钢管混凝土是在钢管中填充混凝土且钢管与核心混凝土共同承担外部荷载的一种组合结构 ^[1,2]。19世纪80年代钢管混凝土在国外已经开始应用,我国从1959年开始研究钢管混凝土的性能,钢管混凝土作为一种新型的组合结构,主要以轴心和较小偏心力的受压构件为主,被广泛应用于高层建筑和桥梁建设中 ^[3,4]。目前国内外学者已对钢管混凝土开展大量的研究和分析。文献[5,6]研究了膨胀剂掺量和应力比对钢管混凝土徐变性能的影响。文献[7,8]分析了钢管混凝土柱的耐火性。文献[9]进行了变截面钢管混凝土格构柱的抗震性能试验。

　　 由于钢管混凝土结构的特殊性,在混凝土浇筑过程中,钢管可作为模板包裹在混凝土外部,内部浇筑的混凝土属于隐蔽性工程。通常钢管内部有钢筋骨架、加筋肋等构造,因此容易造成浇筑混凝土密实性难以保证,使得钢管内部混凝土可能会存在一定缺陷。钢管混凝土缺陷形式主要有空洞、蜂窝、分层离析、粗细骨料不均匀以及钢管与混凝土脱空等,存在缺陷的核心混凝土会导致钢管混凝土构件承载力和刚度不同程度地降低,削弱钢管混凝土结构的整体性能 ^[10]。因此,有必要深入研究钢管混凝土结构核心混凝土缺陷对钢管混凝土承载力的影响。文献[11,12,13,14]均研究了脱空对钢管混凝土构件力学性能的影响,研究发现:脱空对钢管混凝土承载力有极大的影响,脱空率(钢管与核心混凝土在界面处分离的程度)越大则钢管混凝土构件极限承载力就越低,脱空率越小则钢管混凝土构件极限承载力就越高。以上研究未考虑核心混凝土缺陷率与缺陷位置对钢管混凝土承载力的影响,目前有关核心混凝土缺陷率与缺陷位置对钢管混凝土构件承载力影响的研究需要进一步完善和定量分析。

　　 为此,本文以核心混凝土不同缺陷率和缺陷位置的钢管混凝土试件为试验对象,研究其对钢管混凝土承载力的影响。

　　 本次试验制作9组、每组3个平行试件,共27个试件,钢管采用Q235钢材,钢管直径为325mm,壁厚为2mm,高度为650mm,钢管长细比为2。设计时考虑的主要参数包括:核心混凝土缺陷率(缺陷率分为无缺陷和缺陷率为5%,10%,15%,20%的共5种工况,缺陷率为缺陷体积除以核心混凝土体积); 缺陷位置(试件编号中HW表示无缺陷,HB表示靠近管壁侧缺陷,HH表示中心缺陷)。在制作缺陷时,采用硬塑料薄膜密封细沙而成,通过控制其体积以实现缺陷的大小,试件缺陷尺寸与比例见表1,试件缺陷位置见图1。

　　 试件采用现浇混凝土浇筑,混凝土配合比方案见表2。混凝土的工作性能实测值:坍落度220mm,扩展度550mm,含气量3.0%,1h坍落度变化量70mm。

　　 浇筑混凝土时将钢管竖直放置,并使用振捣棒以保证钢管与混凝土结合密实,如图2所示。缺陷制作方法:浇筑混凝土前,将沙袋设置到相应的位置,并且通过倒沙预埋管固定沙袋,确保沙袋固定在所设置的位置处,试件养护3d后倒出沙子,形成空洞缺陷,如图3所示。

　　 浇筑混凝土注意事项:缺陷位置应当在钢管外侧设有标记,应记录缺陷与钢管底部距离; 应确保在初凝之前将试件浇筑完毕; 放置缺陷时由于沙子的密度比混凝土的密度小,因此会出现沙袋漂浮移动的现象,应通过倒沙预埋管固定沙袋; 浇筑试件时需要浇筑同条件标准试块以测试混凝土的强度。

