土木与环境工程学报  2021, Vol. 43 Issue (2): 102-111   doi: 10.11835/j.issn.2096-6717.2020.034   PDF    
T形方钢管混凝土组合异形柱偏压性能试验研究
李泉 1, 周学军 1, 李国强 1,2, 刘哲 1, 王振 1, 王兴博 1, 咸国栋 1     
1. 山东建筑大学 土木工程学院, 济南 250101;
2. 同济大学 土木工程学院, 上海 200092
收稿日期：2019-12-20
基金项目：国家重点研发计划（SQ2020YFF0426523）；山东省自然科学基金（ZR202QE264）；山东建筑大学博士项目（X19035Z）
作者简介：李泉(1992-), 男, 主要从事钢结构基本理论与空间钢结构研究, E-mail: liquanwdm@163.com.
通信作者：周学军(通信作者), 男, 教授, 博士生导师, E-mail: xuejunzhou@sdjzu.edu.cn.
摘要：T形方钢管混凝土组合异形柱具有良好的力学性能，以试件长度、偏心距、偏心方向为试验参数，设计9个不同长细比的试件进行偏心受压试验，观察试件的破坏形态，得到荷载-应变曲线和荷载-挠度曲线，并分析各参数对试件偏心受压性能的影响。试验结果表明：长度为600 mm的试件发生了强度破坏，长度为1 500、1 800 mm的试件发生了弯曲失稳破坏；试件长度越长，弯曲破坏特征越明显；偏心距越大，偏压承载力越低；偏心方向对偏心受压性能的影响相对较小。与相关规范计算结果对比发现，按DBJ/T 13-51—2010计算的结果与试验结果吻合最好。研究结果表明，T形方钢管混凝土组合异形柱延性较好，方钢管之间可以协同工作，偏心受压力学性能良好。
关键词：方钢管混凝土    组合异形柱    偏心受压    力学性能    试验研究    
Experimental study on the behavior of special T-shaped composite columns with concrete-filled square steel tubulars under eccentric loads
LI Quan 1, ZHOU Xuejun 1, LI Guoqiang 1,2, LIU Zhe 1, WANG Zhen 1, WANG Xingbo 1, XIAN Guodong 1     
1. School of Civil Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, P. R. China;
2. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P. R. China
Received: 2019-12-20
Foundation item: National Key R & D Program of China (No. SQ2020YFF0426523); Shandong Provincial Natural Science Foundation (No. ZR202QE264); Shandong Jianzhu University PhD Program (No. X19035Z)
Author brief: LI Quan (1992-), main research interests: basic theory of steel structure and space steel structure, E-mail: liquanwdm@163.com.
Corresponding author: ZHOU Xuejun (corresponding author), professor, doctorial supervisor, E-mail: xuejunzhou@sdjzu.edu.cn.
Abstract: The special T-shaped composite columns with concrete-filled square steel tubulars have good mechanical properties. Taking the length, eccentricity and eccentricity direction of the specimen as the test parameters, nine specimens with different slenderness ratio are designed for eccentric compression test. By observing the failure mode of the specimen, the load-strain curve and load-deflection curve are obtained, and the influence of each parameter on the eccentric compression performance of the specimen is analyzed. The test results show that the strength of 600 mm long specimens is damaged. The specimens with lengths of 1 500, 1 800 mm are broken by bending instability; the longer the specimen length is, the more obvious the bending failure characteristics are; the larger the eccentricity is, the lower the eccentric bearing capacity is; the eccentricity direction has a relatively small impact on the eccentric compression performance. It is found that compared with the calculation results of relevant specifications, the results calculated by DBJ / T 13-51-2010 are in good agreement with the test results. The ductility of special T-shaped composite columns with concrete-filled square steel tubulars is well, the square steel tubes can work together, and the eccentric compression performance is good.
Keywords: concrete filled square steel tube    composite special-shaped column    eccentric compression    mechanical properties    experimental study    

