不同加劲肋钢管无水泥混凝土短柱轴压试验

周沫含 裴长春*

(延边大学，吉林 延吉 133002)

0 引言

薄壁钢管混凝土柱由于承载力高、抗震性能好等优点，在部分拱桥结构、工业厂房等建筑中得到应用。但近年来国内外学者们对柱轴压性能进行试验研究和理论分析，结果表明：柱在破坏时容易产生局部屈曲，这样既降低了钢管对混凝土的约束，也不利于增加钢管和混凝土的粘结。如，金周(2008)提出在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管，在轴向荷载下容易发生局部屈曲，尤其是截面形状为方形或矩形时[1]。通过以上研究结果可知，薄壁钢管混凝土柱因有这些缺陷，降低了其承载力，所以推广应用受到一定的限制。

因此，本文为了提高薄壁钢管混凝土短柱的力学性能，同时提高工业废弃物利用率，降低环境污染，故以矿渣、粉煤灰等无熟料水泥混凝土作为基体混凝土，改变不同加劲肋形式，研究不同加劲肋的无熟料水泥再生薄壁钢管混凝土短柱的轴压性能，为钢管混凝土短柱的设计及施工提供技术参考。

1 试验方案设计及方法

1.1 试验方案设计

本试验采用的混凝土水胶比为0.3，单位用水量为170 kg/m3，以粉煤灰47.5%、矿渣47.5%、低纯度石灰粉5%(以上均为相对胶凝体的质量百分比)代替全部水泥作为胶凝材料，再生骨料掺入率为50%(总粗骨料中所占的质量百分比)，砂率为0.5，减水剂掺入率为0.7%(相对胶凝体的质量百分比)；选用以KOH为2.5%和NaOH为5%(相对胶凝体质量比)组合作为激发剂进行基准混凝土配合比设计[2]，改变加劲肋形式4个水准，共计划4组实验。并在规定龄期计划测试柱的破坏形态、荷载—应变曲线、轴心抗压强度等。

1.2 试件设计与试验方法

本试验设计了四个180 mm×180 mm×540 mm的钢管短柱，壁厚2.5 mm。第一组试件为不加肋、第二组试件是在柱截面边长的1/2处设宽25 mm纵向540 mm的加劲肋[3]，第三组试件是在第二组试件的基础上在柱顶端和底端分别加一个25 mm×25 mm的垫片，第四组试件是在柱截面边长的1/3和2/3处设宽25 mm纵向540 mm的加劲肋。轴压载装置采用的是YAS-5000的微机控制电液伺服压力试验机，其最大的试验力5 000 kN。YAS-5000的系统可以自动采集数据并能进行自动分析。

2 试验结果分析

2.1 试验现象与破坏状态

首先，无加劲肋的钢管混凝土柱，在加载初期，随着荷载值不断增大，位移读数不断增加，但是试件钢管外并无明显现象，当荷载增加至350 kN时，钢管外部柱上口和中间位置产生局部屈曲，随着荷载值继续增大，钢管外焊接边缘开始发生炸裂，发出一声脆响，最终破坏荷载为700.5 kN。其次，单肋钢管混凝土柱，在加载初期，钢管柱无明显变化，位移读数不断增加，当荷载从850 kN增加至900 kN时，柱中焊缝撕裂并发出咔咔的响声，最终破坏时荷载为900.8 kN。第三组单肋加垫片钢管混凝土柱，在加载初期，钢管柱表面无明显变化，位移持续上升，当荷载增加至820 kN时，上部柱口处开始发生鼓曲，柱的焊缝开始撕裂，并发出响声，最终破坏荷载为881 kN。双肋钢管混凝土柱，在加载初期，钢管并无任何变化，位移数值不断增加。当荷载加至800 kN时，柱四面的上部开始向外发生鼓曲；当加载至900 kN时，柱中间部位开始凸起，荷载继续增加，凸起部分开始开裂，最终破坏时荷载为963.5 kN。

2.2 荷载—应变曲线

图1为不同加劲肋形式无熟料水泥再生薄壁钢管混凝土短柱的荷载—应变曲线。将钢管应变发展过程分为弹性阶段和弹塑性阶段。弹性阶段：四根钢管柱的应变发展过程相似，钢管柱的轴向应变和环向应变呈线性增长，1/4，1/2，3/4各测点应变接近，由图1可看出，在不设加劲肋的钢管中，当荷载加载至400 kN时，应变变化很大，说明加劲肋的添加有利于增强钢管与混凝土的粘结性；在钢管与混凝土的作用下，混凝土也抑制了钢管的早期屈服。弹塑性阶段：四根钢管柱的应变发展过程相似，当荷载加载到极限荷载的90%后，应变开始变大且发展迅速，伴随荷载的变大，试件破坏。在设双肋的钢管柱中，可以看到荷载加载至800 kN时，三个测点的应变均在2 000以内，说明加劲肋的添加可以对钢管柱的破坏产生一定的约束作用。

2.3 短柱的轴心抗压强度

图2为不同加劲肋形式无熟料水泥再生薄壁钢管混凝土短柱的轴心抗压强度。从图2可看出，首先不设加劲肋的钢管柱轴心抗压强度最低为31.1 MPa；随着加劲肋形式的变化，当加劲肋形式为单肋时，柱的轴心抗压强度为40.1 MPa；当加劲肋形式为单肋带垫片时，柱的轴心抗压强度稍有增高，为39.2 MPa；当加劲肋为双肋时，柱的轴心抗压强度为42.8 MPa。可见，加劲肋为双肋时轴心抗压强度最高。说明加劲肋增强了钢管的稳定性，使钢管柱中混凝土和钢管的粘结力更强，起到了提高轴压性能的作用。

3 结语

本文通过对不同加劲肋形式的无熟料水泥再生钢管混凝土短柱轴压性能的试验分析，得到以下结论：

1)有加劲肋的钢管柱比无加劲肋的钢管柱，轴压承载力有所提高，且单肋带垫片、单肋、双肋依次提高，其中，双肋的钢管柱的破坏荷载最高。

2)无水泥混凝土钢管混凝土短柱的破坏形式与普通混凝土柱相似，荷载—应变曲线发展的弹性和弹塑性阶段与普通混凝土钢管柱基本一致。

3)在本试验中可得出，当加劲肋为双肋时，得到的抗轴压承载力最高，性能最好。

参考文献:

[1] 金 周.薄壁钢管混凝土短柱基本力学性能研究[D].厦门：华侨大学,2008.

[2] 王晓博.复合掺料无水泥混凝土短柱轴压性能试验研究[D].延吉：延边大学,2015.

[3] 张俊光,陈建华.设加劲肋钢管混凝土轴压短柱试验研究及有限元分析[J].公路交通科技(应用技术版),2015,11(12):199-203.