长期轴向荷载作用下钢骨混凝土柱的变形研究

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1、长期轴向荷载作用下钢骨混凝土柱的变形研究陈周熠*，吴建清，王洋（厦门大学建筑与土木工程学院，福建厦门361005）摘要：钢骨混凝土柱结构已被广泛应用在高层建筑结构中，但是，关于这类柱结构在长期荷载作用下由于混凝土的徐变和收缩引起的与时间相关的力学特性的研究还很少。本文开展了钢骨混凝土短柱在长期轴向荷载作用下相关特性的试验研究，获得了由于混凝土的收缩和徐变导致的长期轴向变形曲线。基于该实测曲线的分析表明，采用ACI209的收缩模型和CEB-FIP90的徐变模型，利用龄期调整有效模量法可以较好地模拟钢骨混凝土柱在长

2、期轴向荷载作用下的变形发展。关键词：钢骨混凝土；柱；徐变；收缩中图分类号:TU317文献标识码:A钢骨混凝土柱结构是指在钢骨周围配置钢筋，并浇筑混凝土的柱结构，也称为型钢混凝土柱或劲性钢筋混凝土柱。由于钢骨混凝土柱结构具有强度高，刚性大，以及良好的延性及耗能性能，在地震区的高层及超高层建筑中的应用越来越广泛。很多学者已开展了关于钢骨混凝土柱结构的相关试验和理论研究[1-3]，Shanmugam和Lakishmi对此作了较深入的综述[4]。这些研究主要集中在钢骨混凝土柱结构的极限承载力、粘结强度和抗震性能等方面，

3、但对于长期荷载下由于混凝土的徐变和收缩引起的与时间相关的力学特性的研究还很少涉足。徐变是在持续荷载作用下，混凝土结构的变形将随时间不断增加的现象。收缩则是混凝土在硬化过程中，由于各种原因引起的随时间变化而发生的体积缩小[5]。徐变和收缩会导致柱子在长期荷载作用下持续增长的变形。对钢骨混凝土柱中徐变和收缩特性的理解，以及对由它们所引起的长期变形的把握，将有助于在工程设计中对柱子的压缩变形进行精确分析，这一点对于高层建筑设计特别重要。本文开展了钢骨混凝土短柱在长期轴向荷载作用下变形发展的试验研究，并基于试验结果，讨

4、论了应用现有的徐变和收缩模型，采用龄期调整有效模量法来模拟钢骨混凝土柱在长期轴向荷载作用下的变形发展的适用性。收稿日期：2013-05-27基金项目：国家自然科学基金（50908197）*通信作者：chenzy@xmu.edu.cn1试验研究1.1试件设计及材料特性由于长期加载试验要用到专门的徐变试验机，试件数量受到一定限制，本文共开展了3个钢骨混凝土短柱的长期荷载试验。试件断面形状参见图1，试件断面尺寸为160×160mm，高度为410mm。试件S1-N1和S1-N2的钢骨采用80×50×4mm(宽×高×腹板

5、和翼缘厚度)的工字型钢，试件S2-N1采用80×50×7.8mm的工字型钢。试件4角配置了直径12mm的变形钢筋作为纵筋，采用直径8mm的光圆钢筋作为箍筋，按间距100mm布置。图1试件截面尺寸Fig.1Crosssectionoftestspecimens试件混凝土采用最大粒径为10mm的砾石作为粗骨料，28天立方体抗压强度为=39.1MPa，弹模为=21,000MPa。柱中的工字型钢骨采用厚度分别为4mm和7.8mm的钢板加工而成，4mm厚钢板实测屈服强度为=279MPa，弹模为=204,000MPa，7.

6、8mm厚钢板实测屈服强度为=266MPa，弹模为=205,500MPa。所用直径12mm变形钢筋的实测屈服强度为=436MPa，弹模为=201,000MPa。所用直径8mm光圆钢筋的实测屈服强度为=325MPa，弹模为=200,000MPa。1.2长期荷载试验为期202天的长期荷载试验是在徐变试验机上进行的，在试件混凝土龄期达到28天时开始加载。施加在试件S1-N1和S2-N1上的轴向长期荷载分别为345KN和375KN,相当于试件在28天龄期时的名义极限承载力的30%。选择这个应力水平，是因为高层建筑中的柱子

7、在服役期的正常工作荷载下的轴压比通常在0.3左右。为了考察轴向长期荷载大小对于柱长期性能的影响，试件S1-N2采用460kN的荷载值，相当于试件在28天龄期时的名义极限承载力的40%。试件加载期间的轴向应变值，是通过监测浇筑在试件侧面上的标距为150mm的两个金属预埋件之间的长度变化来获得的。长度测读采用千分表进行，将千分表固定在其中一个预埋件上，千分表的滑杆则顶在固定于另一个预埋件的标杆上，每个试件都在其中两个对应侧面上安装了这套测量装置。试验环境的温湿度是通过温湿度自动测试仪进行监测采集。由于试验是在室内进

8、行，监测数据表明，在试验加载期间的温湿度变化不大，因此可以不考虑温湿度变化的影响。1.3试验结果各试件长期荷载试验得到的应变变化曲线参见图2。图中表示的应变值是荷载施加时的初始弹性应变和后期随时间增长的应变总和。如图2所示，试件S2-N1,S1-N1和S1-N2在加载202天时最终的应变值分别达到了初始弹性应变值的1.93、2.22和2.73倍，试验表明在长期荷载作用下柱试件的变形增长