传统住宅建筑结构形式在建筑美观性、室内空间利用率和抗震性能等方面存在不足，异形钢管混凝土柱结合了钢管和混凝土各自良好的力学性能，满足了人们日益增长的对建筑结构更高的多样化需求。然而，普通钢管混凝土异形柱中，钢管对核心混凝土的约束作用较弱，而且截面存在阴角，荷载作用时阴角部位可能出现较大变形和破坏，进而导致钢管混凝土异形柱的承载力下降。为此，提出一种新型组合式方钢管混凝土组合异形柱，包括L形、T形和十字形截面。T形方钢管混凝土组合异形柱不仅可以改善阴角，增强对混凝土的约束作用，提高承载力，还具有加工制作方便、施工速度快、构件生产成本低和经济效益高等优点，因此，成为研究的热点。

目前，对钢管混凝土异形柱的研究主要集中在其力学性能上。Wang等[1]、Ren等[2]、Xu等[3]、Zhang等[4]进行了44个异形钢管混凝土柱的轴压试验，研究钢管壁厚和混凝土强度对组合异形柱受力性能的影响及钢管与混凝土之间的相互作用，提出异形多单元钢管混凝土轴压承载力计算公式。左志亮等[5-8]、蔡健等[9-11]、龙跃凌等[12]对27个T形和14个L形带约束拉杆的钢管混凝土短柱的轴压和偏压性能进行试验研究，分析约束拉杆间距、偏心率及荷载角对轴压和偏压性能的影响，研究发现，约束拉杆可以延缓钢管局部屈曲，限制截面阴角处的变形，并提高钢管对核心混凝土的约束作用。Yang等[13-14]、Liu等[15-16]、Liu等[17]、Xu等[18]对一批T形钢管混凝土柱、T形钢管约束混凝土柱和钢筋加劲T形钢管混凝土柱进行了轴压和偏压试验，研究了含钢率、钢材屈服强度、混凝土抗压强度、长细比、截面尺寸、柱肢宽厚比及配筋率等参数对试件承载力的影响，提出异形钢管混凝土柱截面承载力和稳定承载力的设计计算公式。Xiong等[19]、Zhou等[20-21]、Liu等[22]、Zhang等[23]、Xu等[24]进行了19个缀板连接的格构式L形钢管混凝土异形柱试件的轴压、单向偏压及双向偏压承载力试验，研究柱的破坏模式、荷载-变形关系、应变分布、延性和强度指标等，并提出轴压和偏压承载力计算公式。屠永清等[25-26]、刘林林等[27]、马丽娅等[28]进行了22个多室式钢管混凝土T形柱的轴压和偏压试验，研究试件破坏形态及截面尺寸、钢板厚度、混凝土强度等参数对力学性能的影响。研究发现，T形柱能提高混凝土的约束效应，轴压性能受腹板高度、钢板厚度及混凝土强度的影响较大；提出了L形中长柱稳定系数的计算公式及轴压稳定承载力计算方法。

然而，目前对方钢管混凝土组合异形柱的受力性能还缺乏研究。为此，笔者通过偏压试验研究试件长度、偏心距和偏心方向对T形方钢管混凝土组合异形柱偏压性能的影响，并将规范计算值与试验值进行对比，为T形方钢管混凝土组合异形柱在多高层钢结构建筑工程中的应用提供参考。

