双钢管高强混凝土短柱偏心受压性能试验
钱稼茹1, 张扬1, 张微敬2
1. 清华大学 土木工程系, 土木工程安全与耐久教育部重点实验室, 北京 100084
2. 北京工业大学 建筑工程学院, 北京 100124

作者简介: 钱稼茹(1946—), 男(汉), 江苏, 教授。E-mail:qianjr@mail.tsinghua.edu.cn

摘要

通过偏心率为0.2~0.6、 截面尺寸为180mm×180mm、 高度为600mm的16个试件的静力试验,研究了外方内圆双钢管高强混凝土短柱的偏心受压性能。试验结果表明: 试件的破坏形态为整体弯曲及方钢管壁板局部鼓曲,剩余轴压力为峰值轴压力的75%以上; 增大方钢管含钢率或增大偏心率,双钢管高强混凝土短柱偏心受压承载力增大。采用叠加法计算得到的双钢管高强混凝土短柱试件的偏心受压承载力,与试验结果符合良好。

关键词: 双钢管高强混凝土短柱; 偏心受压; 偏心率; 静力试验; 叠加法
中图分类号:TU398.1;TU317.1 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2015)01-0001-07
Eccentric compressive behavior of high strength concrete filled double-tube short columns
Jiaru QIAN1, Yang ZHANG1, Weijing ZHANG2
1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of the Ministry of Education, Department of Civil Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
Abstract

Static tests were conducted on 16 high strength concrete filled double-tube (CFDT) short column specimens with eccentricity ratios 0.2-0.6. The tests studied the eccentric compressive behavior of the CFDT short columns. All the specimens had identical section dimensions of 180 mm×180 mm and heights of 600 mm. The test results indicate that all the specimens failed in bending of the column and local buckling of the steel plates of the external square tube. The residual compressive force is larger than 75% of the maximum compressive force. Increasing the steel ratio of the square steel tube or the eccentricity ratio of the compressive load increases the eccentric compressive capacity of the CFDT short columns. The eccentric compressive capacity of the specimens calculated by the superposition method agrees well with the test results.

Keyword: high strength concrete filled double-tube short column; eccentric compression; eccentricity ratio; static test; superposition method

框架-核心筒是中国钢筋混凝土超高层建筑的一种主要结构体系,框架柱为满足轴压比限值的要求,其截面往往很大,不但增加建造成本,而且减小使用面积。为减小柱截面尺寸,同时满足规范对轴压比、承载力、刚度的要求,可以在柱内设置钢骨或钢管,或采用钢管混凝土柱,称为钢-混凝土组合柱。外方内圆双钢管高强混凝土柱(简称双钢管混凝土柱)是一种新型钢-混凝土组合柱,由外方钢管、内圆钢管以及钢管内的高强混凝土组成。由于没有工程需求,未见国外对双钢管混凝土柱的研究成果发表。国内对双钢管混凝土柱的轴心受压性能已有一定的研究成果。王志浩等[1]、 裴万吉[2]、 张志权等[3]、 钱稼茹等[4]对双钢管混凝土柱进行了轴心受压试验及分析研究,提出了轴心受压承载力计算公式,试验及分析研究表明,双钢管混凝土柱具有轴心受压承载力高、轴向变形能力大等优点,特别适合用作以受压为主的超高层建筑的框架柱。对于圆钢管混凝土柱及方钢管混凝土柱的偏心受压性能,国内外已有比较多的研究[5,6,7,8,9], 但对于双钢管混凝土柱的偏心受压性能,目前研究成果还不多,仅裴万吉[2]介绍了3个试件的小偏压试验和3个试件的大偏压试验,小偏压试验结果表明,内圆钢管对管内混凝土有约束作用,构件整体复合作用显著。

本文通过16个双钢管混凝土短柱试件的静力试验,研究双钢管混凝土短柱的偏心受压性能,并提出其偏心受压承载力计算方法。

1 试验概况
1.1 试件设计

16个双钢管混凝土短柱试件的外形尺寸相同,高度均为600mm, 截面尺寸均为180mm×180mm, 即方钢管截面的边长为180mm。试件主要变化参数为: 方钢管的壁厚,圆钢管的直径和壁厚,轴压力的偏心率,钢管内、外混凝土强度。试件主要参数列于表1

