橢圓形鋼管混凝土承載力的試驗(yàn)研究

楊 劍,郭小剛, 呂 弦

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橢圓形鋼管混凝土承載力的試驗(yàn)研究

楊 劍,郭小剛, 呂 弦

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南 湘潭, 411105)

根據(jù)正交試驗(yàn)理論,設(shè)計(jì)了不同混凝土強(qiáng)度、鋼管強(qiáng)度、鋼管厚度、長細(xì)比等的鋼管混凝土試件, 通過軸心受壓加載方式測試其承載能力. 試驗(yàn)結(jié)果表明: 受軸壓載荷時(shí), 鋼管混凝土的強(qiáng)度隨著混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼管厚度的增加而增加, 隨著鋼管混凝土的高度增加而減小.

橢圓形; 鋼管混凝土; 正交試驗(yàn)

鋼管混凝土是一種新興的組合結(jié)構(gòu), 主要用來承受軸心受壓和較小的偏心受壓[1], 被廣泛應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中(如廠房和高層建筑). 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高速發(fā)展得益于它具有良好的承載能力和施工性能. 目前, 對橢圓形截面鋼管混凝土相關(guān)方面的研究比較少, 研究橢圓形截面鋼管混凝土以發(fā)現(xiàn)其優(yōu)缺點(diǎn), 為建筑結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用提供理論依據(jù)[2-4].

1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件擬按工程實(shí)際1:10的比例進(jìn)行制作, 考慮鋼管混凝土連桿制作工序復(fù)雜, 難以保證質(zhì)量, 易造成初始缺陷, 難以反映構(gòu)件真實(shí)受力機(jī)理, 故按照對稱原理, 進(jìn)行單肢構(gòu)件制作, 鋼管混凝土橫截面如圖1所示. 對于本構(gòu)件, 混凝土采用C30. 圓端形鋼管采用3 mm鋼板焊接制作, 其套箍系數(shù)=ss/(cc) = 0.66,s、c分別為鋼材及混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;s、c分別為鋼管、混凝土的截面積.

圖1 圓端形構(gòu)件橫截面

在頂板中心位置開設(shè)直徑為100 mm的圓孔. 澆注混凝土, 用直徑5 cm的振搗棒插入振實(shí), 每次灌入混凝土的厚度約為30～40 cm, 完成后柱端用水泥砂漿抹平. 試件養(yǎng)護(hù)條件為室外自然養(yǎng)護(hù),混凝土強(qiáng)度用與試件同齡期的150 mm × 150 mm × 150 mm立方體試驗(yàn)確定, 養(yǎng)護(hù)條件與實(shí)驗(yàn)混凝土相同. 鋼材強(qiáng)度用實(shí)驗(yàn)鋼管上切割下來的試板經(jīng)單軸拉伸試驗(yàn)給出. 混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后, 對于軸心受壓構(gòu)件, 由于混凝土的收縮, 混凝土的頂面與鋼管的頂面相隔2 cm, 試驗(yàn)時(shí), 鋪墊一層細(xì)沙, 上部墊設(shè)10 mm的方形鋼板, 保證構(gòu)件均勻受力.

2 試驗(yàn)裝置與加載方式

圓端形鋼管混凝土軸向承載力試驗(yàn)在工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心500t萬能壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 上、下柱端采用刀口鉸加載. 試驗(yàn)前, 用打磨機(jī)將鋼管混凝土試件頂端打磨平整. 對于軸心受壓構(gòu)件, 上部加設(shè)10 mm的方形鋼板作為構(gòu)件頂板, 然后將試件直接放在壓力機(jī)上進(jìn)行一次壓縮試驗(yàn). 試件安裝后先進(jìn)行預(yù)加載2～3次, 預(yù)加載值約為預(yù)計(jì)極限荷載的15%. 首先將采集數(shù)據(jù)的儀器調(diào)試完畢, 然后將試件吊裝于試驗(yàn)臺上, 并與儀器和設(shè)備連接, 再進(jìn)行調(diào)試, 待正常運(yùn)行后開始試驗(yàn).

試驗(yàn)加載采用分級加載方式. 加載范圍小于預(yù)計(jì)極限荷載的60%. 每級加載值約為預(yù)計(jì)極限荷載的1/10; 超過此荷載值后, 調(diào)整每級加載值約為預(yù)計(jì)極限荷載的1/20. 每級荷載持續(xù)時(shí)間為2～3 min.

當(dāng)試件接近破壞狀態(tài)時(shí), 采用慢速連續(xù)加載方式. 試件即將破壞時(shí), 荷載增加放緩甚至減荷, 此時(shí)位移增加很快, 當(dāng)達(dá)到如下條件之一時(shí)立即停止加載: ①當(dāng)荷載降低至峰值荷載的65%以下; ②鋼管焊縫發(fā)生破壞.

3 軸壓試驗(yàn)結(jié)果

3.1 混凝土強(qiáng)度對鋼管混凝土(CFST)抗壓強(qiáng)度的影響

試件參數(shù): 鋼材屈服強(qiáng)度235 Mpa; 鋼管厚度4 mm; CFST高度1.8 m; 混凝土抗壓強(qiáng)度見表1. 為了分析混凝土材料強(qiáng)度變化對橢圓形鋼管混凝土軸心承載力性能的影響, 本文制備了幾個(gè)不同混凝土強(qiáng)度的試件, 其幾何尺寸與鋼材強(qiáng)度均保持一致, 僅改變混凝土強(qiáng)度. 最大承載力測試結(jié)果見表1第3列, 最大承載力隨混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律如圖2所示.

