圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱的試驗研究

唐昌輝，歐陽鵬

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱的試驗研究

唐昌輝，歐陽鵬

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

對13根圓中空夾層鋼管RPC(活性粉末混凝土)軸心受壓短柱的受力性能進(jìn)行試驗研究，得到圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱隨內(nèi)鋼管壁厚變化的承載力及其力學(xué)性能特性。在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，給出圓中空夾層鋼管RPC短柱極限承載力的計算建議公式，并通過ABAQUS有限元軟件對試驗全過程進(jìn)行模擬分析，計算得到的承載力和荷載-應(yīng)變曲線與試驗結(jié)果較吻合。

圓中空夾層鋼管RPC；內(nèi)鋼管壁厚；極限承載力；有限元軟件ABAQUS

RPC活性粉末混凝土是20世紀(jì)90年代由法國研發(fā)的一種集超高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性及低孔隙率于一體的新型水泥基復(fù)合材料[1-2]。優(yōu)良的性質(zhì)使得其在鐵路橋梁中早已被應(yīng)用，如北京五環(huán)路將RPC用于人行道板，薊港鐵路應(yīng)用RPC制作低高度梁，青藏鐵路采用RPC制作凍土區(qū)橋梁的蓋板[3]。通過以往試驗可知：RPC未摻入鋼纖維時，其延性性能很差，當(dāng)受力達(dá)到極限荷載后，通常會發(fā)生爆裂式的脆性破壞。然而若將鋼管與RPC結(jié)合成鋼管RPC，可以將兩者優(yōu)點有效結(jié)合，可大大改善其性能。中空夾層鋼管混凝土是在鋼管混凝土基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型鋼管混凝土，它主要是將2個鋼管同心放置，在2個鋼管之間澆筑混凝土而形成的一種比鋼管混凝土更為合理的結(jié)構(gòu)形式。它不僅具有實心鋼管混凝土的優(yōu)點，而且具備自重輕、剛度大、耐火性能良好等特點[4-5]，使其備受國內(nèi)外研究人員的青睞，具有良好的工程應(yīng)用前景[6-8]。目前，圓中空夾層鋼管普通混凝土的研究已經(jīng)取得一定的成果[9-11]，但是對圓中空夾層鋼管RPC的研究才剛剛起步，本文通過13根圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱的試驗，研究圓中空夾層鋼管RPC軸心受壓短柱隨內(nèi)鋼管壁厚變化的承載能力及其力學(xué)性能，為其工程應(yīng)用提供試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗概況

本試驗共制作了13根圓中空夾層鋼管RPC短柱試件，其中無內(nèi)鋼管試件1根，內(nèi)鋼管壁厚為2,3,4,5,6,24(實心)各2根。外鋼管采用直縫焊接的Q235鋼，內(nèi)鋼管采用無縫20#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，先按設(shè)計尺寸對鋼管進(jìn)行加工，保證內(nèi)外鋼管兩端截面平齊且光滑平整。本試驗采用的RPC由湖南固力工程新材料有限責(zé)任公司提供，為攪拌均勻裝袋活性粉末混凝土干混料，按比例加水?dāng)嚢杓纯伞?/p>

試件制作時，先將內(nèi)鋼管插進(jìn)事先做好的鋼板上，外鋼管端部表面涂上AB膠與鋼板固定，并將蓋板蓋上防止?jié)不炷習(xí)r內(nèi)外鋼管松動，將RPC從蓋板上預(yù)留的孔中灌入并震動，對不同攪拌批次的活性粉末混凝土同時成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊，進(jìn)行力學(xué)性能測試，棱柱體試件和其泊松比見圖1。試件及試塊先在常溫下靜止2 d，再采用熱水養(yǎng)護(hù)，溫度為90～95 ℃，養(yǎng)護(hù)2 d后進(jìn)行加載試驗。各試件的基本情況見表1。

