岳鹏，何建，李豪强，周燕

哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001

在钢管中浇筑素混凝土可形成钢管混凝土组合结构构件，其外部的钢管与内部的核心混凝土能相互作用并协同工作，共同承担外荷载作用[1]。钢管混凝土试件在受载的过程中，2种材料的性能得到大大改善。在该组合结构构件中，核心混凝土在外部钢管的约束下强度显著提高，塑性和韧性得到明显改善。核心混凝土的存在也使得外钢管的屈曲模态发生改变，提高了钢管混凝土的稳定性[2]。直接暴露在空气中的钢管需要进行防锈、防腐处理，会造成较高的维护成本，201奥氏体不锈钢既有良好的防锈、防腐能力，又有足够的塑性与强度，广泛应用于各种结构工程之中，因此选用201奥氏体不锈钢作为外钢管材料。不锈钢钢管混凝土不仅具有一般钢管混凝土的优势，外表美观，还能解决因防锈、防腐蚀造成的维护成本较高的问题，因此不锈钢钢管混凝土有非常大的发展潜力[3]。

对于钢管混凝土的力学性能的探索，国内外研究者都有开展相关研究，已有了大量的理论分析和试验研究成果。文献[4]对比了4种不同测量试件轴向变形的方法，研究了核心混凝土强度、不同加载方式以及钢管上有小开口和沟槽对圆形钢管混凝土力学特性的影响。文献[5]分析了截面形式、局压面积比和端板厚度对钢管混凝土局压承载性能的影响，并建立了相应的有限元分析模型。文献[6]对加劲肋方钢管混凝土进行了轴压试验，分析了在钢管内部焊接加劲肋对钢管混凝土承载能力、延性以及破坏模态等的影响。文献[7]通过对6组钢管混凝土短柱试件的轴心受压试验，研究了再生粗骨料取代率和截面长宽比对矩形钢管再生混凝土短柱的力学特性的影响，并对矩形钢管再生混凝土短柱建立相应的有限元模型。文献[8]对冻融循环后不锈钢钢管混凝土短柱进行了轴压试验研究，研究了不锈钢管截面类型及冻融循环次数对不锈钢钢管混凝土短柱的极限承载力、位移延性以及约束系数等的影响。文献[9]对不同截面尺寸的矩形不锈钢钢管混凝土短柱进行轴压试验，得到了不同试件在轴向压力下的破坏模式，分析了矩形截面长宽比对试件的承载力影响，得到了钢管混凝土轴压承载力计算公式。文献[10]研究了带单个剪力键的钢管混凝土的力学性能，基于变形协调原理推导出了在弹性范围内轴压作用下钢管混凝土的位移和应力公式。文献[11]以圆不锈钢混凝土短柱为钢管壁厚和混凝土强度为控制变量，研究了轴压作用下的承载力性能在两个参量变化下的提升幅度，另外还探讨了不同荷载约束效应下的荷载轴向位移曲线的变化及构件承担荷载的分配方式。文献[12]对铝合金管混凝土进行了轴压试验研究，并将试验结果与现行规范进行对比分析，最终得出指导铝合金构件设计的现有规范偏于保守。文献[13]提出了一种实现纤维分析的数值建模方法用于研究分析薄壁圆形钢管混凝土在轴心受压作用下的力学性能。并通过分析现有的圆形钢管混凝土侧压力的试验结果，建立了新的本构模型，并验证了建模方案的准确性。影响不锈钢钢管混凝土承载力的潜在因素众多，本试验选取截面形式和不锈钢薄壁厚度为主要2个参数进行试验研究。

