組合形鋼管混凝土柱壓彎性能試驗(yàn)研究

組合形鋼管混凝土柱壓彎性能試驗(yàn)研究

0鋼管混凝土組合t形柱結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土支架的形狀截面，避免房間的角度，有效改善房間的使用面積。國內(nèi)專家學(xué)者開始對(duì)異形截面鋼管混凝土柱進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究,如文獻(xiàn)對(duì)帶約束拉桿的T形、L形鋼管混凝土柱進(jìn)行試驗(yàn)研究;文獻(xiàn)對(duì)L形鋼管混凝土柱正截面承載力進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析,并討論了寬厚比、加勁肋、肢厚等參數(shù)對(duì)試件的影響;文獻(xiàn)研究了T形、L形鋼管混凝土柱在恒軸力和反復(fù)水平荷載作用下的基本性能,并采用有限元軟件ANSYS對(duì)各試件進(jìn)行計(jì)算分析;文獻(xiàn)提出了帶綴板的T形、L形、十字形方鋼管組合混凝土柱,并進(jìn)行受壓試驗(yàn)研究和有限元分析。針對(duì)異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際工程應(yīng)用,國外尚未見相關(guān)報(bào)道。由于異形鋼管大多是鋼板彎折后對(duì)接焊接而成,截面幾何形狀難以準(zhǔn)確控制,且厚鋼板不易彎折,也不便于工廠或現(xiàn)場制作加工,焊縫質(zhì)量難以保證,影響其推廣應(yīng)用。為此,本文提出將2根方形鋼管型材直接焊接形成鋼管混凝土組合T形柱(weldingrectangularcompositeT-shapedconcrete-filledsteeltubularcolumn,簡稱WRC-T鋼管混凝土柱),對(duì)于偏心受壓T形截面鋼管混凝土柱簡稱WRC-ET鋼管混凝土柱。本文對(duì)長細(xì)比為16.0~28.8的組合T形鋼管混凝土柱進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)研究,分析長細(xì)比和偏心率等指標(biāo)對(duì)試件極限承載力的影響,探討試件偏心受壓極限承載力的計(jì)算方法。1試驗(yàn)總結(jié)1.1力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了9組共18個(gè)試件(每組2個(gè)),主要考察長細(xì)比λ、偏心距e等參數(shù)對(duì)試件力學(xué)性能的影響。試件參數(shù)及承載力實(shí)測值見表1。按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得試件混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為49.96MPa。鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)詳見表2,表中fy為鋼材屈服強(qiáng)度,Es為彈性模量,ν為泊松比,fu為極限抗拉強(qiáng)度。試件由矩形鋼管型材焊接而成,即將鋼管型材按設(shè)計(jì)長度截?cái)?再根據(jù)T形截面尺寸將2根鋼管組合,通過焊縫連接在一起,并保證兩端平整;對(duì)應(yīng)每個(gè)試件加工2塊厚10mm的方形蓋板(圖1),先在空鋼管一端將蓋板焊上,然后澆灌混凝土,待混凝土養(yǎng)護(hù)兩周后將端口磨平或填補(bǔ)高強(qiáng)水泥砂漿,最后焊另一蓋板,以期盡可能保證鋼管與核心混凝土在試驗(yàn)加載時(shí)共同受力。所有試件的上、下蓋板焊接時(shí)與空鋼管幾何對(duì)中,所有焊縫均按GBJ50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì),并保證焊縫質(zhì)量。1.2鋼管外壁應(yīng)變試驗(yàn)在武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心5000kN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試件兩端采用刀鉸加載,刀鉸方向與肢長方向平行,圖2為加載裝置示意圖及照片。