1、第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201116国家重点研发计划资助项目(2017YFC0703802)。第一作者:第一作者:闫翔宇,博士,高级工程师,一级注册结构工程师,主要从事钢结构、空间结构和组合结构等领域的技术研发,Email:xy_yan2005 。H 型钢连接 L 形方钢管混凝土组合异形柱偏压性能研究闫翔宇1,2,张天柱2,张 希2,陈志华2,3,刘 洁2(1 天津大学建筑设计规划研究总院有限公司,天津 300073;2 天津大学建筑工程学
2、院,天津 300072;3 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学),天津 300072)摘要:为提升方钢管混凝土组合异形柱加工制作的便捷性与精度、减小焊接对板件变形的影响,提出了新型 H 型钢连接 L 形方钢管混凝土组合异形柱(LCFST-H),并研究其偏压荷载下的力学性能。设计了两个试件进行偏压加载试验,建立计算模型开展有限元分析。在验证有限元模型准确性的基础上,分析了 H 型钢连接板尺寸、方钢管截面尺寸、柱高度等参数对组合异形柱偏压受力性能的影响。结果表明:构件破坏形式为整体弯曲失稳与局部屈曲破坏,达到极限承载力后,单肢柱之间仍能通过 H 型钢连接板很好地协同工作,具备一定承载
3、能力,体现出较高的延性性能。方钢管截面尺寸和柱高度对其偏压性能影响较大。结合相关规范,给出了 H 型钢连接 L 形方钢管混凝土组合异形柱单向偏压承载力计算公式,公式计算结果与有限元结果吻合较好。关键词:L 形方钢管混凝土组合异形柱;H 型钢;偏压试验;参数分析;承载力计算 中图分类号:TU398.9 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0064-08引用本文 闫翔宇,张天柱,张希,等.H 型钢连接 L 形方钢管混凝土组合异形柱偏压性能研究J.建筑结构,2023,53(3):64-71.YAN Xiangyu,ZHANG Tianzhu,ZHANG Xi,et al.Re
4、search on behavior of L-shaped columns composed of concrete-filled square steel tubes connected by H-shaped steel subjected to eccentric compression J.Building Structure,2023,53(3):64-71.Research on behavior of L-shaped columns composed of concrete-filled square steel tubes connected by H-shaped ste
5、el subjected to eccentric compression YAN Xiangyu1,2,ZHANG Tianzhu1,ZHANG Xi1,CHEN Zhihua2,3,LIU Jie2(1 Tianjin University Research Institute of Architectural Design and Urban Planning Co.,Ltd.,Tianjin 300073,China;2 School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3 Key Laborator
6、y of Coast Civil Structure Safety of the Ministry of Education(Tianjin University),Tianjin 300072,China)Abstract:In order to improve the fabrication convenience and precision and reduce the welding effect on the deformation of steel plates for special-shaped columns composed of concrete-filled squar
7、e steel tubes,a new type of L-shaped columns composed of concrete-filled square steel tubes connected by H-shaped steel(LCFST-H)was proposed,and the mechanical performance of this new LCFST-H column under eccentric compression was studied.Two specimens were designed to carry out eccentric compressio
8、n loading test,and calculation model was established to carry out the finite element analysis.Based on the verifying the accuracy of the finite element model,the parametric study was conducted to investigate the effects of the sectional dimensions of the H-shaped steel connection plate and spuare st
