劉鵬程

(國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院,云南昆明 652216)

圓鋼管混凝土受壓短柱鋼管約束效應(yīng)的試驗研究

劉鵬程

(國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院,云南昆明 652216)

通過對 3根不同偏心率的圓鋼管混凝土的受壓試驗,從組合材料的泊松比出發(fā),分別從不同角度深入地分析了此類構(gòu)件中鋼管對核心混凝土的約束作用。鋼管的約束作用主要取決于組合材料的泊松比大小及發(fā)生約束效應(yīng)的區(qū)域大小。

圓鋼管混凝土; 受壓短柱; 試驗研究; 約束效應(yīng)

鋼管混凝土的工作機理可以概述為[1]:當(dāng)雙向受力的鋼管還處于彈性階段時,鋼管混凝土外觀體積的變化不大。但當(dāng)鋼管達到屈服而開始塑流后,鋼管混凝土的應(yīng)變發(fā)展加劇,外觀體積亦因核心混凝土微裂縫發(fā)展而急劇增長。鋼管環(huán)向拉應(yīng)力不斷增大,縱向壓應(yīng)力相應(yīng)不斷減少。在鋼管與核心混凝土之間產(chǎn)生縱向壓力的重分布。一方面,鋼管承受的壓力減少,另一方面,混凝土因受到較大的約束而具有更高的抗壓強度。鋼管從主要承受縱向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕惺墉h(huán)向拉應(yīng)力。最后,當(dāng)鋼管和核心混凝土所能承擔(dān)的縱向壓應(yīng)力之和達到最大值時,鋼管混凝土即告破壞。由此可見,鋼管對核心混凝土的約束作用是鋼管混凝土構(gòu)件承載力提高的根本所在,為了進一步研究鋼管的約束作用,對試件的泊松比通過試驗進行深入分析是十分必要的。

泊松比的變化規(guī)律與試件的混凝土強度及長細比等關(guān)系不大,而偏心率對其影響比較顯著[2],因此,本文設(shè)計了一組偏心率不同的試件進行受壓試驗。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計及制作

本試驗在參考相關(guān)資料及結(jié)合實驗室試驗?zāi)芰Φ幕A(chǔ)上,考慮到所要研究的問題,確定實驗因子數(shù)為 1個:偏心率。鋼管采用 Q235鋼材,外徑為 159 mm,長徑比分別為4.59和 3.96。根據(jù)以往的試驗,構(gòu)件的長徑比在 4附近的試驗效果比較好,長徑比太小則端部效應(yīng)明顯,長徑比太大則構(gòu)件容易失穩(wěn)破壞[3]。

本試驗構(gòu)件的截面尺寸及相關(guān)參數(shù)見表 1所示。

圖1 加載點位于管壁以內(nèi)的試件(mm)

圖2 加載點超過管壁的試件(mm)

為了保證鋼管與混凝土共同受力,在試件兩端以 20～30 mm厚的鋼板焊牢,對于加載點超過試件管壁以外的大偏心試件,端板采用外挑 30mm厚的鋼板且在外挑鋼板下設(shè)置牛腿。下端板于澆灌混凝土前焊好,兼作澆混凝土的底模,上端板開直徑為 80mm的圓孔,供澆灌混凝土用。試件加工圖見圖 1及圖 2。

混凝土的配置及試件的養(yǎng)護均在昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院材料試驗室進行。C30采用 325#普通硅酸鹽水泥, C50采用 525#普通硅酸鹽水泥,用粒徑為 0.25～1.60 cm的碎石及中等粒度的河砂與細河砂混合作為骨料,摻入適量的減水劑以提高混凝土的性能。試件的混凝土配合比為水泥∶砂∶碎石∶水,C30為1∶1.12∶1.89∶0.34;C50為1∶1.60∶3.24∶0.56?；炷翉匿摴茼敯孱A(yù)留的直徑為 80mm的圓孔灌入,用 5 cm直徑振搗棒插入振實,每次填入混凝土層的厚度約為 30～40 cm,分層振搗,振搗好一層后再澆注下一層,直至把鋼管灌滿為止,最后用水泥砂漿將柱端抹平。

試件采用室內(nèi)標準養(yǎng)護28 d,室內(nèi)溫度為 20℃±2℃,相對濕度≥90%。養(yǎng)護室為昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院材料實驗室混凝土養(yǎng)護室,管內(nèi)混凝土強度由同條件成型養(yǎng)護并與試件同齡期的150 mm×150 mm×150 mm立方體試驗確定。

1.2 試驗裝置及量測方式

圖3 加載裝置

圖4 應(yīng)變測試系統(tǒng)