1 试验概况
1.1 试件设计及制作

组合式方钢管混凝土组合异形柱包括L形、T形和十字形截面，如图 1所示。T形方钢管混凝土组合异形柱的方钢管截面尺寸为100 mm×100 mm×4 mm，由4个方钢管通过4条角焊缝组成T形截面，角焊缝设计尺寸根据《钢结构设计规范》(GB 50017)焊缝连接构造相关规定：“角焊缝的焊脚尺寸hf(mm)不得小于1.5 $\sqrt{t}$，t为较厚焊件厚度，mm；(当采用低氢型碱性焊条施焊时，t可采用较薄焊件的厚度)。但对埋弧自动焊，最小焊脚尺寸可减小1 mm；当焊件厚度等于或小于4 mm时，则最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同”。方钢管壁厚为4 mm，综合以上要求，焊缝尺寸设计为4 mm。以x轴向右为正向，y轴向上为正向，角度以x轴正向起逆转为正向，如图 2所示。钢材强度等级为Q235B，混凝土强度等级为C30。以试件长度(L)、偏心距(e) 和偏心方向(x，y)为T形钢管混凝土组合异形柱偏压承载能力的主要试验参数，9根试件的设计参数如表 1所示。

图 1 方钢管混凝土组合异形柱 Fig. 1 Composite columns with concrete-filled square steel tubulars special-shaped columns

图 2 T形方钢管混凝土组合异形柱截面图 Fig. 2 Section of T-shaped square steel tube concrete composite special-shaped column

表 1 试件设计参数 Table 1 Design parameters of test pieces

试件由钢管混凝土异形柱构件和钢盖板(400 mm×400 mm×30 mm)组成，如图 3所示。试件加工时，首先在试件底部焊接下端盖板，然后浇筑自密实混凝土，待混凝土养护完毕后，将试件上端端部用打磨机打磨平整，并焊接试件上端盖板，最后将柱铰固定件焊接在钢盖板上相应位置并固定柱铰。

图 3 试件设计图 Fig. 3 Design drawing of test piece

1.2 材料力学性能试验
1.2.1 钢材力学性能试验

钢材力学性能试验结果如表 2所示，实测钢材的屈服强度平均值为344.34 MPa，极限强度平均值为424.22 MPa。

表 2 钢材材性试验结果 Table 2 Steel material property test results

1.2.2 混凝土力学性能试验

试验采用C30混凝土一次浇筑完成，混凝土试样与钢管内的核心混凝土取自同一批次，并在自然条件下养护28 d以上。在浇注试件的同时，浇注2组(6个/组)边长为150 mm的混凝土立方体试块，与试件在同等条件下养护。材性试验结果如表 3所示，实测混凝土立方体抗压强度fcu平均值为44.78 MPa，换算混凝土轴心抗压强度fc平均值为33.76 MPa，换算弹性模量Ec平均值为33 734.77 MPa；混凝土轴心抗压强度fc与弹性模量Ec的换算方法采用Ding等[29]给出的不同强度等级的钢管混凝土在单轴受压状态下修正的应力-应变关系计算式，其中，fc=0.4fcu7/6，Ec=9 500fcu1/3。

表 3 混凝土材性试验结果 Table 3 Test results of concrete properties

1.3 加载方案

试验加载采用位移控制加载，初始加载速度为1 mm/min，每级位移为计算极限位移的1/10，持荷时间2 min；当荷载达到计算极限荷载的80%，加载速度为0.5 mm/min，每级位移为计算极限位移的1/20，持荷时间2 min；在荷载降低至极限荷载的75%或者试件变形过大不宜继续加载时停止试验，试验装置如图 4所示，加载制度如图 5所示。

图 4 试验装置图 Fig. 4 Test device

图 5 加载制度 Fig. 5 Loading system

1.4 测点布置

试件轴向位移、试件侧向位移以及钢管的纵向和横向应变为试验的主要测量内容，所有位移和应变数据均通过全自动静态采集仪和与之配套的数据采集系统采集。在试件的上部、下部各设置2个位移计，以测量试件的轴向位移；沿柱高在试件四分点处设置3个位移计，以测量试件侧向挠曲位移；在1/2柱高处的钢管角部设置2个位移计，测量试件的扭转位移。在试件1/2高度处沿钢管四周布置10片三轴45°应变花测量试件的纵向和横向应变，布置情况如图 6所示。

