圆钢管钢筋混凝土轴压短柱试验与承载力计算

 张玉琢1，  吕学涛2，  刘海卿2

（1辽宁工程技术大学土木与交通学院，阜新123000；2辽宁工程技术大学建筑工程学院，阜新123000）

[摘要]  为研究圆钢管钢筋混凝土轴压短柱承载力计算方法，以配筋率为变化参数进行了6个圆钢管钢筋混凝土短柱的轴压试验。结果表明，圆钢管钢筋混凝土轴压短柱在峰值荷载之前的荷载-位移曲线呈线性变化，试件的破坏形态呈剪切破坏，由于配筋对混凝土的进一步约束，试件具有较高的承载力和很好的延性。通过试验数据对比，进一步验证了采用叠加法计算圆钢管钢筋混凝土轴压短柱承载力的计算方法是可行的，《实心与空心钢管混凝土结构技术规程》( CECS 254:2012)和《钢管混凝土结构技术规程》(CECS 28: 2012)的计算结果和试验结果吻合较好。

[关键词]  钢管钢筋混凝土；短柱；轴压试验；极限承载力；计算方法

中图分类号：TU352.5  文章编号：1002 -848X(2016) 07 -0064 -04

0  引言

 钢管混凝土结构因充分发挥钢管和混凝土各自的优势，具有承载力高和塑性变形能力强的特点，随着对钢管混凝土研究的深入及工程应用实例的增多，我国相继颁布多部关于钢管混凝土结构设计的行业技术规程（或标准），这为拓宽钢管混凝土在实际工程中的应用和推广奠定了技术支撑。近年来，随着超高层建筑等结构对高耸、重载要求的进一步提高，研究人员开始在钢管素混凝土柱中加配钢筋形成钢管钢筋混凝土柱，从而改善柱的受力性能。

 研究人员针对圆钢管钢筋混凝土柱进行了试验研究和理论分析，但有关圆钢管钢筋混凝土短柱承载力设计方法的研究尚不够完善，为使圆钢管钢筋混凝土短柱的承载力设计方法与现有的行业技术规程（或标准）更好地衔接，从而方便工程技术人员理解和应用，本文在进行6个圆钢管钢筋混凝土短柱轴心受压加载试验、分析其承载力和延性等力学性能的基础上，结合现有的4部钢管混凝土规程（或标准），利用本文及以往试验数据验证采用叠加法计算圆钢管钢筋混凝土轴压短柱极限承载力的计算方法，以期为工程实践提供参考。

1  试验概况

 制作了2组共6个以截面配筋率为变化参数的试件，试件配置C30商品混凝土，钢管采用Q235级，纵筋采用HRB335级，混凝土保护层厚度为25mm，试件相关参数及混凝土力学性能见表1，钢材力学性能指标见表2。将钢板按照要求的截面尺寸卷成钢管，采用对接焊缝焊接成型，钢管两端截面刨平，试件两端各制作一个10mm厚的盖板，浇筑前钢管底部用塑料薄膜密封，混凝土封层振捣密实，浇筑完毕后，将顶部混凝土抹平，放置室内进行自然养护。

 试验在哈尔滨工业大学土木工程学院结构与抗震实验中心5 000kN压力试验机上进行，按照位移控制的加载制度进行分级加载(图1(a))，每级荷载为预计荷载的1/10，每级持荷2~3min，加载速度为2kN/s。应变计布置如图1(b)所示，将试件沿柱中截面周长四等分，在等分点处布置沿环向和纵向的一对电阻应变计，每个试件共布置8个电阻应变计，以测量钢管的应变，同时布置4个LVDT位移传感器测量构件轴向变形，构件加载装置和测量系统布置图如图1所示。

2  试验结果及分析

2.1试件破坏过程及形态

 6个试件的破坏形态均属于剪切破坏。加载初期，试件表面无明显变化，钢管的轴向和环向应变均不大，试件处于弹性受力阶段；随着荷载的进一步增加，在试件的两端部首先出现少量的剪切滑移线，同时局部可见微小鼓曲；当荷载增加到峰值荷载的85%左右后，钢管表面的剪切滑移线逐渐向中部扩展，钢管局部屈曲明显可见，试件进入塑性变形阶段；伴随内部混凝土清晰的碎裂声，变形继续增大，而承载力不再增加，预示着试件达到峰值荷载；随后钢管局部屈曲更加明显，同时在柱中某一薄弱部位发生剪切破坏，破坏角均在450~ 600之间，当荷载降到峰值荷载的80%或者变形超过20mm后可认为试验结束。所有试件的破坏形态如图2所示。