　　 浇筑钢管混凝土时,同时浇筑100mm×100mm×100mm立方体试块,并与钢管混凝土试件在相同条件下养护。28d后测试强度,结果见表3,取3块试块平均值41.47MPa作为混凝土的抗压强度。

　　 试验采用全截面加载方式 ^[15]。试件浇筑90d后,在800t的液压试验机上进行试验。试件底端两侧各设置1个位移计,同时试件1/2高度位置处设置2个位移计,使用综合测试仪采集位移数据。在钢管混凝土试件1/2高度处沿周长均匀布设4个表面应变计,应变取值为4个应变计所测应变值的平均值,使用DH3817动态应变测量系统采集数据。试验加载装置见图4。试验采用逐级加载,每级加载所测变形达到稳定时进行下一级加载,在弹性阶段每级荷载为理论计算极限荷载的10%,钢管屈服后每级荷载为理论计算极限荷载的5%。

　　 钢管混凝土不同缺陷位置及不同缺陷比例在受到外部荷载的荷载-变形曲线及破坏形态见图5～8。

　　 由图5、图6可知:由加载开始至荷载达到2 800kN时,无缺陷试件的外观和变形均无明显变化,试件的荷载-变形关系曲线呈线性增长且斜率最大; 当荷载达到2 800kN时对应的试件纵向位移为1.33mm,试件处于弹性阶段。此阶段下混凝土的泊松比小于钢管的泊松比,钢管对混凝土的套箍作用微小,可认为钢管与混凝土单独承担荷载,试件的承载力等于单轴应力状态的钢管与混凝土承载力的简单相加。

　　 荷载由2 800kN升高至3 617kN时,由于端部效应的影响,试件端部出现局部屈曲,试件内部传出混凝土被压碎的声响,荷载-变形关系曲线呈曲线变化且斜率不断减小; 当荷载达到3 617kN时对应的试件纵向位移为1.94mm,试件处于弹塑性阶段。此阶段混凝土的泊松比大于钢管的泊松比,钢管对混凝土产生了套箍作用,二者共同承担轴向压力,试件的极限承载力因此而提高。在试验过程中,荷载由1 211kN升高至2 826kN时,钢管处于屈服阶段。

　　 加载超过3 617kN时,钢管混凝土试件中部出现包鼓现象,荷载-变形关系曲线逐渐平缓,试件处于强化阶段。当加载至极限承载力4 037kN时,试件荷载-变形关系曲线达到顶点,斜率为0。到达顶点后,试件荷载-变形关系曲线缓慢下降,斜率成为负值,试件丧失承载力,达到破坏状态。试件破坏后切开钢管可以看到,核心混凝土表面出现斜向裂缝,裂缝将核心混凝土分为左右两个斜棱锥体,斜棱锥体沿着裂缝相对滑动,但滑动受到钢管的约束作用,因此钢管混凝土试件的承载力不会突然下降。