試驗在昆明理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室進行,測量數(shù)據(jù)主要有:鋼管縱向應(yīng)變、鋼管環(huán)向應(yīng)變、構(gòu)件側(cè)向撓度及縱向變形、荷載值等。本次試驗中,加載裝置為長春YES-500型5 000 kN大型壓力機(如圖3);應(yīng)變采集系統(tǒng)采用了DH 3815N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)(如圖4);位移測試采用電子百分表。

圖5 截面應(yīng)變花布置

在鋼管混凝土達到標準養(yǎng)護天數(shù)后,進行應(yīng)變花(可同時測出一點上縱向和環(huán)向的應(yīng)變)的粘貼,在每一試件的中截面對稱地貼有四片應(yīng)變花,應(yīng)變花的粘貼位置見圖 5所示。圖中括號內(nèi)為環(huán)向應(yīng)變編號,括號外為縱向應(yīng)變編號。

試驗采用分級單調(diào)加載。初始階段,每級約為估算極限荷載 Nu的 1/10,在總荷載大約超過極限荷載的 50%以后,每級荷載減少為 1/15極限荷載。每級荷載持續(xù)約 5min,在大約 80%極限荷載時,每級減少為 1/20極限荷載,接近破壞時,則采取慢速連續(xù)加載,并連續(xù)記錄讀數(shù),以捕捉極限荷載時的應(yīng)變和撓度。在試驗機壓力表指針開始回轉(zhuǎn)以后,仍繼續(xù)向千斤頂油缸送油,并不斷記錄儀表讀數(shù)和相應(yīng)的荷載值,直至試件變形已達相當(dāng)大或應(yīng)變值和百分表無法跟讀,才停止試驗。

由于受試驗條件的限制,應(yīng)變及位移的讀取均采用人工記錄。靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采用“調(diào)零讀數(shù)法”進行測量,即先把應(yīng)變測量儀表的所有通道的初始值都調(diào)為零再開始加載讀數(shù)。百分表的讀數(shù)則在加載前記錄好初始值再分荷載級依次記錄即可。

1.3 破壞現(xiàn)象簡述

圖6 C1試件破壞

(1)C1:由于試驗時,在試件的下端鋼板中心線處加有一滾動鉸支座,而上端則沒有加支座,直接用液壓機鋼板壓在試件上端鋼板上,受此影響,試件破壞時,略有彎曲,且在彎曲方向的下端鋼板交接處角點略有上翹,肉眼清晰可見中截面四面外鼓。其破壞后試件見圖 6。

(2)C2:加載初期,上端截面位移大于中截面位移,至819 kN時,兩截面位移基本相等,此后,中截面位移大于上端截面位移,且增長迅速,明顯大于上端截面位移的增長,而下端位移增長較均勻;試件破壞時,鋼管縱向受拉面有鋼管表皮剝落且伴有炸裂聲;試件往鋼管縱向受壓面方向彎曲,上、中端的百分表及應(yīng)變計都無法跟讀。其破壞后的試件見圖 7。

(3)C3:中截面位移始終大于上、下兩端位移;破壞時,試件往鋼管縱向受壓方向的彎曲程度略大于C2;且在鋼管縱向受拉面有鋼渣剝落但無炸裂聲。鋼管縱向受壓面的應(yīng)變花被破壞,鋼管縱向受壓、受拉面均能觀察到細微的裂縫。其破壞后的試件見圖 8。

各試件在整個試驗過程中,試驗機所能施加的最大荷載見表 2。從表 2可以看出,所有試件的最大施加荷載均接近于1.6倍的按ECES規(guī)范估算的名義破壞荷載(預(yù)計的試驗全過程最大荷載)。由此可見,試驗前的荷載估算和加載級別是合理的。

圖7 C2試件破壞

圖8 C3試件破壞圖

2 試驗結(jié)果分析

此類組合材料的泊松比是指鋼管的環(huán)向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比(圖5中應(yīng)變1H與應(yīng)變1Z的比值)。鋼材的泊松比為0.25～0.3,取其平均值為 0.283。一般來說,當(dāng)組合材料的泊松比超過鋼材的泊松比時,可以認為鋼管對核心混凝土產(chǎn)生了套箍作用[4]。

對于理想的軸壓試件,其四個應(yīng)變花測點上的泊松比隨荷載的變化規(guī)律應(yīng)該是一致的。因此,在以下 C1試件的泊松比變化曲線上,四個測點不加以標明以示區(qū)別。對于大、小偏壓試件,把四個面區(qū)分為如下三種情況加以區(qū)別:受拉區(qū)邊緣(③面)、受壓區(qū)邊緣(①面)、對稱軸處(②面或④面)。

