圆形钢管-空间钢构架混凝土组合柱偏心受压性能试验研究

王英恺，唐兴荣

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011）

试验研究和理论分析表明[1-7]，在轴向荷载作用下圆形钢管对核心混凝土、空间钢构架对核心混凝土具有较好的约束作用，致使混凝土处于三向受压状态，可以较好地提高混凝土的抗压强度和变形能力，改善圆形钢管混凝土柱、空间钢构架混凝土柱的受压性能。但圆形钢管、空间钢构架的弦杆（角钢）易发生局部压曲，钢材强度不能得到充分发挥。为了改善圆形钢管混凝土柱的受压性能，在圆形钢管混凝土中内埋钢骨（实腹式型钢、空腹式型钢等）形成圆形钢管-钢骨混凝土柱[8-10]。

本试验提出一种新型的圆形钢管-空间钢构架混凝土组合柱，见图1，即在圆形钢管混凝土中内埋空间钢构架形成的组合柱。已进行了5根圆形钢管-空间钢构架混凝土组合柱试件的轴压性能的试验研究[11]，试验表明，其具有较高的轴压承载力和变形能力。为了进一步研究这种新型组合柱的偏心受压性能，又进行了8个圆形钢管-空间钢构架混凝土组合柱的偏心受压试件和1个轴心受压试件的静力试验，以探讨偏心距、空间钢构架缀条间距、钢管径厚比等参数对圆形钢管-空间钢构架混凝土组合柱偏心受压性能的影响规律。

1 试验概况

1.1 试验设计

以偏心距e0、内埋空间钢构架的缀条间距s、外侧钢管径厚比D/t等为设计参数，设计制作了9根圆形钢管-空间钢构架混凝土组合柱试件，其中试件SRSSFCC31为组合柱轴心受压试件，试件SRSSFCC32至SRSSFCC39为组合柱偏心受压试件。试件SRSSFCC31至SRSSFCC34的e0分别0、50、75、100 mm；试件SRSSFCC32、SRSSFCC35、SRSSFCC36的s分别为70、80、90 mm；试件SRSSFCC37、SRSSFCC32、SRSSFCC38的D/t分别为54.75、43.8、36.5；试件SRSSFCC33、SRSSFCC39为改变内埋空间钢构架方向。所有试件的几何尺寸均为准219 mm×600 mm。试件设计参数及配筋见表1所列和图2所示。

图1 钢管-空间钢构架混凝土组合柱截面

表1 试件设计参数及配筋

图2 各试件配筋图

1.2 试件加工制作

根据设计图纸和《钢结构工程施工质量技术规范》（GB50205-2008）的要求，焊接制作各试件的型钢骨架，并以圆形钢管为模板浇筑混凝土。

试件制作工序：型钢（角钢、缀条、圆形钢管）下料并预留材性用钢材→内埋空间钢构架（角钢、缀条）焊接→控制截面角钢、缀条应变片黏贴→空间钢构架定位、焊接于底端钢板（M2）→外侧圆形钢管定位、焊接于底端钢板（M2）→内埋空间钢构架角钢（弦杆）、外侧圆形钢管定位、焊接于顶端钢板（M1）→型钢骨架成型→以圆形钢管为模板，浇筑混凝土，并养护成型。为了便于浇筑混凝土，在试件顶端钢板（M1）中心部位开设直径70 mm混凝土灌浆孔。

1.3 试件材料力学性能

（1）混凝土材料配合比。设计混凝土强度等级为C35，混凝土材料配合比见表2。考虑到试件内埋空间钢构架横向缀条间净距较小，采用细石混凝土，现场混凝土搅拌机搅拌混凝土。

表2 混凝土材料配合比

（2）混凝土的力学指标。试件浇筑时制作了3个立方体试块（150 mm×150 mm×150 mm）和3个棱柱体试块（100 mm×100 mm×300 mm）为混凝土材性试验用。实测混凝土立方体强度平均值为41.07 MPa，棱柱体抗压强度平均值为37.38 MPa，弹性模量3.194×104MPa。

（3）钢材的力学指标。试件角钢、缀条及圆形钢管的强度等级均采用Q235钢，并根据《金属拉伸试验试验第一部分室温试验方法》（GB/T 228.1-2012），各种规格的钢材加工制作了3个试样，用作材性试验，实测钢材力学指标见表3所列。

表3 钢材力学指标

1.4 试验加载装置及加载制度

本次试验在江苏省结构工程重点实验室（苏州科技大学）的YAW-5000的液压式压力试验机进行偏心受压试验。为了实现偏心受压加载，专门设计了偏心受压加载装置，见图3。

