钢管混凝土中长柱轴压力学性能试验研究

钢管混凝土中长柱轴压力学性能试验研究

纪建军

广州大学土木工程学院，广东省广州市  510006

摘要：本文对一组钢管混凝土(CFST)中长柱的轴压力学性能开展试验研究，得到试件的加载过程、破坏形态、应变发展过程和轴力-柱中纵向应变曲线。研究结果表明：钢管混凝土中长柱在轴压荷载作用下发生整体弯曲破坏，试件中部出现明显的受压区和受拉区，且由于钢材和核心混凝土的相互作用，钢材和混凝土的力学性能得到充分发挥。

关键词：钢管混凝土；中长柱；轴压性能；试验研究

Abstract: This paper presented an experimental study of medium-long concrete-filled steel tube (CFST) columns under axial compressive loading. The loading process, failure mode, strain development process and axial force-longitudinal strain curve in the middle height of column were obtained and analyzed. The results show that the CFST column presents global bending failure. A compression zone and a tension zone are observed at the middle of the specimen. Due to the interaction between steel and core concrete, the mechanical properties of steel and concrete are fully utilized.

Key words: Concrete-filled steel tube; Medium long column; Axial compressive performance; Experimental study

钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tubular CFST)柱因具有良好的抗震性能、抗火性能和方便施工等特点，已被广泛应用于高层建筑和大跨桥梁结构中。已有学者对钢管混凝土的短柱开展了试验研究[1-3]，发现钢管混凝土短柱具有良好的承载力，由于钢管和核心混凝土之间的相互作用，钢管和混凝土的材料性能得到充分发挥。但目前对钢管混凝土中长柱的轴压力学性能的研究[4,5]较少，本文进行了一组钢管混凝土中长柱的试验研究，对其中一个试件进行细致分析，从加载过程、构件破坏形态、应变发展过程和轴力-柱中纵向应变曲线等方面对CFST中长柱的轴压力学性能进行研究。

1. CFST中长柱轴压力学性能试验

1.1. CFST中长柱试件设计与制作

本次试验共设置了1组CFST试件，用于研究CFST中长柱轴心受压的力学性能。该组试件包含两个相同的试件，分别为CFST-a和CFST-b(如表1所示)。CFST试件的截面尺寸如图1所示，试件的具体尺寸见表1。其中，Li为试件的长度；Di和ti分别为钢管的直径和厚度；fy为钢材的屈服强度。根据钟善桐等人[6]的研究可知，长细比40＜λ≤120时，为弹塑性失稳，属于中长柱的范围。本文试件的长细比λ为54.16。

本试验的钢管由热轧钢板加工对焊成型，对接焊缝满足《钢结构设计规范》(GB50017-2017)[7]要求。每个试件加工两个厚度为10mm的端板。试件制作过程如下：首先将钢管与下端板焊接，且保证端板与钢管几何中心对中，待浇筑混凝土并完成养护后再将上端板焊上。所有CFST试件经自然养护两周后，用高强水泥砂浆将混凝土表面抹平，使混凝土表面与钢管截面平齐，以保证加载初期混凝土与钢管共同受力。

表1 CFST试件的尺寸、材料性质、破坏形态、承载力

1.2. 材料特性

在进行CFST试件轴压试验之前，对试件所使用的钢材和混凝土的材料特性进行测试。

依据《GB/T228.1-2015》[8]中金属材料拉伸试验规定，共制作三个钢材标准拉伸试件测试钢材的屈服强度和极限抗拉强度，试件尺寸如图2所示，标准试样见图3(a)，试样被拉断后的破坏情况见图3(b)，试验测得钢材的屈服强度为304.89MPa，极限抗拉强度为458.39MPa。

本试验采用C40商品混凝土，在浇筑CFST试件中混凝土的同时，制作2组标准立方体试块(150mm×150mm×150mm)，每组3个试块。混凝土试块与试验试件处于相同的条件下养护28天，养护期间保持混凝土合适的温度与湿度，完成养护后依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)[9]测试混凝土试块强度，试验测得混凝土立方体抗压强度为38.45MPa。

1.3.试验加载装置与量测方案

试验装置如图4(a)所示。将试件放置在刚性支撑板上，然后用石膏将试件与支撑板(见图4(a))之间的缝隙填平，经几何物理对中，使得试件水平放置于支撑板上以确保试件在正式加载时为轴心受压。

加载采用力-位移混合加载，即首先对试件进行力加载，每级加载为预估轴向承载力的5%，每级加载时间持续2~3min，直至达到预估轴向承载力；然后进行位移加载，位移加载速率为0.4mm/min。当试件产生较大变形、焊缝开裂或荷载-位移曲线已出现明显的下降段时，停止试验加载。

