1、.十字形鋼骨混凝土異形柱雙向偏心受壓試驗(yàn)2009年01月沈陽建筑大學(xué)(自然科學(xué)版)第25卷第1期JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience)Jan.2009Vo1.25.No.1文章編號:16712021(2009)01010006十字形鋼骨混凝土異形柱雙向偏心受壓試驗(yàn)徐亞豐,刁曉征,郭建,王萃萃,李曉麗,王華(1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧沈陽100168;2.遼寧省城市建設(shè)學(xué)校,遼寧沈陽110016)摘要:目的研究十字形鋼骨混凝土異形柱的破壞機(jī)理,受力性能及變形能力.方法通過對6個(gè)十字形鋼骨混凝土異形柱進(jìn)行雙向偏心受壓承載力的試驗(yàn)

2、研究,觀察了不同含鋼率,不同偏心距異形柱的受力過程和破壞形態(tài);分析了鋼骨混凝土異形柱在雙向偏心荷載作用下破壞特點(diǎn),荷載一位移曲線及骨架曲線,承載力,位移延性等力學(xué)性能.結(jié)果明確了鋼骨混凝土異形柱在雙向偏心荷載作用下的破壞特征,鋼骨混凝土異形柱鋼骨翼緣的存在對其內(nèi)部混凝土起到了約束作用.隨著含鋼率的增加,構(gòu)件的承載力及延性相應(yīng)得到提高.結(jié)論鋼骨混凝土異形柱具有很高的承載能力和很好的延性,十字形鋼骨混凝土異形柱可以在工程中推廣使用.關(guān)鍵詞:鋼骨混凝土異形柱;十字形截面;雙向偏心受壓承載力;承載力;延性中圖分類號:TU317文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A0引言1試驗(yàn)隨著建筑層數(shù)的增加,荷載加大,承載能力和延性較高的

3、鋼骨混凝土異形柱的研究逐漸受到了人們的重視,工程的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)¨.由于鋼骨混凝土異形柱與鋼筋混凝土異形柱配鋼形式不同,因此其受力特征,破壞機(jī)理均有不同.目前國內(nèi)外對空腹式鋼骨混凝土異形柱進(jìn)行了深入研究.而對于實(shí)腹式鋼骨混凝土異形柱的研究并不多,許多人的研究僅限于抗震性能,ANSYS模擬方面等.筆者曾進(jìn)行了實(shí)腹式鋼骨混凝土異形柱的軸心受壓,單向小偏心受壓的研究¨,研究表明:軸心和偏心荷載下的鋼骨混凝土異形柱具有很高的承載力和很好延性.但對于鋼骨混凝土異形柱雙向偏壓構(gòu)件還沒有深入的研究,因此筆者對6根含鋼率不同的實(shí)腹式(十字形)鋼骨混凝土異形柱進(jìn)行雙向偏心受壓承載力的試驗(yàn)研究,

4、明確了隨著含鋼率增加,構(gòu)件的承載力及延性相應(yīng)得到提高.1.1試件設(shè)計(jì)及制作為了明確十字形鋼骨混凝土異形柱在雙向偏心荷載作用下的受力性能,試驗(yàn)制作了6個(gè)短柱試件.具體截面尺寸,配筋形式及立面尺寸如圖1所示.試件外包截面尺寸為bXh=200mlilx200mm,異形截面肢寬為60into,試件高度均為H:600mm,試件編號及性能見表1.異形柱骨架采用手工電弧焊將剪裁好的鋼板焊接形成十字形.縱筋點(diǎn)焊在底板上,箍筋與縱筋之間采用綁線綁扎.在鋼板和鋼筋指定位置打磨并粘貼應(yīng)變片,然后在應(yīng)變片端線上焊導(dǎo)線,并將應(yīng)變片和焊點(diǎn)用環(huán)氧樹脂封固.混凝土澆筑采用立式木模板,用振搗棒振搗密實(shí)蓋蓋板.自然養(yǎng)護(hù)至拆模進(jìn)行

5、試驗(yàn)(見圖2).試件中鋼板材質(zhì)為Q235,縱向鋼筋和箍筋采用HPB235級鋼,其實(shí)測力學(xué)指標(biāo)見表2.混凝土采用商品混凝土,經(jīng)過實(shí)測混凝土強(qiáng)度等級為C57收稿日期:20080420基金項(xiàng)目:遼寧省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(20060691);沈陽建筑大學(xué)省級重點(diǎn)試驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(JG一200602);沈陽市人才資源開發(fā)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2007140303002)作者簡介:徐亞豐(1963一),男,教授,博士后,國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師,主要從事組合結(jié)構(gòu)研究.第25卷徐亞豐等:十字形鋼骨混凝土異形柱雙向偏心受壓試驗(yàn)101筋,f一,IF加載點(diǎn)I/IrIeInL-U鋼骨/I芒圖1試件截面尺寸,配筋形式及立面尺

