L形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力的研究

張淑芬

(遼東學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，遼寧丹東 118003)

[定稿日期]2017-09-29

目前，鋼骨混凝土柱多為矩形或方形柱，而對(duì)于鋼骨混凝土異形柱，在國(guó)內(nèi)外的研究尚少。廣西大學(xué)的蘇益聲教授[1]、西安理工大學(xué)的李哲教授[2]、西安建筑科技大學(xué)的趙鴻鐵教授[3-7]等主要對(duì)空腹式鋼骨混凝土異形柱進(jìn)行了深入研究。北京工業(yè)大學(xué)的曹萬(wàn)林教授[8]曾結(jié)合北京財(cái)富中心一期工程，設(shè)計(jì)研究了一種鋼骨混凝土異形柱，這種形式的鋼骨混凝土異形柱雖屬于實(shí)腹式，但不具有普遍性。筆者提出了一種更具有普遍推廣意義的實(shí)腹式鋼骨混凝土異形柱[9-10]，并對(duì)這種新型構(gòu)件的承載能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究, 提出了L形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力的計(jì)算公式，試驗(yàn)證明這種新型實(shí)腹式鋼骨混凝土異形柱可以在工程中推廣使用。

1 試驗(yàn)

1.1 加載裝置及加載制度

試驗(yàn)在500 t液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載裝置如圖1所示。在柱肢中部垂直于柱肢軸向的水平方向布置3個(gè)位移計(jì)，用于觀察異形柱在軸向加載下的側(cè)向彎曲變形。在平行于柱肢軸向布置1個(gè)位移計(jì)，用于觀察柱沿軸向的變形。

圖1 加載裝置

試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式，步驟為：先將試件置于加載試驗(yàn)機(jī)上，然后進(jìn)行預(yù)載，再逐級(jí)施加豎向荷載，初期每級(jí)荷載為100 kN ,在試件出現(xiàn)裂縫后每級(jí)荷載為50 kN，直到破壞。

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)試件，其中3個(gè)為鋼骨混凝土異形柱，1個(gè)為普通鋼筋混凝土異形柱。試件高度均為H=600 mm，試件外包截面尺寸為b×h=200 mm×200 mm，試件高寬比H/b=3，符合短柱要求。試件編號(hào)及名稱解釋見(jiàn)表1。

表1 試件名稱與編號(hào)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的異形柱具體截面尺寸及配筋形式如圖2所示。其中異形柱柱肢寬度均為60 mm，鋼骨混凝土異形柱中鋼骨的翼緣寬度為40 mm。鋼板由剪板機(jī)剪切而成，采用手工電弧焊組成鋼骨骨架。箍筋與縱向鋼筋之間采用綁線綁扎連接。

1.3 材料的力學(xué)性能

鋼骨分別采用厚度為8 mm、6 mm、4 mm的鋼板，材質(zhì)為Q235，縱向鋼筋和箍筋分別采用直徑為6 mm和4 mm的HPB235級(jí)鋼筋。鋼板和鋼筋的實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2?；炷敛捎蒙唐坊炷粒湓O(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C60，由沈陽(yáng)建富商品混凝土有限公司生產(chǎn)，其實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表2 鋼板/鋼筋實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)

2 異形柱受力性能分析

2.1 試件縱向變形及破壞過(guò)程分析

異形柱在軸心荷載下的縱向變形如圖3所示。

圖3 軸心荷載下的縱向變形曲線

由圖3可以看出：從開(kāi)始加載到破壞，4個(gè)試件在軸心壓力作用下，破壞過(guò)程大致相同，都經(jīng)歷了三個(gè)階段，即彈性階段、帶裂縫階段和破壞階段。

(1)彈性階段：當(dāng)荷載較小時(shí)，混凝土、型鋼及縱向鋼筋均處于彈性狀態(tài)。

(2)帶裂縫階段：隨著荷載的增大，柱肢中部混凝土出現(xiàn)微小裂縫。試件進(jìn)入此階段的快慢程度與鋼骨有關(guān)，含鋼骨的3個(gè)試件開(kāi)裂荷載為極限荷載的70 %左右，而無(wú)鋼骨的試件開(kāi)裂荷載為極限荷載的50 %。但對(duì)于4個(gè)試件，當(dāng)壓力達(dá)到大約極限荷載的90 %時(shí)，裂縫才明顯發(fā)展。也就是說(shuō)，有鋼骨的試件開(kāi)裂較晚，而無(wú)鋼骨的試件開(kāi)裂較早，但裂縫明顯發(fā)展出現(xiàn)的時(shí)間基本上都相同，大致在接近破壞階段。

(3)破壞階段:荷載的繼續(xù)增大，混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，混凝土被壓碎、剝落，部分縱向鋼筋壓曲外彎，型鋼達(dá)到屈服，個(gè)別鋼骨翼緣發(fā)生局部屈曲。

在試件達(dá)到極限荷載之后，有鋼骨的試件承載力下降較為平緩，試件縱向變形較大，明顯呈延性。而無(wú)鋼骨的試件承載力下降較陡，試件縱向變形較小，明顯呈脆性。由此可以看出，鋼骨的存在改善了構(gòu)件的延性。

2.2 試件橫向變形分析

異形柱在軸心荷載下的橫向變形如圖4所示。

圖4 軸心荷載下的橫向變形曲線

由圖4異形柱在軸心荷載下的橫向變形曲線可以看出:在試件達(dá)到極限荷載之前，橫向變形非常小可以忽略；在試件達(dá)到極限荷載之后，橫向變形才開(kāi)始迅速增加。所以，可以按軸心受壓考慮。

3 異形柱承載力分析

鋼骨混凝土異形柱與鋼筋混凝土異形柱承載力見(jiàn)表4。

由表4可知鋼骨的存在對(duì)構(gòu)件承載力提高較大。從表4可以看出，鋼骨厚度分別為8 mm、6 mm、4 mm的L形鋼骨混凝土異形柱軸心抗壓承載力比普通鋼筋混凝土異形柱分別提高了53 %、50 %、38 %。提高的原因主要存在于兩個(gè)方面：(1)有鋼骨異形柱的總含鋼率分別為14.9 %、11.4 %、7.9 %，而無(wú)鋼骨異形柱的配筋率僅為1.0 %，因而使得鋼骨混凝土異形柱承載力得到較大提高；(2)由于鋼筋混凝土包裹型鋼，使得型鋼不易發(fā)生失穩(wěn)和局部屈曲，型鋼的強(qiáng)度得到了充分發(fā)揮，因而有效地提高了構(gòu)件的承載力。

表4 鋼骨混凝土異形柱與鋼筋混凝土異形柱承載力的比較

注：P是各個(gè)試件的承載力；P0是試件“LZ-0”的承載力。

4 異形柱軸心受壓承載力計(jì)算

表5 承載力的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

5 結(jié)論

(1)對(duì)軸心荷載下的鋼骨混凝土異形柱和普通混凝土異形柱的破壞過(guò)程以及試件變形進(jìn)行了比較，鋼骨混凝土異形柱的延性更好。

(2)鋼骨混凝土異形柱比普通混凝土異形柱的承載力有明顯的提高，并且在其他條件不變的情況下，隨著含鋼骨率的提高，其承載力也提高。

(3)對(duì)不同含鋼骨率及無(wú)鋼骨構(gòu)件的承載力進(jìn)行對(duì)比分析，提出了十形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力的計(jì)算公式，計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

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