钢管混凝土短柱_剪力键_受剪性能试验研究_黄勇
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图 1 为一跨度 24 m 的组合空腹板架结构示意 图，邻近边缘的第一网格，采用钢管混凝土剪力键。
别施加水平 单 调 荷 载 和 往 复 荷 载，研 究 其 剪 切 破 坏 形态、荷载-位移 曲 线、滞 回 曲 线 和 耗 能 能 力，并 对 试 验进行了数值模拟。
1 试验概况
1. 1 试件设计及制作 为研究方钢管混凝土和圆钢管混凝土短柱（ 剪
基金项目： 国家自然科学基金项目（ 50478122） ，贵州省教育厅自然科学项目（ 2008-001） 。 作者简介： 黄勇（ 1967— ） ，男，贵州贵阳人，工学博士，教授。E-mail： yhuang@ gzu. edu. cn 收稿日期： 2011 年 8 月
178
0 引言
在组合空腹板架结构［1-3］和空腹网壳结构［4-5］中， 竖向布置的钢管短柱主要用于连接上、下层，形成共 同工作的整 体，该 钢 管 短 柱 纵 向 尺 寸 与 其 横 截 面 尺 寸相 差 不 大，一 般 在 1. 5 ～ 3. 0 倍 之 间。 研 究 表 明［1-5］，组合空腹板架结构和 空 腹 网 壳 结 构 中，竖 向 短柱的轴力很小（ 基本可忽略） ，主要承受剪力，亦称 为“剪力键”。在 结 构 局 部 区 域，如 支 座 附 近，短 柱 （ 剪力键） 的剪力值很大，需局部加强处理，采用钢管 混凝土，是行之有效的方法［6］。
将两种截面形式钢管通过焊接及加劲板嵌固于 25 mm 厚底板后，在其内部灌筑混凝土。混凝土配制 采用 425#普通硅酸盐水泥，并添加适量减水剂，用粒 径为 0. 25 ～ 2. 3 cm 的碎石及中等粒度山砂为骨料。 所有试件均 为 一 次 性 分 层 浇 筑，每 次 填 入 混 凝 土 约 200 mm，用振捣棒插入捣实，以保证管内混凝土密实 度。试件采 用 室 外 自 然 养 护，混 凝 土 强 度 由 同 条 件 成型养护、同龄的 150 mm × 150 mm × 150 mm立方体 试块轴压试 验 测 定，钢 材 强 度 由 从 钢 管 上 取 样 宽 为 25 mm 试样单轴拉伸试验测定。
（ a） 组合空腹板架结构剖面
（ b） 节点详图
图 1 组合空腹板架结构 Fig． 1 Composite open-web plate
钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力 过程中的相 互 作 用，即 钢 管 对 核 心 混 凝 土 的 约 束 作 用，使之处 于 三 向 应 力 状 态 下，从 而 提 高 其 承 载 力， 塑性和韧性性能得到改善； 同时，混凝土可以延缓或 避免钢管过 早 发 生 局 部 屈 曲，保 证 其 材 料 性 能 得 到 充分发挥。目前，主要是针对钢管混凝土柱在轴压、 偏压、纯弯和压弯受力性能的研究，但对钢管混凝土 柱的受剪性 能 的 研 究 较 少，且 主 要 集 中 在 钢 管 混 凝 土压弯构件的 受 剪 性 能 研 究。 文 献［7］在 分 析 总 结 国内外的相 关 弯 剪 试 验 结 果 的 基 础 上，归 纳 出 不 同 剪跨比下试件破坏形态； 文献［8］通过对 58 个钢管 混凝土短柱试件的受剪性能试验，研究剪跨比、轴压 比、材料规格强度等参数对受剪承载力的影响； 文献 ［9］通过 26 个钢管混凝土短柱试验，研究其在压弯 作用下的 受 剪 承 载 力。 既 有 研 究 中，尚 未 见 涉 及 钢 管混凝土短柱无轴力状态下的剪切性能研究。
循环荷载试 验 采 用 力-位 移 混 合 加 载 制 度，第 一 阶段 用 荷 载 控 制，加 载 级 别 分 别 为 0. 2F、0. 4F、 0. 6F、0. 8F、1. 0F，其中 F 为试件的屈服荷载，每级 荷载循环 1 次； 第二阶段采用位移控制，在第一阶段 的基 础 上 用 位 移 控 制 加 载，加 载 级 别 为 1. 5Δy、 2. 0Δy 、2. 5Δy 、3. 0Δy ……，每级位移循环 3 次，其中 Δy 为试件屈服时的位移。
Experimental study on shear resistance performance of concrete filled steel tube shear block stub columns
HUANG Yong1 ，CHEN Weigang2 ，DUAN Li1 （ 1． School of Civil Engineering and Architecture，Guizhou University，Guiyang 550003，China； 2． College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）
