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 经济

圆钢管混凝土中长柱轴压性能试验研究

发布时间:2020-05-29 点击: 来源:工业工程
0 引言
钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能较好、经济效益好等特点,被广泛地应用于工程实践中。根据钢管混凝土结构本身的特点,主要应用于受压构件[1]~[8]。但大多数的研究都集中在短柱上,而实际工程中还存在许多长细比较大的柱子,对长柱的研究并不多。
本文通过对5组较大长细比的圆钢管混凝土轴压柱的试验研究,对构件的力学性能及其变化规律进行了分析。
1 试验概况
1.1材料性能及试件参数
本文共设计了14根试件, 直径165mm、厚度为6mm和8mm 的钢管采用无缝钢管,厚度为4.5mm的钢管采用直焊缝管,混凝土强度采用C30。钢管混凝土长细比λ= 4L0/ D,L0和D分别为构件的计算长度和截面外直径。
钢管严格按设定尺寸加工,在下端焊有10mm 厚的钢板作为底面端板。为防止试件过于细长导致混凝土密实度差,在钢管底部和中部钻孔以增加空气流通性。浇筑混凝土时,从钢管顶部灌入,并用振捣棒振捣密实,混凝土每次浇30~40cm,待振捣密实后再进行下一阶段的浇灌,浇灌完成,钢管柱顶端口混凝土凝固、沉降稳定后,用高强砂浆填补抹平,进行自然养护。浇灌同时,同时,准备了3组
混凝土立方体试块,混凝土试件室温下浇水养护,测得混凝土的抗压强度和弹性模量[9][10]。
1.2 加载装置及制度
试验台上下加载端均为球铰支承连接,试件柱的变形方向具有随机性,若为控制弯曲方向在加载两端设置刀铰,则实际为两端各施加刀铰外加球铰,约束条件复杂且无法满足试验环境要求,故采用两端平板铰施荷的加载方式。

图1 试验装置及测点布置
Fig.1 The diagram of Specimen loading device and strain gauge layout
本次试验中,在试件的两端及1/4、1/2、3/4高度处,沿周长间隔90°各贴纵向及环向电阻应变片,其中为精确试件中部应变情况,在相隔45°角度加贴一组应变片,同时在试件外侧平面纵向布置一个位移计,测定试件的压缩总变形,为了测量试件中部的侧向弯曲变形位移,在试件沿柱高的两个端部、中部以及1/4处各设置一个位移计,由于使用平板铰,柱子的弯曲方向无法确定,故加设两组在水平平面内相互垂直的位移计。试验装置及测点布置如图1所示。
试验采用分级单调加载制,弹性范围内每级荷载约为预计极限荷载的1/10,当达到预计极限荷载的70%时,调整加载梯度约为预计极限荷载的1/10~1/15,每级荷载的持荷时间约为2-3min,当接近破坏时采用慢速连续加载,达到极限荷载过后至试件变形已达相当大或应变值和百分表无法跟读,停止试验。

图2 试验试件破坏形态
Fig.2 Failure models of the specimens


表1 试件设计参数及试验结果
Table.1 Table for CFST specimens and result of experiment
试件编号 钢管尺寸/mm  ① λ② 含钢率③α/% /kN /kN ④
D t L      
SCA-1 165 4.5 2805 370 32.8 68 11.9 1154.25 1173 1.34
SCA-2 165 4.5 2805 370 32.8 68 11.9 1191.75  1.34
SCB-1 165 4.5 2970 370 32.8 72 11.9 1152.5 1161.63 1.34
SCB-2 165 4.5 2970 370 32.8 72 11.9 1170.75  1.34
SCC-1 165 4.5 3135 370 32.8 76 11.9 1120.25 1119 1.34
SCC-2 165 4.5 3135 370 32.8 76 11.9 1117.75  1.34
SCC-3 165 6 3135 355 32.8 76 16.3 1359 1359 1.76
SCC-4 165 8 3135 360 32.8 76 22.6 1450.25 1450.25 2.48
SCD-1 165 4.5 3300 370 32.8 80 11.9 1121.75 1103.5 1.34
SCD-2 165 4.5 3300 370 32.8 80 11.9 1085.25  1.34
SCD-3 165 6 3300 355 32.8 80 16.3 1349.5 1349.5 1.76
SCD-4 165 8 3300 360 32.8 80 22.6 1478.5 1478.5 2.48
SCE-1 165 4.5 3465 370 32.8 84 11.9 1066 1063.75 1.34
SCE-2 165 4.5 3465 370 32.8 84 11.9 1061.5  1.34

注:①分别表示钢材屈服强度及混凝土轴心抗压强度标准值;
②λ表示试件长细比,对于圆型截面钢管混凝土,本次试验计算取计算长度;
③α表示试件截面含钢率,表示试件极限承载力,表示平均极限承载力;
表示试件约束效应系数,。
2 试验结果与分析
2.1试验现象及特征
各试件的破坏过程和宏观现象都较为相似:在达到各自极限荷载的50%之前,试件处于弹性阶段,试件中截面各面的横纵向应变和试件的轴向变形随着荷载的增长呈线性增长,试件中截面各面的纵向应变基本相等,试件跨中挠度几乎为零并没有增长的趋势,表明试件处于轴心受压状态;此后,试件中截面各面应变随荷载增长的速度逐渐加快,试件进入弹塑性阶段,但试件外观仍无明显变化;当荷载达到试件极限荷载的75%之后,荷载增加缓慢,并在整体外形上出现微小形变。随着荷载的增加,挠度超过了临界值,试件的轴向位移随荷载的增长速度也明显加快,跨中挠度变化渐趋明显,直至试件在达到极限荷载时发生整体失稳;随后荷载进入下降段试件的挠度发展加快;当荷载下降到极限荷载的80%之后,最终以试件的跨中挠度过大为标志试件完全破坏。试验破坏形态结果如图2所示。
3 试验结果与分析
图2为荷载-跨中挠度(P-f)曲线。由于材料不均匀和初始缺陷等因素影响,试件都不是理想的轴心受压。这些因素使得构件挠曲时方向具有随机性,部分试件出现了挠度方向随着加载过程反向变化的现象。但随着荷载增大到一定程度,构件受力调整后,挠度方向最终趋于一致。试验中的长柱试件都是因为侧向变形过大,承载力下降而破坏。加载开始后,试件的挠度缓慢增大。当荷载达到极限荷载的75~80%时,荷载的增长速度变慢,而侧向挠度和纵向位移增长速度加快。当荷载达到最大后,出现挠度急剧增加的现象,并且构件所承受的荷载开始下降。试件的长细比越大,柱的抗弯线刚度越小,引起的附加弯矩效应也越大,导致所受荷载下降速度和侧向挠度增大速度越快。试件直至破坏,没有出现局部屈曲现象,均为整体失稳破坏。