1 试验概况

1.1 试验准备

本试验共设计有6个试件，分别为3个圆形不锈钢钢管混凝土短柱和3个方形不锈钢钢管混凝土短柱，如图1(a)、图1(b) 所示；3种不锈钢管薄壁厚度t，依次为 0.95、1.05、1.35 mm；不锈钢管材采用201奥氏体不锈钢，其中圆形不锈钢空管的直径D为100 mm，方形不锈钢空管的边长B为100 mm，如图1(c)、图1(d) 所示，空管试件高度h均为300 mm。考虑201奥氏体不锈钢表面比较光滑，为确保不锈钢钢管和核心混凝土之间黏结牢靠，在距离上下端口50 mm处各焊接有一道剪力键，来提高不锈钢钢管混凝土的承载力以及结构整体性。圆形和方形不锈钢钢管混凝土短柱剪力键均采用矩形截面，长度为 6 mm，宽度为 3 mm，焊接类型为角焊。试件模型尺寸构造布置如图2所示。

图1 钢管混凝土短柱示意

图2 钢管混凝土尺寸构造

试验采用设计强度等级为 C25的商品混凝土。按标准方法在不锈钢空管中浇筑混凝土，浇筑方式采用人工振捣。试件放置在标准养护室养护，至标准龄期28 d时自养护室取出。图3(a) 为浇筑混凝土时的照片，图3(b) 为试件养护完成后的照片。养护完成的试件编号与具体参数见表1。

图3 钢管混凝土的制作

表1 试件信息 mm

1.2 试验过程

1.2.1 试验加载及测量装置

本试验是在哈尔滨工程大学土木工程材料实验室完成的，采用长春科新YD2000型压力试验机进行加载，应变由DH3816静态应变测试仪自动采集，加载实物如图4(a)。在圆形和方形不锈钢钢管混凝土短柱上按图4(b)、图4(c) 所示位置在钢管表面上中下部粘贴6个应变片，以测量钢管混凝土短柱上部、中部以及下部的横向和轴向应变。其中编号为奇数的3个应变片为横向电阻应变片，编号为偶数的应变片为轴向电阻应变片（例如Y-1-1代表Y-1试件1位置的轴向应变片）。将试件短柱安放在压力机的下承压板上，短柱的承压面与成型时的顶面保持垂直，短柱的中心应与压力机下压板中心对齐，上升压力机工作台，当上压板与试件几乎贴近时，调整球座，使接触均衡，然后对短柱试件进行压缩试验。

图4 不锈钢管测点布置图

1.2.2 试验现象

在试验受荷初期，圆形和方形不锈钢钢管混凝土短柱外观无明显变化。

当荷载逐渐增加接近极限承载力时，圆形不锈钢钢管混凝土短柱Y-1和Y-2中下部明显出现鼓曲变形，随着荷载继续增加，鼓曲变形和环形褶皱越来越明显，在接近极限荷载时，试件内部有“沙沙”的声音，最后到达极限荷载时会有“砰”的一声，最终因为试件变形过大而破坏；圆形不锈钢钢管混凝土短柱Y-3，随着荷载增大，钢管的脚部先出现鼓曲现象，中部变形比较小，试件破坏时，下部焊接的剪力键被剪断。3个圆形钢管混凝土试件均由局部屈曲而导致最终的破坏。圆形钢管破坏模态的出现一定差异性，潜在原因有：1）钢管试件在加工时焊缝接口处存在残余应力；2）核心混凝土存在初裂纹等初缺陷。

方形钢管混凝土短柱和Y-3试件的变形过程与破坏模态相似，方形不锈钢钢管混凝土短柱F-1、F-2和F-3共3个试件均从试件脚部发生鼓曲，随着变形逐渐积累，短柱内部出现“沙沙”的声音，最后试件发出“砰”的一声后，在方管的棱边上发生破坏，在钢管下部焊接剪力键附近的混凝土被压成碎块，剪力键均断开。

6个钢管混凝土均未出现明显的滑移剪切线，在上部剪力键位置附近，钢管几乎没有变形，变形和破坏主要集中在中下部位置。方形不锈钢钢管混凝土短柱均在下部剪力键位置附近变形并发生破坏。图5为圆形和方形不锈钢钢管混凝土短柱的破坏模态。

