摘要
在简单钢管混凝土组合柱中内嵌H型钢,形成新型组合结构柱,为研究新型组合结构柱的受力性能,对其进行纯弯、压弯、扭弯、压弯扭4个工况的试验研究。为满足试验过程中的加载需要,设计制作了一套适用于多工况模拟的加载装置。在复杂荷载加载中,对于有轴压参与的工况,控制轴压比为0.24;对于有扭弯的工况,控制扭弯比为0.34。通过对4个试件的加载试验,分析其扭矩-扭转角滞回曲线、弯矩-位移滞回曲线、扭矩-扭转角骨架、弯矩-位移骨架、力学特征及刚度退化等指标,对结果及其产生机理进行分析。结果表明,在复杂荷载作用下,该新型组合结构柱受力性能良好。基于试验结果提出在工程实际中使用该新型结构柱的基本建议。
由于结构所受荷载日渐复杂且结构趋向大型化发展,工程结构中主要受力构件的结构形式也在不断发展,从钢筋混凝土结构、钢结构逐渐发展到钢管混凝土结构等组合结构。由于力学性能优异,钢管混凝土组合柱得到广泛使用,学者们已对钢管混凝土组合柱受力性能进行了较多研究,包括试验研究、数值分析等。王志滨
试验设计了4个内嵌H型钢钢管混凝土柱试件,试件总高度均为975 mm。为保证钢管及H型钢与底板和顶板有良好的抗环向剪切性能,在制造过程中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。试件截面构造见

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
对4个圆形截面钢管混凝土柱试件施加纯弯、压弯、弯扭和压弯扭荷载,试件参数如
试件 | 尺寸 | 高度L/mm | L/i | 轴压力/kN | 轴压比n(n=N/Nu) | 加载模式 |
---|---|---|---|---|---|---|
CH2-B | 219 mm×6.0 mm | 975 | 12.6 | 0 | 0.00 | 纯弯 |
CH2-CB | 219 mm×6.0 mm | 975 | 12.6 | 730 | 0.24 | 压弯 |
CH2-TB1 | 219 mm×6.0 mm | 975 | 12.6 | 0 | 0.00 | 扭弯(扭弯比0.34) |
CH2-CBT1 | 219 mm×6.0 mm | 975 | 12.6 | 730 | 0.24 | 压弯扭(扭弯比0.34) |
注: 为长细比,其中i为回转半径。
采用C40混凝土,根据混凝土立方体强度测量方法,在浇筑试件的过程中,同时取3组尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方体试块,实测其28 d立方体抗压强度为44.4 MPa。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、抗拉强度及弹性模量,如
钢材类型 | 屈服强度/MPa | 极限强度/MPa | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|
6.0 mm厚钢板 | 363.8 | 500.8 | 200.2 |
3.7 mm厚钢板 | 353.3 | 430.3 | 201.7 |
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

(a) 总视图

(b) 纯扭和压扭

(c) 纯弯、压弯、扭弯和压弯扭(加载方式)
图2 试验装置
Fig. 2 Loading device

图3 加载现场
Fig. 3 Loading site
在试验过程中,通过高精度直线位移传感器(LVDT)和数据自动采集系统采集数据。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。对于试件CH2-CB和CH2-CBT1,轴压力作用采用预加载方式,首先加载至200 kN,然后卸载至0,重复两次后开始加载。对于试件CH2-TB1和CH2-CBT1,由于内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭转角和水平位移之间存在线性相关关系,故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4 mm/min。对于试件CH2-CB和CH2-CBT1,采用等增量柱顶位移加载。加载时,先施加竖向轴压力,当达到每个循环次数的最大或基本滞回扭转位移时,暂停1 min用于拍照和记录数据,当试件破坏或试件承载力小于最大承载力的85%时停止加载,整个加载过程使用固定摄影机记录。加载模式如