圖1 棱柱體彈性模量和泊松比Fig.1 Elasticity modulus and poisson’s ratio of RPC

圓中空夾層鋼管RPC短柱試件的軸壓試驗是在湖南大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)實驗室500 t長柱壓力試驗機(jī)上進(jìn)行的。試件測點布置與加載裝置如圖2所示，本試驗在內(nèi)外鋼管中部表面沿縱向及環(huán)向各均勻?qū)ΨQ布置4組電阻應(yīng)變片，同時在下承板試件的兩側(cè)對稱布置2個位移計以測量試件在加載過程中的縱向位移。采用東華DH3816靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)采集試件加載工程中的縱向和環(huán)向應(yīng)變。

圖2 試件測點布置及加載裝置Fig.2 Instrumentations and test set up

試驗采用力控制加載，試驗開始前，首先進(jìn)行預(yù)加載，對試件進(jìn)行幾何和力學(xué)對中，并檢測試驗設(shè)備和測量儀器是否正常工作。彈性階段每次加載為預(yù)計極限荷載的1/10；當(dāng)達(dá)到極限荷載的80%左右時，每次加載為預(yù)計極限荷載的1/15且持續(xù)加載；當(dāng)?shù)竭_(dá)極限荷載后，則采用連續(xù)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。每級加載后保持荷載5 min，分級讀取試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象和破壞形態(tài)

試件破壞類型主要有中部鼓曲破壞和剪切滑移破壞，在彈性階段，試件變形不大，隨著荷載增至極限荷載的80%左右時，可以聽到微小的RPC撕裂聲音，但是變形仍然不明顯；達(dá)到極限荷載后，空心鋼管RPC荷載下降速度很快，隨著壁厚的增大，下降速率逐漸減慢，頂部開始出現(xiàn)屈曲，并很快延伸到中部，外鋼管表面應(yīng)變片也逐漸剝落；隨著荷載的繼續(xù)增加，變形也迅速發(fā)展，直至構(gòu)件破壞，具體破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 圓中空鋼管RPC短柱試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure pattern of concrete-filled steel tube

主要原因是：RPC的勻質(zhì)性良好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常致密，具有極低的孔隙率等特點，使得前期對內(nèi)外鋼管壓力不明顯，當(dāng)RPC破壞時，橫向變形發(fā)展較快，迅速對內(nèi)外鋼管產(chǎn)生壓力。這與實心鋼管RPC短柱軸壓破壞一致。將試件取下，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鋼管也向內(nèi)側(cè)屈曲(見圖4)。

表1 圓中空夾層鋼管RPC短柱試件參數(shù)Table 1 Parameters of concrete-filled double skin steel tubular columns with circular sections

注：表中fyo和fyi分別為外、內(nèi)鋼管屈服強(qiáng)度；fc為100×100×300棱柱體抗壓強(qiáng)度；Ne0為試驗值;Nc0為模擬值

圖4 試件典型破壞模式Fig.4 Typical failure modes of concrete-filled steel tube

2.2 圓中空鋼管RPC的荷載-豎向位移曲線

圖5為不同內(nèi)鋼管壁厚下圓中空夾層鋼管RPC荷載-豎向位移的關(guān)系曲線。由圖可知，試件的荷載-位移的關(guān)系曲線具有明顯的3個階段：彈性上升階段、彈塑性上升階段、卸載階段。這與中圓中空夾層鋼管普通混凝土的荷載-位移曲線有點不同，沒有塑性階段，主要原因是RPC強(qiáng)度高，延性要差些，其彈性階段延長而彈塑性階段縮短，當(dāng)達(dá)到極限荷載后，迅速破壞，導(dǎo)致沒有塑性階段。隨著內(nèi)鋼管壁厚的增大，極限承載力緩慢增大，同時下降速率減慢，荷載下降后上升的趨勢更明顯。

2.3 荷載-應(yīng)變?nèi)^程分析

由試驗得到的各試件的整體荷載-應(yīng)變曲線如圖8所示。由圖可見，各曲線主要分為3個階段。

圖5 試件荷載-位移Fig.5 Load-displacement curves of concrete-filled steel tube

1)彈性階段：試件加載初期，內(nèi)外鋼管和RPC分別單獨受力，由于RPC的橫向變形小于鋼管的橫向變形，此時鋼管和RPC之間的相互作用很小。鋼管外表面無明顯變化，RPC的內(nèi)部初始裂縫也比較穩(wěn)定，當(dāng)達(dá)到極限荷載的80%時，RPC裂縫才逐漸發(fā)展。

