陶修 皮正波 赵轩 罗崯滔 聂影 陈春君 王宇航

1.中冶赛迪工程技术股份有限公司 重庆400013

2.湖南工程学院建筑工程学院 湘潭411104

3.重庆大学土木工程学院 400045

引言

钢管混凝土构件是指钢管中填充混凝土而形成的构件，按截面形式不同，可分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。混凝土材料在多轴受压状态下，其极限强度、塑性以及韧性均能得到提高［1］；钢材料发生失稳破坏时往往没能发挥钢的材料性能。通过混凝土与钢的组合作用，充分利用两种材料的各自优势，扬长避短。

由于钢管混凝土构件具有良好的组合效应，目前已有多位学者对钢管混凝土柱的受力性能进行了研究。国内外学者Ayough，Pouria、Sulong，N H Ramli 和brahim，Zainah［2］、Chen，Baochun等［3］、王思浩、余鑫和王志滨［4］、Roeder Charles W.、Lehman Dawn E.和Erik Bishop［5］、Lai Zhichao和Varma Amit H.［6］等已经对传统钢管混凝土柱展开了轴压、压弯等多种工况下的试验与数值分析研究。不少学者也对纯扭作用下的钢管混凝土受力性能进行了研究，王宇航［7］通过对圆截面钢管混凝土柱和矩形截面钢管混凝土柱在纯扭荷载作用以及轴力较小的压扭荷载作用发现其滞回曲线饱满，没有产生“捏拢”现象，强度和刚度的损伤退化程度较低，延性较好，具有较强的耗能能力。王雨嫣［8］通过对圆形截面CFRP（碳纤维增强复合材料）环向约束钢管混凝土柱的纯扭试验发现，其滞回曲线呈现梭形，形状饱满，具有优异的抗震性能。张文福，李洋等［9］对内置工字钢骨方钢管混凝土进行了自由扭转刚度计划与FEM验证，其结果发现与有限元模拟结果良好，且最大误差不超过0.5%，提出了满足工程设计要求的设计简化公式。李晓辉、韦建刚和陈宝春［10］在试验数据的基础上，通过有限元建模分析，采取了不同的混凝土本构关系，计算结果与试验值吻合良好。也有不少的学者在传统钢管混凝土中经过改变组合结构的形式，如不同的截面形式［11］、在柱截面内增加不同的型钢形式［12-14］等，通过采用试验、数值分析等方法对新型的钢管混凝土构件进行受力性能分析。但尚未有学者对内嵌H型钢钢管混凝土柱进行纯扭试验研究，由于圆钢管与方钢管在扭转作用过程中对混凝土的约束差异性较大，故应对两种不同形式的截面进行受力性能的研究。

在传统钢管混凝土组合试件中内嵌H 型钢，与未内嵌型钢的组合试件相比较，其强度、刚度均有提升，对其进行纯扭性能试验，记录试件在加载过程中的试验现象，分析内嵌H型钢钢管混凝土柱在纯扭工况下的破坏机理和受力性能。

1 试验概况

1.1 试件制作

试验中设计了3 个内嵌H型钢钢管混凝土柱试件，总高度均为375mm，内嵌H 型钢的尺寸为80mm×80mm ×3.7mm ×3.7mm。在制造试件过程中，为保证钢管以及H型钢与底板和顶板有良好的的抗环向剪切性能，故采用焊接连接的方式。用气保焊将试件连接至顶板和底板，通过顶板的孔洞将混凝土浇筑至钢管内部，并将其振捣密实。3 个试件中，其中两个为圆形截面，另一个为方形截面，其构造见图1 所示。

图1 内嵌H 型钢钢管混凝土柱截面构造Fig.1 Cross-sectional structure of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular

本试验中针对两个圆形截面以及一个方形截面进行纯扭荷载作用。两个圆形截面控制其截面大小以及外钢管厚度来定性分析不同长细比下试件的受力性能，试验还设置了一个方形截面的内嵌H型钢钢管混凝土柱，将其滞回性能以及破坏形式与圆形截面进行对比分析。在试件设计时，控制试件高度均为375mm 的情况下，圆形截面试件通过变化截面属性变化长细比以考察其力学性能；圆、方截面则在保证长细比大致相似的情况下考察其力学性能。

