至德钢业薄壁不锈钢管混凝土弯曲性能试验研究分析

 浙江至德钢业有限公司为进一步研究和探讨长径比、套箍系数、偏心率等因素对圆形薄壁不锈钢管混凝土弯曲性能的影响，选取一定规模和数量的构件，通过力学性能的试验，并采用有限元软件ABAQUS系统地分析了各个参数对构件破坏模式、刚度、极限承载力等静力性能的影响规律。试验结果表明：偏心率、长径比、套箍系数等参数对构件作用程度不同。偏心率大的构件极限荷载会急剧下降，偏心率小的构件极限荷载略微平缓，而到了后期两者趋向于接近；长径比大的薄壁不锈钢管混凝土构件，刚度、屈服荷载和极限承载力都明显降低，而长径比较小的薄壁不锈钢管混凝土构件，刚度、屈服荷载和极限承载力都明显增加；套箍系数大的构件极限承载能力强，而套箍系数小的构件极限承载能力弱。其中偏心率对构件的刚度和承载能力影响最显著，套箍系数的影响是最小的。

  随着现代施工技术的不断发展，圆管混凝土在超高层建筑、铁路、桥梁、电力等工程行业中逐渐作为新型结构形式被广泛使用。新型不锈钢管混凝土结构形式与传统钢结构相比优势明显：强度高、延性好、质量轻、耐火性能高等特点，薄壁不锈钢管与混凝土的有机结合，克服了韧性差、塑性差的缺点，同时钢管混凝土结构形式也省去了传统混凝土浇筑需要支模的形式，大大缩短了施工周期，取得了良好的经济效益。

  国内外大量的学者对这种新型结构形式进行了系统和科学的研究。以国外学者为例，采用三维稳定分析，研究了在薄壁不锈钢管内嵌柔性材料的情况下的轴向压力，并建立了简化公式；通过具体的试验，给出了施加载荷在50、80、120 MPa条件下薄壁不锈钢管混凝土柱的极限承载能力，试验结果发现施加载荷在80 MPa以内时，混凝土能够收到钢管的约束，在大于80 MPa情况下，薄壁钢管对混凝土的约束效应并不明显；则在前人基础上进行了深入一步的研究，他们研究得出混凝土的收缩、徐变、脆性、抗拉强度等，对不锈钢管混凝土柱性能的影响。我国学者对此也有了一定的研究，王秋萍对圆形、方形、八边形薄壁不锈钢管混凝土柱和薄壁轻骨料混凝土柱分别进行了轴压试验，并对每种类型钢管混凝土柱的破坏形式进行了比较分析，得出构件的宽厚比、含钢率、截面形式和混凝土强度等级等对钢管混凝土压弯性能有不同程度的影响。

  但从目前国内对于薄壁不锈钢管混凝土的研究程度来看，对于圆薄壁不锈钢管混凝土的研究不多，对其力学性能的认识不够清晰。浙江至德钢业有限公司利用ABAQUS程序，分别以长径比、偏心率、套箍系数为相应参数进行偏心受压作用下的有限元分析，试验结果可以为圆形薄壁钢管混凝土在今后工程各行业中的应用提供参考和借鉴。

一、试验概况

 1. 试件制作

  本次试验选取了24根圆形钢管，根据不同的外径、壁厚和长度将其分成4组，每组6个试件。试件所选择的圆形钢管分别由厚度6、8 mm的钢板弯卷后纵向焊接而成，下端焊接在端板中心，上侧端板开一个直径60 mm的圆孔。将钢管放正，并在开口处灌入C30预拌混凝土，使用插入式振捣棒捣实混凝土，在确保混凝土不会发生离析，再用铲子将混凝土表面收光。待28 d后混凝土达到强度，用水泥砂浆补齐钢管上端面，上侧端板与圆形钢管焊接，这样保证了混凝土与圆形钢管在试验过程中更好地结合，发挥约束效应。试件相关参数符号见表所示，D为圆形钢管的外径；t为壁厚；L为长度；eo为偏心矩；f y为钢管的屈服强度；f c为核心混凝土轴心抗压强度；ε为试件的套箍系数；N u为极限轴力。