图5 试件破坏模态

2 钢管混凝土的力学性能分析

2.1 荷载–轴向位移曲线

图6(a)、图6(b) 分别为圆形和方形截面不锈钢钢管混凝土短柱在不同不锈钢薄壁厚度下的荷载 (P)−位移 (s) 曲线图，其结果和王坚[8]试验所得曲线图类似。对于圆形不锈钢钢管混凝土短柱，随着外加荷载增大，其荷载位移曲线和低碳钢的压缩曲线相似，在经历过弹性阶段和屈服阶段后，圆形不锈钢钢管渐渐向外鼓曲发生变形，由于承接面积越来越大，曲线呈现上升趋势，直到破坏为止；对于方形不锈管钢管短柱，3种薄壁厚度的钢管短柱荷载−位移曲线变化相似，在达到屈服阶段过后，试件变形非常快，承载力极速下降。圆形不锈钢管混凝土短柱相比与方形短柱的轴向压缩的位移变化更大，所能承受的荷载也更高。

图6 荷载−位移曲线图

2.2 荷载–应变曲线

图7 为不同位置下试件的荷载 (P)−应变 (ε)曲线，应变以使电阻应变片拉伸变形为正值，压缩变形为负值。图7(a)、7(c)、7(e) 分别对不同壁厚的不锈钢钢管混凝土短柱的轴向应变进行分析比较，图7(b)、7(d)和7(f) 分别对不同试件的横向应变进行分析比较。由图7(a)、7(b)、7(c) 可知，1）轴向粘贴的电阻应变片因混凝土短柱侧向鼓曲的不同而受到拉伸和压缩的效果不同；2）在弹性阶段，受到压缩变形的荷载−应变斜率大致相同；3）Y-2与Y-3圆管轴向粘贴的电阻应变片均为拉伸变形，并且Y-3的荷载−应变斜率会大于Y-2的相应斜率；4）Y-1圆管轴向粘贴的电阻应变片均为压缩变形；5）由前 3）、4）结论可以得出，随着圆形钢管壁厚的增大，轴向贴放的电阻应变片会由压缩变形转到拉伸变形，并且壁越厚拉伸变形的荷载−应变斜率越大。由图7(d)、7(e)、7(f) 可知：1）横向贴放的电阻应变片均受拉伸变形；2）在弹性阶段，F-1、F-2和F-3的荷载−变形斜率大致相同；3）在不断加载的过程中，荷载−应变的斜率都呈现逐渐减小的趋势，即荷载变化不大，应变迅速增长。

图7 荷载−应变曲线

2.3 极限承载力–壁厚曲线

图8为不同壁厚 (t) 的圆形和方形不锈钢钢管混凝土短柱的极限承载力 (P) 折线对比图。不锈钢管薄壁厚度对钢管混凝土短柱的承载力有很大的影响，圆形和方形短柱试件的变化趋势几乎一样，随着不锈钢薄壁厚度增大，钢管混凝土的承载力都先经历减小然后再恢复的过程，并且圆形短柱明显要比方形短柱的承载力高出许多。

图8 承载力−壁厚折线图

3 结论

本文对不同截面形式与不同不锈钢管薄壁厚度的钢管混凝土短柱进行轴压试验，得到以下结论：

1）圆形和方形的不锈钢管混凝土试件均是由于向外的屈曲变形过大而破坏，钢管上部焊接的剪力键对混凝土起到了很好的约束效应，并且圆形不锈钢管混凝土短柱约束作用显著优于方形不锈钢钢管混凝土短柱。

2）根据试验得到的荷载−位移曲线数据不难看出，圆形不锈钢钢管混凝土短柱明显要比方形截面的承载力高出许多。

3）不锈钢管薄壁厚度改变，对钢管混凝土的承载力有很大的影响，本试验选取了3个较小的薄壁厚度，钢管混凝土短柱承载力并没有因为薄壁变厚而增大，而是经过一个先减小再增大的过程。

文中仅考虑了不锈钢薄壁厚度和截面尺寸对混凝土承载力、位移的影响，剪力键尺寸、剪力键个数及其间距等有可能是影响钢管混凝土短柱受力变化的重要因素，还有待后续进一步探索。