建筑结构学报 Journal of Building Structures 文章编号： 1000-6869（ 2011） 12-0178-08
第 32 卷 第 12 期 2011 年 12 月 Vol. 32 No. 12 Dec． 2011
020
钢管混凝土短柱（ 剪力键） 受剪性能试验研究
黄 勇1 ，陈伟刚2 ，段 莉1 （ 1． 贵州大学 土木建筑工程学院，贵州贵阳 550003； 2． 浙江大学 建筑工程学院，浙江杭州 310058）
179
试件编号
A1 ～ A3 B1 ～ B3 A4 ～ A6 B4 ～ B6
D / mm 165（ 直径） 150（ 边长） 165（ 直径） 150（ 边长）
钢管尺寸 t / mm 4 4 4 4
表 1 试件主要参数 Table 1 Main parameters of specimens
L / mm 550 550 550 550
含钢率 α / %
10. 45 11. 59 10. 45 11. 59
剪跨比 λ
2. 87 2. 61 2. 87 2. 61
混凝土强度等级
C30 C30 C30 C30
荷载类型
单调加载 单调加载 循环加载 循环加载
实测 28d 混凝土立方体抗压强度 fcu = 34. 2 MPa， 混凝土弹性模量 Ec = 3. 11 × 104 MPa； 钢材拉伸试验 结果平均值见表 2。
力键） 的受剪性能、延性及耗能能力、破坏形式等，分 别对方形和圆形截面的钢管混凝土进行单调和循环 加载试验。
采用 Q235 无缝钢管，内灌 C30 混凝土。方钢管 短柱截面边长为 150 mm，厚 4 mm，圆钢管短柱截面 钢管外径为 D = 165 mm，厚 4 mm。为考虑焊接方便 及其延性性能，选用 Q235 钢板作为加劲板。方钢管 试件详图见图 2。
基于此，本 文 对 一 端 自 由 的 方 钢 管 和 圆 钢 管 混 凝土短柱（ 剪力键） 进行无轴力抗剪试验，对试件分
图 2 方钢管试件详图 Fig． 2 Specimen detaiBaidu Nhomakorabeas
共制作 12 个试件，每 6 个分为一组，第一组（ A 组） 为方钢 管 混 凝 土 短 柱，其 中 3 个 试 件 （ A1、A2、 A3） 单调加载，另 3 个试件（ A4、A5、A6） 反复加载； 第 二组（ B 组） 为圆钢管混凝土短柱，依然为 6 个 试件， 其中 3 个 试 件 （ B1、B2、B3 ） 单 调 加 载，另 3 个 试 件 （ B4、B5、B6） 循环加载。试件高度均为 550 mm，试件 主要参数见表 1。
表 2 实测钢管力学性能指标
Table 2 Measured steel tube mechanical properties
板厚 / mm
4 （ Q235 钢管） 10（ 加劲板）
屈服强度 fy / MPa 306. 2 371. 3
抗拉强度 fu / MPa 454. 2 511. 1
弹性模量 Es / MPa 1. 94 × 105 2. 08 × 105
Abstract： Based on the experimental study on the shear resistance performance of concrete filled steel tube shear block stub columns with square or circular section，the shear resistance performance under monotonic load and cycle load were studied，and the load-displacement curves，load-displacement hysteretic loops and the skeleton curves of two different section forms concrete filled steel ultra short columns without axial force were obtained． With the finite element method，numerical simulation of the experiment was carried out． The reasonable selection of constitutive relations of materials and failure mode made the theoretical calculation correspond to experimental results，as a result， the relative error of ultimate load is under 8． 