方钢管UHPC短柱轴压性能试验研究
0 引言
UHPC (ultra high performance concrete)是一种具有超高强度、优良韧性和优越耐久性等系列优点的新型混凝土材料 [1,2],但是，伴随UHPC高强而来的脆性阻碍了其在工程中的应用。为此，国内外学者为改善UHPC延性性能提出了诸多有效措施 [3,4],包括掺入钢纤维、采用粗骨料、配置钢筋、提供侧向约束、采用钢管约束等。其中，采用钢管UHPC可有效克服其脆性，是推广其工程应用的优选方案之一 [4,5]。钢管UHPC结构在高层、超高层、重载等结构中具有优越的力学性能和经济效应 [6]。
国内外学者针对圆钢管UHPC短柱轴压性能开展了大量研究，取得了诸多研究成果。文献[5,6,7,8]研究表明：钢管UHPC短柱延性大幅提高，承载力提高幅度与套箍系数有关，荷载-变形曲线的弹性阶段较长(达极限荷载的90%)。文献[9,10,11]表明：对于套箍系数较小的圆钢管UHPC短柱，其延性改善较大，而承载力提高幅度不大，可忽略不计。工程中常用的钢管混凝土截面形式为圆形、方形和矩形 [12]。方钢管混凝土具有截面形状规则，梁柱节点连接方便，外部钢管对核心混凝土约束较强等优点，被广泛应用于高层建筑中 [13]。但方钢管对核心混凝土的约束不均匀，在轴压性能方面逊色于圆钢管混凝土 [14]。目前，仅少数研究者(吴捧捧 [15]、Liew等 [9]、Guler等 [16])对方钢管UHPC短柱轴压性能进行了研究，得出方钢管对UHPC延性改善显著而对承载力提高不明显的结论。但关于方钢管UHPC短柱轴压性能的研究主要针对套箍系数较小(0.40≤ξ≤2.44)的情形，对大套箍系数(ξ≥3)方钢管UHPC短柱轴压性能的研究尚鲜见于文献。
为全面了解方钢管UHPC短柱轴压性能、补充试验参数范围和完善试验结果，设计制作16组(32根)不同套箍系数的方钢管UHPC短柱试件，通过静力试验获得各组试件的荷载-变形、荷载-应变曲线，分析套箍系数对其延性和承载力的影响，揭示方钢管与UHPC之间相互作用机理。基于UHPC与方钢管之间相互作用机理、延性需求和经济性指标，建议了套箍系数的上限值。旨在为方钢管UHPC结构的推广应用及我国相关技术标准制定与修订提供试验依据和理论基础。
1 试验概况
1.1 试件设计
试验中共设计16组(32根)方钢管UHPC短柱试件，考虑的主要参数为UHPC强度等级、钢材强度等级和钢板厚度。试验钢管均由4块钢板在加工车间气体保护焊对接焊接而成，试件制作主要包括：钢管焊接、钢管底板及加劲肋焊接、UHPC浇筑及养护、顶板及加劲肋焊接4个流程。后两个流程的详细过程如下：分层浇筑振捣UHPC后，使UHPC略高出钢管顶面5～10mm, 以弥补养护过程中的部分收缩变形，覆盖并缠绕塑料薄膜，防止水分蒸发实现UHPC自养护，待养护至预定龄期，打磨试件顶面并找平，焊接顶板及加劲肋。试件的详细参数见表1,试件构造细节如图1所示。
图1 试件构造示意图
1.2 材料力学性能
试验选用UHPC100,UHPC110,UHPC120,UHPC140共4种不同强度等级的UHPC,其配合比见表2。试件浇筑时每种UHPC配合比预留9个100mm的立方体试件和9个100mm×100mm×300mm的棱柱体试件，自养护一天，脱模并用塑料膜包裹后与钢管UHPC同条件养护至标准龄期。按《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081—2002)和《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)测试其抗压强度，结果见表3。试验钢材选取Q460高强结构钢，钢板购置时的名义厚度为整毫米，采用游标卡尺测量其实际厚度，根据《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)规定标准进行材性试验，钢材主要力学性能指标取值见表4。
试件参数及主要试验结果 表1
