1、第 卷 第 期 年 月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 .：钢管约束的钢管混凝土轴压短柱长期变形性能李艳华，张素梅，王 焰，王玉银（哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院，广东 深圳；哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨）摘 要：为分析钢管约束的钢管混凝土柱在长期荷载作用下的变形性能，进行了 个钢管约束的钢管混凝土短柱和 个钢管混凝土短柱的长期持荷试验，持荷时间为。主要研究参数核心混凝土应力比为.、.和.，双层钢管总含钢率为.、.和.，内层钢管与外层钢管含钢率比值为.、.和.。基于素混凝土的长期变形理论计算模型，通过分析施加纵向长期荷载时构件的受力机理，推导出适用于钢管约束的钢管混凝土轴压
2、短柱长期变形的理论计算方法。试验结果表明：长期变形随核心混凝土应力比的提高而增大，随总含钢率、内层与外层钢管含钢率比值的增大而减小。理论计算曲线与试验数据曲线的对比和分析表明：长期变形随相对湿度的减小而增大，采用不同混凝土收缩徐变模型时，相对湿度的影响程度不同，其中 模型的吻合效果最好。建议采用 模型并取相对湿度为 来计算钢管约束的钢管混凝土柱的长期变形。关键词：长期荷载；钢管约束；钢管混凝土；收缩徐变；相对湿度中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，（），；，）：（.，.，.），（.，.，.），（.，.，.），：；收稿日期：；录用日期：；网络首发日期：网络首发地址：基金项目：深圳市高层次
3、人才项目作者简介：李艳华（），女，硕士研究生；张素梅（），女，教授，博士生导师通信作者：张素梅，重载、复杂建筑及基础设施随着国家发展不断涌现，钢管混凝土可有效利用混凝土和钢材的材料特性，具有一系列优越性能而广泛应用于重型承载结构。然而在实际工程中，钢管混凝土柱逐渐暴露出不足之处。一方面，结构中常用的钢管混凝土柱在正常工作状态下都处于弹性工作范围，当所受的纵向荷载较小时，混凝土的横向变形小于钢管的横向变形，钢管不能很好地约束核心混凝土，对于采用高强混凝土的构件，两者脱离趋势更显著；当所受的纵向荷载较大时，核心混凝土产生弹塑性变形，虽然钢管相对而言能够较好地约束混凝土，但钢管处于轴向受压、环向及横
4、向受拉的三轴异号受力状态，其承载力相对单轴受力时有所减弱。另一方面，随时间推移，核心混凝土会发生收缩徐变（收缩变形与徐变变形的总和即为长期变形），导致构件总变形增大，引起钢管和混凝土的内力重分布，使得结构体系各个组件的受力发生改变，将对结构产生不可忽略的影响。此外，由于钢管混凝土柱直接暴露在空气中，其防火防腐问题需要特别注意。为提升和改善钢管混凝土柱的性能，可在钢管混凝土柱外套一层钢管，并在两层钢管间填充混凝土灌浆料（图），可加强对内部钢管混凝土的横向约束作用、提高构件承载力、增强塑性韧性和优化抗火性能，还可用于对结构中原有的钢管混凝土柱进行加固和修复。本文主要研究核心混凝土应力比、内外层钢管
5、总含钢率和内外层钢管含钢率比值对钢管约束的钢管混凝土轴压短柱长期变形的影响。核心混凝土内层钢管夹层灌浆料外层钢管图 钢管约束的钢管混凝土柱示意 试验研究.试件设计共设计了 个钢管混凝土短柱和 个钢管约束的钢管混凝土短柱（图），其中对 组共 个试件进行了持荷长达 的长期变形监测试验，另外 组共 个对比试件未施加荷载，只放置在相同环境中监测变形。设计的参数为内外层钢管含钢率比值、总含钢率和核心混凝土应力比。试件内层钢管的设计尺寸共有 种，分别为 .、.、.、.、.；外层钢管的名义截面尺寸共 种，分别为 .、.、.、.，试件开始加载时混凝土的龄期为 ，各试件设计参数及实际尺寸见表，其中 为内层钢管的