表1 试件主要参数

表1 D为圆钢管外直径。 t1 t2分别为圆钢管壁厚和方钢管壁厚。 fcu,m为混凝土立方体抗压强度平均值(即实测值), 为3个150mm立方体试块实测抗压强度的平均值。 fc,m为圆钢管内混凝土轴心抗压强度平均值, fc,m= k1 fcu,m; fcu,m分别为87.5MPa和105.7MPa时, k1分别为0.81和 0.84[10] θt为圆钢管混凝土套箍指标试验值, θt=( fa Aa)/( fc,m Ac,cor); fa为圆钢管钢材实测屈服强度, Aa为圆钢管截面积, Ac,cor为圆钢管内混凝土截面积。 ρ为方钢管含钢率, ρ=As/ A; As为方钢管截面积, A为试件全截面面积。 λ为轴压力的偏心率, λ=e0/( hc/2); hc为柱的截面高度, e0为轴压力的偏心距。

试件的圆钢管和方钢管均为直缝焊接管。钢管钢材的实测屈服强度如表2所示。表2中, B为试件方钢管截面边长; fs fa分别为方钢管钢材和圆钢管钢材屈服强度实测值; εy为钢管钢材屈服应变,按弹性模量为2.05×105 MPa计算得到。

表2 钢管钢材屈服强度实测值及屈服应变
1.2 加载装置和试验量测

采用5000kN四柱液压普通长柱试验机、单调加载进行试件的偏心受压试验。试验机上、下端头各有一个可以单向转动不超过5°的平板铰; 试件的两端安装了高度为100mm的钢夹具,防止柱端由于应力集中发生局部破坏。加载装置简图如图1a所示。

图1 试验加载装置简图及量测布置

试验量测包括: 施加的轴压力,竖向位移,钢管应变。本文将沿试件的高度方向定为竖向,沿试件的截面方向定为横向。在试件每个面的中心线各布置一个竖向位移计(图1a), 量测标距为400mm, 即试件两端钢夹具的距离。在试件跨中(即试件高度的一半)截面,方钢管及部分圆钢管上布置应变片,其编号如图1b所示。其中,编号1~8的应变片布置在方钢管截面边长的中心线位置,单数为竖向应变片,双数为横向应变片; 编号9~12的4组竖向应变片布置在方钢管的腹板上; 编号13~18的应变片布置在圆钢管上,单数为竖向应变片,双数为横向应变片。

16个偏心受压双钢管混凝土短柱试件的破坏过程相似。加载初期,试件外形无可见变化; 接近其峰值轴压力时,可以听到试件内部细小的噼啪响声,表明钢管内混凝土开裂; 峰值轴压力后,方钢管受压翼缘局部鼓曲,随着竖向变形增大,方钢管腹板局部鼓曲。试验加载结束时,偏心率为0.2的试件,方钢管鼓曲连成一圈; 偏心率大于0.2的试件,方钢管除受拉面以外的3个面鼓曲。试件的破坏形态为整体弯曲及方钢管壁板局部鼓曲,与王连广等[11]截面中部埋设钢骨的方钢管高强混凝土柱的偏心受压破坏形态类似。图2所示为偏心率0.2、 0.4和0.6的3个试件破坏后的照片。

2 试验结果及分析
2.1 破坏过程及破坏形态
2.2 跨中截面竖向应变分布

图3所示为偏心率0.2、 0.4和0.6的3个试件在不同轴压力 N作用下,跨中截面竖向应变沿截面高度的分布。图3中,纵座标0mm为方钢管受压翼缘最外边缘, 180mm为方钢管受拉翼缘最外边缘。由图3可见,不同偏心率双钢管混凝土短柱跨中截面的竖向变形基本符合平截面假定。

图3 试件跨中截面竖向应变沿截面高度分布

2.3 轴压力-跨中截面受拉(受压)边缘竖向应变( N-ε)关系

图4所示为试件的轴压力-跨中截面受拉(受压)边缘竖向应变( N-ε)关系曲线。由图4可见,加载初期大部分试件截面有受拉和受压。

图4 试件轴压力-跨中截面受拉(受压)边缘竖向应变( N-ε)关系曲线

2.4 轴压力-跨中挠度( N-f)曲线

图5所示为试件的轴压力-跨中挠度( N-f)曲线。跨中挠度 f通过试件的实测竖向位移采用式(1)—式(3)计算。

图5 试件轴压力-跨中挠度( N-f)曲线

f=yx2+(l0-2Δt)24-x, (1)

x=(D1+D2)(l0-2Δt)2(Δc-Δt), (2)

y=l0-2Δc+2(D1+90)(Δc-Δm)/D1l0-2Δt. (3)

其中: D1 D2分别为受压翼缘位移计与受拉翼缘位移计到试件截面中心线的水平距离; B为方钢管边长; l0为位移计的量测标距400mm; Δc、 Δt分别为受压翼缘竖向位移和受拉翼缘竖向位移; Δm为腹板中心线竖向位移。