| 试件组编号 | B/mm | t/mm | L/mm | fy/(N/mm2) | fck /(N/mm2) | ξ | Nu /kN | Nr /kN | Nr/Nu | φmin | SI |
S1-5-100 |
100.0 | 4.9 | 300.0 | 668.8 | 89.2 | 1.72 | 1 800.3 | 1 523.5 | 0.85 | 5.0% | 0.91 |
S2-5-110 |
100.0 | 4.9 | 300.0 | 668.8 | 100.3 | 1.53 | 2 003.8 | 1 536.0 | 0.77 | 5.0% | 0.97 |
S3-6-110 |
100.0 | 5.8 | 300.0 | 646.2 | 100.3 | 1.80 | 2 220.5 | 1 648.5 | 0.74 | 5.1% | 1.01 |
S4-6-120 |
100.0 | 5.8 | 300.0 | 646.2 | 111.3 | 1.62 | 2 391.2 | 1 989.6 | 0.83 | 5.1% | 1.05 |
S5-6-140 |
100.0 | 5.8 | 300.0 | 646.2 | 128.1 | 1.41 | 2 573.3 | 2 041.1 | 0.79 | 5.1% | 1.07 |
S6-7-100 |
100.0 | 6.8 | 300.0 | 599.5 | 89.2 | 2.28 | 2 209.4 | 1 962.8 | 0.89 | 4.7% | 1.01 |
S7-7-110 |
100.0 | 6.8 | 300.0 | 599.5 | 100.3 | 2.03 | 2 294.7 | 1 990.3 | 0.87 | 4.7% | 1.01 |
S8-7-120 |
100.0 | 6.8 | 300.0 | 599.5 | 111.3 | 1.83 | 2 368.9 | 1 976.1 | 0.83 | 4.7% | 1.01 |
S9-7-140 |
100.0 | 6.8 | 300.0 | 599.5 | 128.1 | 1.59 | 2 492.1 | 2 026.2 | 0.81 | 4.7% | 1.01 |
S10-10-100 |
100.0 | 10.0 | 300.0 | 458.6 | 89.2 | 2.89 | 2 206.1 | 2 206.1 | 1.00 | 3.5% | 0.99 |
S11-10-120 |
100.0 | 10.0 | 300.0 | 458.6 | 111.3 | 2.32 | 2 297.7 | 2 283.6 | 0.99 | 3.5% | 0.97 |
S12-10-140 |
100.0 | 10.0 | 300.0 | 458.6 | 128.1 | 2.01 | 2 498.5 | 2 300.8 | 0.92 | 3.5% | 1.01 |
S13-14-100 |
100.0 | 14.2 | 300.0 | 468.6 | 89.2 | 4.99 | 3 106.7 | 3 106.7 | 1.00 | 3.5% | 1.13 |
S14-14-120 |
100.0 | 14.2 | 300.0 | 468.6 | 111.3 | 4.00 | 3 119.5 | 3 119.5 | 1.00 | 3.5% | 1.09 |
S15-14-140 |
100.0 | 14.2 | 300.0 | 468.6 | 128.1 | 3.48 | 3 274.3 | 3 274.3 | 1.00 | 3.5% | 1.11 |
S16-18-140 |
100.0 | 18.5 | 3 000.0 | 444.6 | 128.1 | 5.27 | 3 441.4 | 3 441.4 | 1.00 | 3.4% | 1.08 |
注：参数fy,fck均为试验实测值的均值；L为试件的几何长度；Nu,Nr分别为同组试件承载力极限值和残余承载力的均值；φmin为试件的相对变形率的下限值；SI为承载力提高系数。
UHPC配合比/(kg/m3) 表2
