钢管混凝土轴压长柱试验分析

钢管混凝土中长柱轴压力学性能试验研究发布时间：2022-07-14T07:19:30.747Z 来源：《城镇建设》2022年5卷第3月第5期作者：纪建军[导读] 本文对一组钢管混凝土(CFST)中长柱的轴压力学性能开展试验研究，得到试件的加载过程、破坏形态纪建军广州大学土木工程学院，广东省广州市 510006摘要：本文对一组钢管混凝土(CFST)中长柱的轴压力学性能开展试验研究，得到试件的加载过程、破坏形态、应变发展过程和轴力-柱中纵向应变曲线。

研究结果表明：钢管混凝土中长柱在轴压荷载作用下发生整体弯曲破坏，试件中部出现明显的受压区和受拉区，且由于钢材和核心混凝土的相互作用，钢材和混凝土的力学性能得到充分发挥。

关键词：钢管混凝土；中长柱；轴压性能；试验研究 Abstract: This paper presented an experimental study of medium-long concrete-filled steel tube (CFST) columns under axial compressive loading. The loading process, failure mode, strain development process and axial force-longitudinal strain curve in the middle height of column were obtained and analyzed. The results show that the CFST column presents global bending failure. A compression zone and a tension zone are observed at the middle of the specimen. Due to the interaction between steel and core concrete, the mechanical properties of steel and concrete are fully utilized. Key words: Concrete-filled steel tube; Medium long column; Axial compressive performance; Experimental study 钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tubular CFST)柱因具有良好的抗震性能、抗火性能和方便施工等特点，已被广泛应用于高层建筑和大跨桥梁结构中。