6、寸圖2十字形鋼骨混凝土異形柱表1試件編號及性能1.2加載及測試方法試驗(yàn)在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室5000kN液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,豎向變形由豎向設(shè)置直接支頂于壓力機(jī)頂板和底板的位移計(jì)控制,測量試件全高范圍內(nèi)的縱向壓縮變形.側(cè)向變形由在柱肢中部垂直于柱肢軸向的水平方向布置的3個(gè)位移計(jì)控制,測量試件側(cè)向彎曲變形.試驗(yàn)采用分級加載,每級加載為預(yù)計(jì)極限荷載的10%左右,在試驗(yàn)時(shí)SXXP試件每級取100kN,當(dāng)荷載達(dá)到大約極限荷載的60%時(shí),每級加載取50kN.SXDP試件每級取50kN,當(dāng)荷載達(dá)到大約極限荷載的60%時(shí),每級加載取30kN.1臨近極限荷載前,級差更小,最后徐徐加載,荷載在下降到極限荷載

7、80%時(shí),變形曲線出現(xiàn)明顯的下降段后停止加載.2試驗(yàn)現(xiàn)象及分析2.1試件破壞過程SXDP試件在加載的初期荷載較小時(shí),混凝土,鋼骨及縱筋均處于彈性狀態(tài).荷載增至100kN左右時(shí),在柱肢中部拉區(qū)翼緣角部出現(xiàn)第一條水平可視裂縫.隨著荷載的增加,水平裂縫寬度和長度不斷發(fā)展,荷載達(dá)極限荷載的300kN左右時(shí),壓區(qū)柱肢中部出現(xiàn)第一條縱向裂縫,隨著荷載的增加,壓區(qū)混凝土被壓碎,剝落.當(dāng)荷載達(dá)到一定值,縱向鋼筋壓曲外凸,幾乎壓區(qū)柱肢周邊混凝土被壓碎剝落(見圖3).'lO2沈陽建筑大學(xué)(自然科學(xué)版)第25卷圖3SXDP試件典型破壞SXXP試件在加載的初期荷載較小時(shí),混凝土,鋼骨及縱筋均處于彈性狀態(tài).荷載

8、持續(xù)增加荷載85%左右時(shí),壓區(qū)柱肢中部出現(xiàn)第一條縱向裂縫,并迅速出現(xiàn)多條縱向裂縫.隨著荷載的增加,縱向裂縫的寬度和長度迅速增加,壓區(qū)混凝土被壓碎,剝落.當(dāng)荷載達(dá)到一定值,SXXP一4,SXXP一6試件縱向鋼筋壓曲外凸,幾乎壓區(qū)柱肢周邊混凝土被壓碎剝落,試件破壞.整個(gè)破壞過程從出現(xiàn)第一條裂縫到試件破壞極為迅速,并伴有很大的混凝土劈裂時(shí)的"劈啪"聲,試件出現(xiàn)裂縫的荷載與極限破壞荷載非常接近,破壞沒有明顯預(yù)兆,從外觀看屬脆性破壞(見圖4).試件達(dá)到極限荷載時(shí),拉區(qū)橫向裂縫為細(xì)小的可視裂縫,在試件達(dá)到極限后,試件的承載力下降較快,試件縱向及橫向變形較小.當(dāng)荷載下降至極限荷載80%左

9、右時(shí),試驗(yàn)結(jié)束,拉區(qū)橫向最大裂縫達(dá)到2mnl左右.圖4SXXP試件典型破壞2.2試驗(yàn)現(xiàn)象分析2.2.1十字形鋼骨混凝土異形柱縱向及橫向變形分析異形柱在雙向偏心荷載下的縱向變形曲線如圖5所示.1111Z1耱挺位移/mm位移/ram(a)-SXDP試件(b)t-SXXP試件圖5十字形鋼骨混凝土異形柱縱向變形曲線在加載初期,其變形基本處于線彈性階段.荷預(yù)兆,屬于脆性破壞.載增加至極限荷載的70%左右時(shí),試件進(jìn)入屈服隨著含鋼率的提高,十字形鋼骨混凝土異形階段,曲線的斜率逐漸變小.在荷載達(dá)到極限荷載柱的承載力逐步提高,說明鋼骨對承載力具有一后,SXDP試件變形曲線比較明顯的開始進(jìn)入緩定的影響.試件極限荷