图 6 位移计及应变片布置示意图 Fig. 6 Layout of displacement meters and strain gauges

2 试验结果及分析
2.1 试验现象

3个短柱试件破坏过程基本相似，大致可分为4个阶段：1)从加载初期到90%极限荷载前，试件外观无明显变化，跨中挠度变化很小，挠度增长与荷载增长基本呈线性关系；2)荷载接近95%极限荷载时，受压区钢管表面出现轻微鼓曲，同时，试件出现微小弯曲变形，柱中侧向挠度逐渐增大；由于受压区钢材达到材料的屈服强度发生局部屈曲失稳，试件达到极限承载力；3)达到极限荷载后，受压区钢管表面鼓曲变形快速发展并逐渐形成鼓曲带，承载力开始下降，柱中侧向挠度继续增长；4)降至75%极限荷载时，试件弯曲变形严重，因局部屈曲失稳出现过大鼓曲变形，最终丧失承载力。

短柱试件出现先鼓曲后弯曲的破坏形态，表现出强度破坏的特征；整个加载过程中短柱试件未发生扭转变形；短柱试件中焊缝未出现可见的破坏现象，4根方钢管之间的焊缝均未发生开裂，方钢管与端板之间的焊缝亦未发生开裂，所有焊缝均未出现可见的损伤现象；表明4个方钢管可以很好地协同工作，共同受力。部分短柱试件的破坏过程如图 7所示。

图 7 短柱试件T-1破坏过程 Fig. 7 Failure process of short column T-1

6个长柱试件破坏过程大体相近，也大致分为4个阶段：1)从加载初期到80%极限荷载前，试件外观无明显变化，柱中挠度变形较短柱试件明显，挠度增长与荷载增长基本成正比；2)大约临近85%极限荷载时，试件弯曲变形明显，柱中截面侧向挠度增长加快，由于轴向力引起的P-δ二阶效应，轴向压力与水平变位的关系呈非线性，随着构件截面边缘开始进入塑性，截面内弹性区不断减小，截面上拉应力合力与压应力合力的力臂减小，内弯矩增量减小，而外弯矩增量随轴向压力呈非线性增长，使轴向压力与水平变位间的非线性更加明显，当截面上的抵抗弯矩增速低于二阶弯矩增速，试件达到稳定极限状态，稳定平衡打破，试件达到极限承载力；3)达到极限荷载后，承载力开始下降，试件弯曲变形严重，柱中侧向挠度迅速增大，受压区钢管表面出现局部鼓曲变形；4)最终弯曲变形过大，试件无法继续承载，弯曲变形基本符合半波正弦曲线。

长柱试件出现先弯曲后鼓曲的破坏形态，表现出弯曲失稳破坏的特征；整个加载过程中长柱试件没有出现扭转现象；长柱试件中焊缝亦未出现可见的破坏现象，4根方钢管之间的焊缝均未开裂，方钢管与端板之间的焊缝也未发生开裂，所有焊缝均未出现可见的损伤现象，表明4个方钢管之间协同工作性能良好，部分长柱试件破坏过程如图 8所示，图 9为全部试件的破坏结果。

图 8 长柱试件T-6破坏过程 Fig. 8 Failure process of long column T-6

图 9 1号至9号试件破坏结果 Fig. 9 Failure results of test pieces 1 to 9

2.2 试件极限承载力

表 1中列出了9个试件的偏心受压试验参数及极限承载力试验值Nue，从表 1可以看出：长细比相同的试件，极限承载力随偏心距增大而减小；偏心距相同的试件，偏心方向位于截面非对称轴(x轴)上时，试件极限承载力相对较高。

