內襯管螺紋連接中空圓鋼管混凝土的軸壓性能實驗

王慶利，高行程，彭 寬

（1.遼寧科技大學 土木工程學院，遼寧 鞍山 114044；2.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500）

中空鋼管混凝土是指在鋼管內澆筑混凝土形成中部帶有空心的鋼管混凝土結構［1］，具有承載力高、剛度大及塑性好等優勢，廣泛用于工程實踐［2］。由于此類構件中部為空心，可以節省混凝土的用量，降低結構自重的同時，便于在中空部分布置管線［3］。

在實際工程中，因鋼管原材料長度、吊裝或運輸能力的限制，需要在施工現場接長鋼管?，F階段常用的鋼管混凝土的接長方式有焊接、法蘭盤連接和蓋板-螺栓連接等［4］，如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土鋼管的常用接長方式Fig.1 Main lengthening methods of concrete filled steel tubes

焊接作為現階段鋼結構中應用最廣泛的連接形式，不受試件尺寸的影響，施工方便，但焊接處容易發生應力集中等問題［5］，并且焊接工藝易受人為、環境和氣候因素等影響，從而導致出現一些質量問題［6］。楊紅等［7］為了減小鋼管混凝土結構在施工現場的焊接工作量，提出基于法蘭連接和外設加強環的鋼管混凝土柱-鋼梁連接裝配方法。陳前等［8］通過2種內外法蘭分別連接鋼管混凝土柱，以此來研究其抗彎承載力的變化，并建立有限元模擬，研究荷載傳遞機理以及連接螺栓、鋼管與混凝土的力學性能。法蘭盤連接方式會改變構件的外觀，不利于荷載的傳遞，且在施工過程中不易裝配與拆卸［9］。Abdessamade 等［10］建立蓋板-螺栓連接處的三維有限元模型，研究鋼蓋板連接處的局部變形，再以螺栓位置為影響因素，對連接處荷載變化和變形能力進行研究。蓋板-螺栓連接的構造形式復雜、施工周期過長，且螺栓打孔處易發生應力集中等問題［11］。

螺紋連接方式受力合理，在生產過程中可以采用標準化、流水線作業，在施工過程中組裝方便，節約工期的同時也可以充分保證結構質量。因此，本文嘗試采用螺紋連接長鋼管混凝土結構。如果采用內、外螺紋直接連接鋼管，螺紋連接處的強度至少被削弱一半，從而降低承載力。為了避免這種情況，本文設計內襯管作為一種過渡用于連接管身，如圖2所示。

圖2 內襯管螺紋接長鋼管示意圖Fig.2 Schematic diagram of steel tube lengthened by thread through lined tube

螺紋連接圓鋼管混凝土最不利的受力形式應為軸拉和扭轉，其次為拉-彎、純彎和壓-彎等，而軸壓和剪切強度最高。但軸壓性能是鋼管混凝土最核心、最重要和最基本的性能。本文以內襯管螺紋連接中空圓鋼管混凝土軸壓短柱為研究對象進行實驗，分析軸壓力-縱向壓縮量曲線、軸壓力-鋼管應變曲線、軸壓承載力、剛度以及試件的破壞模態等。根據不同文獻提出的承載力計算式與本文實驗結果進行對比，對內襯管螺紋連接中空圓鋼管混凝土承載力計算方法給出建議。

1 實驗概況

1.1 試件設計及制作

設計制作12個內襯管螺紋連接中空圓鋼管混凝土軸壓短柱，內螺紋位置分別設在中截面和端截面。為了對比，又設計制作了1個無連接中空圓鋼管混凝土軸壓短柱，2個焊接中空圓鋼管混凝土軸壓短柱，焊接位置分別設在中截面和端截面。部分試件的鋼部件結構尺寸如圖3所示，試件實物如圖4所示。

圖3 部分試件的鋼部件結構示意圖Fig.3 Schematic diagrams of steel components of partial specimens

圖4 試件實物圖Fig.4 Physical images of specimens

試件詳細參數見表1。試件長度L=399 mm，外鋼管直徑Ds=133 mm，外鋼管壁厚ts=6 mm，混凝土內徑Dci=76 mm，內襯管直徑Dis=126 mm，內襯管壁厚tis=8 mm。螺紋長度l分別取Ds/2、Ds/4和Ds/8；螺紋深度h分別取0.1ts和0.15ts。

