摘要：本文通過對鋼管普通混凝土長柱和鋼管輕集料混凝土長柱的軸壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)合對普通混凝土和輕集料混凝土的本構(gòu)關(guān)系曲線的分析，研究了核心混凝土性能對鋼管混凝土軸壓長柱穩(wěn)定系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：在長細(xì)比相同的情況下，鋼管混凝土軸壓長柱的穩(wěn)定系數(shù)與核心混凝土的峰值應(yīng)力無關(guān)，而取決于核心混凝土的峰值應(yīng)變。核心混凝土的峰值應(yīng)變越大，鋼管混凝土長柱的穩(wěn)定系數(shù)越大。
關(guān)鍵詞：鋼管混凝土，穩(wěn)定系數(shù)，核心混凝土，峰值應(yīng)變
1．引言
鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土而成的構(gòu)件[1]。由于其具有優(yōu)異的性能，在現(xiàn)代大跨度和高聳結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
作為鋼管混凝土構(gòu)件的重要組成部分，核心混凝土對鋼管混凝土的性能有著重要影響?，F(xiàn)有理論認(rèn)為，鋼管混凝土長柱的核心混凝土強(qiáng)度等級對穩(wěn)定系數(shù)ϕ 的影響無明顯規(guī)律[2]。但此結(jié)論是建立在鋼管普通混凝土軸壓性能試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上的，有一定的局限性。
普通混凝土和輕集料混凝土的性能有著相當(dāng)大的區(qū)別，所以對鋼管普通混凝土和鋼管輕集料混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行對比分析，可以更好地研究核心混凝土性能對鋼管混凝土力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)[3]已經(jīng)就鋼管普通混凝土和鋼管輕集料混凝土短柱(λ < 20 )的力學(xué)性能進(jìn)行了對比研究。但實(shí)際工程中應(yīng)用最多的是長細(xì)比較大的鋼管混凝土長柱(λ > 20 )。本文將通過鋼管普通混凝土和鋼管輕集料混凝土長柱軸壓試驗(yàn)結(jié)果的比較，結(jié)合對兩種不同混凝土的本構(gòu)關(guān)系曲線的分析，研究核心混凝土性能對鋼管混凝土長柱穩(wěn)定系數(shù)的影響。
2．鋼管混凝土長柱的軸壓試驗(yàn)
表1 列出了1982 年在中國建筑科學(xué)研究院進(jìn)行的鋼管普通混凝土長柱試驗(yàn)的試件的參數(shù)及軸壓試驗(yàn)結(jié)果[2]。試驗(yàn)中采用的鋼管為無縫鋼管，混凝土為普通混凝土，所有長柱試件加載時兩端均為鉸支承。
為了研究鋼管輕集料混凝土長柱的受力性能，2005 年在河海大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了鋼管輕集料混凝土長柱軸壓試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中采用的鋼管為直縫焊接鋼管，混凝土為頁巖陶粒輕質(zhì)混凝土，所有長柱試件兩端均為鉸支承。表2 中列出了本次試驗(yàn)中試件的參數(shù)及軸壓試驗(yàn)結(jié)果。
兩次試驗(yàn)中試件的截面尺寸、材料性能、長細(xì)比范圍等參數(shù)較接近，而且加載方式相似，具有較好的可比性。
3．試驗(yàn)結(jié)果的對比分析
圖1 中列出了本文中所列的所有試件的穩(wěn)定系數(shù)δ －長細(xì)比λ 的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著長細(xì)比λ 的增大，圖中所列的各組試件的穩(wěn)定系數(shù)δ呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。
圖1 中同時畫出了文獻(xiàn)[2]中由大量試驗(yàn)結(jié)果擬合得到的鋼管普通混凝土構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)δ －長細(xì)比λ 關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)曲線。對比發(fā)現(xiàn)，鋼管高強(qiáng)輕集料混凝土試件穩(wěn)定系數(shù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)都分布在鋼管普通混凝土柱的δ －λ 關(guān)系曲線上方。可見，鋼管高強(qiáng)輕集料混凝土長柱的穩(wěn)定系數(shù)要高于具有相同長細(xì)比的鋼管普通混凝土柱。