2.3 荷载-应变曲线

图 10为9个试件加载过程中柱高1/2处截面受压区和受拉区边缘钢材应变ε随荷载N的变化关系曲线，通过在柱1/2高度处粘贴应变花测得钢材应变，绘制N-ε关系曲线。从曲线中可以看出：1)加载初期，受压区和受拉区边缘纤维的纵向应变随荷载增加基本呈线性增长，接近极限荷载时，应变增长加快，且压应变增长较拉应变更快；2)从开始加载到临近极限荷载前，1号、3号、4号、5号、7号和9号试件均存在一段受压区和受拉区应变全为负值的时间范围，说明在此时段内试件全截面受压，当受压区钢材达到屈服应变，钢管壁表面出现鼓曲变形，此后，受拉区出现拉应变，试件逐渐到达极限承载力；3)当试件达到极限承载力时，试件受拉区和受压区钢材应力同时达到峰值，证明试件的协同工作性能较好，之后，随着应变增长，试件承载力下降段平缓，说明试件具有较好的延性性能；4)加载过程中，受压区应变大于受拉区应变，表明试件受压区先于受拉区屈服，试件破坏始于受压区开始退出工作；5)1号和4号试件N-ε曲线出现突然下降点，这是由于受压区钢材屈服，钢管壁局部屈曲失稳，出现鼓曲变形，导致承载力出现下降；6)相同长度的试件，随着偏心距的增加，试件的极限承载力降低。

图 10 1号至9号试件荷载-应变曲线 Fig. 10 Load strain curves of No. 1 to No. 9 test pieces

2.4 荷载-挠度曲线

在柱高1/2截面处放置位移计以测量其水平挠度w，为便于安装试件及位移测量仪器，而将1号试件与3号试件柱子中部位移测量仪器安装在试件弯曲面凸出一侧，得到负值位移；其他试件均安装在试件弯曲面凹进一侧，测量值为正值；为了更加直观地观察和分析9个试件的荷载与水平挠度曲线的特点，对测量的试验数据进行处理和分析后将数据都放置于坐标轴同侧，得到荷载N与柱高1/2处水平挠度w的关系曲线。图 11为1号~9号试件的N-w关系曲线，从图 11可以看出：1)在加载初期，挠度与荷载呈线性相关关系，随着荷载的增加，柱中截面水平挠度线性增大；2)达到极限承载力前柱中截面水平挠度值较小，接近极限荷载时，挠度增长加快，说明试件出现明显的弯曲变形；3)1号~3号短柱试件达到极限荷载时柱中截面水平挠度比长柱试件较小，随着试件长度的增加，试件达到极限荷载时，柱中截面水平挠度值呈现增大的趋势；4)1号试件水平挠度在达到极限荷载前出现反向挠度，与达到极限荷载后方向相反，这是因为在加载过程中压力机上端加载板通过万向球铰与压力机相连，由于对中误差的影响，竖向力不与万向球铰中心线重合，使上端加载板发生了微小的转动位移，不能保持为水平，试件受到水平分力的影响而出现附加的水平挠度，达到极限承载力后，试件出现较大的弯曲变形，正向挠度将反向挠度抵消，水平挠度逐渐正向增大。

图 11 荷载-挠度曲线 Fig. 11 Load deflection curves

2.5 柱中截面应变分布

图 12为试件T-2、T-5和T-7在不同受力阶段柱中截面上应变沿高度分布的关系曲线，从图 12可以看出：1)达到极限承载力之前，试件弯曲变形过程中柱中截面上沿高度分布的应变变化基本符合平截面假定，保持平截面变形；2)试件达到极限承载力后，柱中截面受拉区仍保持平截面变形，但受压区截面变形不再符合平截面假定；3)随着偏心距增大，受二阶效应的影响，中和轴向形心方向偏移；4)试件达到极限承载力后，由于受压区破坏并退出工作，中和轴逐渐向形心方向偏移。

图 12 试件柱中截面应变分布 Fig. 12 Strain distribution of the middle section of pieces

2.6 试验参数分析

表 4~表 6是对试验参数的正交分析结果，通过正交分析可知：1)试验结果直观分析显示，对T形方钢管混凝土异形柱偏压承载能力影响程度为B(偏心距)＞C(偏心方向)＞A(长度)；2)极差分析结果说明，偏心距是对偏心受压力学性能影响最大的因素，其次为偏心方向，试件长度的影响程度相对较小；3)方差分析结果表明，相关系数R-sq和R-sq(调整)都接近于1，一般线性模型拟合很好，方差分析结果可靠，3个试验参数中B(偏心距)和C(偏心方向)的P值均小于0.06，说明这两个参数对试验的影响程度比较高，表明对试验有显著影响的试验参数为偏心距和偏心方向。

