薄壁钢管混凝土长柱轴压性能试验研究

第35卷第1期建　筑　结　构2005年1月
薄壁钢管混凝土长柱轴压性能试验研究
张耀春　许　辉　曹宝珠
(哈尔滨工业大学土木工程学院　150090)
[提要]　对8根方形和八边形薄壁钢管混凝土长柱的轴压性能进行了试验研究,柱的长宽比为14～40,管壁板件的宽厚比为67～125。

试验结果表明,方形薄壁钢管混凝土长柱的轴压破坏为弯曲屈曲破坏,八边形薄壁钢管混凝土长柱的破坏主要表现为强度破坏,破坏之前钢管均发生了局部屈曲现象。

柱子的承载力随着长细比的增加而显著下降。

在薄壁钢管混凝土短柱试验结果的基础上,线性回归了方形轴压长柱极限承载力折减系数,在上述长宽比的范围内,公式计算值与试验结果吻合良好。

[关键词]　薄壁钢管混凝土　长柱　轴压　静力性能　承载力　折减系数　局部屈曲
Experimental R esearch on Static B ehavior of Axially Loaded Long Column of Concrete2f illed Thin2w alled Steel Tube Author:Zhang Y aochun,Xu hui,Cao Baozhu(School of Civil Eng.,Harbin Institute of Technology,150090,China) Abstract:Experiments have been carried out to8long columns of concrete2filled thin2walled steel tube under axial load.Their cross2sections are square or octagon.The length2width ratio of the columns is14～40,and the width2 thickness ratio of the tube plates is67～125.The experimental results show that damage mode of the square long columns is flexural buckling failure,and that of the octagon long columns is mainly strength failure.The local buck2 ling occurs in the plates of the steel tube before failure.The ultimate load greatly drops with the increasing of slender2 ness ratio of the column.Based on the experimental results of stub columns of concrete2filled thin2walled steel tube, the ultimate load reduction factor is linearly regressed counting for the effect of slenderness ratio.The calculation re2 sults are basically identical with experimental ones.
K eyw ords:long columns;concrete2filled thin2walled steel tube;axial load;reduction factor;local buckling
国内外学者对多边形薄壁钢管混凝土长柱静力性能的研究刚刚起步[123]。

由于薄壁钢管混凝土轴压长柱在最终破坏之前管壁均发生了局部屈曲现象,如用理论方法分析其静力性能必须考虑管壁与内填混凝土以及柱子整体稳定与管壁局部稳定之间的相关作用,影响因素多,计算十分复杂。

故从实用角度入手,利用有效宽度方法,考虑管壁局部屈曲后的性能,通过线性回归提出了方形长柱极限抗压承载力的算法。

一、试验概况
11试件参数
共进行了5根方形和3根八边形薄壁钢管混凝土长柱的轴压试验,试件的具体参数见表1。

21试件制作
制作方形(八边形)薄壁钢管时,先按要求的长度将薄壁钢管冷弯成2个半方形(半八边形)截面的管柱,然后对焊,其截面如图1所示。

在空钢管的一端焊上盖板,兼作浇灌混凝土的底模,另一端盖板等混凝土灌满、养护和打磨平整之后再焊接,盖板和空钢管的几何中心对中。

然后在上盖板表面的柱子截面形心处焊上钢榫,保证其与盖板垂直。

浇灌钢管内混凝土时,采用人工浇灌。

用5cm直
试件参数表1试件
编号
宽度b
(mm)
壁厚t
(mm)
柱长L
(mm)
L0
α
(%)
ξL0
b
b
t
λ
f y
(MPa)
f ck
(MPa) LC4211000183000314431201300311412510819330103513 LC422120110240025443130128721121207314307133513 LC42310011230003162418014103116831310915216122513 LC424100110200021404110129921141007411216172917 LC42515021020002140516014471413754914237102917 LC82180018300031431170115839131005715330103514 LC8229011024002542118011572813904113307133513 LC823801123000316221501214391683135718216123513 注:LC4代表方形截面;LC8代表八边形截面;L为钢管长度;t 为薄壁钢管壁厚;b为薄壁钢管边长;L0为薄壁钢管混凝土长柱的计算长度(柱计算长度L0=L+2h1+2h2,h1为柱端焊接钢盖板厚度,为10～20mm;h2为加荷板厚度,为60mm);λ为构件的长细比(方形截面柱λ=23L0/b,八边形截面柱λ=L0/i,i为截面回转半径);α为含钢率,α=A s/A c;ξ为套箍系数,ξ=αf y/f ck,f ck为混凝土轴心抗压强度标准值;f y为钢材的屈服强度。