2.1 中截面區(qū)域泊松比分析

圖 9～圖 11給出了C組試件中截面不同區(qū)域的鋼管組合材料的泊松比與荷載的關(guān)系曲線。為了便于后面的說明, C1試件的四條荷載—泊松比曲線分別以 1、2、3、4區(qū)域加以標明。

圖9 C1試件中截面不同區(qū)域的組合材料泊松比

圖10 C2試件中截面不同區(qū)域的組合材料泊松比

圖11 C3試件中截面不同區(qū)域的組合材料泊松比

從圖 9可見,對于軸壓試件,在加載至 0.6～0.7倍極限荷載時,四個區(qū)域的泊松比基本相等且保持不變。此后,2區(qū)域處及 4區(qū)域處的泊松比出現(xiàn)增大現(xiàn)象,特別是 2區(qū)域處泊松比增大非常迅速,表明鋼管對混凝土的套箍作用主要發(fā)生在 2區(qū)域處,其次是 4區(qū)域處。而 1區(qū)域處則在接近極限荷載時鋼管才對混凝土產(chǎn)生套箍作用,在 3區(qū)域處泊松比卻還有減少的趨勢,在此區(qū)域鋼管無套箍效應(yīng)。由此可知,在軸壓構(gòu)件中,鋼管對混凝土的套箍作用主要發(fā)生在兩個區(qū)域,發(fā)生的區(qū)域較大且套箍作用效應(yīng)十分顯著(最大泊松比達到 2.6),這也是軸壓構(gòu)件極限承載力較偏壓構(gòu)件大很多的主要因素之一。

從圖 10～圖 11可見,偏壓試件三個區(qū)域的泊松比在加載初期就存在很大差異,且受壓區(qū)邊緣在加載至 0.2～0.4倍極限荷載時,泊松比就出現(xiàn)增大現(xiàn)象且增大速度隨荷載增大而加快,對稱軸處泊松比也略有增大但不如受壓邊緣明顯,而受拉區(qū)邊緣的泊松比基本不變,在加載后期還逐漸減少。由此可見,對于偏壓構(gòu)件,套箍力基本上只發(fā)生在受壓區(qū)邊緣一個區(qū)域。鋼管對混凝土發(fā)揮套箍作用的時間較軸壓構(gòu)件要早,但作用的區(qū)域不如軸壓構(gòu)件大且作用效應(yīng)也不如軸壓構(gòu)件顯著(最大泊松比僅為 0.74),以致圓鋼管混凝土偏壓構(gòu)件的極限承載力明顯低于軸壓構(gòu)件。

2.2 偏心率影響分析

由 3.1可知,偏壓試件鋼管對混凝土的套箍力主要發(fā)生在受壓區(qū)邊緣,因此以下分別取C2、C3試件受壓區(qū)的泊松比進行比較分析。

由圖 12可見,C2試件受壓區(qū)邊緣的泊松比從加載初期至試件破壞都比 C3試件大且增長的速度也較之更快,C2試件的最大泊松比接近于 2倍 C3試件最大泊松比。由此可見,隨著偏心率的增大,套箍力起作用的區(qū)域減少,變化幅度卻增大,以致鋼管混凝土的泊松比在受力后期增加的程度減低,鋼管套箍力對核心混凝土強度的提高作用也隨之減小。

圖 12 C2、C3試件中截面受壓區(qū)的泊松比比較曲線

另外,從各偏壓試件的試驗數(shù)據(jù)(見表 3)可知,鋼管表面縱向應(yīng)變相近時,偏心率大的所對應(yīng)的環(huán)向應(yīng)變也大,即鋼管的組合材料的泊松比小,鋼管對核心混凝土的緊箍作用也小;偏心率對鋼管組合材料的泊松比的這種影響規(guī)律隨鋼管縱向應(yīng)變的增大而越發(fā)明顯。因此,再次驗證偏心率應(yīng)該是影響鋼管混凝土受壓柱荷載—應(yīng)變關(guān)系的一個主要因素。

3 結(jié)束語

本章詳細闡述了 3根圓鋼管混凝土短柱受壓試驗的具體情況,針對各試件的泊松比,對試驗結(jié)果進行了深入的分析,得到了以下主要結(jié)論:

(1)對于此類構(gòu)件,鋼管對核心混凝土的約束程度是影響其力學(xué)性能的直接因素;

(2)鋼管的套箍作用主要取決于組合材料的泊松比和發(fā)生套箍效應(yīng)的區(qū)域,泊松比越大且發(fā)生的區(qū)域越廣,鋼管的套箍效應(yīng)就越顯著;

(3)偏心率是影響鋼管套箍作用的主要因素,偏心率越大,鋼管對核心混凝土的套箍作用就越小,試件的極限承載力也就越低。

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TU528.59

A

2009-12-23

劉鵬程(1975～),男,碩士,國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。