2)彈塑性階段：試件表面仍無明顯變化，但是可以聽到RPC被撕裂的聲音，此階段曲線仍然處于上升趨勢，斜率逐漸減小，說明試件的延性很好，隨著內(nèi)鋼管壁厚的增大，試件的極限承載力也緩慢增大。

3)卸載階段：此階段各試件已經(jīng)達(dá)到極限承載力，鋼管進(jìn)入塑流狀態(tài)，可以明顯看到外鋼管變形逐漸變大，核心RPC所承受的壓應(yīng)力達(dá)到其抗壓強(qiáng)度，可以聽到RPC被撕裂的聲音，隨著內(nèi)鋼管壁厚的增大，荷載-應(yīng)變曲線下降更緩慢。

表2 圓中空夾層鋼管混凝土承載力計算公式一覽表Table 2 Bearing capacity formulas for concrete filled double skin steel tubular

3 極限承載力計算公式

關(guān)于圓中空夾層鋼管混凝土短柱的極限承載力計算，國內(nèi)外有過研究。表2為幾種有代表性的計算公式，由于這些公式都是針對圓中空夾層鋼管普通混凝土提出來的，故是否能適用于鋼管RPC短柱的極限承載力計算，還有待進(jìn)一步驗證。

根據(jù)本文進(jìn)行的13根圓中空夾層鋼管RPC短柱的試驗結(jié)果，運(yùn)用表2中計算公式進(jìn)行計算，每個試件的極限承載力實測值與計算值的比較列于見表3，從表3中可以看出，按式(1)的形式吻合較好。根據(jù)實驗結(jié)果可知，隨著壁厚的增加，內(nèi)鋼管對混凝土的約束作用越明顯，但式(1)中θ并沒有考慮內(nèi)鋼管的作用，考慮壁厚的變化，根據(jù)式(1)的形式，將本次試驗結(jié)果對φ進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示，于是可得中空夾層鋼管RPC短柱的承載力公式(5)，按該式計算的結(jié)果列于表3中，從表中可以看出，式(5)與試驗結(jié)果吻合程度很好。

表3 圓中空夾層鋼管混凝土短柱極限承載力及特征值比較Table 3 Ultimate bearing capacity calculation and statistical eigenvalues for RPC-filled double skin steel tubular

(5)

φ=0.612 2-0.078 5 Di/ti。

圖6 內(nèi)鋼管徑厚比擬合Fig.6 Matching of radius-thickness ratio

4 ABAQUS模擬計算

4.1 材料本構(gòu)模型

混凝土本構(gòu)采用韓林海提出的實心鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系[15]：

式中：

本文選用ABAQUS中提供的混凝土損傷塑性本構(gòu)模型(CDP模型)，因其是使用各向同性損傷彈性結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性的模式來表示混凝土的非彈性行為，是一個基于塑性的連續(xù)介質(zhì)損傷模型，為分析在單調(diào)加載、循環(huán)加載和動態(tài)加載條件下混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)提供普適的材料模型，同時能夠很好地模擬混凝土三向受壓力學(xué)狀態(tài)，具有較好的收斂性。

鋼材本構(gòu)采用簡化的雙折線模型，屈服后強(qiáng)化模量取為初始彈性模量的0.01倍，

4.2 接觸問題

接觸面之間的相互作用包含2個部分：一是接觸面間的法向作用，二是接觸面間的切向作用。本文模擬中切向行為定義為有摩擦，且為罰函數(shù)，大量試驗表明，圓鋼管混凝土間的摩擦系數(shù)宜取為0.3；法向行為定義為硬接觸。設(shè)置軟材料、面網(wǎng)格密度大的混凝土為從表面，內(nèi)外鋼管為主表面，這樣計算時更容易收斂。

