L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱是由三根方钢管混凝土柱通过钢板以及横向加劲肋连接而成的异形柱, 见图1。这种异形柱是在传统的缀条式连接的格构柱^[1,2,3]基础上变化而来的, 其优点为组成异形柱的单肢柱宽度较小, 通常可以包裹在墙体内部从而节约了建筑使用面积, 现已在北京以及沧州等地的钢结构住宅中得到了应用 (图2) 。

　　 目前, 对于L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的研究还较少, Zhou^[4]对L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的抗震性能进行了研究, 发现这种形式的异形柱具有良好的抗震性能;张广泰^[5]对L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的单向压弯稳定性进行了研究, 并提出了理论计算公式;Zhou^[6]对L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的轴压性能进行了研究, 分析了内填混凝土对异形柱性能的影响, 同时, 通过试验研究分析了偏心角度的变化对其极限承载力的影响, 研究发现偏心角度的变化对其极限承载力的影响很小;周婷^[7]采用有限元法对L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的传热性能进行了研究;此外, Zhou^[8]通过试验对L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的抗震性能进行了研究, 发现其滞回曲线饱满, 骨架曲线平缓, 表现出良好的抗震性能。本文对2/3缩尺模型、2m高的L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱进行双向压弯试验, 分析偏心距的变化对L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱 (简称L形异形柱) 性能的影响。

　　 本次试验的试验构件是由沧州市某在建钢结构住宅中实际使用的L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱2/3缩尺得来的, 所用的钢材、混凝土也与实际工程中所用的材料相同。材料以及构件的参数见表1, 2。两个试验构件的编号分别为E-40, E-80, 分别代表偏心距为40, 80 mm的构件, 偏心距的加载点沿着对称轴Y'-Y'分布, 如图3所示。

　　 试验构件是由三根方钢管混凝土柱和两块连接钢板焊接而成的L形异形柱, 为了防止连接钢板发生局部屈曲破坏, 在连接钢板两侧每隔200mm布置横向加劲肋, 将其焊接在连接钢板和方钢管混凝土柱上, 进一步加强了L形异形柱的整体协同作用。在L形异形柱柱头和柱脚上下各100mm处焊接竖向加劲肋, 目的是加强柱头和柱脚使L形异形柱在柱身位置发生破坏;同时在柱头和柱脚分别焊接一块厚40mm的钢板, 并使钢板的形心与L形异形柱的形心重合。为了施加偏心荷载, 在柱头和柱脚偏心荷载作用点处各焊接一块50mm厚的刚性垫块作为加载端, 构件的构造详图如图4所示。

　　 试验构件是在5 000k N电液伺服压力试验机上进行加载的, 采用分级单调加载制度, 构件达到极值荷载之前采用荷载控制加载, 每级加载100k N, 每级加载持荷2min, 构件达到极值荷载以后采用位移控制加载。为了观察构件的整个变形过程, 加载速度比较缓慢, 试验装置如图5 (a) 所示。为了测量构件的竖向位移、侧向挠度以及应变分布情况, 在各单肢柱的上下四分点以及柱中布置位移计 (图5 (b) ) , 在各单肢柱柱头、柱脚以及柱中布置纵向和横向应变片 (图6 (a) ) 。为了测量构件的竖向变形值, 在压力机上下顶板对称位置布置了两个位移计 (图6 (b) ) 。此外为了考察连接钢板的受力情况, 在两块连接钢板的中部布置应变花 (图6 (a) ) 、位移计 (图6 (b) ) , 应变花由0°, 45°和90°的应变片组成, 其中90°的应变片可以用来测量连接钢板的竖向应变。应变和位移由应变采集仪自动读取。

　　 两个构件的破坏形态基本相同, 典型的构件破坏形态如图7所示。由于偏心距是沿着对称轴Y'-Y' (图3) 分布的, 所以构件的变形基本对称。从图7可以看出, 构件发生绕X'-X'轴 (图3) 的整体失稳破坏, 且由于较大的变形使得边柱L1, L3的柱中出现局部屈曲的现象。构件在发生较大变形的情况下仍然具有较高的极限承载力, 说明L形异形柱具有良好的塑性变形能力、较好的延性以及较大的承载力。

