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研究

楊 劍,郭小剛, 呂 弦

(湘潭大學 土木工程與力學學院, 湖南 湘潭, 411105)

根據(jù)正交試驗理論,設(shè)計了不同混凝土強度、鋼管強度、鋼管厚度、長細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. 試驗結(jié)果表明: 受軸壓載荷時, 鋼管混凝土的強度隨著混凝土強度、鋼材強度、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

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, 為建筑結(jié)構(gòu)材料的應用提供理論依據(jù)[2-4].

1 構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)件擬按工程實際1:10的比例進行制作, 考慮鋼管混凝土連桿制作工序復雜, 難以保證質(zhì)量, 易造成初始缺陷, 難以反映構(gòu)件真實受力機理, 故按照對稱原理, 進行單肢構(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度設(shè)計值;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, 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)護條件為室外自然養(yǎng)護,混凝土強度用與試件同齡期的150 mm × 150 mm × 150 mm立方體試驗確定, 養(yǎng)護條件與實驗混凝土相同. 鋼材強度用實驗鋼管上切割下來的試板經(jīng)單軸拉伸試驗給出. 混凝土養(yǎng)護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, 試驗時, 鋪墊一層細沙, 上部墊設(shè)10 mm的方形鋼板, 保證構(gòu)件均勻受力.

2 試驗裝置與加載方式

圓端形鋼管混凝土軸向承載力試驗在工程結(jié)構(gòu)試驗中心500t萬能壓力試驗機上進行, 上、下柱端采用刀口鉸加載. 試驗前, 用打磨機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上進行一次壓縮試驗. 試件安裝后先進行預加載2～3次, 預加載值約為預計極限荷載的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臺上, 并與儀器和設(shè)備連接, 再進行調(diào)試, 待正常運行后開始試驗.

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

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

3 軸壓試驗結(jié)果

3.1 混凝土強度對鋼管混凝土(CFST)抗壓強度的影響

試件參數(shù): 鋼材屈服強度235 Mpa; 鋼管厚度4 mm; CFST高度1.8 m; 混凝土抗壓強度見表1. 為了分析混凝土材料強度變化對橢圓形鋼管混凝土軸心承載力性能的影響, 本文制備了幾個不同混凝土強度的試件, 其幾何尺寸與鋼材強度均保持一致, 僅改變混凝土強度. 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 抗壓強度隨混凝土強度變化曲線

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

3.2 鋼材強度對CFST抗壓強度的影響

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

表2 試件參數(shù)及測試結(jié)果

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

圖3 CFST 抗壓強度隨鋼材強度變化曲線

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

3.3 鋼管厚度對CFST抗壓強度的影響

試件參數(shù): 混凝土抗壓強度20 MPa; 鋼材屈服強度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度、鋼材強度試驗條件保持一致. 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 抗壓強度隨鋼管厚度變化曲線

試驗表明鋼管混凝土受軸壓載荷時, 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高度對其抗壓強度的影響

試件參數(shù): 混凝土抗壓強度為20 MPa; 鋼材屈服強度為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度、鋼材強度試驗條件保持一致. 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 抗壓強度隨高度變化曲線

試驗表明鋼管混凝土受軸壓載荷時, 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

本文通過試驗方法研究了混凝土強度、鋼材強度、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, 試驗結(jié)果表明: 受軸壓載荷時, 鋼管混凝土的強度隨著混凝土強度、鋼材強度、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, 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研究與有限元分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報, 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]. 東南大學學報: 自然科學版, 2006, 36(1): 107-112.

[4] 蔡紹懷. 我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進展[J]. 土木工程學報, 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, 主要研究方向為鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu). E-mail: 515031779@qq.com

(責任編校:江 河)