Q460高强钢管自密实混凝土短柱轴压力学性能

陶 涛，张大长，孙 波，李布辉

(1. 南京工业大学 土木工程学院， 江苏 南京 211816；2. 河海大学 土木与交通学院， 江苏 南京 210012)



Q460高强钢管自密实混凝土短柱轴压力学性能

陶 涛1，张大长1，孙 波1，李布辉2

(1. 南京工业大学 土木工程学院， 江苏 南京 211816；2. 河海大学 土木与交通学院， 江苏 南京 210012)

本文以研究Q460高强钢管自密实混凝土短柱轴压力学性能为目的，通过开展6组短柱轴压试验并结合有限元软件ANSYS进行数值模拟分析，探讨核心混凝土强度对钢管自密实混凝土短柱轴压承载力、破坏模式、套箍效应等力学性能的影响规律。研究表明由于采用高强钢管，试件均呈现明显的腰鼓型失效模式；相比普通钢管混凝土柱，钢管自密实混凝土柱具有更好的承载能力，且其承载力与自密实混凝土强度成正比。基于现有规程并结合试验及有限元分析结果，修正了钢管混凝土组合强度公式，为钢管自密实混凝土构件设计提供参考。

Q460高强钢； 钢管混凝土； 自密实混凝土； 套箍效应； 极限承载力

钢管混凝土结构是一种钢管与核心混凝土共同承受外部荷载作用的钢-混组合结构，具有承载力高、施工方便、塑性和韧性好、耐腐蚀性好等优点，在众多大跨、高耸、复杂结构以及恶劣环境条件中得到了广泛应用，如今已成为结构工程学科的一个重要分支[1]。

近年来，国内外学者对于钢管自密实混凝土结构进行了初步研究，认为混凝土膨胀存在初始自应力，钢管在前期便对核心混凝土产生一定的套箍作用，使其极限承载力较普通钢管混凝土构件可提高5%～20%[2,3]，并将试验结果与现有计算规程进行对比，发现计算结果偏于安全[4,5]。目前，关于Q460高强钢管自密实混凝土短柱力学性能的研究仍较少，Q460钢管、混凝土强度等因素对其承载力的影响规律尚未明确，有待进一步研究。

本文通过开展6组Q460高强钢管自密实混凝土短柱轴压试验、非线性有限元模拟分析以及承载力计算理论分析，探讨钢管规格、自密实混凝土强度对构件承载力的影响规律，提出适用于文献[3]中的试验数据和本次6组试验数据的钢管自密实混凝土短柱轴压承载力修正计算公式。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文设计制作了2种钢管规格、3种不同自密实混凝土强度共6根轴压短柱，试件参数如表1所示。

表1 试件参数

试验构件所用钢管均为Q460高强冷弯直缝钢管，通过材性试验测得其屈服抗拉强度fy=496.4 MPa，极限抗拉强度fu=556.9 MPa。

试件设计时，经过多组对比优选，确定了不同等级自密实混凝土的配合比，如表2所示。

表2 自密实混凝土配合比

1.2 加载方法

本试验在YAW-5000F微机控制电液伺服压力试验机上进行，两端采用固接，如图1所示。试验采用分级加载制度，通过计算得到构件的预估极限承载力，前期每级加载取预估承载力的10%，达到预估承载力的80%之后每级加载取5%，当荷载出现快速下降或试件出现较大变形鼓曲时，停止加载并结束试验。

图1 试件加载装置及测点布置示意

1.3 试验测试

试件测点布置如图1所示，在钢管中部对称位置布置应变测点，测试钢管纵向、环向以及与钢管轴线呈45°方向的应变及其发展规律。在试件两侧对称布置位移计，测试构件的轴向位移。

2 试验结果

2.1 失效形态

试验过程中，加载到极限承载力的50%左右时，钢管外壁出现钢渣掉落现象，加载至极限承载力的90%左右，钢管外壁出现大量钢渣及水泥脱落，部分试件钢管外壁呈现出斜波纹，钢管达屈服状态。加载初期钢管变形均匀，随着荷载继续增加，开始出现局部鼓曲，之后试件迅速破坏，荷载下降，典型试件破坏形态如图2所示。