2.2荷载-轴向变形关系曲线

 试验机自动采集的荷载-轴向变形关系曲线如图3所示。由图3可以看出，所有试件的荷载一轴向变形关系曲线变化趋势大致相同，都经历了弹性上升段、弹塑性下降段和表现出再回升趋势段三个历程。构件加载初期((0~80%)Nu)，荷载与轴向变形呈线性关系增长，轴压刚度基本保持不变；但当加载至峰值荷载后，表现为荷载开始下降，轴向变形继续增长，而试件下降段荷载下降并不明显，部分试件的轴压刚度还有一定的回升，总体来说，由于配筋对混凝土的进一步约束，试件具有更高的承载力和良好的变形能力。

2.3荷载-纵向应变关系曲线

 试验测得的同一试件4个面应变发展基本一致，故给出各试件钢管纵向应变和环形应变的算术平均值εh和εv。试验实测的荷载-纵向应变关系曲线如图4所示。由图4可以看出，试件在轴向压力作用下，钢管荷载-纵向应变关系曲线在很大范围内(0~ 400με) 呈直线，由于钢筋和核心混凝土共同协调对外部圆钢管起到支撑作用，延缓甚至避免圆钢管的过早屈曲，同时核心混凝土受到圆钢管和钢筋的双重约束作用，有效地延缓其纵向开裂，改善了素

混凝土的变形能力。

2.4荷载一环向应变关系曲线

 试验实测的荷载一环向应变关系曲线如图5所示。由图5可以看出，加载初期，圆钢管环向应变在一定范围内较小，说明圆钢管在加载初期并未对混凝土产生约束作用；随着荷载的增加，内配钢筋混凝土的环向应变逐渐大于圆钢管的环向应变时，圆钢管的环向应变逐渐增大；荷载继续增加，圆钢管对内配钢筋混凝土的约束作用持续增大，至圆钢管屈曲之后，环向应变迅速增大。钢管屈曲后，环向应变迅速增加，试件的极限环向应变均超过0. 004，

圆钢管钢筋混凝土柱中钢管因核心混凝土受压膨胀存在较大的环向应力，即钢管对核心混凝土的约束作用显著。图5(b)与图5(a)相比，两组试件达到极限荷载后，环向应变都迅速增大，但荷载下降缓慢，说明一定范围内高配筋率对核心混凝土的开裂起到更好的控制作用，改善了混凝土材料的不均匀性，从整体上增强了试件的延性。

3  圆钢管钢筋混凝土轴压短柱承载力计算

 目前，我国现行多部设计规程或标准中给出了圆钢管混凝土柱承载力的计算方法，但规程或标准中暂未直接给出圆钢管钢筋混凝土轴压短柱的承载力计算方法，国内研究人员普遍采用叠加法给出圆钢管钢筋混凝土轴压短柱配筋作用后的极限承载力Nu0为：

 目前有关钢管钢筋混凝土柱的试验研究不多，基于叠加法的各规程计算公式有待验证。为此，采用式(1)计算了圆钢管钢筋混凝土轴压短柱承载力，将计算结果与试验结果进行对比（表3），其中，规范中关于求解Nu0的计算公式通常有统一强度理论和套箍理论。

3.1统一强度理论计算公式

 CECS 254: 2012及钟善桐提出的钢管素混凝土柱承载力计算公式如下：

 式(6)中各符号含义见DBJ  13 -51-2010。

3.2套箍理论计算公式

蔡绍怀提出的钢管混凝土柱承载力计算公式如下：

式(9)，(10)中各符号含义。

 采用式(1)对圆钢管钢筋混凝土轴压短柱承载力进行计算(式(1)中Nu0分别采用式(2)，(6)，

(7)，(9)进行计算），并将计算结果与试验结果进行对比分析，具体结果见表3。由表3可知：总体上看计算值与试验值吻合较好，说明采用式(1)计算是可行且偏于安全的；采用统一强度理论的式(2)，(6)和采用套箍理论的式(7)，(9)虽然在形式上存在较大的差异，但是计算结果相近；总体上说，CECS254: 2012和CECS 28: 2012的计算值与试验值最为吻合，偏差在8%以内，且偏于安全；DBJ 13-51-2010的计算值富余较多，偏于安全；采用式(7)的个别试件的计算值略大于试验值，公式有待更多圆钢管钢筋混凝土试验数据验证。

4  结论

 (1)圆钢管钢筋混凝土轴压短柱的破坏形态主要呈剪切破坏，试件在峰值荷载之前的荷载一轴向变形关系曲线基本呈线性变化，圆钢管钢筋混凝土轴压短柱具有较高的承载力和良好的延性。

 (2)基于统一理论和叠加法，计算圆钢管钢筋混凝土轴压短柱极限承载力采用式(1)是可行的，且与现有规程计算公式能够很好地衔接，从安全性和经济性的角度综合考虑，采用CECE 254: 2012和CECS 28:2012计算圆钢管钢筋混凝土轴压短柱承载力结果与试验结果吻合较好。