图5表明,偏心受压双钢管混凝土短柱试件的受力性能大致可分为3个阶段。加载初期, N-f呈线性关系,在其他参数不变的情况下,直线的斜率随偏心率的增大而减小、随方钢管含钢率的增大而增大,即试件的初始偏压刚度( N/f)随偏心率增大而降低、随方钢管含钢率增大而增大; 大于约峰值轴压力的80%左右(偏心率小的试件为90%左右)时, N-f关系呈非线性,试件进入弹塑性阶段; 峰值点后轴压力下降,下降至一定值后,随挠度增大轴压力不再下降或下降不多。圆钢管直径为 89mm、 偏心率为0 .2的2个试件I-CFDT1-1和 I-CFDT7-1 的剩余轴压力为峰值轴压力的75%左右,其它试件的剩余轴压力为峰值轴压力的80%以上。

2.5 偏心受压承载力

表3列出了试件的实测最大轴压力N即偏心受压承载力,以及最大轴压力对应的弯矩M, M=Ne0。结果表明:

1) 增大方钢管含钢率,偏压承载力增大;

2) 偏心率不大于0.6时,增大偏心率,虽然偏压承载力N降低,但偏压承载力对应的弯矩M增大;

3) 在本文试件及偏心率的情况下,其他参数相同时,圆钢管内外混凝土强度的差异对双钢管混凝土短柱偏压承载力影响不大。

表3 试件偏压承载力试验结果及计算结果
3 偏压承载力计算及比较

采用叠加法计算双钢管高强混凝土短柱的偏压承载力 Nu,即 Nu =Nu1 +Nu2 . (4)其中: Nu1为内圆钢管混凝土的偏压承载力; Nu2为扣除圆钢管混凝土后外方钢管混凝土的偏压承载力。按JGJ 3-2011《高层建筑混凝土结构技术规程》[12]的规定计算 Nu1,即

Nu1lφe -Ni. (5)

其中: Ni为圆钢管混凝土短柱的轴心受压承载力; φl为考虑长细比影响的折减系数; φe为考虑偏心率影响的折减系数。

为方便计算 Nu2, 扣除的圆钢管混凝土截面取为边长 D的正方形,成为箱型截面方钢管混凝土,如图6所示。图6中, hf bf分别为箱型截面翼缘混凝土和腹板混凝土的厚度。按CECS159:2004《矩形钢管混凝土结构技术规程》[13]的规定计算 Nu2,即

Nu2Ns,s+Nc,out+(1-αc)M2'Mu2=1 . (6)

图6 箱型截面方钢管混凝土示意图

其中: Ns,s Nc,out分别为方钢管和方钢管与圆钢管之间混凝土的轴心受压承载力; Mu,2为箱型截面方钢管混凝土的受弯承载力,按CECS159:2004[13]计算; M'2为承载力极限状态下箱型截面承担的弯矩; αc为混凝土工作承担系数,分别按式(7)和式(8)计算。

M'2 = Mu2Mu1+Mu2M, (7)

αc = fc,oAc,bfsAs+fc,oAc,b . (8)

其中: Mu1为圆钢管混凝土的受弯承载力,按JGJ 3-2011[12]计算; M为偏心轴压力产生的弯矩; fs As分别为方钢管钢材屈服强度和截面积; fc,o Ac,b分别为箱型截面混凝土的轴心抗压强度和截面积。将式(3)和式(4)计算得到的 Nu1 Nu2代入式(2), 即可得到双钢管混凝土短柱偏心受压承载力 Nu。由叠加法计算得到的试件偏心受压承载力 Nu列于表3,表3 β为叠加法计算结果与试验值之比。由表3可以看出,叠加法计算结果与试验结果符合良好,且偏于安全。

4 结论

本文通过16个外方内圆双钢管高强混凝土短柱试件的偏心受压试验及其承载力计算,得到如下主要结论:

1) 偏心率为0.2~0.6的双钢管混凝土短柱试件的破坏形态相似,为整体弯曲、方钢管壁板局部鼓曲,偏心受压双钢管混凝土短柱具有比较大的剩余承载力。

2) 方钢管含钢率、偏心率是影响双钢管混凝土短柱偏压承载力的主要因素。偏心率不大于0.6时,增大偏心率,虽然偏压承载力N降低,但偏压承载力对应的弯矩M增大; 双钢管混凝土短柱圆钢管内、外混凝土强度的差异对其偏压承载力影响不大。

3) 偏心受压双钢管混凝土短柱跨中截面的竖向变形基本符合平截面假定,其偏压承载力可采用叠加法计算。

The authors have declared that no competing interests exist.

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