表1 試件參數(shù)及測試結(jié)果

圖2 CFST 抗壓強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度變化曲線

試驗(yàn)表明鋼管混凝土受軸壓時(shí), 其承載力隨著核心混凝土強(qiáng)度的提高而提高. 從圖2可以看出, 核心混凝土強(qiáng)度的高低對鋼管混凝土軸壓柱強(qiáng)度提高率雖有影響, 但影響不大.

3.2 鋼材強(qiáng)度對CFST抗壓強(qiáng)度的影響

試件參數(shù):混凝土抗壓強(qiáng)度為20 Mpa; 鋼管厚度4 mm; CFST高度1.8 m; 鋼材屈服強(qiáng)度見表2.

表2 試件參數(shù)及測試結(jié)果

與研究混凝土強(qiáng)度對鋼管混凝土承載力影響類似, 本文制備了幾個(gè)不同鋼材強(qiáng)度的試件, 其幾何尺寸與混凝土強(qiáng)度均保持不變, 僅改變鋼材強(qiáng)度. 測試結(jié)果如表2第3列所示, 最大承載力隨鋼材強(qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示.

圖3 CFST 抗壓強(qiáng)度隨鋼材強(qiáng)度變化曲線

試驗(yàn)表明鋼管混凝土受軸壓時(shí), 其承載力隨著鋼材強(qiáng)度的提高而提高. 從圖3可以看出, 曲線基本呈一條直線, 且曲線的斜率較大, 這表明鋼材強(qiáng)度對整個(gè)鋼管混凝土承載力的影響較大.

3.3 鋼管厚度對CFST抗壓強(qiáng)度的影響

試件參數(shù): 混凝土抗壓強(qiáng)度20 MPa; 鋼材屈服強(qiáng)度235 MPa; CFST高度1.8 m; 鋼管厚度見表3.

制備鋼管厚度為4、5、6、7 mm的試件, 其余幾何尺寸與混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度試驗(yàn)條件保持一致. 測試結(jié)果如表3所示, 最大承載力隨鋼管厚度變化規(guī)律如圖4所示.

表3 試件參數(shù)及測試結(jié)果

圖4 CFST 抗壓強(qiáng)度隨鋼管厚度變化曲線

試驗(yàn)表明鋼管混凝土受軸壓載荷時(shí), 其承載力隨著鋼管厚度的提高而提高. 從圖4可以看出, 鋼管混凝土的抗壓強(qiáng)度基本上隨著鋼管厚度呈線性變化, 且變化幅度較明顯.

3.4 CFST高度對其抗壓強(qiáng)度的影響

試件參數(shù): 混凝土抗壓強(qiáng)度為20 MPa; 鋼材屈服強(qiáng)度為235 MPa; 鋼管厚度為度4 mm; CFST高度見表4.

制備鋼管混凝土高度為1 800、2 100、2 400、2 700 mm的試件, 其余幾何尺寸與混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度試驗(yàn)條件保持一致. 測試結(jié)果如表4所示, 最大承載力隨CFST高度變化規(guī)律如圖5所示.

表4 試件參數(shù)及測試結(jié)果

圖5 CFST 抗壓強(qiáng)度隨高度變化曲線

試驗(yàn)表明鋼管混凝土受軸壓載荷時(shí), 其承載力隨著鋼管高度的增大而降低. 從圖5可以看出, 鋼管混凝土的抗壓強(qiáng)度隨其高度的增加而不斷降低, 且降低的幅度隨著高度的增加越來越大.

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)方法研究了混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼管厚度、鋼管混凝土高度等因素對橢圓形鋼管混凝土承載能力的影響. 加載方式為軸壓加載, 試驗(yàn)結(jié)果表明: 受軸壓載荷時(shí), 鋼管混凝土的強(qiáng)度隨著混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼管厚度的增加而增加, 隨著鋼管混凝土的高度增加而減小. 上述因素中, 鋼管厚度與鋼材強(qiáng)度對鋼管混凝土的承載能力有比較明顯的影響, 其余因素對承載力影響相對較弱.

[1] 熊德新. 鋼管初應(yīng)力對鋼管混凝土構(gòu)件性能影響的研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2005. 1-12.

[2] 陳勇, 張耀春. 設(shè)對拉片方形薄壁鋼管混凝土短柱的試驗(yàn)研究與有限元分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2006, 27(5): 23-29.

[3] 陳勇, 張耀春. 設(shè)置斜肋方形薄壁鋼管混凝土軸壓短柱研究[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 36(1): 107-112.

[4] 蔡紹懷. 我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進(jìn)展[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 1999, 32(4): 16-26.

Experimental study on the bearing capacity of elliptical concrete filled steel tube

YANG Jian, GUO Xiao-gang, LV Xian

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

To test its bearing capacity, the different concrete strength, steel pipe, steel pipe thickness strength and slenderness ratio of concrete filled steel tube were designed with the theory of the orthogonal. The results showed that: when subject to axial compression load, the CFST strength increased with the concrete strength, steel pipe, steel pipe thickness strength increases, and reduced with the increase of the height of CFST.

elliptical cross section; CFST; orthogonal

TU 398+.7

1672-6146(2012)01-0063-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.01.017

2012-03-16

楊劍(1986-), 男, 碩士研究生, 主要研究方向?yàn)殇?混凝土混合結(jié)構(gòu). E-mail: 515031779@qq.com

(責(zé)任編校:江 河)