84% ． The experiment result turns out that the concrete filled steel tube shear blocks have good shear resistance performance． Under monotonic load，the relative deformation of the shear block with square or circular section both are over 4． 0% ． Under the cyclic load，the hysteretic loops of the concrete filled steel tube shear blocks with circular sections are plumber，both the ductility factor and the energy dissipation value are better than the concrete filled steel tube shear blocks with square section． It also turns out that the theoretical analysis are reliable． Keywords： concrete filled steel tube； shear block； stub column； static test； quasi-static test； FEA； shear resistance performance
摘要： 通过对方钢管和圆钢管混凝土短柱（ 剪力键） 进行受剪性能试验研究，分析钢管混凝土短柱（ 剪力键） 在单调加载和反 复加载条件下的受剪性能，得到方形和圆形截面钢管混凝土短柱（ 剪力键） 无轴力剪切的荷载-位移曲线、荷载-位移滞回曲 线及骨架曲线等。用精细有限元方法，对试验进行了数值模拟，通过合理的材料本构关系、破坏模式，所得有限元计算值与 试验结果吻合较好，极限荷载的相对误差在 8. 84% 之内。研究表明： 钢管混凝土短柱（ 剪力键） 具有较好的受剪性能，单调 荷载作用下，方形截面和圆形截面短柱（ 剪力键） 的相对变形均超过 4. 0% ； 循环荷载作用下，圆钢管混凝土短柱（ 剪力键） 的滞回环更饱满、延性系数及耗能能力均优于方钢管混凝土短柱（ 剪力键） ； 理论分析方法可靠。 关键词： 钢管混凝土； 剪力键； 短柱； 静力试验； 拟静力试验； 有限元分析； 受剪性能 中图分类号： TU398. 9 TU317. 1 文献标志码： A
别施加水平 单 调 荷 载 和 往 复 荷 载，研 究 其 剪 切 破 坏 形态、荷载-位移 曲 线、滞 回 曲 线 和 耗 能 能 力，并 对 试 验进行了数值模拟。
1 试验概况
1. 1 试件设计及制作 为研究方钢管混凝土和圆钢管混凝土短柱（ 剪
基金项目： 国家自然科学基金项目（ 50478122） ，贵州省教育厅自然科学项目（ 2008-001） 。 作者简介： 黄勇（ 1967— ） ，男，贵州贵阳人，工学博士，教授。E-mail： yhuang@ gzu. edu. cn 收稿日期： 2011 年 8 月
178
0 引言
在组合空腹板架结构［1-3］和空腹网壳结构［4-5］中， 竖向布置的钢管短柱主要用于连接上、下层，形成共 同工作的整 体，该 钢 管 短 柱 纵 向 尺 寸 与 其 横 截 面 尺 寸相 差 不 大，一 般 在 1. 5 ～ 3. 0 倍 之 间。 研 究 表 明［1-5］，组合空腹板架结构和 空 腹 网 壳 结 构 中，竖 向 短柱的轴力很小（ 基本可忽略） ，主要承受剪力，亦称 为“剪力键”。在 结 构 局 部 区 域，如 支 座 附 近，短 柱 （ 剪力键） 的剪力值很大，需局部加强处理，采用钢管 混凝土，是行之有效的方法［6］。
将两种截面形式钢管通过焊接及加劲板嵌固于 25 mm 厚底板后，在其内部灌筑混凝土。混凝土配制 采用 425#普通硅酸盐水泥，并添加适量减水剂，用粒 径为 0. 25 ～ 2. 3 cm 的碎石及中等粒度山砂为骨料。 所有试件均 为 一 次 性 分 层 浇 筑，每 次 填 入 混 凝 土 约 200 mm，用振捣棒插入捣实，以保证管内混凝土密实 度。试件采 用 室 外 自 然 养 护，混 凝 土 强 度 由 同 条 件 成型养护、同龄的 150 mm × 150 mm × 150 mm立方体 试块轴压试 验 测 定，钢 材 强 度 由 从 钢 管 上 取 样 宽 为 25 mm 试样单轴拉伸试验测定。
（ a） 组合空腹板架结构剖面
（ b） 节点详图
图 1 组合空腹板架结构 Fig． 1 Composite open-web plate
钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力 过程中的相 互 作 用，即 钢 管 对 核 心 混 凝 土 的 约 束 作 用，使之处 于 三 向 应 力 状 态 下，从 而 提 高 其 承 载 力， 塑性和韧性性能得到改善； 同时，混凝土可以延缓或 避免钢管过 早 发 生 局 部 屈 曲，保 证 其 材 料 性 能 得 到 充分发挥。目前，主要是针对钢管混凝土柱在轴压、 偏压、纯弯和压弯受力性能的研究，但对钢管混凝土 柱的受剪性 能 的 研 究 较 少，且 主 要 集 中 在 钢 管 混 凝 土压弯构件的 受 剪 性 能 研 究。 文 献［7］在 分 析 总 结 国内外的相 关 弯 剪 试 验 结 果 的 基 础 上，归 纳 出 不 同 剪跨比下试件破坏形态； 文献［8］通过对 58 个钢管 混凝土短柱试件的受剪性能试验，研究剪跨比、轴压 比、材料规格强度等参数对受剪承载力的影响； 文献 ［9］通过 26 个钢管混凝土短柱试验，研究其在压弯 作用下的 受 剪 承 载 力。 既 有 研 究 中，尚 未 见 涉 及 钢 管混凝土短柱无轴力状态下的剪切性能研究。
循环荷载试 验 采 用 力-位 移 混 合 加 载 制 度，第 一 阶段 用 荷 载 控 制，加 载 级 别 分 别 为 0. 2F、0. 4F、 0. 6F、0. 8F、1. 0F，其中 F 为试件的屈服荷载，每级 荷载循环 1 次； 第二阶段采用位移控制，在第一阶段 的基 础 上 用 位 移 控 制 加 载，加 载 级 别 为 1. 5Δy、 2. 0Δy 、2. 5Δy 、3. 0Δy ……，每级位移循环 3 次，其中 Δy 为试件屈服时的位移。
Experimental study on shear resistance performance of concrete filled steel tube shear block stub columns
HUANG Yong1 ，CHEN Weigang2 ，DUAN Li1 （ 1． School of Civil Engineering and Architecture，Guizhou University，Guiyang 550003，China； 2． College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）
建筑结构学报 Journal of Building Structures 文章编号： 1000-6869（ 2011） 12-0178-08
第 32 卷 第 12 期 2011 年 12 月 Vol. 32 No. 12 Dec． 2011
020
钢管混凝土短柱（ 剪力键） 受剪性能试验研究
黄 勇1 ，陈伟刚2 ，段 莉1 （ 1． 贵州大学 土木建筑工程学院，贵州贵阳 550003； 2． 浙江大学 建筑工程学院，浙江杭州 310058）
179
试件编号
A1 ～ A3 B1 ～ B3 A4 ～ A6 B4 ～ B6
D / mm 165（ 直径） 150（ 边长） 165（ 直径） 150（ 边长）
钢管尺寸 t / mm 4 4 4 4
表 1 试件主要参数 Table 1 Main parameters of specimens
L / mm 550 550 550 550
含钢率 α / %
10. 45 11. 59 10. 45 11. 59
剪跨比 λ
2. 87 2. 61 2. 87 2. 61
混凝土强度等级
C30 C30 C30 C30
荷载类型
单调加载 单调加载 循环加载 循环加载
实测 28d 混凝土立方体抗压强度 fcu = 34. 2 MPa， 混凝土弹性模量 Ec = 3. 11 × 104 MPa； 钢材拉伸试验 结果平均值见表 2。
力键） 的受剪性能、延性及耗能能力、破坏形式等，分 别对方形和圆形截面的钢管混凝土进行单调和循环 加载试验。
采用 Q235 无缝钢管，内灌 C30 混凝土。方钢管 短柱截面边长为 150 mm，厚 4 mm，圆钢管短柱截面 钢管外径为 D = 165 mm，厚 4 mm。为考虑焊接方便 及其延性性能，选用 Q235 钢板作为加劲板。方钢管 试件详图见图 2。
基于此，本 文 对 一 端 自 由 的 方 钢 管 和 圆 钢 管 混 凝土短柱（ 剪力键） 进行无轴力抗剪试验，对试件分
图 2 方钢管试件详图 Fig． 2 Specimen detaiBaidu Nhomakorabeas
共制作 12 个试件，每 6 个分为一组，第一组（ A 组） 为方钢 管 混 凝 土 短 柱，其 中 3 个 试 件 （ A1、A2、 A3） 单调加载，另 3 个试件（ A4、A5、A6） 反复加载； 第 二组（ B 组） 为圆钢管混凝土短柱，依然为 6 个 试件， 其中 3 个 试 件 （ B1、B2、B3 ） 单 调 加 载，另 3 个 试 件 （ B4、B5、B6） 循环加载。试件高度均为 550 mm，试件 主要参数见表 1。