(a) 轴压

(b) 扭转

(c) 受弯
图4 加载模式
Fig. 4 Loading mode
试件CH2-B受纯弯作用,其失效模式表现为柱底钢管发生鼓屈,鼓屈处内部混凝土膨胀,且钢管在柱底受拉区发生开裂破坏,裂缝方向为水平方向,如
试件CH2-CB受压弯作用,其失效模式与试件CH2-B相似,试件破坏发生在底部,柱底钢管发生鼓屈,鼓屈处内部混凝土膨胀,且受拉区钢管开裂,裂缝方向水平,如
试件CH2-TB1受扭弯荷载作用,其失效模式表现为柱底钢管发生斜向鼓屈,并在鼓屈处进一步发展裂缝,表现为斜向撕裂,如
试件CH2-CBT1受压弯扭荷载作用,其失效模式与试件CH2-TB1相似,试件破坏发生在底部,柱底钢管在荷载作用下首先发生斜向鼓屈,随着试验的继续进行,钢管在鼓屈处开展斜向裂缝,如

(a) CH2-B

(b) CH2-CB

(c) CH2-CBT1

(d) CH2-TB1
图5 失效模式
Fig. 5 Failure mode
注: 图中P为弯矩,T为扭矩,N为压力。
纯弯和压弯作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱的弯矩-位移滞回曲线如

(a) CH2-B纯弯

(b) CH2-CB压弯
图6 内嵌H型钢钢管混凝土柱弯矩-位移滞回曲线
Fig. 6 Bending moment - displacement hysteresis curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular
内嵌H型钢钢管混凝土柱在弯扭和压弯扭作用下的弯矩-位移滞回性能曲线如

(a) CH2-TB1弯扭

(b) CH2-CBT1压弯扭
图7 内嵌H型钢钢管混凝土柱弯矩-位移滞回曲线
Fig. 7 Bending moment-displacement hysteresis curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular
通过对比试件CH2-B和CH2-TB1的弯矩-位移滞回曲线可以发现,扭矩作用也会降低内嵌H型钢钢管混凝土柱的受弯承载力和耗能能力,主要原因为,往复扭矩的剪切作用使得内部混凝土破坏而减小了其强度。
弯扭和压弯扭作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱的扭矩-扭转角滞回曲线如

(a) CH2-TB1

(b) CH2-CBT1
图8 内嵌H型钢钢管混凝土柱扭矩-扭转角滞回曲线
Fig. 8 Torque-torsional angle hysteresis curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular
试件CH2-B、CH2-B、CH2-TB1、CH2-CBT1的荷载工况中均存在弯矩作用,其弯矩-位移骨架曲线如

图9 内嵌H型钢钢管混凝土柱弯矩-位移骨架曲线
Fig. 9 Bending moment-displacement skeleton curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular
试件名称 | 屈服弯矩/(kN·m) | 屈服位移/mm | 峰值弯矩/(kN·m) | 峰值位移/mm | 极限弯矩/(kN·m) | 极限位移/mm | 延性系数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH2-B | 129.9 | 23.2 | 149.7 | 65.7 | 133.1 | 85.6 | 3.7 |
CH2-CB | 135.5 | 19.7 | 146.6 | 24.4 | 123.5 | 55.4 | 2.8 |
CH2-TB1 | 118.1 | 19.1 | 142.2 | 63.5 | 128.5 | 88.0 | 4.6 |
CH2-CBT1 | 126.3 | 16.1 | 133.8 | 19.2 | 110.1 | 58.1 | 3.6 |
试件名称 | 屈服弯矩/(kN·m) | 屈服位移/mm | 峰值弯矩/(kN·m) | 峰值位移/mm | 极限弯矩/(kN·m) | 极限位移/mm | 延性系数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH2-TB1 | 42.9 | 1.1 | 48.3 | 2.0 | 45.3 | 2.1 | 2.2 |
CH2-CBT1 | 42.7 | 1.0 | 44.8 | 1.1 | 39.5 | 1.8 | 1.8 |
由
试件CH2-TB1、CH2-CBT1的荷载工况中均存在扭矩作用,其扭矩-扭转角骨架曲线见

(a) CH2-TB1

(b) CH2-CBT1
图10 内嵌H型钢钢管混凝土柱扭矩-位移骨架曲线
Fig. 10 Torque-displacement skeleton curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular
由
Wang
(1) |
内嵌H型钢钢管混凝土柱扭转退化刚度如

(a) CH2-TB1

(b) CH2-CBT1
图11 内嵌H型钢钢管混凝土柱受扭刚度退化
Fig. 11 The torsional stiffness degradation curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular
纯弯和压弯作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱的受弯刚度退化如

