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關(guān)于方鋼管自密實(shí)混凝土純彎力學(xué)性能研究的理工論文
摘要：通過(guò)對(duì)6根方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件的試驗(yàn)研究，考察了方鋼管自密實(shí)混凝土的純彎力學(xué)性能。采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件進(jìn)行了受力全過(guò)程分析，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。最后將設(shè)計(jì)規(guī)程ACI(1999)，AISC-LRFD(1999),AIJ(1997),BS5400(1979)和DBJ13-51-2003(2003)對(duì)抗彎承載力和抗彎剛度的計(jì)算結(jié)果與方鋼管自密實(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
關(guān)鍵詞：自密實(shí)混凝土 方鋼管混凝土 純彎 初始抗彎剛度 使用階段抗彎剛度
1. 前言
鋼管混凝土具有承載力高，塑性和韌性好的特點(diǎn)，所以在工程實(shí)踐中得到了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。自密實(shí)高性能混凝土在少振搗或不振搗的情況下就能自密實(shí)成型，對(duì)方便施工、減少噪音污染具有重要的意義。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中的大量應(yīng)用,對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究也越來(lái)越多,但是對(duì)鋼管混凝土純彎試件的研究仍然相對(duì)比較少。文獻(xiàn)[5]對(duì)鋼管混凝土抗彎性能方面的有關(guān)研究成果進(jìn)行了總結(jié)。但目前對(duì)于方鋼管自密實(shí)混凝土純彎力學(xué)性能的研究還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。
本文擬通過(guò)對(duì)6根方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件的試驗(yàn)研究，考察方鋼管自密實(shí)混凝土純彎力學(xué)性能，并將現(xiàn)有規(guī)程DBJ13-51-2003[3],，AISC-LRFD(1999)[6],AIJ(1997)[7],BS5400(1979)[8]和ACI(1999)[9]對(duì)抗彎承載力和抗彎剛度的計(jì)算結(jié)果與方鋼管自密實(shí)混凝土的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
2. 試驗(yàn)概況
試驗(yàn)的6根方鋼管自密實(shí)混凝土試件的參數(shù)，B為試件截面高度，t為鋼管厚度，Lo為計(jì)算長(zhǎng)度，實(shí)際試件長(zhǎng)度L=1500mm。試件的剪跨比為3.5和1.75。在進(jìn)行試件加工時(shí)，鋼管由四塊鋼板拼焊而成，采用坡口焊形式，并保證焊縫質(zhì)量。鋼材強(qiáng)度由標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)確定。平均屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量及泊松比分別是282MPa、358.3MPa、2.015×105 MPa和0.263。自密實(shí)混凝土水灰比為0.293，配合比按重量比，單位為kg用料如下：水泥：粉煤灰：砂：石：水=350：220：815：815：166.8原料采用煉石牌42.5普通硅酸鹽水泥；河砂，細(xì)度模數(shù)可在2.5-2.8之間，不應(yīng)小于2.5；碎石，石子粒徑5-15mm；礦物細(xì)摻料：采用福建華能電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；普通自來(lái)水。UNF-5早強(qiáng)型減水劑摻量為1%；混凝土的塌落度為270mm，鋪展度600mm，流動(dòng)速度19.3米/秒。澆搗混凝土?xí)r的室內(nèi)溫度24.2度，測(cè)得混凝土的溫度26.5度�；炷�28天時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度為fcu=76.7MPa,實(shí)驗(yàn)時(shí)fcu=81.3MPa、彈性模量Ec＝4.26×104 MPa。
混凝土澆灌時(shí)先將鋼管豎立，使未焊蓋板的一端位于頂部，然后從開(kāi)口處灌入混凝土。采用了二種混凝土澆灌方式：1，常規(guī)的分層灌入法，用ф50振搗棒伸入鋼管內(nèi)部進(jìn)行完全振搗，在試件的底部及外部同時(shí)用振搗棒側(cè)振；2，混凝土自密實(shí)，未采取任何振搗。試件核心混凝土頂部與鋼管上截面抹平，并在試件自然養(yǎng)護(hù)兩周后用高強(qiáng)水泥砂漿修補(bǔ)混凝土表面與鋼管表面的不平整處，然后焊上另一蓋板。試驗(yàn)采用四分點(diǎn)加載方法，在每個(gè)試件中截面四個(gè)面的中部縱向及橫向各貼一片電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變。在支座及四分點(diǎn)位置各設(shè)置一個(gè)機(jī)電百分表，在跨中位置設(shè)置大行程的位移計(jì)測(cè)量試件變形。同時(shí)在試件底部還設(shè)置兩個(gè)曲率儀。試驗(yàn)的加載及測(cè)量裝置圖和曲率儀示意圖參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。
3. 試驗(yàn)結(jié)果分析及數(shù)值計(jì)算
試驗(yàn)得到的試件跨中彎矩(M)－跨中撓度(um)，跨中彎矩(M)－曲率()和彎矩(M)－應(yīng)變(ε)的關(guān)系曲線，可以看出：試件的受力經(jīng)歷了彈性變形、彈塑性變形和塑性強(qiáng)化三個(gè)階段。試件跨中撓度達(dá)到L/20時(shí)，作用在試件上的外荷載還能增加，表明試件具有很好的延性。試件破壞時(shí)受壓區(qū)鋼管均出現(xiàn)數(shù)處局部外凸的現(xiàn)象，鋼管外凸部位較均勻的分布在試件四分點(diǎn)與跨中之間，部分試件受拉區(qū)鋼管破壞時(shí)出現(xiàn)撕裂。