文章编号:1004-9762(2006)003-0284-04钢管混凝土轴压中长柱承载力研究Ξ闻　洋1,李　斌1,李素娟2(11内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头　014010;21包头市城建技校　内蒙古　包头　014010)关键词:钢管混凝土;长细比;承载力中图分类号:T U312 文献标识码:A摘　要:经过对14根钢管混凝土中长柱承载力的试验研究,发现钢管混凝土中长柱的极限承载能力与其长细比无一定的对应关系,亦即在试验的长细比范围内钢管混凝土柱的承载能力对长细比并不敏感,经分析计算给出了一种新的承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好,可用于指导工程实际1Research on the bear ing capacity of concr ete f illed steel tubular moderatelong columns w ith axial compressionWEN Y ang1,LI Bi n1,LI Su2j uan2(11A rchitecture and Civil Eng ineerin g S cho ol,Inner M on golia Univers ity of Science and T echnology,Baot ou014010,China;21Baotou Urban Constrnction Sch ool,Baotou014030,China)K ey w or ds:concrete2filled steel tubes;s lenderness ratio;bearing capacityAbstract:E xperimen tal research es on fourteen concrete2filled tubes with five kinds of slenderness ratio were carried ou t.It is found that the bearing capacity o f concrete2filled steel tubular colummns has no corres ponding relation to s lenderness ratio,meaning it is n ot actively res pon2 sive to the s lenderness ratio.T he formula for the calcu lati on of the limit bearing capacity o f concrete2filled s teel tubular lon g columns with ax ial com press ion were presented,and the calculated results tally well with that o f th e ex periments,which may provide f undamental guidance for the related eng ineering practice. 钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善1总之,通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝土,不仅可以弥补两种材料各自的缺点,而且能够充分发挥二者的优点,这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在1近年来,钢管混凝土在建筑结构中应用非常广泛,建造了大量的建筑物1国内外学者在钢管混凝土方面进行了大量的研究[1],并各自给出了计算公式,这些公式为工程设计提供了重要依据1但这些公式在理论方面没有得到较好的解释,且计算公式和方法都比较复杂1本文采用了统一材料的理论对钢管混凝土中长柱的承载力公式进行推导,并通过轴心受压试验验证了理论公式的正确性,为钢管混凝土中长柱承载力分析提出了较合理的理论解释1 1　钢管混凝土轴压柱的理论分析随着钢管混凝土构件长细比的增大,必须考虑轴心受压构件的纵向失稳1对在弹性工作阶段失稳的长柱,可直接引用欧拉临界应力公式:σcr=π2E scλ2,(1)E sc=αE s+(1-α)E c,(2)式中,E sc为钢管混凝土构件的综合弹性模量;α为含钢率1但对在弹塑性工作阶段失稳的中长柱,应采用切线模量理论求其临界应力:σcr=π2E sctλ2,(2)式中,为钢管混凝土构件受压综合切线变形模2006年9月第25卷第3期包头钢铁学院学报Journal o f Baotou Univers ity of Iron and Steel T echnol og ySpetember,2006V ol.25,N o.3Ξ收稿日期66作者简介闻　洋(6),男,内蒙古包头人,内蒙古科技大学讲师,硕士1E sct:200-0-11 :197-量;λ为钢管混凝土构件的长细比1根据对文献[2,3]中各种试件的实测应力应变曲线求解,由不同含钢率试验得到应力应变曲线,由数值回归分析可得下列经验公式表达应力应变关系:σsc σb sc =1.62εscεbsc-0.62εsc εb sc 2,(3)切线模量为:E sct=d σsc d εsc =σb sc 1.62εb sc -1.24εsc (εb sc )2,(4)式中,σsc ,εsc 为钢管混凝土构件轴心受压时的平均纵向应力和应变;σb sc ,εbsc 为钢管混凝土构件轴心受压时的计算极限纵向平均应力和应变1极限纵向平均应力σb sc 值可由下列公式求出[4]:σbsc =αaf y +(1-α)(f c k +2αbf y ),(5)其中,a =0.25+12.8tD2,b =0.54-30.25+12.8tD2-0.25+12.8tD1引入边界条件,当σsc =0时,εsc =0,则E sct =E sc ,也就是说,在坐标原点,钢管混凝土构件的切线模量和弹性模量相同1由式(3),(4),(5)经过换算化简后可得到钢管混凝土构件的计算极限纵向应变:εbsc =1.62αaf y +(1-α)f ck +2αbf y(1-α)E c +αE s,(6)在已知构件的几何尺寸及材料特性后,则可以推导出钢管混凝土中长柱的临界应力:σcr =2π2σbscλ2εbsc1+π4λ4(εb sc )2-π2λ2εb sc,(7)中长柱极限承载力的计算公式为:N u =σcr (A c +A s )1(8)公式中将钢管混凝土视为一种新的组合材料,通过深入了解钢管混凝土的本构关系,从而采用综合的变形模量计算钢管混凝土长柱和中长柱的临界承载力,计算过程简单明了,计算中采用数值回归分析推出的临界承载力公式属于半经验半理论公式,可应用于钢管混凝土长柱和中长柱的临界力计算12　试验概况为了了解钢管混凝土轴心受压中长柱的力学性能和承载力,本文进行了5组共计14个钢管混凝土中长柱试件的试验研究(表1)1表1　钢管混凝土试件与试验结果一览表T a b le 1　Concr ete filled steel tubular columns an d the exper iment r esult试件D ×t ×L/mm f y /MPa f ck /MPa 长细比λN 0u /k N N b u /k N N b u /N 0uG Z S J121219×7×9902724115183300327601993G Z S J122219×7×9902724115183350327601978G Z S J123219×7×9902724115183450327601950G Z S J221219×7×12002754011223350320301956G Z S J222219×7×12002754011223270320301980G Z S J223219×7×12002754011223380320301948G Z S J321219×7×14202724113263230312701968G Z S J322219×7×14202724113263420312701914G Z S J323219×7×14202724113263250312701962G Z S J421219×7×16402744212303200305201954G Z S J422219×7×16402744212303250305201939G Z S J423219×7×16402744212303350305201911G Z S J521219×7×20002744016363160292101924G Z S 52××163631　注D ,,L 分别为钢管的外径、壁厚和长度;f y ,f 分别为钢管的屈服强度和混凝土强度抗压标准值;N 为试件实测极限荷载;N 为试件用式(8)计算的极限荷载1582闻　洋等:钢管混凝土轴压中长柱承载力研究J 2219720002744021029210910:t ck 0u bu 试件所用钢材是外直径为219mm,壁厚为7m m 的无缝钢管1试件分为5组:第一组长细比为18,型号(D×t×L)为219mm×7mm×990mm;第二组长细比为22,型号(D×t×L)为219mm×7mm×1200m m;第三组长细比26,型号(D×t×L)为219mm×7mm×1420mm;第四组长细比为30,型号(D×t×L)为219mm×7mm×1640mm;第五组长细比为36,型号(D×t×L)为219mm×7mm×2000m m1试件加工时应注意保证钢管两端的截面平整,以避免试件在受力过程中的受力不均匀1从技术经济及构件的延性性能方面考虑,在钢管混凝土构件中,核心混凝土的强度等级不低于C30[5]1本试验采用C60混凝土1本试验所用的试件,核心混凝土的强度不变,钢管的壁厚不变,只有试件的长细比在变化1试件的养护方法为在室内进行浇水自然养护13　试验结果与分析本次试验获得的荷载应变的关系曲线如图1所示1图1　荷载应变的关系Fig.1　Rela tion betw een lo a di ng and stra i n defor mation 