物理对中：对试件施加5~10 kN的竖向荷载，观察试件平面外两侧钢管上的应变花与内侧空间钢构架弦杆（角钢）应变片的读数，如果读数相近说明试件已经处于加载装置的中心位置，可以正式开始加载。

加载制度：峰值荷载Nm前采用荷载控制加载，即0、ΔN×1、ΔN×2、……、ΔN×n；峰值荷载后采用位移控制加载，即1δ、2δ、3δ……，直至试件轴压承载力降低至峰值荷载的85%停止加载。

1.5 测试内容及测量方法

试件偏心受压荷载值（YAW-5000的液压式压力试验机施加并记录）；试件轴向变形值、侧向变形值（采用位移计对称布置，见图4）；试件的加载方向两个侧面均对称布置一个YWD-100位移计，测量试件的轴向变形值（注：测点在试件顶板），在试件的受拉侧布置三个YWD-100位移计，测量试件的侧向变形值；同时，为了与试验系统实测的荷载-位移曲线相比较，在一个方向试件的侧面对称布置一个量程为150 mm型号为YWD-150的位移计（注：测点在压力机上部加载顶板的底部），测量加载过程中加载系统竖向变形值；通过布置钢筋应变片，控制截面空间钢构架弦杆（角钢）、横向缀条的应变值；通过布置45°应变花，控制截面圆形钢管的应变值（主拉、主压应变值）。

所有钢材应变片与位移计的读数均通过DH3821静态应力应变测试分析系统进行采集。

图3 偏心加载装置

图4 位移计布置图

2 试验结果分析

2.1 主要试验结果

各试件的主要试验结果见表4所列。由表4可知：

（1）当偏心距e0=0时，组合柱为轴心受压，在峰值偏心受压荷载Nm时，控制截面外侧钢管、内埋空间钢构架弦杆（角钢）和缀条的应变，均达到或超过其屈服应变时，圆形钢管发生局部压曲而破坏。这表明空间钢构架对核心混凝土具有较好的约束作用。

（2）当偏心距e0=50 mm（e0/D=0.228）时，组合柱试件受压侧钢管首先达到其抗压屈服应变，随后受压区空间钢构架弦杆（角钢）达到其屈服压应变，在峰值偏心受压荷载Nm时，受压侧空间钢构架缀条也达到其抗拉屈服强度。这表明小偏心受压时，空间钢构架对核心混凝土仍然具有一定的约束作用。

（3）当偏心距e0=75 mm（e0/D=0.343），当偏心受压荷载为0.65时，组合柱受压侧钢管、内埋空间钢构架弦杆（角钢）开始达到其抗压屈服应变。在峰值偏心受压荷载Nm时，受压侧空间钢构架缀条没有达到其受拉屈服应变，但受拉侧钢管的应变达到其抗拉屈服应变，受压侧钢管发生压曲而破坏。

（4）当偏心距e0=100 mm（e0/D=0.457），当偏心受压荷载约为0.75Nm时，受压侧内埋空间钢构架弦杆（角钢）的应变首先达到其屈服应变；当偏心受压荷载约为0.82Nm时，受压区钢管的应变开始达到其屈服应变；在峰值偏心受压荷载Nm时，受压侧内埋空间钢构架缀条没有达到其抗拉屈服应变，但受拉侧钢管的应变达到其抗拉屈服应变，受压侧钢管发生压曲而破坏。

表4 试件主要试验结果

2.2 试件竖向偏心荷载-轴向位移曲线

图5给出了各试件竖向偏心荷载-轴向位移曲线（N-δ）比较。

（1）由图5（a）可见，在其他条件相同的条件下，随着偏心距e0的增大，试件的竖向偏心受压荷载峰值Nm降低，试件SRSSFCC32（e0=50 mm）、试件SRSSFCC33（e0=70 mm）、试件SRSSFCC34（e0=100 mm）的Nm分别为试件SRSSFCC31（e0=0）的59.78%、44.72%和38.65%。当Nm减小时，对应的轴向变形δm明显增大。这是由于随着偏心距的增大，峰值偏心受压荷载降低，组合柱的受压区高度减小，组合柱试件的变形能力得到提高。

（2）由图5（b）可见，在其他条件相同的情况下，小偏心受压（e0=50 mm）时，内埋空间钢构架缀条间距s减小，试件的Nm及相应的轴向变形均得到了提高，组合柱试件具有较好的变形能力。这是由于缀条间距的减小，空间钢构架约束核心混凝土的作用增强，受压区核心混凝土强度得到提高，同时，内埋空间钢构架存在延缓了外侧圆形钢管的压曲。