　　 图7为管壁侧缺陷试件破坏形态,HB1,HB2,HB3和HB4试件分别为缺陷率为5%,10%,15%,20%的管壁侧缺陷试件,由图5、图7可知:由加载开始至荷载达到1 620kN时,HB1试件荷载-变形关系曲线呈线性增长且斜率最大,试件处于弹性阶段且纵向位移为0.53mm。由加载开始至荷载达到1 607kN时,HB2试件荷载-变形关系曲线呈线性增长且斜率最大,试件处于弹性阶段且纵向位移为0.55mm。由加载开始至荷载达到1 606kN时,HB3试件荷载-变形关系曲线呈线性增长且斜率最大,试件处于弹性阶段且纵向位移为0.69mm。由加载开始至荷载达到1 230kN时,HB4试件荷载-变形关系曲线呈线性增长且斜率最大,试件处于弹性阶段且纵向位移为0.64mm。由于HB类试件缺陷存在于管壁侧,在全截面加载时混凝土承受荷载不均匀导致核心混凝土受到偏心轴压作用而发生大变形,故HB类试件的弹性阶段相对于无缺陷试件的弹性阶段短暂。钢管混凝土在开始受荷初期处于弹性阶段,在外荷载达到极限荷载60%～70%时,钢管壁上局部开始出现剪切滑移 ^[1],钢管对核心混凝土套箍作用增大; 在有缺陷的试件中,如本文HB1,HB2试件,由于其存在缺陷,在较小荷载作用下,可能局部就出现剪切滑移,钢管对核心混凝土在较小荷载作用下就起到套箍作用而三向受力,而无缺陷试件在较小荷载作用下,试件处于弹性阶段,钢管对核心混凝土套箍作用较小,可近似认为核心混凝土单向受力(特别是较小荷载作用下)。因此,对有缺陷试件在加载初期,表现出钢管对核心混凝土在较小荷载作用下发生套箍作用而三向受力的初始刚度比无缺陷试件在较小荷载作用下核心混凝土单向受力的初始刚度大的现象。HB类试件在弹性阶段的破坏过程与无缺陷试件基本相同,试件纵向位移随缺陷率的增大而增大,承载力随缺陷率的增大而减小。

　　 荷载由1 620kN升高至3 240kN时,HB1试件荷载-变形关系曲线呈曲线变化且斜率逐渐减小,试件处于弹塑性阶段且纵向位移为1.99mm。荷载由1 607kN升高至2 715kN时,HB2试件荷载-变形关系曲线呈曲线变化且斜率逐渐减小,试件处于弹塑性阶段且纵向位移为2.20mm。荷载由1 606kN升高至2 209kN时,HB3试件荷载-变形关系曲线呈曲线变化且斜率逐渐减小,试件处于弹塑性阶段且纵向位移为1.92mm。荷载由1 230kN升高至1 645kN时,HB4试件荷载-变形关系曲线呈曲线变化且斜率逐渐减小,试件处于弹塑性阶段且纵向位移为2.21mm。HB类试件处于弹塑性阶段时,混凝土的泊松比大于钢管的泊松比,钢管对混凝土产生套箍作用,二者共同承担轴向压力。在此阶段,核心混凝土受压发出声响,缺陷外部的钢管因缺乏核心混凝土的支撑作用而发生凹曲,凹曲程度随缺陷率的增大而增大。

　　 荷载达到3 240kN时,HB1试件荷载-变形关系曲线呈下降趋势,试件承载力丧失,达到破坏状态。荷载达到2 715kN时,HB2试件荷载-变形关系曲线呈下降趋势,试件承载力丧失,达到破坏状态。荷载达到2 209kN时,HB3试件荷载-变形关系曲线呈下降趋势,试件承载力丧失,达到破坏状态。荷载达到1 645kN时,HB4试件荷载-变形关系曲线呈下降趋势,试件承载力丧失,达到破坏状态。试件破坏后切开钢管可以看到,受压过程中产生应力集中的缺陷部位混凝土被压碎,核心混凝土表面裂缝由缺陷位置向两端延伸。试件加载至极限承载力后,试件凹曲程度加大但并没有迅速发展,说明钢管达到屈服阶段后对核心混凝土仍存在套箍作用。

　　 图8为中心位置缺陷试件破坏形态,HH1,HH2,HH3和HH4试件分别为缺陷率为5%,10%,15%,20%的中心位置缺陷试件,由图5、图8可知:由加载开始至荷载达到2 006kN时,HH1试件荷载-变形关系曲线呈线性增长且斜率最大,试件处于弹性阶段且纵向位移为1.05mm。由加载开始至荷载达到1 633kN时,HH2试件荷载-变形关系曲线呈线性增长且斜率最大,试件处于弹性阶段且纵向位移为1.18mm。由加载开始至荷载达到2 044kN时,HH3试件荷载-变形关系曲线呈线性增长且斜率最大,试件处于弹性阶段且纵向位移为1.17mm。由加载开始至荷载达到1 606kN时,HH4试件荷载-变形关系曲线呈线性增长且斜率最大,试件处于弹性阶段且纵向位移为1.17mm。HH类试件在弹性阶段的破坏过程与无缺陷试件基本相同,试件纵向位移随缺陷率的增大而增大,承载力随缺陷率的增大而减小。在加载初期,混凝土的泊松比小于钢管的泊松比,钢管对混凝土的套箍作用微小,可认为钢管与混凝土单独在单向受压状态下工作。