应变片的布置见图4(b)，应变片的具体布置如下：在柱高的1/4、2/4、3/4处(对应于图4(b)中的A、B、C)各布置8个应变片，在每个高度处等间距布置4个纵向应变片(对应于图6(b)中的1、3、5、7应变片)和4个环向应变片(对应于图4(b)中的2、4、6、8应变片)。为了便于区分方位，规定纵向应变片1、3、5和7所在面分别命名为前侧(Front)、后侧(Back)、左侧(Left)和右侧(Right)，如图4(b)所示。此外，在试件的上端板两角各布置一个位移计，用于测量试件的轴向变形。试验过程中所有应变片和位移计的数据均通过JM3813高精度静态数据采集仪自动采集。

2.试验结果分析

2.1.试件加载过程和破坏形态

本小节以试件CFST-b为例，对试件的加载过程与破坏形态进行分析。如图5所示，当荷载小于200kN时，钢管表面无明显变形；随着荷载的增加，当达到峰值荷载(492kN)时，试件发生明显的整体弯曲变形；在达到峰值荷载后，受压侧(右侧和后侧)的轴力-柱中纵向应变曲线迅速下降(见图7(b))，当下降到峰值荷载的85%(418kN)时，试件整体弯曲变形进一步发展，最后试件发生整体弯曲破坏。

2.2.试件CFST-b的应变发展过程

试件CFST-b的应变-加载时间曲线如图6所示。应变发展过程如下：在试件发生整体屈曲前，所有位置的纵向应变和环向应变在轴向压力作用下，缓慢发展，应变与时间基本上呈线性关系；当试件发生整体弯曲变形时，应变快速增加，但增加到一定程度时，试件发生整体弯曲破坏，柱中受拉侧(位置B的前侧和左侧)的纵向应变由受压状态转变为受拉状态(如图6(b)所示，应变片B-1和B-5出现正的应变值)，而受压侧(应变片B-7所在的右侧)的纵向应变一直在增加。值得注意的是，位置A和位置C的所有纵向应变片未出现由受压状态转变为受拉状态的情况，且位置B的应变明显大于位置A和位置C测得的应变，是因为试件CFST-b发生整体弯曲变形时，柱中的变形明显大于柱底和柱顶的变形(如图5(d)所示)。

2.3.试件CFST-b轴力-柱中纵向应变曲线

为了便于观察，将试件CFST-b在轴心受压过程的轴力-柱中纵向应变曲线分成前侧和后侧为一组，左侧和右侧为一组，分别如图7(a)和7(b)所示。由图7(a)可知，在弹性阶段，前侧和后侧的钢管纵向应变呈线性增加。在弹塑性阶段，钢材达到屈服应变，直至超过屈服应变。当达到峰值承载力后，钢材发生整体屈曲破坏，受压侧(后侧和右侧)的力-应变曲线快速下降，受拉侧(前侧和左侧)的应变开始逐渐减小且最终转变为受拉状态。试件破坏时，受压侧的极限应变大于受拉侧，受压侧最大应变达到了15268，远大于钢材的屈服应变，说明在核心混凝土的协同工作下钢材性能得到了充分利用。

3.结论

本文对一组钢管混凝土中长柱试件开展了轴压试验研究，研究结果表明：

1. 钢管混凝土中长柱试件在轴压荷载作用下发生整体弯曲破坏。

2. 由于整体弯曲变形，CFTS中长柱试件中部会出现明显的受压区和受拉区，且受压侧的极限应变远大于受拉侧，受压侧最大应变达远大于钢材的屈服应变，说明在核心混凝土的协同工作下钢材性能得到了充分利用。

参考文献：

[1]Schneider S P. Axially loaded concrete-filled steel tubes[J]. Journal of structural Engineering, 1998, 124(10): 1125-1138.

[2]Sakino K, Nakahara H, Morino S, et al. Behavior of centrally loaded concrete-filled steel-tube short columns[J]. Journal of structural engineering, 2004, 130(2): 180-188.

[3]Wei J, Luo X, Lai Z, et al. Experimental behavior and design of high-strength circular concrete-filled steel tube short columns[J]. Journal of Structural Engineering, 2020, 146(1): 04019184.

[4]Ghannam S, Jawad Y A, Hunaiti Y. Failure of lightweight aggregate concrete-filled steel tubular columns[J]. Steel and Composite Structures, An International Journal, 2004, 4(1): 1-8.

[5]Han L H, Yao G H. Experimental behaviour of thin-walled hollow structural steel (HSS) columns filled with self-consolidating concrete (SCC)[J]. Thin-Walled Structures, 2004, 42(9): 1357-1377.

[6]钟善桐．钢管混凝土结构(第 3 版)[M]．北京：清华大学出版社，2003．

[7]GB50017-2017,钢结构设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.

[8]GB/T228-2015,金属材料室温拉伸试验方法[S].北京:中国标准出版社,2015.

[9]GB/T50081-2019,混凝土物理力学性能试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2019.