為準(zhǔn)確地測量試件的壓彎變形,在等距離柱長處架設(shè)5塊百分表;為測量試件截面受拉(壓)區(qū)變形情況,在每個(gè)試件鋼管外壁中截面處沿柱周布置縱向和橫向電阻應(yīng)變片,共14片,如圖3所示,所有應(yīng)變數(shù)據(jù)均由DH3815靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。試驗(yàn)采用荷載控制方式逐級(jí)加載,彈性范圍內(nèi)每級(jí)荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的1/10,持荷時(shí)間為2min;當(dāng)鋼管受壓區(qū)達(dá)到屈服后,每級(jí)荷載約為預(yù)計(jì)極限荷載的1/15,持荷時(shí)間為2min;當(dāng)接近破壞時(shí)開始慢速連續(xù)加載,同時(shí)連續(xù)記錄各級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)的變形值,直至試驗(yàn)結(jié)束。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為彎曲型破壞對(duì)于偏心受壓鋼管混凝土柱,從加載初到極限荷載的60%前,試件外觀沒有明顯變化,跨中撓曲變形很小,撓度的增長基本與荷載的增加成正比;當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的70%左右時(shí),跨中撓度開始明顯增加,由于二階效應(yīng)的影響,當(dāng)跨中撓度達(dá)到某一臨界值時(shí),二階彎矩的增長速度大于截面抵抗彎矩增長速度,試件達(dá)到極限荷載;此后,試件變形迅速發(fā)展,荷載逐漸下降;最終,所有試件均表現(xiàn)為彎曲破壞。在加載過程中,組合鋼管均能很好地協(xié)同工作,沒有出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象。試驗(yàn)表明,偏心受壓鋼管混凝土柱受力過程中表現(xiàn)為彎曲型破壞,長細(xì)比越大或偏心距越大,彎曲破壞特征越明顯。圖4為試件WRC-ET-4破壞照片。在受荷變形過程中,試件水平撓度曲線上下對(duì)稱,基本符合正弦半波曲線。圖5為試件WRC-ET-3、WRC-ET-5的水平撓度曲線,其余試件的水平撓度曲線與之相似。2.2極限承載力分析偏心受壓鋼管混凝土柱極限承載力試驗(yàn)值Nue列于表1,從該表中可以看出,在長細(xì)比相同的情況下,隨荷載偏心距增大,試件的極限承載力降低;在偏心距相同的情況下,隨長細(xì)比增大,試件的極限承載力降低。圖6為長細(xì)比λ=19.2時(shí),試件WRC-ET-3、WRC-ET-4和WRC-ET-5的荷載-柱中截面水平撓度的關(guān)系曲線(簡稱N-um曲線)。從圖6可以看出:(1)隨荷載增大,柱中截面的水平撓度um增大,當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力后,有一持荷水平階段,試件表現(xiàn)出較好延性;(2)隨偏心距增大,試件的極限承載力降低。圖7為偏心距e=60mm時(shí),試件WRC-ET-2、WRC-ET-5和WRC-ET-6的N-um關(guān)系曲線。從圖7可以看出:(1)隨長細(xì)比增大,試件極限承載力降低,長細(xì)比為24.4的試件WRC-ET-6極限承載力與長細(xì)比為16.0的WRC-ET-2試件極限承載力之比為0.836;(2)柱中截面水平撓度較小,3條曲線形狀相似,在極限承載力后各試件承載力減小。2.3試驗(yàn)結(jié)果分析圖8、9分別為λ=19.2的試件WRC-ET-3、WRC-ET-4、WRC-ET-5和e=60mm的試件WRC-ET-2、WRC-ET-5、WRC-ET-6在加載過程中受壓區(qū)和受拉區(qū)邊緣鋼材應(yīng)變隨荷載變化的關(guān)系曲線。由圖中可以看出:(1)隨外荷載增加,受壓區(qū)和受拉區(qū)邊緣的纖維應(yīng)變隨之增大;(2)隨加載偏心距增大,受壓區(qū)和受拉區(qū)的纖維應(yīng)變明顯增大;(3)當(dāng)試件達(dá)到極限承載力時(shí),試件受拉區(qū)和受壓區(qū)應(yīng)變同時(shí)達(dá)到峰值,說明試件的協(xié)同工作性能較好;(4)試件承載力達(dá)到極限荷載時(shí),受拉區(qū)應(yīng)變大于受壓區(qū)應(yīng)變,表明試件受拉區(qū)先屈服,然后整體失穩(wěn);(5)圖8中,WRC-ET-4試件受壓區(qū)N-ε曲線突然下降,是由于試件受壓區(qū)管壁出現(xiàn)鼓曲造成的;(6)隨長細(xì)比增大,試件達(dá)到極限荷載時(shí),受拉區(qū)和受壓區(qū)應(yīng)變均增大。