數(shù)值計(jì)算采用文獻(xiàn)[1]中方鋼管混凝土的鋼材和混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系及數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)試件進(jìn)行了受力全過(guò)程分析。從數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較可見(jiàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果總體上低于試驗(yàn)結(jié)果。除彎矩—應(yīng)變的關(guān)系曲線，由于試件寬厚比較大，鋼管較早出現(xiàn)局部屈曲，使曲線在塑性強(qiáng)化段有所偏差，其余的曲線二者總體上較為吻合。由此可見(jiàn)文獻(xiàn)[1]中應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系不但適用于方鋼管普通混凝土，也適用于方鋼管自密實(shí)混凝土的全過(guò)程數(shù)值模擬。
4. 實(shí)用計(jì)算方法比較
為了便于分析方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件承載力的變化規(guī)律，將試件的試驗(yàn)實(shí)測(cè)承載力和設(shè)計(jì)規(guī)范(規(guī)程)DBJ13-51-2003 [3],AISC-LRFD[6],AIJ[7],BS5400[8],ACI[9]的計(jì)算結(jié)果以及數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)表1，其中Me為試驗(yàn)實(shí)測(cè)承載力，Mu為計(jì)算獲得的承載力，極限彎矩取受拉區(qū)最大應(yīng)變達(dá)到10000με時(shí)的彎矩。由表1極限承載力計(jì)算值Mu和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值Me的比值的比較可以看出，五本規(guī)范(規(guī)程)的計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相比都偏于安全。其中以DBJ13-51-2003[3]計(jì)算值與實(shí)測(cè)值最為接近。BS5400[8]和ACI[9]計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值低10-15%左右，而AISC-LRFD[6]和AIJ[7]計(jì)算值比實(shí)測(cè)值低30%以上。
根據(jù)彎矩—曲率曲線可以確定試件的剛度。一般比較認(rèn)同在彎矩M=0.2Mu時(shí)的抗彎剛度作為試件的初始彈性剛度，文獻(xiàn)[2 4]采用試件在M=0.6Mu時(shí)的抗彎剛度作為構(gòu)件的使用階段剛度，因?yàn)榇藭r(shí)試件受力通常處于各種外荷載組合作用下的正常使用受力狀態(tài)，因此取M=0.6Mu作為試件的使用階段抗彎剛度是合理的。為此本文取試件在M=0.2Mu和M=0.6Mu時(shí)的割線剛度作為試件初始彈性剛度和使用階段剛度。
表2、3列出0.2Mu和0.6Mu時(shí)試件抗彎剛度K0.2和K0.6，并與DBJ13-51-2003[4],AISC-LRFD[5], AIJ[6] BS5400 [7],ACI[8]及數(shù)值計(jì)算和簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果比較。這些規(guī)范(規(guī)程)中抗彎剛度計(jì)算方法基本是分別考慮鋼管和混凝土對(duì)剛度的貢獻(xiàn)，不同的是對(duì)混凝土對(duì)剛度貢獻(xiàn)程度的不同考慮。簡(jiǎn)化模型計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。
由表3可以看出：使用階段剛度以AIJ[7]和ACI[9]的計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值最為接近，平均值為0.96和0.97，均方差都為0.010。從表2和表3可看到，數(shù)值計(jì)算和簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果也與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好，這進(jìn)一步說(shuō)明，文獻(xiàn)[1]提出的數(shù)值計(jì)算模型適用于方鋼管自密實(shí)混凝土的數(shù)值計(jì)算。
5. 結(jié)論
通過(guò)上述探討，在本文試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，可得出如下結(jié)論：
(1) 方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件具有良好的截面曲率延性和后期承載力。
(2) 文獻(xiàn)[1]提出的鋼管混凝土數(shù)值計(jì)算模型適用于方鋼管自密實(shí)混凝土的受力全過(guò)程數(shù)值模擬。
(3) DBJ13-51-2003[3],AISC-LRFD[6],AIJ[7],BS5400[8]ACI[9]計(jì)算方鋼管自密實(shí)混凝土承載力時(shí)以DBJ13-51-2003[3]的計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近。
(4) DBJ13-51-2003[3],AISC-LRFD[6],AIJ[7],BS5400[8]ACI [9]計(jì)算方鋼管自密實(shí)混凝土初始彈性抗彎剛度時(shí)，以DBJ13-51-2003[3] 的計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近，而在計(jì)算使用階段抗彎剛度時(shí)以AIJ[7]和ACI [9]的計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近。
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