| 配比 | 水 | 水泥 | 硅灰 | 粉煤灰 | 减水剂 | 中砂 | 钢纤维 |
UHPC100 |
200 | 700 | 150 | 150 | 30 | 1 220 | 157 |
UHPC110 |
180 | 700 | 100 | 200 | 30 | 1 220 | 157 |
UHPC120 |
170 | 750 | 150 | 100 | 30 | 1 220 | 157 |
UHPC140 |
160 | 800 | 50 | 150 | 30 | 1 220 | 157 |
注：减水剂为聚羧酸减水剂(淡黄色液体),减水效率不小于25%;钢纤维长度为13mm, 直径为0.2mm的镀铜钢纤维，体积掺量为2%。
UHPC力学性能 表3
强度等级 |
强度及弹模/MPa |
泊松比 | ||
fcu |
fck | Ec | υ | |
UHPC-100 |
102.4 | 89.2 | 4.07×104 | 0.23 |
UHPC-110 |
111.0 | 100.3 | 4.12×104 | 0.22 |
UHPC-120 |
124.8 | 111.3 | 4.21×104 | 0.22 |
UHPC-140 |
141.0 | 128.1 | 4.34×104 | 0.21 |
钢材力学性能 表4
试样 编号 |
板厚 |
屈服强度 | 极限强度 | 弹性模量 | 泊松比 |
t /mm |
fy /MPa | fu /MPa | Es/(×105MPa) | υ | |
t-5 |
4.9 | 668.8 | 740.5 | 2.00 | 0.27 |
t-6 |
5.8 | 646.2 | 734.7 | 1.89 | 0.28 |
t-7 |
6.8 | 599.5 | 723.9 | 1.92 | 0.27 |
t-10 |
10.0 | 458.6 | 521.9 | 1.95 | 0.28 |
t-14 |
14.2 | 468.6 | 528.9 | 2.03 | 0.28 |
t-18 |
18.5 | 444.6 | 514.5 | 1.99 | 0.29 |
图2 加载装置及测点布置
1.3 加载方案与测量内容
试验在武汉大学土木结构试验大厅500T电压伺服压力试验机上进行，加载装置及测点布置如图2所示。试验采用力-位移混合控制加载方案。正式加载前进行预加载，预加载至预估极限荷载的10%,用以检查测试系统和测点的可靠性。随后进入正式加载阶段，荷载速率为2kN/s, 每级增量为预估极限荷载的1/15,每级荷载持荷3～5min, 加载至预估极限荷载的70%,改为位移控制，加载速率改为0.5mm/min, 达到极限荷载后，加载速率改为1mm/min, 直至试件发生破坏，终止加载。
试验主要测量内容有：1)试件的轴向压力由压力机自带系统采集；2)试件的轴向压缩变形、钢管表面的应变由DH3816系统采集。试验终止条件：1)试件出现焊缝撕裂现象；2)试件的残余承载力下降到试验极限荷载的70%以下；3)试件轴向变形超过轴向压缩变形规定限值(本试验中取15～20mm)。
2 试验结果及分析
2.1 试件破坏过程及破坏形态
以S1-5-100这一组试件加载全过程为例，加载初期至实测极限荷载的70%前，方钢管UHPC短柱处于完全弹性工作阶段，核心UHPC未开裂，外部钢管未屈服，构件表面未发生明显变化，试件刚度基本保持不变；约加载至极限荷载的80%时，试件开始出现“滋滋”声，试件内部UHPC不稳定裂缝产生和开始发展，钢管局部区域出现漆皮微小褶皱，试件进入弹塑性阶段，试件刚度逐渐减小；随试验荷载继续增大，试件刚度不断减小，内部UHPC裂缝呈现不稳定扩展阶段，钢管与UHPC的相互作用增大，当荷载达到极限荷载时，管内发出响亮的“啪啪”声，表明柱内核心UHPC局部已被压碎，试件刚度急剧减小，随后试件承载能力快速下降，试件进入塑流阶段；大约下降至极限荷载的80%时，钢管局部不同区域均出现严重凸起现象，变形逐步向附近截面扩展，试件呈剪切破坏形式(图3(a))。
图3 试件破坏模式