9、eel tube,and the column height on the mechanical performance of L-shaped column under eccentric compression.The results show that the failure mode of the LCFST-H columns is bending instability accompanied with local buckling.The mono-columns work cooperatively with the H-shaped steel connection plat
10、e after reaching the ultimate load and the specimens maintain considerable carrying capacity,reflecting high ductility level.Sectional dimensions of square steel tube and the column height have significant influences on the eccentric compression behavior of the LCFST-H columns.The calculation formul
11、a of unidirectional bearing capacity of LCFST-H column under eccentric compression is given in combination with relevant specifications.The calculation results of formula and results of finite element are consistent with each other.Keywords:L-shaped column composed of concrete-filled square steel tu
12、be;H-shaped steel;eccentric compression experiment;parametric analysis;bearing capacity calculation 第 53 卷 第 3 期闫翔宇,等.H 型钢连接 L 形方钢管混凝土组合异形柱偏压性能研究0概述 异形柱体系的出现解决了建筑墙面柱角占用空间的问题,相比钢筋混凝土柱和钢骨混凝土柱,异形钢管混凝土柱具有更高的承载力和延性。然而,对于较大的异形柱截面,为了增强钢管对混凝土的约束,防止钢管过早屈曲,需要在柱内部增设约束拉杆或加劲肋,增加了异形钢管柱的施工难度1-3。为解决传统异形柱体系存在的问题,天津大
13、学陈志华等4-6提出了方钢管混凝土组合异形柱结构,该结构体系通过缀条或钢板将钢管混凝土柱连接为整体,各柱肢截面小,钢管对混凝土约束作用强,从而提高整体承载力,且施工作业比传统异形柱简便,有利于提高结构的装配化水平。方钢管混凝土组合异形柱结构体系提出后,学者们针对其力学性能开展了大量分析研究,并不断改进其连接形式,如图 1 所示。周婷等7-9对单钢板连接组合异形柱(图 1(a)的研究表明,钢板连接比传统缀条式连接(图 1(b)能更好地与单肢柱协同工作,极限承载力更高,但构件剪切变形较大、焊接加工不便。熊清清等10-11对双钢板连接式组合异形柱(图 1(c)的研究中发现,双钢板连接方式提高了构件的
14、整体刚度,但需要连接板内填混凝土以保证板的局部稳定,且施工时需要精确控制钢板的位置,增加了制作难度。图 1 方钢管混凝土组合异形柱的各类连接形式针对现有组合异形柱连接方式存在的弊端,闫翔宇等12-13提出了 H 型钢连接方式(图 1(d),并对其轴压性能进行了研究,证明与单钢板、双钢板连接相比,H 型钢连接方式下各单肢可以更好地协同变形,连接板内的腹板提升了连接板的稳定性,H 型钢容易拼接定位。但目前对于 H 型钢连接方钢管混凝土组合异形柱偏压性能的研究尚未开展,而实际工程中受压构件均有一定偏心作用。因此本文对该类异形柱进行偏压试验,并结合有限元分析其力学性能,研究各项参数对其性能的影响规律。
15、1试验研究1.1 试件设计 试件采用 2/3 的缩尺,结合工程中应用的 H 型钢规格,考虑方钢管混凝土组合异形柱在实际结构中与梁端相连的边肢受力模式,并对比 H 型钢内填混凝土对异形柱力学性能的影响,设计了 2 根 H 型钢连接 L 形方钢管混凝土组合异形柱偏压试件,具体试件规格见表 1。表 1 试件规格试件编号试件高度/mm方钢管截面尺寸/mmH 型钢规格/mmH 型钢灌混凝土12 20010068020066否22 200100610020066是试件截面图和加工示意图如图 2 所示。钢管及 H 型钢制作完成后,两个边肢底部焊接端板,浇筑混凝土磨平顶面并养护,在两个边肢柱顶焊接两块端板作为
16、压力施加点,并于两端分别设置加劲肋板以防止加载时柱头和柱脚过早屈曲。焊接时采取了在适当部位进行局部加热的方法,使焊缝在冷却时能较为自由地收缩,达到减小残余应力的目的。图 2 试件示意图1.2 材性试验 试验与文献9所用材料为同一批,对钢材进行单向拉伸试验,对混凝土进行静力单轴压缩试验。测得钢材抗拉强度 fu、屈服强度 fy、弹性模量Es、屈服应变 y列于表2,测得的混凝土立方体平均强度 fcu=31.3MPa,混凝土弹性模量 Ec依据现行混凝土结构设计规范(GB 500102010)(2015年版),由式(1)计算得出,Ec=30 224.36MPa。Ec=1052.2+34.7fcu(1)56建 筑 结 构2023 年表 2 钢材材性试验结果材料fy/MPafu/MPaEs/MPay钢管392485184 307.692 30.002 13连接板442608200 625.763 10.002 201.3 加载方案 试验采用 1 500t 电液伺服压力试验机进行加载,两个边肢的加载板直接与压力机顶部贴合接触受力。试验加载示意图及试验实景图如图 3、4所示。图 3 偏压加载示意图 4