對各組試件之間的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，核心混凝土性能對鋼管輕集料混凝土長柱穩(wěn)定系數(shù)的影響具有一定明顯的規(guī)律：在長細(xì)比相同的情況下，核心混凝土強(qiáng)度為39.3N /mm2 的鋼管輕集料混凝土穩(wěn)定系數(shù)最高，其次為核心混凝土強(qiáng)度為25.6N /mm2 的鋼管輕集料混凝土，核心混凝土強(qiáng)度為35.7N /mm2 的鋼管普通混凝土穩(wěn)定系數(shù)最低。即：
鋼管普通混凝土長柱軸壓性能的研究表明，長細(xì)比較大的鋼管混凝土構(gòu)件中核心混凝土的作用主要是支撐鋼管壁，延緩其局部屈曲的發(fā)生，構(gòu)件的承載力主要由鋼管提供[4]。當(dāng)鋼管混凝土試件局部的應(yīng)變超過了混凝土極限應(yīng)變后，此區(qū)域附近填充的混凝土破碎，對鋼管的支撐作用喪失。失去側(cè)向支撐的鋼管壁在縱向壓力的作用下屈曲，構(gòu)件承載力下降。
可以認(rèn)為，在其他條件相同的情況下，核心混凝土破碎時的極限應(yīng)變越大，鋼管發(fā)生屈曲時的應(yīng)變也越大，鋼管的承載力得到更好的發(fā)揮，所以鋼管混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定承載力越高。圖2 中列出了三種混凝土的σ —ε 曲線[5][6]。對比三條曲線發(fā)現(xiàn)：三種混凝土的峰值應(yīng)變間的關(guān)系與對應(yīng)的鋼管混凝土長柱穩(wěn)定系數(shù)具有一致的變化規(guī)律，即:
而作為混凝土強(qiáng)度等級表征的重要性能指標(biāo)
，即混凝土的本構(gòu)關(guān)系曲線上的峰值應(yīng)力，與穩(wěn)定系數(shù)并無直接關(guān)系。
故認(rèn)為，在本文研究范圍內(nèi)，鋼管混凝土軸壓長柱的穩(wěn)定系數(shù)取決于核心混凝土的極限應(yīng)變，而與核心混凝土的極限應(yīng)力
無關(guān)。
4.結(jié)論
通過對鋼管普通混凝土和鋼管輕集料混凝土長柱軸壓試驗(yàn)結(jié)果的對比，并結(jié)合普通混凝土和輕集料混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線的分析，可以得到以下結(jié)論：
(1) 核心混凝土性能對鋼管混凝土長柱的穩(wěn)定系數(shù)有較大影響。本文研究范圍內(nèi)，在長細(xì)比相同的情況下，鋼管輕集料混凝土長柱的穩(wěn)定系數(shù)要高于鋼管普通混凝土長柱。
(2)本文研究范圍內(nèi)，在長細(xì)比相同的情況下，鋼管混凝土長柱穩(wěn)定系數(shù)取決于核心混凝土峰值應(yīng)變，峰值應(yīng)變越大穩(wěn)定系數(shù)越大，而與混凝土的峰值應(yīng)力cu f 無關(guān)。
參考文獻(xiàn)
[1] 韓林海，楊有福．現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004．
[2] 蔡紹懷．現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M]．北京：人民交通出版社，2003．
[3] 吉伯海，王曉亮，馬敬海，楊明．鋼管高強(qiáng)輕集料混凝土短柱軸壓性能的試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005，5：60-65．
[4] 韓林海．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)—理論與實(shí)踐[M]．北京：科學(xué)出版社，2004．
[5] 王振宇，丁建彤，郭玉順．結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€[J]．混凝土，2005，3：39-42．
[6] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50010-2002)[S] ．中國建筑工業(yè)出版社，2002．