径振捣棒振实。

31加载设备及监测方法
试验所有试件都在哈尔滨工业大学力学与结构试验中心的5000kN压力机上进行。

为了避免构件发生
82
图1　薄壁钢管混凝土长柱构造图
平面外失稳,采用刀铰和加载板相结合的加载方法,上下刀铰处于加荷板中心凹槽内。

试验加载装置如图2所示。

由于试件焊接处有残余应力以及试件本身存在缺陷,加载时很难物理对中,因此采用严格的几何对中。

分级加载,弹性范围内每级荷载为预计极限荷载的
1/10,加载后期,每级荷载为预计极限荷载的1/15,持
荷时间约为2min ,接近破坏时持续慢速加载。

用应变片监测钢管的横向和纵向应变,具体布置在钢管易发生局部屈曲的部位,即在柱子的三分点和中心处分别布置8个应变片,共24个应变片。

两端和柱中处共布置3个位移计,用来测定柱子在弯曲平面内的挠度。

上加荷板对称布置4个位移计,以测量上端板刀铰的转动情况。

柱中平面外布置1个位移计以测定柱子的侧向挠度。

下端板处对称布置4个百分表,测量下端板的转动情况和柱子的纵向位移。

二、试验结果及分析
1.试验现象
长柱破坏情况如图3所示。

方形薄壁钢管混凝土长柱均为整体弯曲失稳破坏,最终破坏时柱中发生了图2　试验加载装置
较大的挠度。

试验过程中发现,绝大部分试件在弹性范围的加载初期,柱内荷载与纵向百分表读数成线性比例增加,挠度几乎没有发生变化,也没有发生局部屈曲现象。

荷载增至30%～40%极限荷载时,出现轻微的钢板与混凝土剥离声,钢管出现非常不明显的局部屈
曲。

加载到极限荷载的70%～80%时,柱上端处的钢
管出现明显的局部屈曲,随之在柱子两端四分之一和柱中部位先后出现明显的局部屈曲,伴随着混凝土与钢管剥离和混凝土开裂的声音。

接近破坏时外荷载增量很小,而柱中挠度却发展很快。

达到极限荷载后,随着砰的一声响,柱子承载力急剧下降,同时挠度急剧增加,柱子发生最终破坏。

局部屈曲主要集中在柱子中部范围内,接近对称分布,局部屈曲产生的半波距绝大多数约为一倍柱宽。

柱子的受压侧发生了严重的局部屈曲现象;受拉侧除在柱中部位发生了明显的弯曲外,其它部位没有发生变化。

图3　薄壁钢管混凝土长柱的破坏图片
八边形薄壁钢管混凝土长柱由于长细比和含钢率
较小,截面较大,混凝土所占比重大,破坏时变形小,脆性大,主要表现为强度破坏,受压区混凝土均被压碎。

加载到极限荷载的35%～40%时,开始出现钢管与混凝土的剥离声音,柱上端盖板以下部位开始出现微小局部屈曲现象。

随着荷载的增加,柱中压应力较大的一侧钢管发生局部屈曲,随之扩展到相邻面,并且彼此连贯。

最后压应力较大一侧混凝土被压碎,引起柱子的最终破坏。

其中试件LC821的破坏有所不同,是在柱端发生局部弯曲破坏的,这是由于柱上端混凝土浇注不密实等缺陷所致。

9
2
2.荷载2
柱中挠度曲线分析
图5　长柱轴压荷载2柱中纵向应变曲线(应变片1和3及2和4处于相对表面
)
图4　长柱轴压荷载2柱中挠度曲线
根据试验数据得到试件的荷载2柱中挠度曲线如图4所示。

由图可知,试件尽管经过了严格的几何对中,但是在加载后期柱中都产生了一定的挠度,并非失稳时才突然发生。

绝大多数试件在极限荷载的80%～90%以下时挠度发展很小,曲线和横轴接近垂直关系,在超过该范围之后柱中挠度发展速度才大幅度增加。

由于二阶效应的影响,当柱中挠度达到某一临界值时,二阶弯矩增长速度开始大于截面抵抗弯矩增长速度,荷载下降,而变形迅速发展,随之柱子发生极值点失稳破坏。

所以说由于荷载的偶然偏心,或由于材料本身的不均匀性,或由于柱子本身的初始缺陷,理想中心受压柱是不存在的。

试验中有两个较特殊的情况。

一是长细比和钢板宽厚比均较大的轴心受压试件LC421(b/t =125),柱中挠度在极限荷载的36%左右就有较大的发展,说明
大长细比且具有大宽厚比的薄壁钢管混凝土轴心受压柱容易发生弯曲失稳破坏。

