试件CFT-b-1～5，其轴向承载能力优于水平拉结筋用钢量占比较小的试件CFT-b-6～9a、9b，且明显优于用钢量占比仅7.5%、2.5%的试件CFT-b-8、9a、9b。

5)钢管混凝土柱发生明显变形(竖向位移50 mm)时构件的轴向承载能力下降幅度不大。

6)试验时，首先在试件顶部发生破坏，然后再向上部1/3范围扩展。

7)试件CFT-b-9b与试件CFT-b-9a相比，轴向承载力略有增大但不明显。

4.2 试验现象

4.2.1有内拉架方钢管混凝土柱

有内拉架方钢管混凝土柱包括试件CFT-b-1～9a、9b，其试验现象为：加载初期，试件没有明显变化，试件的轴向荷载随竖向位移增大近似呈线性增大，钢管外观良好，未发生屈曲；当加载至其最大承载力70%左右时，混凝土开始发出窸窣声；当加载至其最大承载力的85%～90%(不同试件有一定差异，中值87%)时，钢筋开始发出断裂响声，并随着荷载增大，继续间断传出钢筋断裂响声，同时混凝土窸窣声愈加明显；发生钢筋断裂响声时竖向位移突变式增大；其后，轴向荷载与竖向位移呈非线性增大，上段钢管局部向外鼓曲。随着加载荷载增大，鼓曲变形由难以察觉到逐渐明显并向试件中部发展；当加载至其最大承载力的93%～99%时，出现承载力的首个峰值点(取拐点为首个峰值点)。此时，随着竖向位移的增大，轴向荷载不升反降，但下降幅度不明显，大约下降1%～7%。

表3 试件承载力比较Table 3 Comparisons of bearing capacity for specimens kN

继续增大竖向位移，轴向荷载重新增大直至达到最大承载力。此时对应的竖向位移除试件CFT-b-1为8.25 mm(ε=0.78%)外，其余试件为12.93～17.99 mm(ε=1.23%～1.71%)。

达到最大承载力后，竖向位移增大，轴向荷载下降，但是下降速度缓慢且幅度不大，有的在下降一段时间后甚至重新略有上升。

4.2.2无内拉架方钢管混凝土柱

无内拉架方钢管混凝土柱只有试件CFT-0-1，其轴向荷载与竖向位移的关系与有内拉架方钢管混凝土柱大体相同，但是最大承载力小3%～25%，首个峰值承载力小8.2%～28%，大应变情况下(竖向应变大于5%后)出现承载力又略微重新增大的现象。

4.2.3普通钢筋混凝土柱

普通钢筋混凝土柱只有试件RC-1，其试验现象与其他试件明显不同。其轴向荷载-竖向位移曲线只出现一次峰值：轴向荷载约为最大承载力78%后，曲线呈抛物线发展；轴向荷载达到最大承载力后，承载力下降速度较快且幅度较大，其后不再出现上升段。

普通钢筋混凝土柱与有内拉架方钢管混凝土柱相比，最大承载力小9.0%～30.5%，首个峰值承载力小24.0%～40.5%。

4.2.4其他现象

1)钢管混凝土柱试件首先在接近顶部位置发生鼓曲变形，然后逐渐向试件中部发展，鼓曲变形或破坏的位置主要位于试件上部1/3范围，试件下部1/3范围直到停止加载时也没有出现明显变形；普通钢筋混凝土柱破坏位置也位于试件上部。

2)试验后将试件CFT-b-4局部剖开，发现鼓曲位置的竖向钢筋及钢管均向外鼓曲，鼓曲位置处混凝土局部压碎，水平拉结筋拉断，其他位置处混凝土压碎现象不明显。

试件破坏形态见图5，试件CFT-b-4破坏后局部剖开情况见图6。

图5 试件破坏形态Fig.5 Failure modes of specimens

图6 试件CFT-b-4局部剖开Fig.6 Specimen CFT-b-4 of being cut partially

4.3 试验结果分析

根据试验结果及试验现象可以得出：

1)钢管对混凝土起约束作用，混凝土的抗压强度得到提高，同时钢管抗拉强度高的优势得到发挥，因此，同等用钢量条件下，钢管混凝土柱轴向受压承载能力优于普通钢筋混凝土柱。