表1 试件编号及试验参数Tab.1 Specimen number and test parameters

1.2 材料力学性能

采用C40 混凝土，根据混凝土立方体强度值测量方法，在浇筑试件的过程中，同时取3 组尺寸为150mm ×150mm ×150mm 混凝土立方体试块，实测其28d立方体抗压强度为40.7MPa。

钢材强度由标准拉伸试验确定，测量试件从同批钢管中抽取，每组抽取3 个，测得试件钢管和H型钢钢材的屈服强度、抗拉强度以及弹性模量如表2 所示。

1.3 试验装置及加载制度

本试验在重庆大学土木工程学院振动台实验室进行，制作并使用了一套可施加轴压、纯扭等多工况荷载的试验装置，加载装置示意图和加载现场如图2 所示。

在试验过程中，数据采集使用高精度直线位移传感器（LVDT）和数据自动采集系统。其中LVDT1 量测水平液压伺服器的水平位移，而LVDT2 和LVDT3 布置在钢梁底部，用于量测竖向位移。LVDT4 布置在柱顶钢梁竖向约1／2 高度处，用于量测柱顶水平方向位移。测点布置详细如图3 所示。

图3 位移量测Fig.3 Displacement measurement

对于此次试验中的纯扭作用试件，由于内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭转角和水平位移位移之间存在近似线性相关关系，使用水平方向的位移来控制加载过程，对试件施加循环扭矩。水平位移的加载速度控制为4mm／min。当达到每个循环次数的最大或最小扭转位移时，暂停1min 用于拍照和记录数据，加载整个过程使用固定摄影机位记录。当试件发生破坏或试件承载力小于85%最大承载力时停止加载。加载模式如图4 所示。

图4 加载模式Fig.4 Loading mode

2 试验现象及破坏形态

试件CH1-T 在扭转角达到23.5°时发生破坏。在试验过程中，在试件高度约1／2 处出现X形鼓曲，交叉角度为90°，随后在X 形鼓曲处开展裂隙，两方向裂隙发展方向与最初鼓曲方向一致。在扭转角θ 达到23.5°时，试件破坏，裂隙发展完全，两条裂隙夹角约为90°。试件破坏后，将外钢管剥离，发现内部混凝土压碎，混凝土内部与H型钢连接部分未破坏。

图5 CH1-T 失效模式Fig.5 Failure mode of CH1-T

试件CH2-T 在扭转角达到20.9°时发生破坏。在试验过程中，当扭转角度达到19.3°时，在试件高度约1／2 处下方出现X形鼓曲，交叉角度为90°，随后在试件顶部与竖向发现裂缝。在扭转角度达到20.9°时，试件破坏，将外钢管剥离，发现内部混凝土呈现X形压碎。

图6 CH2-T 失效模式Fig.6 Failure mode of CH2-T

试件RH-T在扭转角达到19.3°时发生破坏。在试验过程中，当扭转角达到13.8°时，在试件高度约1／2 处试件多方向出现X形鼓曲，外部油漆掉落。当扭转角达到19.3°时，试件中部出现多条X形裂缝，裂缝开展处与发展方向与X 形鼓曲一致。将外钢管剥离，发现内部混凝土呈现X形压碎。

3 扭矩-扭转角滞回曲线及分析

内嵌H型钢钢管混凝土柱在纯扭荷载作用下的扭矩（T）-扭转角（θ）滞回曲线如图7 所示。

图7 RH-T 失效模式Fig.7 Failure mode of RH-T

从图中可以看出，内嵌H型钢圆形截面钢管混凝土柱的滞回曲线非常饱满，没有产生“捏拢”现象，卸载刚度几乎等于初始弹性刚度，试件的强度和刚度的损伤退化程度较低，在往复荷载作用下具有良好的耗能能力。