6、外直径、为内层钢管的厚度、为外层钢管的外直径、为外层钢管厚度、为试件长度、为长期施加在试件上的荷载设计值、为内层钢管含钢率、为外层钢管含钢率、为总含钢率即内层钢管含钢率与外层钢管含钢率之和、为内层钢管含钢率与外层钢管含钢率的比值。国外的混凝土收缩俆变模型在计算时一般采用混凝土圆柱体抗压强度，为了计算方便，用表示加载时刻核心混凝土应力与混凝土圆柱体抗压强度之比。选取试件长度 ，其长径比为 .。徐变试件需要在恒定荷载下长期持荷，为探究高应力状态下试件的长期性能，试件 .、.和 .核心混凝土应力比 分别取为.、.和.，其余试件核心混凝土的应力比 取为.以保证核心区混凝土发生线性徐变。以 .为例说明试
7、件编号规则：表示试件类型为钢管约束的钢管混凝土柱（），表示钢管混凝土柱（）；.表示试件加载时混凝土截面的应力比为.；.表示内层钢管厚度为.；.表示外层钢管厚度为.；、和 表示同组具有相同参数的不同试件编号，和 为长期持荷试验的 个试件，为未加载的对比试件。表、为材料力学性能，混凝土和钢材的材料性能根据标准试验方法 测得，其中 为混凝土弹性模量、为混凝土泊松比、，为在开始对试件施加荷载的当天测得的混凝土立方体试块（边长 ）抗压强度平均值，经过换算可得到混凝土标准立方体试块抗压强度即，同样经过换算可得到混凝土标准圆柱体抗压强度即，换算系数见表。D2D1t2t1Lt1D1L(b)钢管约束的钢管混凝土
8、试件(a)钢管混凝土试件图 试件示意 .加载及测量装置加载设备弹簧式压缩徐变仪见图，台徐变仪可放置同一组的 个试件，放置时应保证上下试件哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷同心以避免由于偏移对试验结果产生不良影响。油压千斤顶放置于徐变仪的上部和中部 个钢垫板之间，通过油泵施加和控制荷载，台油泵通过 个阀门分别控制 台徐变仪。放置在中部钢垫板和压力板之间的压力传感器可监测荷载变化。在试件两边中部位置各布置一个纵向位移计，在试件中部三等分位置各布置一组应变片（图）。位移计型号为 ，量程为 ，精度为.。试验过程中数据由采集装置记录（图）。数据的采集频率为：在加载前，每 采集一次，之后，每 采集
9、一次。另外，实验室采用了 备用电池可保证不间断供电。表 试件实际尺寸及详细参数表 试件编号 .表 钢材主要力学性能 钢管型号屈服强度抗拉强度弹性模量泊松比.表 混凝土主要力学性能 混凝土强度等级，.灌浆料.混凝土养护到第 时对试件进行加载，在正式加载前分四级进行预加载，每级施加设计荷载的，同一试件的 个位移计读数相差在 以内即视为物理对中。预加载后分三级进行正式加载，每级施加设计荷载的，同时记录位移传感器的数据以保证荷载施加位置为试件处于轴线，力传感器读数达到 后拧紧中部钢垫板上排螺母。长期荷第 期李艳华，等：钢管约束的钢管混凝土轴压短柱长期变形性能载持荷时间为 ，季节跨度大、温湿度变化频繁，
10、对试验数据的准确性有一定影响，采用空调及除湿机控制实验室温度为（）、湿度为 。同时由于混凝土发生收缩徐变使得反力杆提供的力有所下降，试件所受荷载也会随之降低，而温度变化引起油压千斤顶中的液压油热胀冷缩也会影响荷载，应实时监测力传感器读数，并允许荷载 在（）范围内波动。若荷载降低超过，进行补载使荷载重新位于范围内。若补载后荷载提高超过，保持对应徐变仪的分流阀门打开以及其他分流阀门关闭，轻轻拧开总阀门卸掉部分油压并迅速拧紧总阀门。若油压卸载过多，可重复前述步骤进行加载，反复调整直至荷载达到规定范围，最后拧紧分阀门、松开总阀门。表 不同形状和尺寸试件的混凝土单轴抗压强度换算系数 试件类型边长或直径
11、高度混凝土强度等级系数立方体 .圆柱体.图 弹簧式压缩徐变仪 位移计外层钢管应变片内层钢管图 位移计及应变片布置形式 图 数据采集系统 .试验结果经过 的持荷试验，得到试件的长期变形随时间变化的曲线。对比各组试验结果可知：在加载初期试件长期变形增长速率较快，后随时间增长而降低，前 时试件的长期变形能达到 时长期变形的 左右；试件的长期变形随应力比的提高而增大，且应力比越大其增长速率也越快（图）；当总含钢率不变时，钢管约束的钢管混凝土柱试件的长期变形随内外层钢管含钢率比值的增大而减小，当内外层钢管含钢率比值从.增大到.和.时，试件在 的长期变形分别减小了约 和（图）。50040030020010