图12 内嵌H型钢钢管混凝土柱受弯刚度退化
Fig. 12 Degradation of bending stiffness curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular
扭弯作用和压弯扭作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱的受弯刚度退化如

(a) CH2-TB1弯扭

(b) CH2-CBT1压弯扭
图13 内嵌H型钢钢管混凝土柱受弯刚度退化
Fig. 13 Degradation of bending stiffness curve of concrete-filled steel tubular columns embedded with H-shaped steel tubular
压弯扭作用可看作轴压、纯弯和纯扭3种作用的叠加,当轴压为零时,为弯扭作用。轴压作用下内嵌H型钢钢管混凝土柱截面受到均匀压应力作用,组合柱内混凝土因钢管的约束作用而处于三向受压状态(σ1>σ2=σ3),钢管因竖向轴压力和混凝土的环向膨胀而处于双向压-拉应力状态,H型钢因轴压而处于压应力状态。纯弯作用下组合柱截面沿中性轴两边分别为受压区和受拉区,受压区和受拉区中钢管、混凝土和H型钢都分别受到非均匀压应力和拉应力,受压区钢管处于压(纵向)-拉(环向)应力状态,混凝土处于三向受压状态,H型钢处于单向受压应力状态,而受拉区钢管处于双拉应力状态,混凝土处于环向受压而纵向受拉的应力状态,H型钢处于单向受拉应力状态。纯扭作用下H-CFST柱截面钢管、H型钢和混凝土处于纯剪应力状态,混凝土的剪应力最外侧最大而中心位置最小。
轴压力、弯矩和扭矩作用下H-CFST柱截面沿中性轴分别为压剪区和拉剪区。压剪区钢管环向受到拉剪应力而纵向受到压剪应力的双向应力,混凝土的环向和纵向都受到压剪应力的双向应力,H型钢受到单向压剪应力。拉剪区钢管的环向和纵向都受到拉剪应力的双向应力,混凝土环向受到压剪应力而纵向受到拉剪应力的双向应力,H型钢受到单向拉剪应力。轴压力、弯矩和扭矩作用下,H-CFST柱破坏时,钢管表面鼓屈兼有三者单独作用时的破坏形状特点,轴压作用时外钢管的鼓屈方向为环向水平,纯弯作用时外钢管的鼓屈方向为环向水平(鼓屈位置位于受压区最外侧),纯扭作用时柱的鼓屈方向为斜向并与水平成45°夹角,弯扭同时作用时,组合柱的鼓屈方向为斜向并与水平成0~45°夹角,压弯扭作用时,因轴压的引入,H-CFST柱的鼓屈方向斜向鼓屈与水平方向的夹角会进一步减小。轴压力沿组合柱截面产生压效应,扭矩沿H-CFST柱截面产生剪切效应,而弯矩沿H-CFST柱截面受拉区和受压区分别产生拉压效应,H-CFST柱正是在压效应、剪切效应和拉压效应共同作用下破坏,压弯扭作用下H-CFST柱的破坏叠合了压、弯、扭下H-CFST柱破坏形态的特点,如

图14 破坏机理
Fig. 14 The failure mechanism
在纯弯、压弯、扭弯及压弯扭荷载作用下,对4个内嵌H型钢钢管混凝土柱进行拟静力加载试验,对试验结果进行定性分析,并对实际工程使用提出建议,得到以下主要结论:
1)设计制作了4个试件以进行多工况试验,控制试件的轴压比为0.24,扭弯比为0.34,对比分析不同荷载作用下试件的破坏形态和受力性能。但由于试件数量有限,在实际工程中轴压比和扭弯比有一定的变化范围,笔者将其控制为一定值。
2)分析试件在多工况下的滞回曲线发现,轴力与扭矩会使试件的抗弯承载力降低,试件耗能能力变差。由于扭转和弯矩作用,分析试件骨架曲线时将其分为两类:扭转-位移角骨架曲线与弯矩-位移骨架曲线,并分析其力学特征。
3)内嵌H型钢钢管混凝土柱用于实际工程中的造价成本低于纯钢结构,且力学性能也有提升。实际使用内嵌H型钢钢管混凝土柱时,在设计阶段应合理考虑轴压比与扭弯比,使结构整体性能更优。
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