10、載見表1.同時(shí)含鋼率也影慢下降階段.此時(shí),荷載降低緩慢,試件的縱向位響著曲線下降段的下降速率,含鋼率高的試件相移增加很快,呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的塑性變形過程.而比含鋼率度較低的試件曲線下降段平緩,說明其在荷載達(dá)到極限荷載后,SXXP試件變形曲線進(jìn)變形得到了改善.在偏心距的影響下,SXDP試件入較快的下降階段,荷載降低較快,試件的縱向位和SXXP試件的極限承載力相差很大.移增加緩慢,構(gòu)件在破壞前變形不會急劇增長,但異形柱在雙向偏心荷載下的橫向變形曲線如受壓區(qū)的垂直裂縫不斷發(fā)展,破壞時(shí)沒有明顯的圖6示.第25卷徐亞豐等:十字形鋼骨混凝土異形柱雙向偏心受壓試驗(yàn)103Z藕糙5lO152O25位移/mm(a)

11、十SXDP試件2468101214位移/ram(b)十SXXP試件圖6十字形鋼骨混凝土異形柱橫向變形曲線由圖6可以看出,試件未達(dá)到極限荷載之前,現(xiàn)塑性變形,SXDP試件沒有達(dá)到極限荷載之前,橫向變形較小,在達(dá)到極限荷載之后,SXDP試件箍筋應(yīng)力較大,達(dá)到箍筋屈服極限,箍筋破壞,因橫向變形急速增加,構(gòu)件的側(cè)向撓度明顯.而此曲線沒有下降段(見圖7(a).SXXP試件達(dá)到SXXP試件橫向變形增加緩慢,構(gòu)件的側(cè)向撓度極限荷載之后,箍筋應(yīng)力增加較大,曲線開始下很小.2.2.2箍筋應(yīng)變加載初期箍筋參與受力,應(yīng)變基本上呈線性變化,其變形處于彈性階段.隨著荷載的增加,出降,并達(dá)到屈服應(yīng)變,發(fā)揮作用更加明顯(見

12、圖7(b).在鋼骨混凝土異形柱中,箍筋的約束作用很重要,它使被約束混凝土的裂縫寬度有所減小,還可以使混凝土與鋼骨的變形協(xié)調(diào)一致1111Z=芝1控圖7荷載與箍筋應(yīng)變關(guān)系曲線2.2.3鋼骨架應(yīng)變鋼骨混凝土異形柱鋼骨架是由腹板,翼緣和11'一.600?-_-_-o0.繕一一一20lb,.1o縱向鋼筋組成,應(yīng)變關(guān)系曲線如圖8,圖9,圖10所示.1600?'-一.?-乏,.140Q,'?,.,-,.100,I80?,'一一?一一-+SXXP一?'+SXXPI20.+SXXP一一75311357642024ell0一e/lO(a)SXDP試件(b)SXXP試件圖8荷

13、載與縱筋應(yīng)變關(guān)系曲線沈陽建筑大學(xué)(自然科學(xué)版)第25卷1一.?,600'',t一''一,'.?-一,:5O0.一,伽-,oo,2.m2O2s,lO(a)SXDP試件1600-一一''-1oo.,-一,一','.圖9荷載與翼緣應(yīng)變關(guān)系曲線何,k.一_-_'_'_一f._.一一一一一,薹0246s,lO(b)SXXP試件lUU1600?_.'-,-?'-.I_-_-_.'-_'_l一,'一.十SXDP一4+SXDP一6-'.SXDP一8一b4一ZU24O-0-4-

14、2U246s/10s/10(a)SXDP試件(b)SXXP試件圖10荷載與腹板應(yīng)變關(guān)系曲線在偏心距的影響下,SXDP試件的承載力遠(yuǎn)試件在加載初期,異形柱的縱向鋼筋,腹板和翼緣大于SXXP試件.SXDP試件拉區(qū)腹板,翼緣和縱應(yīng)變均為壓應(yīng)變,其變形基本呈線性變化,反應(yīng)此向鋼筋相對于壓區(qū)先屈服.拉區(qū)縱向鋼筋首先屈時(shí)處于彈性階段.隨著荷載的增加,離縱向力較遠(yuǎn)服,接著SXDP一4,SXDP一6試件翼緣鋼板達(dá)到一側(cè)的縱向鋼筋,腹板和翼緣應(yīng)變逐漸減小,說明屈服,最后SXDP一8翼緣及拉區(qū)腹板在達(dá)到極限試件在初期受壓后,在偏心荷載的影響下,其壓應(yīng)荷載之后屈服,達(dá)到極限荷載之后荷載下降緩慢力漸減小,并向逐漸受拉