2)试验中，试件CFT-b-1～5的承载能力较高，反映出同等用钢量情况下，钢管、竖向钢筋、水平拉结筋选取合适比例、使所有用钢均充分发挥强度时，可提高柱轴向受压承载能力。

3)纵向应变达到ε=0.2%时，试件所承受的轴向荷载已大于最大承载力的70%。因此，在选择最优方案时，宜主要参考纵向应变为0.2%时的试验成果。

4)试验中，水平拉结筋用钢量占比不小于20%时，试件轴向承载能力较高，水平拉结较弱的试件，轴向承载能力明显下降。因此，在用钢量不变的情况下，水平拉结应有足够保证。

5)试验反映出钢管混凝土柱具有较好延性。但是否设置内拉架，对构件延性并无明显影响。究其原因，是由于总用钢量相同，设置内拉架会导致钢管用钢量减少，因而设置内拉架虽然可以提高承载能力，但是对延性的影响不明显。

6)分析钢管、竖向钢筋、水平拉结筋的应变数据，计算应变片粘贴处的应力σ(σ=Eε，当σ大于材料屈服强度σs时，令σ=σs)，发现σ随着轴向荷载N增大而增大。但是，轴向荷载达到N0.5(ε=0.5%时对应的轴向荷载)时，水平拉结筋的拉应力仅达到材料屈服强度的50%左右(图7)，与此同时钢管及竖向钢筋压应力却已达到或接近材料屈服强度。可见，试件破坏时，水平拉结筋的强度未得到充分发挥，仅局部拉结筋受到破坏。究其原因很可能是制作误差导致水平拉结筋没有均匀受力所致。

7)试件首先在顶部发生破坏，分析其原因可能是受到柱顶浮浆对柱顶混凝土强度削弱的影响。因此，钢管混凝土柱应采取有效措施保证混凝土浇筑质量。

a—CFT-b-1； b—CFF-b-2; c—CFT-b-3; d—CFF-b-4; e—CFT-b-5; f—CFT-b-6。—拉结筋; —竖向钢筋； —钢管。1)由于加载达到最大承载力时，较多的应变片已遭破坏，所以取ε=0.5%时的轴向荷载N0.5进行分析;2)钢管、竖向钢筋和水平拉结筋的屈服强度按对应材料屈服强度取值;3)只分析承载力较高的试件CFT-b-1～6。图7 钢管、竖向钢筋、水平拉结筋σ/σs与N/N0.5关系曲线Fig.7 Relation curves between σ/σs and N/N0.5 of steel pipes, vertical rebars and horizontal tie bars

8)内拉架与钢管的焊接长度对轴向承载力影响不明显，究其原因是内拉架竖向钢筋及钢管的压曲方向只能朝外。这种情况下，竖向钢筋及钢管的整体承载力受水平拉结筋竖向间距影响较大，受竖向钢筋与钢管焊接长度影响较小。

5 结束语

对带内拉架方钢管混凝土柱进行了轴压试验研究，根据试验结果分析，得到以下主要结论：

1)同等用钢量条件下，钢管混凝土柱设置内拉架，可以提高构件轴向受压承载能力；钢管、竖向钢筋、水平拉结筋三者之间用钢量比例在45∶35∶20附近时，构件轴压承载能力较高。

2)柱用钢量相同时，水平拉结筋用钢量占比不宜过小(宜不小于20%)，以避免水平拉结不足；同时，应优化水平拉结做法，避免出现水平拉结件受力不均的情况。

3)钢管混凝土柱的延性明显优于钢筋混凝土柱。但在总用钢量相同的情况下，钢管混凝土柱是否设置内拉架，对延性的影响不明显。

4)对于装配式结构，柱预制件的制作误差及混凝土浇筑时的柱顶浮浆对构件承载力的影响不可忽视，应设法减小其不利影响。