从图1可以看出,在加载的初始阶段纵向应变图线和环向应变图线都呈线性变化,但纵向应变曲线的直线段斜率较小,而环向应变曲线的直线段斜率较大,即当加相同荷载时纵向应变大于环向应变1当荷载大约达到临界荷载的70%时,荷载与纵向应变的曲线逐渐偏离直线,这表明钢管在纵向已达到比例极限强度1但此时荷载与环向应变曲线仍就为直线,这说明钢管此时在环向并没有屈服1当钢管纵向应力达到屈服强度后钢管所承载的轴压力不再增加,但核心混凝土所承载的轴压力将继续增加1荷载继续增加,核心混凝土的承载力尚未充分发挥,试件已经发生弹塑性失稳破坏1由表1可知,钢管混凝土试件用式(8)计算的临界荷载较实测的临界承载力偏小,说明此计算方法较为安全1试验测定的临界荷载并没有随着长细比的增加有明显的减小,说明在此试验的长细比范围682包头钢铁学院学报2006年9月　第25卷第3期内极限荷载对长细比值并不敏感14　结论(1)钢管混凝土视为统一材料的变形模量选择较为合理,基本能真实反映钢管混凝土临界状态下的受力状况1(2)此次试验中钢管混凝土试件的破坏均属于非弹性失稳破坏1(3)试验测定的临界荷载并没有随着长细比的增加有明显的减小,说明本试验长细比范围内极限荷载对长细比值并不敏感1参考文献:[1]　钟善桐1钢管混凝土结构研究新动向[J ]1哈尔滨建筑工程学院学报,1990,(1):352471[2]　Hajjar J F ,G ourley B C.A cy clic n on linear m odel for con 2crete 2filled tubes cross 2section s tren gth[J ]1Journal of Stuc 2tural Eng ineering ,ASCE ,1997,122(11):132721336.[3]　S ch neider S P.A x ially loaded con crete 2filled s teel tu bes [J ]1Jou r 2nal o f S tructural E ng ineerin g ,A SCE,1998,124(10):1125211381[4]　H ajjar J F ,G ou rley B C.A cy clic n on lin ear m od el for con crete 2filledtub es.II ,V eri ficati on[J ]1Jou ran al o f s tru ctu ral E n g in eerin g ,A S CE ,1997,123(6):7452754.[5]　CECS28:90,钢管混凝土结构设计与施工规程[S]1知识窗不断优化工艺　提高产品质量(二)———大力发展新一代超细晶粒高强度棒材 二是该生产线采用控制轧制与控制冷却技术1轧制后的快速冷却使轧件能获得超细晶粒的显微组织,提高钢材的综合力学性能1为了控制轧制过程中的轧件温升,该生产线的轧机没有沿用传统连轧机布置形式,而是采取了粗轧6机架、中轧8机架、精轧4机架的形式,减少了精轧的变形道次1大规格钢筋采取部分中轧机架空过,将变形道次后移至精轧机架以后,经过设置在中轧和精轧间的控轧冷却段后进入精轧,保证钢筋的低温变形程度1三是该生产线采用切分轧制技术,减少了轧机机架数,减少了投资,提高了产品产量1直径12mm 、直径14mm 带肋钢筋采用3线切分轧制,直径16mm 、直径18mm 带肋钢筋采用2线切分轧制1该生产线的加热炉选用推钢蓄热式加热炉,其装配有先进的汽化冷却技术,燃料为高炉煤气,可以收到节约能源、降低污染的效果1此外,加热炉还采用计算机集散控制,保证钢坯的加热质量和开轧温度1四是该生产线由粗轧和精轧共18架轧机形成全连轧1粗中轧为平立二辊闭口式轧机呈平立交替布置,精轧的16机架、18机架平立可转短应力线轧机,可适应切分轧制的要求1五是该生产线轧机按低温轧制进行选型,可有效满足低温控轧的要求1轧机采用计算机二级控制,实现微张力和无张力全连续轧制1该控制系统从上料开始即对坯料进行全线自动跟踪,实现炉批号的自动化管理1该生产线在精轧机组前还设置了控轧冷却装置,控制中间轧件温度以实施控制轧制,改善奥氏体组织形态1该控轧冷却装置由2条水冷线和1条辊道安装在同一小车上组成,并配置了中间辊道,可以根据不同的中间坯规格采用不同规格的中间冷却器1六是该生产线精轧机组之后设置了轧后控冷装置1该装置由3条水冷线和1条辊道安装在同一小车上组成,辊道用于将不控冷产品送至冷床1其中,水冷线总长达18m ,钢筋的终极温度采用闭环控制,以冷却不同规格的产品1当生产控轧控冷超细晶粒HR B400级螺纹钢时,成品需要经过轧后快速冷却装置进行冷却1冷却器分三线,根据不同规格和是否切分选用不同规格和数量的冷却线1该生产线生产的HR B400和20MnS i 钢筋的延伸率全部高于1615%,其中9611%的钢筋延伸率大于等于1715%;Q235钢H RB335钢筋的延伸率全部大于等于17%1与常规热轧生产工艺相比,钢筋的延伸性能偏低,主要原因是钢筋的强度提高,但夹杂物仍然粗大1企业要改善高强度超细晶粒钢筋的组织和性能,还需要进一步优化控轧控冷生产工艺1摘录自《中国冶金报》66(8)782闻　洋等:钢管混凝土轴压中长柱承载力研究200-04-0。