　　 荷载由2 006kN升高至3 458kN时,HH1试件荷载-变形关系曲线呈曲线变化且斜率逐渐减小,试件处于弹塑性阶段且纵向位移为1.92mm。荷载由1 633kN升高至3 229kN时,HH2试件荷载-变形关系曲线呈曲线变化且斜率逐渐减小,试件处于弹塑性阶段且纵向位移为2.22mm。荷载由2 044kN升高至2 922kN时,HH3试件荷载-变形关系曲线呈曲线变化且斜率逐渐减小,试件处于弹塑性阶段且纵向位移为1.84mm。荷载由1 606kN升高至2 613kN时,HH4试件荷载-变形关系曲线呈曲线变化且斜率逐渐减小,试件处于弹塑性阶段且纵向位移为2.44mm。HH类试件处于弹塑性阶段时,试件上下位置处钢管产生向外局部轻微屈曲。此阶段下混凝土的泊松比大于钢管的泊松比,钢管对混凝土产生套箍作用,二者共同承担轴向压力。

　　 荷载达到3 458kN时,HH1试件荷载-变形关系曲线骤降,试件承载力丧失,达到破坏状态。荷载达到3 229kN时,HH2试件荷载-变形关系曲线骤降,试件承载力丧失,达到破坏状态。荷载达到2 922kN时,HH3试件荷载-变形关系曲线骤降,试件承载力丧失,达到破坏状态。荷载达到2 613kN时,HH4试件荷载-变形关系曲线骤降,试件承载力丧失,达到破坏状态。加载至极限承载力后,HH类试件内部发出响亮的爆裂声,钢管屈曲现象迅速扩展,试件上下位置出现包鼓现象且缺陷率越大该现象越明显。试件破坏后切开钢管可看到,核心混凝土出现断层裂缝,其主要原因是:核心混凝土内部出现缺陷时,缺陷部位产生应力集中首先破坏,中心缺陷导致混凝土破坏后出现断层现象,当持续加载时混凝土上下层受到挤压收缩,使得试件承载力急速下降和钢管出现屈曲现象。

　　 图9为不同缺陷位置试件荷载-变形关系曲线,由图可知:

　　 由于核心混凝土存在缺陷,HB类试件和HH类试件的极限承载力均小于无缺陷试件的极限承载力,且缺陷率越大,极限承载力越低。由于HB类试件缺陷位置在管壁侧,加载时混凝土受力不均匀而引起偏心轴压作用,使得HB类试件的极限承载力低于HH类试件的极限承载力,且缺陷率越大,二者极限承载力相差越大。在加载过程中,HH类试件的弹塑性阶段相对于HB类试件的弹塑性阶段持续时间长,说明HH类试件在弹塑性阶段受到的钢管套箍作用大于HB类试件在弹塑性阶段受到的钢管套箍作用,HB类试件相对于HH类试件容易失稳。HB类试件荷载-变形关系曲线达到顶点后呈缓慢下降趋势,HH类试件荷载-变形关系曲线达到顶点后呈快速下降趋势,HB类试件承载力丧失速度慢于HH类试件承载力丧失速度,表明HB类试件的延性优于HH类试件。