中等套箍系数和大套箍系数的方钢管UHPC短柱试件破坏过程与小套箍系数的S1-5-100组试件类似，不同的是：试件完全弹性阶段较长(大约极限荷载的80%～90%),弹塑性阶段的起点也较长；试件加载过程中微裂缝产生和扩展的声音几乎难以捕捉到，弹塑性阶段试件表面极少出现明显局部鼓曲；经历较长的塑性阶段后，试件在高度方向上不断被压缩，最终在同一高度处四面鼓曲并相贯通，形成褶皱环；加载结束时，试件表面形成一道或者多道严重褶皱环，且大部分试件在角部对接焊缝处出现焊缝局部撕裂现象，试件破坏形态呈腰鼓型(图3(b))。
2.2 轴向荷载-变形曲线
试件的轴向荷载-变形曲线大致可以分为三个阶段(图4):弹性阶段(OA),试件承载力约为试验极限荷载的70%～90%,试件刚度基本保持不变，钢管与UHPC之间无相互作用；弹塑性阶段(AB或AB′或AB″),试件自弹性阶段末至极限荷载前，此阶段因UHPC裂缝不断产生和发展，试件刚度不断减小，钢管与UHPC的相互作用较大，弹塑性阶段终止于试件刚度(荷载-变形曲线的切线斜率)首次近似为零处；塑流阶段(BC或B′C′或B″C″),此阶段试件承载力或急剧减小或基本维持不变或略微上升，变形显著增加，钢管与内部UHPC相互作用最强。
轴向荷载-变形曲线依据塑流阶段不同分为三类：强化型(套箍系数试验值大于2.89),平缓型(套箍系数试验值介于2.32～2.89之间)和下降型(套箍系数试验值小于2.32),见图4。套箍系数是影响轴向荷载-变形曲线形状的主要因素。
图4 轴向荷载-变形曲线类型
图5 轴向荷载-变形曲线
图5给出了不同套箍系数的方钢管UHPC短柱轴压荷载-变形曲线图，图中所给曲线均为同组2个试件的平均值。由图5可知，随UHPC强度增大，试件弹性阶段相对略有增加，试件弹性刚度变化微弱，承载力提高，延性降低；随钢板厚度增大，试件弹性阶段相对增加较多，试件承载力、刚度、延性均增大；当钢管与UHPC两者匹配(即套箍系数大小)合适时，试件具有极好的延性和残余承载力。
2.3 轴向荷载-应变曲线
图6给出了部分典型试件钢管表面实测平均应变随轴向荷载的变化趋势图。其中，柱中截面中心的横向应变为4面4个中心测点的均值，柱中截面靠近角部边缘的横向应变为4面8个靠近角测点的均值。试件屈服前，纵向应变为截面上12个测点纵向应变的均值，试件屈服后，应变取试件的平均纵向应变(轴向压缩变形除以试件计算长度)。由图6可见，加载至试件屈服前，钢管轴向荷载-应变基本呈线性关系，柱中截面不同点的横向应变基本相同。这是因为试件屈服前，钢材和UHPC均处于弹性阶段，内部UHPC与钢管之间无相互作用，钢管与UHPC之间按刚度比分配内力。试件屈服后，柱中截面中点的横向应变增长明显大于靠近角部测点的横向应变，并且横向应变增长趋势加剧，原因为截面各边钢板中点处的刚度小于边缘处的刚度，由方钢管UHPC短柱典型破坏模式(图3)可见，截面中点的鼓曲一般较边缘大，这间接说明截面中点的刚度较小，对UHPC的约束作用亦较小。试件进入弹塑性和塑流阶段后，钢管与UHPC之间的相互作用迅速增强，UHPC微裂缝不断扩展成不稳定裂缝，UHPC局部压碎，挤压钢管壁，钢管出现局部鼓曲，横向应变快速增长。
图6 轴向荷载-应变曲线
3 相互作用机理分析
钢管与混凝土之间的相互作用和协同互补是钢管混凝土具有一系列优越力学性能的根本原因，两者之间的相互作用具体可用承载力提高和延性改善来表达 [17]。承载力提高越多，延性改善越大，表明钢管与核心混凝土的作用越强，反之两者之间的相互作用越弱。在承载力提高方面，承载力提高系数 [17]可直观表述“1+1>2”的效果，具体表达为式(1)。残余承载率是另外一种描述试件延性的方式，残余承载力定义为超越规定变形值后的承载力，残余承载力与极限承载力的比值即为残余承载率 [4,18]。对于钢管混凝土轴心受压构件，其延性需满足式(2)和式(3) [4,18]。
SI=NueN0 (1)φ≥φmin=ΔLminL0=15fyEs (2)RR=NrNue≥0.7 (3)SΙ=ΝueΝ0 (1)φ≥φmin=ΔLminL0=15fyEs (2)RR=ΝrΝue≥0.7 (3)