表1 試件參數表Tab.1 Parameters of specimens

1.2 試件性能參數

經計算，試件的約束效應系數ζ［12］為3.77，空心率ψ［13］為0.39。ζ和ψ的計算式

式中：As為鋼材截面面積；fy為鋼管屈服強度；Ac為混凝土截面面積；fck=0.67fcu為混凝土軸心抗壓強度標準值；fcu為混凝土立方體抗壓強度；Aci為混凝土內壁包圍的面積；Asi為鋼管內壁包圍的面積。

實驗采用Q345 鋼材，并按照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1-2010）測得外鋼管及內襯管指標如表2 所示。其中，fu為鋼管抗拉強度，Es為鋼管彈性模量，vs為鋼管泊松比，δ為鋼管拉斷伸長率。

表2 鋼管性能指標Tab.2 Performance indices of steel tube

混凝土配合比：水泥432 kg/m3，水168 kg/m3，砂 子558 kg/m3，石 子1 242 kg/m3。測 得fcu=51.71 MPa，混凝土彈性模量Ec=30 GPa，泊松比為0.21。

1.3 實驗裝置

實驗在3 000 kN壓力機上進行，圖5為加載全貌。沿試件四周間隔90°布置4 個位移計，測量試件整體縱向變形；在鋼管外壁沿試件橫截面圓周間隔90°粘貼橫向和縱向應變片各1 枚，測量鋼管橫向和縱向應變。

圖5 試件加載全貌Fig.5 Full view of loading specimens

當試件和設備調試完畢后，根據預估承載力［14］對試件分級加載。在彈性范圍內，每級加載為預估承載力的1/10，持載2 min 后再進行下一級加載，直至加載到預估承載力的60%；隨后以2 kN/s的速率加載，直至壓縮量達到30 mm停止實驗。

2 試件破壞特征

2.1 普通試件和焊接試件

圖6 為普通試件和焊接試件的破壞模態。兩種試件的破壞模態類似，均是在靠近端板處的鋼管產生明顯的鼓曲，這是試件的端部效應所致［15］。剖開鋼管可見，均是內層混凝土先壓潰，再逐漸向外層混凝土擴展，直至整個截面的混凝土壓潰。因為內層混凝土雙向受壓，而外層混凝土由于鋼管的約束為三向受壓?；炷翂簼⒉课慌c鋼管變形部位一致，表明混凝土與鋼管協調變形，且混凝土具有良好的塑性填充性能。

圖6 普通試件和焊接試件的破壞模態Fig.6 Failure modes of common specimen and welded specimen

2.2 中截面內襯管螺紋連接試件

圖7 為中截面內襯管螺紋連接試件的破壞模態。此類試件都表現出相似的破壞模態，除了端截面附近鋼管的鼓曲之外，在管身對接處發生外翻變形，這表明中截面為試件最薄弱處?；炷翂簼⒉课慌c鋼管鼓曲或者外翻部位一致。

圖7 中截面內襯管螺紋連接試件的破壞模態Fig.7 Failure modes of specimens connected at middle section by thread through lined tubes

2.3 端截面內襯管螺紋連接試件

圖8 為端截面內襯管螺紋連接試件的破壞模態。此類試件都表現出相似的破壞模態，除了端截面附近鋼管的鼓曲之外，在內襯管邊緣產生鼓曲。這表明該截面為試件薄弱處?；炷翂簼⒉课慌c鋼管鼓曲或者外翻部位一致。

圖8 端截面內襯管螺紋連接試件的破壞模態Fig.8 Failure modes of specimens connected at end section by thread through lined tubes

3 軸壓力-變形曲線分析

3.1 軸壓力-縱向壓縮量曲線分析

部分試件的軸壓力N-縱向壓縮量Δ位移曲線如圖9 所示。所有曲線在加載初期均處于彈性階段；當試件進入彈塑性階段后，試件的縱向壓縮量快速增長；在到達峰值荷載后，荷載開始緩慢下降。此趨勢與文獻［16］的一致。

圖9 部分試件軸壓力-縱向壓縮量曲線Fig.9 Axis pressure vs longitudinal compression volume curves of connected specimens