2.4試件彎曲變形過程圖10為試件WRC-ET-2和WRC-ET-4在不同受力階段試件柱中截面的應(yīng)變分布曲線。從圖中可以看出:(1)在極限承載力之前,試件在彎曲變形過程中,柱中截面基本上保持平截面變形,在極限承載力之后則發(fā)生變化,受壓區(qū)基本不再保持平截面變形;(2)隨長細(xì)比增大,受二階效應(yīng)的影響,試件的中和軸位置沿形心軸方向偏移;(3)在極限承載力后,由于試件受壓區(qū)已經(jīng)破壞,所以中和軸逐漸向截面形心軸偏移。3極限彎矩變化的計(jì)算方法目前求解鋼-混凝土組合柱壓彎承載力的簡化計(jì)算方法主要有偏心距增大系數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、軸力-彎矩相關(guān)關(guān)系法和最大荷載理論四種方法。偏心距增大系數(shù)法、軸力-彎矩相關(guān)系數(shù)法和最大荷載理論涉及的參數(shù)較多,計(jì)算過程復(fù)雜,不便于工程應(yīng)用,尤其是對(duì)于T形截面柱來講,確定偏心距增大系數(shù)和截面抗彎模量難度較大。因此,本文借鑒鋼-混凝土組合柱壓彎承載力的經(jīng)驗(yàn)公式法,通過對(duì)18個(gè)偏心受壓鋼管混凝土柱試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析,建立偏心受壓鋼管混凝土柱的壓彎承載力計(jì)算公式。參考文獻(xiàn)提出的計(jì)算公式,得出長細(xì)比λ和荷載偏心率e/r作為影響鋼管混凝土柱偏心受壓的主要因素;依據(jù)文獻(xiàn)提出的極限承載力Nu的計(jì)算式和軸心受壓柱穩(wěn)定系數(shù)φl,計(jì)算式分別按式(1)和式(2)確定。式中:fy和As分別為鋼材屈服強(qiáng)度和面積;fck和Ac分別為核心混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和面積;γ為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度提高系數(shù);λa為構(gòu)件相對(duì)長細(xì)比;m為計(jì)算參數(shù)。按經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法,偏心受壓承載力計(jì)算式為:式中,φe為偏心率影響因子。由極限平衡理論可知,柱在軸力N和端彎矩M共同作用下的廣義屈服條件,在直角坐標(biāo)系中類似一條雙曲線,當(dāng)偏心率較小時(shí),該曲線可簡化為一條直線,計(jì)算式為:式中,β為待定系數(shù),由試驗(yàn)結(jié)果確定。由文獻(xiàn)的研究成果可知,鋼管混凝土純彎時(shí)的極限彎矩可按式(5)計(jì)算,即式中:i為截面回轉(zhuǎn)半徑;χ為計(jì)算系數(shù)。式中:M0為T形截面鋼管混凝土柱純彎極限彎矩;N0為T形截面鋼管混凝土短柱軸心受壓的極限承載力;e0為柱軸向力對(duì)柱截面形心軸的偏心距。所以式(4)可以改寫為:于是由式(8)可得:根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)式(10)進(jìn)行回歸分析,得到d=0.985。則考慮偏心率影響的極限承載力折減系數(shù)可表達(dá)為:為驗(yàn)證公式的可行性,根據(jù)本文提出的公式對(duì)試件進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表3。從表中可以看出,按本文計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。4試驗(yàn)過程形態(tài)(1)偏心受壓T形截面鋼管混凝土柱的破壞形態(tài)主要為彎曲型塑性失穩(wěn)破壞,試件水平撓度呈正弦半波曲線形態(tài)。(2)試件的N-um關(guān)系曲線形態(tài)隨長細(xì)比和加載