式中：ΔLmin为试件的最小变形需求值；L0为试件的原始计算长度；RR为试件的残余承载力率；Nue为试件极限承载力，文中取试验承载力极限值(对于轴向荷载-变形曲线有下降段的，取峰值荷载，反之取轴向应变自0～φmin之间对应的最大荷载);N0为试件名义承载力，本文取N0=Asfy+Acfck;φ,φmin分别为平均轴向应变和最小延性需求轴向应变；Nr为试件名义残余承载力，本文取最小延性需求轴向应变对应的荷载。
3.1 承载力提高系数
图7 承载力提高系数与套箍系数关系
钢管混凝土短柱在轴压荷载作用下，混凝土处于三向受压状态，强度提高，延性增强；钢管处于纵向受压、环向受拉(径向压应力相对较小，忽略不计)的应力状态 [19]。极限状态时，混凝土承担的荷载大于相应混凝土短柱单轴抗压承载力。轴压极限承载力提高系数越大，说明两者之间的相互作用越大。故此，承载力提高系数是度量钢管混凝土组合柱优越力学性能的重要参数之一。图7为各组试件承载力提高系数随套箍系数变化图，由图7可见，方钢管UHPC短柱轴压承载力提高系数随套箍系数增大有增大趋势，但对于套箍系数ξ<3的，承载力提高微弱(不大于5%),可忽略不计。
当套箍系数ξ<3时，方钢管UHPC短柱轴压承载力提高微弱，主要原因有3方面：1)方钢管混凝土对核心混凝土的约束主要集中在角部及对角线方向 [20,21],相比相同套箍系数的圆钢管混凝土要弱；2)套箍系数较小的钢管板件宽厚比较大，钢板在竖向荷载和核心UHPC的作用下更容易发生局部屈曲，对核心UHPC约束作用就越小，故随套箍系数减小，承载力提高系数有减小趋势；3)UHPC与钢管的相互作用较普通混凝土显著不同，横向累计变形差是两者之间作用微弱的主要原因。钢管与UHPC之间的相互作用具有滞后效应，主要发生在试件受力的塑流阶段。已有研究结果表明，UHPC单轴受压应力应变具有更长的弹性阶段 [22,23,24],故钢管UHPC短柱轴压受力过程中的弹性阶段较长 [5,8]。由于钢纤维对微观裂缝发展和宏观裂缝扩展的抑制与桥接作用，显著限制了UHPC横向变形，并增大了开裂荷载和裂缝非稳定扩展荷载 [25]。弹性阶段UHPC的泊松比较钢材的泊松比小，另有研究表明，UHPC自弹性阶段至破坏阶段泊松比基本保持恒定 [10]。因此，试件弹性阶段时，钢管的横向变形大于UHPC的横向变形，两者之间横向变形累计差需要弹塑性和塑流阶段UHPC的膨胀变形来补偿，故此，峰值荷载前相互作用微弱。而当钢管内部UHPC宏观裂缝扩展时，试件处于塑流阶段，此时相互作用增强，但局部UHPC已压碎，承载力提高微弱。最终，钢管与UHPC的相互作用主要体现在试件残余承载力及延性上。
3.2 延性
图8 残余承载率与套箍系数关系
图8为试验获得的残余承载率与套箍系数关系。由图8可知，在本文试验套箍系数范围内(1.41≤ξ≤5.27),试件残余承载率均大于0.7,所有试件均表现出较好的延性。在一定范围内(不大于2.89),残余承载率随套箍系数的增大而增大，但当套箍系数增大到一定程度时，短柱轴压荷载-变形曲线的塑流阶段不出现下降段，故其残余承载力与极限承载力相当，延性极好，再继续增大套箍系数，对轴压短柱延性的改善有限，相反会增大钢材用量，增加工程造价，故此，基于试验结果，建议方钢管UHPC轴压短柱的套箍系数不宜大于3。
4 结论
(1)方钢管UHPC短柱轴向荷载-变形曲线可分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑流阶段，其中弹性阶段承载力约为极限荷载的70%～90%;轴向荷载-变形曲线依据塑流阶段不同可分为三种类型：下降型、平缓型和上升型。
(2)方钢管与UHPC的相互作用具有滞后效应，相互作用主要发生在塑流阶段，而主要体现在改善延性上；当套箍系数小于3时，承载力提高极其微小，可忽略不计。
(3)试验参数范围内，短柱延性均较好。套箍系数是影响方钢管UHPC短柱轴向荷载-变形曲线形状和延性的主要指标，综合考虑延性与经济性，建议方钢管UHPC轴压短柱的套箍系数不宜大于3。
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