在彈塑性階段，焊接試件的承載力和剛度略高于普通試件。這是由于為了保證對比實驗的客觀性，焊接試件均采用全熔透焊縫，且焊角尺寸較大所致。而內襯管螺紋連接試件的剛度與普通試件基本一致，并且承載力也不低于焊接連接試件。

試件承載力及主要指標詳見表3。中截面內襯管螺紋連接試件的承載力與焊接試件基本持平，平均值為1 325.5 kN；而剛度略低，平均值為776.833 kN/mm；端截面內襯管螺紋連接試件承載力和剛度均不低于焊接試件，平均值為1 402.5 kN和948.087 kN/mm。

表3 試件的承載力及主要指標Tab.3 Load capacity and main indicators of specimens

3.2 軸壓力-鋼管應變曲線分析

圖10為所有試件的軸壓力N-鋼管應變εs曲線。內襯管螺紋連接試件的曲線與普通連接試件和焊接連接試件走勢無明顯區別。所有試件在加載的初始階段，橫向應變約為縱向應變的0.28倍，接近混凝土的泊松比。隨著荷載的持續施加，內襯管螺紋連接試件的橫向應變與縱向應變的比值顯著增大，且增加幅度與焊接連接試件基本一致，說明二者的鋼管管身對混凝土均有著良好的約束效應。

圖10 所有試件的N-εs 曲線Fig.10 N-εs curves of all specimens

4 影響因素分析

圖11為螺紋長度對內襯管螺紋連接中空圓鋼管混凝土軸壓短柱軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響。

圖11 螺紋長度對試件軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響Fig.11 Effect of thread length on axis pressure vs longitudinal compression volume curves of specimens

試件的剛度和承載力隨著螺紋長度的增加而增大。這是由于螺紋長度越大，其內襯管長度越長，螺紋區段對混凝土的約束效應更大，因此對試件的剛度和承載能力都有一定的增強作用。這表明此類連接沒有弱化軸壓短柱強度。

圖12為螺紋位置對內襯管螺紋連接中空圓鋼管混凝土軸壓短柱軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響。從加載初期至試件達到峰值荷載階段，端截面連接試件的剛度和承載力高于中截面連接試件。原因在于內襯管的存在提高了試件的剛度和承載力，而端截面內襯管螺紋連接試件采用兩個內襯管，從而提升程度更高。

圖12 螺紋位置對試件軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響Fig.12 Effect of thread position on axis pressure vs longitudinal compression volume curves of specimens

圖13為螺紋深度對內襯管螺紋連接中空圓鋼管混凝土軸壓短柱軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響。隨著螺紋深度增加，承載力與剛度略有提高。這是由于螺紋深度的增加對混凝土的約束效應更大，因此對試件的剛度和承載能力都有一定的增強作用。但本次試件螺紋深度參數分別為0.6 mm和0.9 mm，兩種螺紋深度相差較小，所以對承載力的增幅影響不明顯。

圖13 螺紋深度對試件軸壓力-縱向壓縮量曲線的影響Fig.13 Effect of thread depth on axis pressure vs longitudinal compression volume curves of specimens

5 軸壓承載力計算

對于實驗用軸壓短柱來說，連接長度占試件整體長度比較大，但在實際工程中連接長度占比很小。因此，可以忽略螺紋連接處內襯管厚度的影響，按照管身的厚度計算承載力。試件的承載力計算值與實驗值對比結果詳見表4。其中，Nue為承載力實驗值的峰值荷載，Nuc為承載力理論計算值，分別采用文獻［17，15，18，19］中的計算方法。按照文獻［17］和［15］方法計算結果與本文的實驗值吻合最好。

表4 試件的承載力計算值與實驗值對比Tab.4 Comparison between calculated value and test value of load capacity of specimens

6 結 論

（1）所有試件的軸壓力-縱向壓縮量曲線在加載初期均處于彈性階段；進入彈塑性階段后，試件的縱向壓縮量的增長速度加快；在到達峰值荷載后，荷載開始緩慢下降。

（2）內襯管螺紋連接試件的承載力和剛度與無連接試件或者焊接試件基本持平。

（3）在本文研究的參數范圍內，端截面內襯管螺紋連接試件的剛度和承載力均高于中截面內襯管螺紋連接試件的，試件的承載力和剛度隨著螺紋長度與深度的增加而增大。

（4）給出內襯管螺紋連接中空圓鋼管混凝土軸壓承載力的計算建議。