 2. 试验方法

  圆形薄壁不锈钢管的弯曲试验在100 T的MTS电液压伺服机的加载装置上进行，采用静力加载方式对不同厚度、不同外径和不同长度的试件进行悬臂式加载。为了防止试件在加载过程中发生整体失稳变形，在构件中间位置设两道侧向支撑，用钢底座与试件底部连接牢固。施加载荷及构件产生的位移使用应变片和加载装置配套的传感器测量。加载过程如下：在正式施加荷载前进行预加载，观察应变片和加载装置配套的传感器读数是否在合理区间范围；正式加载采用荷载-位移混合控制的加载制度，在弹性范围内每级荷载增量均为极限承载力的1/10；在钢材发生屈服之前每级荷载增量均为极限承载力的1/15；钢材达到屈服强度接近破坏时，缓慢施加荷载直至构件发生弯曲破坏。

二、试验现象及结果分析

  通过对试验过程的观察可以得出，圆形薄壁钢管混凝土的破坏形式属于力学中典型的荷载-侧向挠度曲线图，如图所示。受力过程大致分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和荷载下降阶段。

  1. 弹性阶段（OA）：在此阶段荷载-扰度曲线变化基本成线性变化，OA段的荷载值随着长径比、套箍系数和偏心率的增大而减小。

  2. 弹塑性阶段（AB）：在这一阶段的初期，圆形钢管跨中出现吕德尔斯滑移线，钢管进入弹塑性状态，随着荷载的不断增大，钢管弹性模量不断降低，截面刚度出现下降，导致钢管与混凝土约束力发生变化，荷载-侧向挠度曲线渐渐偏离直线状态。荷载值在弹塑性阶段持续增加，钢管弹性模量和截面刚度下降程度明显加快，荷载-侧向扰度曲线变得更加平缓，在达到屈服极限之前，从圆形薄壁钢管混凝土试件的跨中处可以观察到呈明显的膨胀状态，钢管表面处铁皮发生脱落，构件承载能力迅速下降。

  3. 荷载下降阶段（BC）：当圆形薄壁不锈钢管混凝土试件达到屈服极限状态后，钢管跨中处已经进入塑流状态，核心受拉区混凝土部位退出工作，受外部钢管约束效应，试件整体仍发挥作用，受外部荷载作用表现良好的延性。随着荷载和继续增加，受到P-Δ效应影响，试件承受荷载能力退化，侧向挠度急剧增加，在达到承载能力极限之后，下降程度有所平缓，侧向扰度直到L/15。

三、不同参数下薄壁不锈钢管混凝土弯曲性能的有限元模拟分析

   主要讨论了长径比、套箍系数和偏心率等参数对圆形薄壁钢管混凝土弯曲性能的影响规律。试件弯曲性能的试验，参考和借鉴中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司的《钢管混凝土结构在750 kV变电站中的应用研究》中圆钢管混凝土人字柱截面尺寸，另外结合DL/T 5457—2012《变电站建筑结构设计规程》中9.1.3条以及中南电力设计研究院编制的《变电构架设计手册》7.2.1.2条对钢管混凝土构件径厚比的规定等因素，试验过程中选取长径比小于20的钢管混凝土构件。

 1. 长径比的影响分析

   至德钢业通过试验相关数据可以得到不同长径比的圆形钢管混凝土荷载-侧向挠度曲线图，如图所示。在弹性阶段，不同长径比的构件，荷载-侧向挠度曲线比较接近；进入第二个阶段即弹塑性阶段，不同长径比的荷载-侧向挠度曲线会发生区别，长径比较大的构件由于承载力的降低会迅速偏离直线，而随着荷载的逐渐增大，不同长径比的薄壁不锈钢管后期的强度大致相同，承受的弯矩也很相似，所以荷载-侧向挠度曲线又会趋向于接近。同时也反映了除危险截面以外的大部分区域仍处于弹性阶段，承受荷载的能力不会急剧下降。