方钢管混凝土轴压柱承载力分析摘要：针对方钢管混凝土柱的受力特点，引入了混凝土强度折减系数和等效约束折减系数，实现了方钢管混凝土柱向圆钢管混凝土柱的等效。

利用薄壁圆筒的双剪统一强度解推导了方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式。

在此基础上，引入了轴压稳定系数，建立了方钢管混凝土轴压长柱的极限承载力计算公式。

利用建立的公式与文献数据进行了计算对比，结果表明：所得公式计算的轴压承载力与文献的试验结果吻合较好，对钢管混凝土的研究有一定的理论价值。

关键词：方钢管混凝土极限承载力薄壁圆筒双剪统一强度理论1、引言随着我国高铁建设的飞速发展，对站房的要求越来越高，站房高度和跨度的不断增加使得梁、柱所承受的荷载越来越大。

承重柱作为建筑物最为重要的受力构件，是建筑物抵抗外力的关键，特别是在地震作用下，柱子不仅需要有足够的强度，而且须有很好的延性。

钢管混凝土柱以其承载能力高、延性好，抗震性能优越、耐冲击、耐疲劳和施工方便等优点而在实际工程中得到广泛的应用。

方钢管混凝土柱作为钢管混凝土柱的一种形式，除具有钢管混凝土柱的优点外，还有节点形式简单、截面惯性矩大、稳定性能好、抗弯性能好的优点，具有广阔的应用前景。

因此对方钢管混凝土力学性能的研究具有重要的意义。

2、方钢管混凝土柱的受力特点钢管混凝土柱在应力水平较高时，内部混凝土的纵向微裂缝将会得到发展，其泊松比将超过0.5，随着纵向微裂缝的发展，混凝土的泊松比将会超过外钢管的泊松比，此时，钢管会对混凝土产生围压。

方钢管对内部混凝土的约束很不均匀，文献[1]中指出：方钢管对核心混凝土的约束力主要集中在4个角部，而且约束力很不均匀，4个角部的混凝土受到的约束强，边部中间管壁处的混凝土受到的约束较弱。

在大量的试验研究的基础上，我们得出结论：当方钢管达到钢材的极限强度时，角部钢管发生塑性变形，边部中间管壁发生局部失稳，混凝土被压碎。

由于方钢管对内部混凝土的约束的不均匀性，所以如何计算外钢管和核心混凝土之间的相互约束“效应”成为计算方钢管混凝土强度及承载力的重中之重。

中长柱的轴压性能试验步骤
中长柱的轴压性能试验步骤一般可以按照以下顺序进行：
样品准备：根据设计要求，制作符合试验要求的中长柱样品。

在制作样品时需要确保样品的几何尺寸和质量满足试验要求。

试验设备准备：确保试验设备完好，并根据试验要求进行调整和校正。

安装样品：将样品安装到试验设备上，并根据试验要求进行固定和调整。

试验参数设置：根据试验要求，在试验设备上设置相应的试验参数，如加载速率、试验荷载等。

加载试验：开始施加加载，通过试验装置施加垂直轴向压缩荷载，直至达到设定的试验终止条件，如极限承载力或变形要求。

数据记录与分析：在试验过程中记录和监测样品的荷载、变形等参数，并且在试验结束后对试验数据进行处理和分析，得到相关的试验结果。

结果评价：根据试验结果，评价中长柱的轴压性能，如确定极限承载力、变形特点等。

结论和报告：根据试验结果和评价，撰写试验结论和报告。

需要注意的是，中长柱的轴压性能试验步骤可能会根据具体的试验要求和相关标准进行调整和修改。

圆钢管混凝土悬臂长柱抗弯性能试验研究杨俊芬;闫西峰;胡盼盼;张广平;奚增红【期刊名称】《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(048)005【摘要】通过对3个足尺圆钢管混凝土长柱的试验研究,分析不同轴压比下圆钢管混凝土长柱的抗弯承载能力和破坏形式.结果表明,相比轴压比为0时的圆钢管混凝土长柱,轴压比为0.1、0.2时的圆钢管混凝土长柱的抗弯承载力和抗侧刚度减小,同时延性也减小;可见轴压力的变化对钢管混凝土长柱抗弯受力性能有显著的影响.在试验的基础上,将不同轴压比的抗侧刚度与考虑P-Δ效应时相关规程、文献进行比较,给出建议公式,为钢管混凝土结构在实际工程中的应用提供参考.【总页数】7页(P654-660)【作者】杨俊芬;闫西峰;胡盼盼;张广平;奚增红【作者单位】西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司,甘肃兰州730050;中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TU391【相关文献】1.圆钢管混凝土短柱与中长柱界限长细比试验研究 [J], 李斌;张乐均;高春彦2.双层均布荷载作用下混凝土悬臂箱梁抗弯性能试验研究 [J], 祝明桥;赵振中;谷志鹏3.地震作用下钢筋混凝土悬臂梁抗弯性能及尺寸效应试验研究 [J], 金浏;苏晓;李冬;杜修力4.圆钢管混凝土中长柱轴压性能试验研究 [J], 李斌;落凯妮;王柯程5.钢筋混凝土悬臂梁抗弯性能尺寸效应试验研究 [J], 周宏宇;杜修力;李振宝;马华;张雅然;王海倩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。