　　 钢管混凝土试件1/2截面高度位置的应力计算方法为:轴向荷载F与1/2截面处面积的比值(无缺陷试件1/2截面面积为πR²,R=162.5mm,缺陷试件1/2截面面积为无缺陷试件截面面积减去缺陷截面面积,即S=πR²-πr²,r为圆柱形缺陷截面半径)。图10为试件1/2截面高度处应力-应变关系曲线,从图中可以得出:

　　 对于HB类试件,应力为5.7MPa时,无缺陷试件的应变为16με。应力为6.5MPa时,HB1试件的应变为60με。应力为6.4MPa时,HB2试件的应变为195με。应力为7MPa时,HB3试件的应变为184με。应力为8.2MPa时,HB4试件的应变为103με。说明对于无缺陷的钢管混凝土在受荷初期处于弹性阶段,在外荷载达到极限荷载60%～70%时,钢管壁上局部开始出现剪切滑移 ^[1],钢管对核心混凝土套箍作用增大; 而对于有缺陷的试件中,如本文HB2,HB3和HB4试件,由于其存在缺陷,在较小荷载作用下,缺陷局部就出现剪切滑移,造成其变形明显,在加载初期,钢管对核心混凝土在较小荷载作用下就起到套箍作用而三向受力。

　　 对于HH类试件,应力为6.2MPa时,HH1试件的应变为164με。应力为6.8MPa时,HH2试件的应变为15με。应力为8.1MPa时,HH3试件的应变为65με。应力为8.5MPa时,HH4试件的应变为200με。根据HH类试件应力-应变曲线及典型应力下的应变分析可得出:对于核心混凝土存在缺陷的结构,由于缺陷位置位于核心混凝土中心位置,其四周有混凝土约束,同时混凝土外侧有钢管约束,致使其受力、变形相比管壁侧缺陷(由于其壁侧存在缺陷,在荷载传递过程中,局部缺陷对受力性能体现地更为明显)的试件更为复杂; 同时出现这样的结果,易与缺陷制作、成型方法有关,在制作缺陷时,采用硬塑料薄膜密封西沙而成,通过控制其体积以实现缺陷的大小,在浇筑过程中,缺陷形状并非完全规则,致使力的传递过程中,应力集中出现的位置亦可能不同。综合以上两方面原因,中心缺陷试件表现出图10(b)的试验规律。HH类试件在整个加载过程中,缺陷率越大试件变形越明显,钢管发生局部屈曲后受压侧应变发展开始趋于缓慢,表面发现有明显的屈曲现象产生,说明此时钢管对混凝土仍产生套箍作用,二者共同承受外加荷载。

　　 本文通过试验分析了核心混凝土缺陷率与缺陷位置对钢管混凝土构件承载力的影响,得出以下结论:

　　 (1)本试验制作试件破坏形式:无缺陷试件的破坏形式通常为钢管混凝土端部屈曲; 管壁侧缺陷试件的破坏形式通常为钢管混凝土中部凹曲; 中心缺陷试件的破坏形式通常为钢管混凝土构件上下位置处钢管产生向外局部屈曲。

　　 (2)加载初期,无缺陷试件与缺陷试件荷载-变形曲线均为线性关系,且无缺陷试件的线性阶段相对于缺陷试件的线性阶段持续时间长。随着荷载的增加,无缺陷试件与缺陷试件荷载-变形关系逐渐过渡为曲线,管壁侧缺陷试件变形变化率大于中心缺陷试件变化率,中心缺陷试件的弹塑性阶段相对于管壁侧缺陷试件弹塑性阶段持续时间长。

　　 (3)缺陷率相同的条件下,不同的缺陷位置会对钢管混凝土构件的承载力造成不同的影响,缺陷在中心位置时,钢管混凝土构件承载力损失较小,缺陷在管壁侧位置时,钢管混凝土构件承载力损失较大。缺陷位置相同时,缺陷率越大钢管混凝土构件承载力损失越大,弹塑性阶段的历程越短。内部缺陷对钢管混凝土构件承载力影响较大,工程中应严格控制其内部缺陷。