   除此之外，从荷载-侧向挠度曲线图还可以看出，长径比大的钢管混凝土构件，刚度、屈服荷载和极限承载力都明显降低，而长径比较小的钢管混凝土构件，刚度、屈服荷载和极限承载力则明显增加。在有限元分析模型中，圆形钢管混凝土的长径比、尺寸大小、混凝土强度等级，长径比参数如表所示。另外，从表中可以看出，模型n0.1相比较n0.3，长径比小的圆形薄壁不锈钢管混凝土构件刚度比长径比大的构件刚度提高了30.7%，长径比小的圆形钢管混凝土构件极限承载能力比长径比大的构件刚度提高了22.9%。因此，得出随着圆形薄壁不锈钢管混凝土构件长径比的增加，刚度、极限承载力都会有所下降。

 2. 套箍系数的影响分析

  至德钢业通过相关统计数据，可以得出不同套箍系数的圆形薄壁不锈钢管混凝土荷载-侧向挠度曲线图，如图所示。从图中曲线变化可以看出，套箍系数对钢管构件前期影响基本相同，到了后期对构件强度影响较大，套箍系数大的构件极限承载能力强，而套箍系数小的构件极限承载能力弱。可见，提高构件的套箍系数，有利于改善构件的延性，增强构件抵抗弯曲的强度，是一种提高构件承载力行之有效的方法。在有限元分析模型中，圆形薄壁不锈钢管混凝土的套箍系数、尺寸大小、混凝土强度等级，套箍系数参数如表所示。

  另外，从表中可以看出，模型n0.1相比较n0.3，套箍系数小的圆形薄壁不锈钢管混凝土构件刚度比长径比大的构件刚度降低了1.3%，套箍系数小的圆形钢管混凝土构件极限承载能力比长径比大的构件刚度降低了2.5%。因此，得出随着圆形薄壁不锈钢管混凝土构件套箍系数的增加，刚度、极限承载力都会有所增加。

 3. 偏心率的影响分析

  至德钢业通过相关统计数据，可以得出不同偏心率的圆形钢管混凝土荷载-侧向挠度曲线图，偏心率是对圆形薄壁不锈钢管混凝土构件影响最大的因素。偏心率大的构件极限荷载会急剧下降，偏心率小的构件极限荷载略微平缓，而到了后期两者趋向于接近。因此，与长径比和套箍系数相比，偏心率是最重要也是最关键的因素，对构件承载力的影响也是最显著的。

  在有限元分析模型中，圆形钢管混凝土的偏心率、尺寸大小、混凝土强度等级，偏心率参数如表所示。另外，从表中可以看出，模型n0.1相比较n0.3，偏心率小的圆形钢管混凝土构件刚度比偏心率大的构件刚度提高了70%，偏心率小的圆形钢管混凝土构件极限承载能力比偏心率大的构件刚度提高了35%。因此，得出随着圆形薄壁钢管混凝土构件偏心率的增加，刚度、极限承载力都会有所下降。

四、结论

  浙江至德钢业有限公司通过科学合理的试验，结合不同偏心率、不同长径比、不同套箍系数的圆形薄壁不锈钢管混凝土荷载-侧向挠度曲线图，分析得出以下结论：

   1. 选择的24根圆形薄壁不锈钢管混凝土构件，产生的弯曲破坏大致经历了弹性阶段、弹塑性阶段和荷载下降3个阶段，不同阶段构件承受荷载的状态不同，均属于非弹性失稳破坏，受力最集中的跨中位置为主要危险区域。

   2. 偏心率、长径比、套箍系数等参数对构件作用程度不同。偏心率大的构件极限荷载会急剧下降，偏心率小的构件极限荷载略微平缓，而到了后期两者趋向于接近；长径比大的钢管混凝土构件，刚度、屈服荷载和极限承载力都明显降低，而长径比较小的钢管混凝土构件，刚度、屈服荷载和极限承载力都明显增加；套箍系数大的构件极限承载能力强，而套箍系数小的构件极限承载能力弱。

   3. 偏心率、长径比、套箍系数中偏心率是影响圆形薄壁不锈钢管混凝土最重要的因素，影响极限承载力的效果最明显，套箍系数的最小，但是提高构件的套箍系数，有利于改善构件的延性，增强构件抵抗弯曲的强度，是一种提高构件承载力行之有效的方法。