表 4 试验结果分析 Table 4 Analysis of test results

表 5 试验结果均值响应分析 Table 5 Mean response analysis of test results

表 6 试验结果方差分析 Table 6 Variance analysis of test results

图 13为各因素指标对T形方钢管混凝土组合异形柱偏心受压承载力影响的变化趋势图。从图 13可以看出：偏心受压承载力随偏心距的增加而显著降低，而随着试件长度的增大和偏心方向的改变，偏心受压承载力变化程度相近；偏心距对偏压力学性能影响最大，其次为偏心方向，最后是试件长度。因此，在实际工程中，对T形方钢管混凝土组合异形柱偏心受压设计时，要着重考虑偏心距的限值范围，以保证结构安全性。

图 13 试验参数影响趋势图 Fig. 13 Influence trend of test parameters

3 承载力计算

当前已实施的有关钢管混凝土的规范和规程中对于钢管混凝土异形柱尚未有统一的设计计算方法。参考美国钢结构协会AISC-LRFD(1999)[30]规范、英国标准协会BS 5400 (1979)[31]规范、欧洲标准协会Eurocode 4 (1994)[32]规范、日本建筑学会AIJ(1997)[33]规范以及中国《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28:90) [34]与福建省工程建设标准DBJ/T13-51-2010[35]等关于钢管混凝土组合柱承载力的计算公式对9个试件进行验算，得出的计算值Nu与试验值Nue的比值结果如表 7所示。通过各规范、规程的计算结果对比可以发现：DBJ/T 13-51—2010和AIJ所得计算值与试验值最吻合，但AIJ计算结果的离散度高于DBJ/T 13-51—2010计算结果；Eurocode 4计算值与试验值吻合良好，但较DBJ/T 13-51—2010和AIJ稍差；BS 5400再次之；CECS计算值与试验值吻合程度一般，计算结果偏于不安全；AISC规范所得的计算值与试验值吻合度最低，计算结果过于安全。

表 7 试件偏压承载力各规范计算值与试验值比较 Table 7 Comparison between the calculated value and the test value of each code for bearing capacity of the test pieces

可见，采用钟善桐[36]提出的统一理论的DBJ/T 13-51—2010规范对T形方钢管混凝土组合异形柱偏心受压承载力的计算与试验结果符合最好。

4 结论

设计了9根T形方钢管混凝土组合异形柱试件进行偏压试验，主要结论如下：

1) 短柱试件的破坏形态主要为截面强度破坏，长柱试件主要为弯曲失稳破坏；试件在接近极限承载力时才出现较为明显的变形，试件弯曲变形近似正弦半波曲线，未出现扭转变形。

2) 短柱试件达到极限荷载时，柱中截面水平挠度小于长柱试件。随着试件长度的增加，达到极限荷载时柱中挠度逐渐增大；随着偏心距的增加，其极限承载力随之减小。

3) 试件受力过程中，柱中截面应变分布符合平截面假定，受压区先于受拉区屈服，拉、压区变形协调，试件各部分协同工作性能较好，试件具有较好的延性性能。

4) 偏心距对试件偏压力学性能影响最大，其次为偏心方向，最后是试件长度，偏心距和偏心方向对偏压力学性能的影响较试件长度更为显著。

5) 对比6种规范的计算结果以及试验结果发现，规范DBJ/T 13-51—2010和AIJ建议的钢管混凝土承载力计算公式所得计算值与试验值吻合最好，但DBJ/T 13-51—2010计算结果离散性更小。

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    李泉 , 周学军 , 李国强 , 刘哲 , 王振 , 王兴博 , 咸国栋