15、方向轉(zhuǎn)移.而靠近縱向力而應(yīng)變增加迅速,圖中曲線下降段比較平緩,最后一側(cè)的縱向鋼筋,腹板和翼緣隨著壓力逐漸增大,由于受壓區(qū)混凝土壓碎而導(dǎo)致的構(gòu)件破壞.這種其壓應(yīng)變越來越大,如圖8(b),9(b),10(b).破壞形態(tài)在破壞前有明顯的預(yù)兆(屬于延性破壞),所以SXDP試件破壞屬于大偏心破壞.SXXP試件壓區(qū)腹板,翼緣和縱向鋼筋相對于拉區(qū)先屈服.壓區(qū)最外排縱向鋼筋最先屈服,達(dá)到極限荷載之后,壓區(qū)翼緣和腹板相繼屈服,表現(xiàn)為小偏心破壞.圖中負(fù)值為壓應(yīng)變,正值為拉應(yīng)變.加載初期,荷載與應(yīng)變曲線基本上呈線性變化,其變形處于幾何彈性階段.在雙向偏心荷載的影響下,SXDP試件在離縱向力較近一側(cè)的受壓鋼筋,腹板和

16、翼緣一直都是受壓狀態(tài),離縱向力較遠(yuǎn)的外側(cè)的鋼筋,腹板和翼緣是受拉狀態(tài).隨著荷載的增加,出現(xiàn)塑性變形.拉區(qū)在偏心荷載的影響下先屈服,隨后壓區(qū)屈服,達(dá)到極限載荷后荷載開始緩慢下降,如圖8(a),9(a),10(a)所示.SXXP3結(jié)論(1)鋼骨混凝土異形柱鋼骨翼緣的存在對其內(nèi)部混凝土起到了約束作用.(2)隨著異形柱含鋼率的提高,鋼骨混凝土異形柱的承載力也逐步提高.(3)隨著異形柱含鋼率的提高,鋼骨混凝土異形柱的變形能力相應(yīng)增加.參考文獻(xiàn):1郭家耀,郭偉邦.徐衛(wèi)國,等.中國國際貿(mào)易中心三期主塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2007(10):16.2宋懷金,蘇益聲,羅永峰.SRC不等肢L形截面異形柱正

17、截面承載力研究J.同濟(jì)大學(xué):自然第25卷徐亞豐等:十字形鋼骨混凝土異形柱雙向偏心受壓試驗(yàn)105科學(xué)版,2007,35(12):15971601.3陳宗平.桁架式鋼骨的混凝土異形柱一不對稱T形截面正截面承載力研究D.南寧:廣西大學(xué)土木學(xué)院,2004.4李哲,闕良剛.L形和T形型鋼異形截面柱軸心受壓承載力的試驗(yàn)研究J.西安理工大學(xué),2005,21(2):165168.5樊太,曹萬林.鋼骨混凝土異形柱正截面承載力及延性計(jì)算分析J.世界地震工程,2004,20(1):l33137.6ChenZongping,ZhaoHongtie,XueJianyang,eta1.Concretecoverthick

18、nessofSRCspecialshapedcolumnsJ.JournalofHarbinInstituteofTechnologY,2005,37(2):181184.7ChenZongping,ZhaoHongtie,XueJianyang,eta1.ShapesteellayoutanalysisofSRCspecialshapedcolumnsJ.JournalofHarbinInstituteofTechnologY,2005,37(2):128131.8ZhaoYonghong,ChenZongping,ZhaoHongtie,eta1.Analysisofsteelarrang

19、ementbasedonbearingcapacityforspecialshapedcolumnsJ.JournalofBuildingStructures,2006,27(S):475479.9WangLJ,ChiYH.Experimentalresearchonthebearingcapacityofaxiallyloadedcompositecolumnswithconcretecoreencasedbysteeltube.Advancesinsteelstructures,proceedingsofthefourthinternationalconferenceonadvancesi

20、nsteelstructuresC.ElsevierLtd,2005(6):593598.丁志浩,童曉蕾.T形型鋼混凝土柱正截面強(qiáng)度研究J.浙江建筑,2007,24(11):2023.陳宗平,薛建陽,趙鴻鐵,等.型鋼混凝土異形柱抗震性能試驗(yàn)研究J.建筑結(jié)構(gòu),2007,28(3):5361.徐亞豐,丁或,常占東,等.十字形截面鋼骨混凝土異形柱單向偏壓試驗(yàn)研究J.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,24(4):557561.王華,徐亞豐.L形鋼骨混凝土異形柱大偏壓試驗(yàn)研究J.工業(yè)建筑,2008,38(S):15811586.李曉麗,徐亞豐,郭建,等.T形鋼骨混凝土異形柱單向大偏試驗(yàn)研究J.工業(yè)

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