表 2 实测钢管力学性能指标
Table 2 Measured steel tube mechanical properties
板厚 / mm
4 （ Q235 钢管） 10（ 加劲板）
屈服强度 fy / MPa 306. 2 371. 3
抗拉强度 fu / MPa 454. 2 511. 1
弹性模量 Es / MPa 1. 94 × 105 2. 08 × 105
Abstract： Based on the experimental study on the shear resistance performance of concrete filled steel tube shear block stub columns with square or circular section，the shear resistance performance under monotonic load and cycle load were studied，and the load-displacement curves，load-displacement hysteretic loops and the skeleton curves of two different section forms concrete filled steel ultra short columns without axial force were obtained． With the finite element method，numerical simulation of the experiment was carried out． The reasonable selection of constitutive relations of materials and failure mode made the theoretical calculation correspond to experimental results，as a result， the relative error of ultimate load is under 8． 84% ． The experiment result turns out that the concrete filled steel tube shear blocks have good shear resistance performance． Under monotonic load，the relative deformation of the shear block with square or circular section both are over 4． 0% ． Under the cyclic load，the hysteretic loops of the concrete filled steel tube shear blocks with circular sections are plumber，both the ductility factor and the energy dissipation value are better than the concrete filled steel tube shear blocks with square section． It also turns out that the theoretical analysis are reliable． Keywords： concrete filled steel tube； shear block； stub column； static test； quasi-static test； FEA； shear resistance performance
摘要： 通过对方钢管和圆钢管混凝土短柱（ 剪力键） 进行受剪性能试验研究，分析钢管混凝土短柱（ 剪力键） 在单调加载和反 复加载条件下的受剪性能，得到方形和圆形截面钢管混凝土短柱（ 剪力键） 无轴力剪切的荷载-位移曲线、荷载-位移滞回曲 线及骨架曲线等。用精细有限元方法，对试验进行了数值模拟，通过合理的材料本构关系、破坏模式，所得有限元计算值与 试验结果吻合较好，极限荷载的相对误差在 8. 84% 之内。研究表明： 钢管混凝土短柱（ 剪力键） 具有较好的受剪性能，单调 荷载作用下，方形截面和圆形截面短柱（ 剪力键） 的相对变形均超过 4. 0% ； 循环荷载作用下，圆钢管混凝土短柱（ 剪力键） 的滞回环更饱满、延性系数及耗能能力均优于方钢管混凝土短柱（ 剪力键） ； 理论分析方法可靠。 关键词： 钢管混凝土； 剪力键； 短柱； 静力试验； 拟静力试验； 有限元分析； 受剪性能 中图分类号： TU398. 9 TU317. 1 文献标志码： A