图2 典型试件破坏形态

由于试件采用Q460高强钢，其径厚比较小且约束系数较大，钢管对核心混凝土的约束作用使得构件无任何剪切变形趋势，6组试件均在偏下的1/3或1/4处呈现明显的腰鼓型失效形态，且鼓曲的程度较低。由于试件长细比较短，发生强度破坏，与失稳破坏时现象有所差异，不一定发生在1/2处。试件具有明显的延性破坏特征，在屈服后仍具有较大的承载力。

2.2 荷载-变形分析

试验构件的承载力如表3所示，自密实混凝土强度对试件的极限承载力影响明显，混凝土强度越高，其极限承载力越大。C30、C40和C50三种混凝土等级试件中，混凝土每提高一个强度等级，钢管自密实混凝土短柱的极限承载力提高7%左右。

表3 试验构件承载力

不同自密实混凝土强度试件的荷载-应变曲线如图3所示。在加载初期，由于钢管和核心混凝土各自单独承受轴向荷载，截面纵向刚度基本相同，不同混凝土强度试件在弹性阶段的曲线基本重合；在钢管进入塑性阶段后，由于核心混凝土强度的差异，试件各部分变形不均匀，荷载-应变曲线出现偏差，核心混凝土强度越高，相同应变下承受轴向荷载越大。

图3 不同自密实混凝土强度荷载-应变曲线

同一试件外壁钢管纵向应变的发展速度大于其环向应变，环向应变前期增加较缓，后期增加较快，而纵向应变一直保持着相对快速的增长趋势。这是因为在加载初期，钢管与核心混凝土之间几乎没有相互约束作用；在加载后期，钢管与核心混凝土之间产生相互作用力，核心混凝土径向挤压钢管，使环向应变迅速增加。

3 承载力特性的模拟分析

3.1 分析模型

本文采用非线性有限元软件ANSYS进行建模分析，钢材选用Solid45单元，混凝土选用Solid65单元(六面体八节点单元)。

结合材性试验结果，Q460高强钢采用双折线模型，分为二个阶段：弹性阶段、强化阶段，强化阶段的弹性模量取0.01Es，钢材弹性模量Es=2.01×105N/mm2，泊松比取0.3。C30、C40、C50混凝土的弹性模量分别取3.00×104、3.25×104、3.35×104N/mm2，混凝土泊松比取0.2[6,7]。

根据参考文献[8]的研究，有限元分析时采用以下基本假设：钢管与混凝土间没有滑移；理想化的材料本构模型；只考虑纵向平衡和变形协调条件。有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

3.2 有限元结果与试验对比分析

有限元模拟得到试件模型呈腰鼓型破坏，与试验失效形态一致，钢管与核心混凝土的典型应力分布如图5所示。由图 5可知，钢管应力呈环形带状，中部应力最大，整个钢管基本达到屈服状态；核心混凝土纵向中部应力最大，两端较小，混凝土边缘处因受到钢管约束，其应力明显大于核心处，核心处应力约为表面应力的78%。

图5 钢管与混凝土Von Mises应力云图

典型试件的有限元模拟得到荷载-应变曲线与试验结果如图6所示，试验与有限元模拟结果具有很好的一致性，弹性阶段两者基本吻合，弹塑性及塑性阶段曲线存在一定偏差，这是因为有限元模拟时简化了本构模型且忽略了钢管与核心混凝土之间的滑移，总体上两者基本一致。

图6 有限元与试验荷载-应变曲线对比

4 承载力计算理论

相较于普通钢管混凝土，高强钢管自密实混凝土具有更为均匀的密实性和更高的承载力。本文对DBJ 13-51-2003《钢管混凝土结构技术规程》[9]中关于圆钢管混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式进行修正，提出了新的经验公式。

本文综合文献[3]中的试验数据和本次6组试验结果，拟合了构件的极限承载力Nu与fcAsc(fc为混凝土轴心抗压强度；Asc为钢管混凝土构件的组合横截面面积)一次函数关系，其中修正系数f(ξ)的拟合曲线如图7所示。

图7 承载力拟合曲线

拟合得到f(ξ)的函数如式(1)、式(2)所示。

f(ξ)=1.27ξ+1.54

(1)

ξ=Asfy/(Acfc)

(2)