另一个是试件LC822,由于柱中位移计正位于钢管局部鼓曲处,造成其荷载2柱中挠度曲线来回波动,曲线的规律性较差。

薄壁钢管混凝土长柱达到极限荷载时,平面外最大挠度一般只有平面内最大挠度的10%左右,故轴心受压长柱只发生平面弯曲失稳破坏。

3.荷载2柱中应变关系
由于管壁局部屈曲的影响,测得的各试件的荷载2纵向应变关系曲线差别较大(图5)。

这些曲线总体上具有如下特点:当荷载较小时,随着荷载的增加,各面的纵向应变呈线性增加趋势;某些试件(LC422,LC822)在加载到30%～40%极限荷载时,纵向应变有明显的波动,说明这些试件的纵向应变片正好位于管壁的局部屈曲处,反映了管壁局部屈曲发生时管壁表面纵向应变的变化情况;当荷载继续增加时,处于柱子弯曲外
3
凸面的应变片的纵向应变开始发生逆转,表明柱子已产生了明显的弯曲屈曲现象。

由于局部屈曲的干扰,无法用所测得的应变推求管壁的应力,只能用其粗略判断局部屈曲和整体屈曲时的荷载值。

三、方形长柱的极限承载力
取薄壁钢管混凝土短柱的轴压极限承载力作为相应长柱的轴压强度承载力,采用文[5]的计算公式:
N 0=k t f ck A c +f y A se (1)k t =110109+211366ξ
(2)
其中,管壁的屈曲后性能是建立在有效宽度理论上的。

达到极限状态时管壁的有效宽度b e 按文[5]的式(3)计算。

考虑到八边形轴压长柱的试验点太少,暂时仅对方形轴压长柱的试验数据进行回归。

先根据式(1)计算出方形薄壁钢管混凝土轴压长柱的强度承载力。

由于轴压长柱的极限承载力随着长细比的增大而显著降低,因此在方形薄壁钢管混凝土轴压长柱强度承载力的基础上乘以一个考虑长细比影响的折减系数φl ,
方形轴压长柱计算结果
表2
试件编号L 0b
N 0
(kN )N u
(kN )
φ3
l φl
N u0
(kN )N u0N u
LC4213114461317285014650150230811080LC422211283716735018770177765101886LC4233116253519266014960149826711004LC424211453214418017850177041001981LC425
14127147414132501899
01962
1418
11070
注:N 0为方形轴压长柱的强度承载力计算值;N u 为方形轴压长柱极限承载力试验值;N u0为方形轴压长柱极限承载力计算值;φ3l 为由试验值得到的折减系数值;φl 为折减系数计算值;N u0/N u 的均值为11004,均方差为010049。

图6　长宽比与折减系数φl 拟合曲线
然后根据轴压长柱的长宽比和折减系数φl 点的分布规律,对其进行线性回归。

计算结果见表2。

方形薄壁钢管混凝土轴压长柱折减系数的拟合曲线如图6所示。

由拟合得到的折减系数φl 的简化公式和薄壁钢管混凝土长柱轴压极限承载力N u0的计算公式如下:
φl =11345-010268L 0/b (1218<L 0/b <50)φl =110
(L 0/b ≤1218)(3) N u0=φl N 0(4)
四、结论
(1)所研究的方形薄壁钢管混凝土轴压长柱的破
坏均呈现弯曲失稳破坏;八边形薄壁钢管混凝土轴压长柱的破坏主要表现为强度破坏,达到极限荷载时变
形小。

两类试件在最终破坏前均出现了管壁的局部屈曲现象。

(2)薄壁钢管混凝土轴压长柱柱中挠度在破坏之前均较小,在加载后期才有较大的发展,而且长细比和板件宽厚比越大挠度发展越快,越容易失稳,故薄壁钢管混凝土轴压长柱不适宜用于长细比和宽厚比均较大的轴压构件。

(3)由试验结果线性回归了方形薄壁钢管混凝土轴压长柱的极限承载力折减系数,折减系数随着宽厚比的增加而减小。

由此折减系数与相应的轴压长柱强度承载力的乘积所确定的轴压长柱极限承载力与试验结果吻合良好,可用于预估方形薄壁钢管混凝土长柱的极限承载力。

参
考
文
献
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51张耀春,王秋萍,毛小勇等.薄壁钢管混凝土短柱轴压力学性能试验研究.建筑结构,2005,35(1).
(上接第80页)
作者执笔对此作出简要介绍。

由于是按报批稿作的介
绍,将来个别内容可能有进一步地修改完善,特此说明。

参
考
文
献
11混凝土结构设计规范(G B50010—2002).
21混凝土结构工程施工质量验收规范(G B50204—2002).
31ACI Committee 318.Building code requirement for structural con 2crete (ACI 318202)and commentary (ACI 318R 202).American Concrete Institute ,Michigan ,2002.
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51European Committee for standardization.Eurocode 2:Design of
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1
3。