　　 为了考察构件横截面上的应变分布规律, 在构件跨中截面上各个部位布置了横向应变片 (图6 (a) ) , 并按构件极值荷载的30%, 60% (构件E-40的荷载值P分别为700, 1 400k N, 构件E-80的荷载值P分别为600, 1 200k N) 所对应的横向应变值来分析构件横截面上的应变分布规律。构件E-40, E-80在上述荷载作用下的跨中截面横向应变分布图如图8所示, 图中正应变为压应变, 负应变为拉应变。从图8可以看出, 两个构件的方钢管和连接钢板的横向应变随着荷载的增加而增加, 但连接钢板的横向应变增加缓慢。另外横向应变关于对称轴Y'-Y'基本呈对称分布, 进一步验证了构件是绕X'-X'轴 (图3) 发生整体屈曲破坏的。通过观察还可以发现, 两个构件边柱L1, L3的横向应变均大于角柱L2的横向应变, 这是由于构件绕X'-X'轴弯曲, 边柱L1, L3位于轴向压力和偏心弯矩引起的压力区域内, 受力较大, 故应变较大;而角柱L2位于轴向压力和偏心弯矩引起的拉力区域内, 受力较小, 故应变较小。

　　 构件E-40, E-80各单肢柱的荷载-最大竖向应变曲线如图9所示。由图9可以看出, 随着偏心距的增大, L形异形柱的极限承载力降低, 构件E-40的极限承载力为2 427k N, 而构件E-80的极限承载力为2 030k N。两个构件边柱L1, L3均为竖向压应变, 角柱L2两面为竖向压应变、两面为竖向拉应变 (图8) 。相同荷载作用下, 构件E-80各单肢柱的应变较大, 这是因为偏心距越大, 竖向荷载产生的弯矩越大, 相应各单肢柱的内力越大, 应变越大。此外, 各单肢柱的应变变化规律基本相同:在弹性阶段, 各单肢柱应变呈现线性增长;到达屈服阶段后, 各单肢柱应变增长急剧加快。由于在极值荷载附近应变值较高, 一些应变片损坏, 部分数据没有采集到。

　　 构件E-40, E-80连接钢板的荷载-竖向应变曲线见图10。从图10中可以发现, 构件E-40, E-80连接钢板的竖向应变变化规律相同, 荷载-竖向应变曲线基本重合, 说明了两个连接钢板受力一致。此外, 在构件达到极值荷载时, 连接钢板的应变值较大, 说明连接钢板承担了部分荷载, 对构件的极限承载力有一定的贡献。

　　 构件的荷载-竖向位移曲线如图11所示。从图11中可以发现, L形异形柱的极限承载力随着偏心距的增大而降低, 构件E-40的极值荷载为2 427k N, 构件E-80的极值荷载为2 030k N。在构件屈服前, 荷载与竖向变形呈线性增加, 两条曲线直线段的斜率基本相同, 可认为不同偏心距对构件弹性刚度影响较小。

　　 从试验中可以发现, 各单肢柱的最大侧向挠度均发生在柱中部, 这表明在连接钢板的作用下各单肢柱可以协同工作、共同变形。构件E-40, E-80各单肢柱荷载-柱中侧向挠度曲线如图12所示。由于构件在达到极值荷载前后变形较大, 位移计发生移动并偏离原始测量位置, 读数不准确, 故构件极值荷载前后的侧向挠度值并未在图12中体现。从图12中可以看出, 由于偏心加载点在对称轴Y'-Y'上, 而L形异形柱在两个方向上的偏心距相同, 这就导致了各单肢柱的侧向挠度几乎相等, 荷载-柱中侧向挠度曲线基本重合, 也进一步验证了构件是绕着X'-X'轴 (图3) 发生弯曲破坏的。

　　 (1) 随着偏心距的增大, L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的极限承载力降低。与偏心角的变化不同, 偏心距的变化对L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的性能有一定的影响。

　　 (2) 连接钢板对各单肢柱的约束作用很强, 增加了L形钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的整体性, 各单肢柱可以协同变形。

　　 (3) 由于构件E-40, E-80各单肢柱面 (即A1, A2, B1, B2) 的荷载-柱中侧向挠度曲线几乎重合, 说明构件绕X'-X'轴发生整体失稳破坏, 此外, 构件E-40, E-80跨中位置横向应变的对称分布也进一步验证了这个结论。