（3）由图5（c）可见，在其他条件相同的情况下，小偏心受压（e0=50 mm）时，试件SRSSFCC32（D/t=43.8）的峰值偏心受压荷载（Nm=1 330 kN）比试件SRSSFCC37（D/t=54.75）的峰值偏心受压荷载（Nm=1 220 kN）提高8.3%，峰值偏心受压荷载对应的轴向变形（δm=8.667 mm）比试件SRSSFCC37（δm=5.303 mm）要大。这表明圆形钢管径厚比越小，其偏心受压荷载峰值及对应的轴向变形越大。这是由于钢管径厚比增大，钢管对空间钢构架外侧混凝土的约束作用提高，混凝土强度和变形能力提高；另外，钢管径厚比增大，钢管的截面面积也增大，其承担的偏心受压荷载也增大。

（4）由图5（d）可见，试件SRSSFCC32的峰值偏心受压荷载及其对应的轴向变形均要比试件SRSSFCC39大，这是由于试件SRSSFCC39内埋空间钢构架位置转动了45°，参与抗弯的空间钢构架弦杆（角钢）的截面面积减小的缘故。

2.3 试件竖向偏心荷载-侧向变形曲线

图6给出了各试件偏心受压荷载-侧向变形的曲线（N-f），由图6可见：在圆形钢管屈服前，各试件的侧向变形较小，N-f曲线基本呈线性；随着偏心受压荷载的增大，受压区钢管塑性变形发展，N-f曲线偏离直线；当峰值偏心受压Nm时，圆形钢管出现明显压曲外鼓现象，侧向变形明显变大，但峰值偏心受压荷载对应的侧向变形值数值fm较小。

图5 各试件N-δ曲线

图6 各试件偏心受压荷载-侧向变形曲线

2.4 偏心受压承载力分析

（1）偏心距对偏心受压承载力影响。图7给出了偏心受压承载力-偏心距的关系曲线（Nm-e0），由图7可见，在其他条件相同的情况下，随着偏心距的增大，组合柱偏心受压承载力减小，在小偏心受压时，曲线大致呈线性趋势降低。

（2）约束影响系数对偏心受压承载力的影响。已有的研究表明[5-7]，内埋空间钢构架对内部核心混凝土的约束作用与角钢间净距Wi'、缀条截面面积Assl、缀条间距s、材料强度等因素有关，可用空间钢构架混凝土的约束效应系数λv

式中，ρv为缀条的体积配箍率；fyv、fc分别为缀条屈服强度与混凝土轴心抗压强度；bc、dc分别为x、y两个方向缀条形心之间的距离。

图8给出了偏心受压承载力-空间钢构架混凝土约束影响系数关系（Nm-λv），由图8可见，随着空间钢构架混凝土约束影响系数的增大，组合柱偏心受压承载力大致呈线性下降，但影响不大。

（3）套箍指标对偏心受压承载力Nm的影响。已有的研究表明[1]，圆形钢管对核心混凝土的约束作用与径厚比D/t、材料强度等因素有关，可用圆钢管混凝土的套箍系数ξ表示

式中，As、Ac分别为圆钢管的截面面积和钢管内混凝土的截面面积；fy为钢管的屈服强度；fc为混凝土轴心抗压强度。图9给出了Nm-ξ关系曲线，由图9可见，随着钢管混凝土套箍指标的增大，Nm大致呈线性提高。

图7 Nm-e0关系曲线

图8 Nm-λv关系曲线

图9 Nm-ξ关系曲线

2.5 控制截面应变分布规律

图10 给出了试件SRSSFCC32、试件SRSSFCC33控制截面的纵向应变分布规律，由图10可见，试件控制截面的应变基本符合平截面假定。组合柱试件达到峰值偏心受压荷载时，受压区钢管、受压区的角钢的压应变大于其屈服抗压应变。

图10 试件控制截面应变分布规律

3 结论

通过8个圆形钢管-空间钢构架混凝土组合柱的偏心受压试件和1个轴心受压试件的静力试验，可以得到以下主要结论：

（1）在偏心距较小（＜0.3）时，峰值偏心受压荷载时，受压侧内埋空间钢构架缀条达到其抗拉屈服应变，表明内埋空间钢构架对核心混凝土具有较好的约束作用，可以改善圆形钢管混凝土柱的偏心受力性能。

（2）偏心受压组合柱控制截面的应变基本符合平截面假定。

（3）在其他条件相同的情况下，偏心受压承载力随着偏心距的增大而大致呈线性降低。

（4）在其他条件相同的情况下，偏心受压承载力与外侧钢管混凝土的套箍指标、内侧空间钢构架混凝土约束影响系数有关。