12、0100 200 300 400混凝土龄期/d长期变形/10-6TCFST-0.65-2.5-1.5-aTCFST-0.65-2.5-1.5-bTCFST-0.50-2.5-1.5-aTCFST-0.50-2.5-1.5-bTCFST-0.35-2.5-1.5-aTCFST-0.35-2.5-1.5-b0图 核心混凝土应力比的影响 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷混凝土龄期/d长期变形/10-6TCFST-0.35-1.0-2.5-a(n=0.30)TCFST-0.35-1.0-2.5-b(n=0.30)TCFST-0.35-2.5-1.5-a(n=1.25)TCFST-0.35-2
13、.5-1.5-b(n=1.25)TCFST-0.35-3.0-1.0-a(n=2.23)TCFST-0.35-3.0-1.0-b(n=2.23)300200100100 200 300 4000图 内外层钢管含钢率比值的影响 当内外层钢管含钢率比值不变时，钢管约束的钢管混凝土柱试件的长期变形随总含钢率的增大而减小，当总含钢率从.增大到.和.时，试件在 的长期变形分别减小了约 和（图）。TCFST-0.35-1.0-1.0-a(=5.8%)TCFST-0.35-1.0-1.0-b(=5.8%)TCFST-0.35-1.8-1.8-a(=10.5%)TCFST-0.35-1.8-1.8-b(=10
14、.5%)TCFST-0.35-2.5-2.5-a(=15.0%)TCFST-0.35-2.5-2.5-b(=15.0%)400300200100混凝土龄期/d100 200 300 400长期变形/10-60图 总含钢率的影响 钢管约束的钢管混凝土柱长期变形理论计算方法.理论计算方法推导收缩和徐变在结构施工和使用期间持续存在，若能正确预测收缩徐变，对优化设计、指导施工以及进行维护具有重要意义。本节基于素混凝土的长期变形理论计算模型，根据钢管约束的钢管混凝土柱在纵向荷载作用下的受力机理及各材料的相互作用推导了适用于钢管约束的钢管混凝土长期变形的理论计算方法：根据内层钢管与核心混凝土纵向变形协调条
15、件、各层材料横向及环向变形协调条件、各材料的本构关系和平衡条件列出方程式，联立方程式求解，得到加载初期 时刻核心混凝土、内外层钢管和夹层灌浆料截面的应力应变值；在素混凝土长期变形计算模型的基础上，考虑了内层钢管和核心混凝土的应力重分布作用，并结合截面平衡条件、变形协调条件和各材料的本构关系，联立求得 时间段内各材料的截面应力应变增量，进而可求得任意 时刻核心混凝土、内外层钢管和夹层灌浆料截面的应力应变值。在纵向荷载作用下，钢管约束的钢管混凝土柱主要由核心混凝土和内层钢管共同承担纵向荷载，外层钢管主要提供横向约束作用。在推导计算方法之前，先做以下假设：应力较小时徐变为线性徐变且多轴徐变符合叠加原
16、理；内层钢管、外层钢管的长期变形较小，可忽略不计；夹层灌浆料的横向长期变形较小且对其能够提供的约束力影响不大，可以不考虑夹层灌浆料的长期变形，且在低应力状态下夹层灌浆料能保持弹性工作状态；内层钢管与核心混凝土、外层钢管与夹层灌浆料不产生相对滑移，能够共同工作，且内层钢管、外层钢管和夹层灌浆料横向变形协调；纵向力主要由内层钢管和核心混凝土共同承担，外层钢管及夹层灌浆料所受的纵向力很小，可以忽略不计。公式推导过程中的符号规定为：压应力为正，拉应力为负。.加载时刻 的变形分析在钢管约束的钢管混凝土柱上施加恒定荷载 时，内层钢管和核心混凝土为三向受力（图、），内层钢管截面的横向应力很大程度上小于环向应力，可视为双向受力状态，且构件纵向应变协调，则有，（）式中：，为 时刻内层钢管发生的纵向应变，为 时刻核心混凝土发生的纵向应变。chs1bvbhbhch图 内层钢管受力示意 核心混凝土和内层钢管以各自刚度共同承受纵向力，根据受力平衡 ，（）式中：为施加在试件上的恒定荷载，为 时刻内层钢管纵向的应力，为 时刻核心混凝土的第 期李艳华，等：钢管约束的钢管混凝土轴压短柱长期变形性能纵向应力，为内层钢管横