内嵌H型钢方形截面钢管混凝土柱由于外部钢管在扭矩作用下，其转角处的方形钢管与混凝土的接触更加紧密，使得部分区域混凝土在外钢管发生形变后处于多轴受压状态，由于钢管与混凝土的相互作用，内嵌的H型钢与方形钢管的侧向支撑均得到加强，减小了两者的有效计算长度，进而内嵌的H型钢与外钢管的承载力、刚度以及稳定都得到了增强。钢管的收缩和角部混凝土的劈裂，使得扭矩-扭转角滞回曲线产生了“捏拢”效应。如图9c所示。

图9 扭矩-扭转角骨架曲线Fig.9 Torque-torsion angle skeleton curve

4 扭矩-扭转角骨架与力学特征

内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭矩-扭转角骨架曲线如图8 所示，力学性能指标见表3 所示。

表3 力学特征Tab.3 Mechanical properties

图8 扭矩-扭转角滞回曲线Fig.8 Torque-torsional angle hysteresis curve

由表3 可知，纯扭作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭矩-扭转角骨架曲线主要呈现弹性、塑性和失效三阶段。其中对比圆形截面试件CH1-T和CH2-T与方形截面试件RH-T的延性系数可以发现，圆形截面试件在面临纯扭工况荷载作用下，在试件达到屈服后，仍有较强的变形能力，而矩形截面由于外钢管角部对核心混凝土的约束效果较差。

5 扭转刚度退化

由文献［15］，王宇航等对钢管混凝土柱进行了复杂工况的加载试验，提出了扭转退化刚度的计算公式。内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭转退化刚度kθ定义为最大扭矩Ti与扭转角θi之间的相关关系：

内嵌H 型钢钢管混凝土柱退化刚度Kθ见图9所示。由图9 可知：1）当扭转角与屈服扭转角之比（θ／θy，θy取纯扭下屈服扭转角）≤4 时扭转刚度与屈服扭转刚度之比（KθKθe，Kθe取纯扭下屈服扭转刚度）随θ／θy的增大而急速降低，当θ／θy＞4 时KθKθe衰减变缓，表明内嵌H 型钢钢管混凝土柱的混凝土的剪切变形能力低，而混凝土早期的剪切变形失效加速了扭转刚度的衰减；2）长细比较大的内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭转刚度随θ／θy的增大而衰减程度更快。

6 破坏机理

往复纯扭作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱的破坏机理，见图10。扭矩作用下柱截面钢管、H型钢和混凝土存在剪应力流，该纯剪应力下钢管和混凝土沿斜向45°存在主拉应力或主压应力。由胡克定律可知截面最外侧的剪应变最大而易产生剪切塑性变形，而截面中心位置剪应变最小而处于弹性受剪状态，因而在剪应力作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱的截面存在核心弹性区和外环塑性环区。因而可总结往复纯扭作用下组合柱的破坏机理为：混凝土在斜向的主压应力和主拉应力分别导致混凝土斜向鼓屈和斜向开裂；钢管受主压应力和混凝土的斜向鼓屈的影响亦斜向鼓屈，而受主拉应力的影响而受拉开裂，反向作用扭矩时亦然。

图10 内嵌H 型钢钢管混凝土柱的扭转刚度退化曲线Fig.10 The torsional stiffness degradation curve of embedded H-shaped concrete-filled steel tubular column

图11 破坏机理Fig.11 The failure mechanism

7 结论

完成了3 个内嵌H型钢钢管混凝土柱在纯扭荷载作用下的拟静力往复加载试验，对试验结果进行了定性分析，并对实际工程使用提出了基本建议，结果如下：

1.分析了3 个试件的试验现象及破坏形态，方形截面内嵌H型钢钢管混凝土柱由于外钢管收缩与角部混凝土的劈裂，使得扭矩-扭转角滞回曲线产生了“捏拢”效应；而圆形截面在往复纯扭荷载作用下，其滞回曲线非常饱满，强度和刚度的损伤退化程度较低，具有良好的耗能能力。

2.在实际工程中使用内嵌H 型钢钢管混凝土柱时，应优先采用圆形截面内嵌H型钢钢管混凝土柱。在面临复杂荷载作用下，内嵌H型钢钢管混凝土柱其抗火性能、耗能能力相比于传统纯钢结构也更有优势。