4.3 單元類型選擇和網(wǎng)格劃分

混凝土單元模型采用六面體為主線性縮減積分C3D8R，該單元類型適合于接觸分析，在節(jié)省計算時間的同時可以獲得較好的分析結(jié)果；對于內(nèi)外鋼管，由于其厚度遠(yuǎn)小于其整體結(jié)構(gòu)尺寸，分析時可以忽略厚度方向的應(yīng)力，適合采用4節(jié)點一般殼單元來模擬。

本模型采用掃掠分網(wǎng)技術(shù)，其中核心混凝土采用中性軸算法，有利于提高計算速度和計算精度，更容易收斂。

5 模擬計算結(jié)果

對于上面建好的有限元模型進(jìn)行計算分析得到應(yīng)變云圖如圖7所示，混凝土被壓縮而中部鼓起，應(yīng)變最大。其承載力模擬結(jié)果如表1所示，由表1可知，各試件的有限元模擬值比試驗值均大8%左右，二者比值的平均值為0.91，標(biāo)準(zhǔn)差為0.029 3，二者差異的原因是有限元模擬是在完全理想的條件下進(jìn)行。

經(jīng)計算分析得到軸壓荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線的模擬結(jié)果，圖8為每個試件的模擬結(jié)果和試驗結(jié)果的對比，由圖中可以看出，二者的上升段比較吻合，峰值應(yīng)變也非常接近，模擬值比試驗值略大。二者軸壓曲線的下降段有所差異，這是因為試驗用的RPC是一種新型材料，尚且無確定的本構(gòu)關(guān)系，并且有限元模型是極為理想的情況，與真實情況的試驗條件和試件初始缺陷存在一定的差異。

圖8 模擬結(jié)果和試驗結(jié)果的荷載-應(yīng)變曲線比較Fig.8 Load-deformation curves of analysis and test

6 結(jié)論

1)試驗結(jié)果表明，圓中空夾層鋼管RPC短柱試件與圓中空鋼管普通混凝土試件荷載-應(yīng)變曲線不同，圓中空鋼管RPC試件包括3個階段：彈性上升階段、彈塑性上升階段和卸載階段。圓中空夾層鋼管RPC短柱試件的荷載-位移曲線在達(dá)到極限荷載后，有一定的下降段，隨后荷載趨于穩(wěn)定，甚至還有所上升，這說明試件具有很好的延性，同時具有很好的后期承載力。隨著內(nèi)鋼管壁厚的增加，試件的極限承載力有所上升，下降段的下降速率減緩，穩(wěn)定荷載增大，說明內(nèi)鋼管壁厚的增大對于延性及后期承載力有所增強(qiáng)。

2)根據(jù)圓中空夾層鋼管RPC短柱試件的試驗結(jié)果，得到了圓中空夾層鋼管混凝土承載力公式。

3)基于有限元軟件ABAQUS模擬得到試件軸壓荷載-應(yīng)變曲線，該模擬曲線與試驗結(jié)果兩者吻合較好，驗證了本文有限元模型的合理性，說明ABAQUS軟件能較好地實現(xiàn)對圓中空夾層鋼管RPC短柱的軸壓全過程的模擬和分析。

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Mechanical behavior of RPC filled double skin circular steel tube columns

TANG Changhui，OUYANG Peng

(School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The article carries out experiments of 13 RPC(Reactive Powder Concrete)-filled double skin steel tubular short columns under axial compression loading, and obtains ultimate capacity and mechanical properties under the inside steel tube wall different thickness of RPC-filled steel tube. Based on the existing research achievements at domestic, the article proposes the calculation formula of ultimate capacity of RPC-filled double skin steel tubular. By utilizing the finite element software ABAQUS, the article simulates the process of experiment, and obtains ultimate capacity and load-strain curves, which are agree with the experiment results.

RPC-filled double skin steel tubular; the inside steel tube wall thickness; load carrying capacity; finite element software ABAQUS

2016-01-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278181)

唐昌輝(1963-)，男，湖南長沙人，副教授，博士，從事預(yù)應(yīng)力和組合結(jié)構(gòu)研究；E-mail:2863472302@qq.com

TU375

A

1672-7029(2016)12-2427-07