式中：ξ为构件截面的约束效应系数；fy为钢材的抗压强度；As为钢管的横截面面积；Ac为核心混凝土的横截面面积；fc为混凝土轴心抗压强度。

结合式(1)得到钢管自密实混凝土轴压短柱承载力修正计算公式如式(3)所示。

Nu=fcAsc·f(ξ)=(1.27ξ+1.54)fcAsc

(3)

式中：Asc为钢管混凝土构件的组合横截面面积。

本文6组试验结果与修正公式的计算值如表4所示，理论值的均值μ为1.007，方差σ2为0.004，可见试验结果与修正公式的计算值吻合较好，该修正公式可为钢管自密实混凝土构件设计提供参考。

表4 钢管自密实混凝土柱承载力

5 结 论

本文开展了Q460高强钢管自密实混凝土短柱轴压试验，探讨了其受力特性、破坏特性以及混凝土强度对构件力学性能的影响规律，基于试验、有限元及理论分析结果对比，可以得出以下结论：

(1)由于采用Q460高强钢管，试件均在1/3或1/4处呈现明显的腰鼓型破坏，但鼓曲的程度较低。

(2) Q460钢管对核心混凝土的套箍效应比Q345更为明显，破坏模式仅有腰鼓型破坏，没有剪切型破坏。

(3)自密实混凝土强度越高，试件极限承载力越大。三种混凝土等级试件中，每提高一个混凝土强度等级，钢管自密实混凝土短柱的极限承载力提高6%左右。

(4)试验与有限元结果吻合较好，基于DBJ 13-51-2003《钢管混凝土结构技术规程》得到的修正公式与试验结果吻合较好，可为钢管自密实混凝土构件设计提供参考。

[1] 韩林海, 杨有福. 现代钢管混凝土结构技术(第2版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007．

[2] 徐 磊. 钢管自应力免振混凝土轴压柱设计理论研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2005．

[3] 李 毅, 唐习龙. 钢管自密实混凝土柱轴心受压承载力试验[J].建筑科学与工程学报, 2008, 25(3): 26-31．

[4] 尧国皇, 韩林海. 钢管初应力对钢管混凝土构件轴压刚度和抗弯刚度的影响[J]. 工业建筑, 2004, 34(7): 57-60．

[5] 陈宝春, 黄福云. 加载方式对钢管混凝土轴压短柱受力性能影响的试验研究[J]. 铁道科学, 2009, 31(3): 82-88．

[6] 罗 华. 圆钢管活性粉末混凝土短柱轴压受力性能研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2011．

[7] 韩林海. 钢管混凝土结构：理论与实践[M]. 北京:科学出版社, 2004.

[8] 江见鲸, 陆新征, 叶列平. 混凝土结构有限元分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.

[9] 尧国皇, 韩林海. 《钢管混凝土结构技术规程》 (DBJ 13-51-2003)设计方法及可靠度分析[J]. 工业建筑, 2006, 36 (1): 66-70．

Behavior of Self-compacting Concrete-filled Q460 High-strength Steel Tubular Short Columns Under Axial Compression

TAOTao1,ZHANGDa-chang1,SUNBo1,LIBu-hui2

(1.College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China; 2.School of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210012, China)

In order to investigate the mechanical properties of the Q460 steel stub columns filled with self-compacting concrete under the axial compression, six stub columns were tested combining with the analysis of numerical simulations using ANSYS. The influence of the strength of core concrete on the mechanical behavior such as bearing capacity, failure modes and confining effect of the stub columns were studied. The results show that all the members have failed significantly in drum-type failure mode due to the high-strength steel. Bearing capacity of steel stub columns filled with self-compacting concrete is greater than the ordinary concrete filled steel tube structure, and the higher strength of the self-compacting concrete is, the greater the bearing capacity will be. Based on existing regulations and results of the tests and finite element analysis, the formula of combination strength of concrete filled steel tubular is modified, giving reference to design members of self-compacting concrete-filled tubes.

Q460 high-strength steel; concrete-filled steel tube; self-compacting concrete; confining effect; ultimate bearing capacity

2016-01-18

2016-03-17

陶 涛(1991-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为钢结构 (Email: zxchl_91@126.com )

张大长(1971-)，男，浙江新昌人，教授，博士，研究方向为钢结构 (Email:dczhangchina@163.com)

TU398+.9

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2095-0985(2016)05-0054-05