異形鋼管混凝土組合柱軸壓試驗(yàn)探究

1、異形鋼管混凝土組合柱軸壓試驗(yàn)探究【摘要】制作了 6根t形鋼管混凝土組合柱并進(jìn)行了軸壓 試驗(yàn)，詳細(xì)介紹了試件的制作和加載過程，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象、破 壞機(jī)理、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的描述和分析?！娟P(guān)鍵詞】鋼管混凝土組合柱；受力機(jī)理；極限承載力; 軸壓【中圖分類號(hào)】tu528.59【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】a【文章編 號(hào) 1003-1324 (2012) -03-0097-03鋼管混凝土作為一種結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和大 量研究，起初僅僅是用做橋墩，然后隨著科學(xué)技術(shù)水平的提 高使它的應(yīng)用范圍得到了很大的擴(kuò)展。與鋼筋混凝土和鋼結(jié) 構(gòu)相比，鋼管混凝土具有高承載力、良好的塑性和抗震性能。 鋼管混凝土核心柱是在鋼骨混凝土柱和鋼

2、管混凝土柱的基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是將鋼管混凝土柱布置在鋼筋混凝土柱 的核心區(qū)域，形成的由鋼管、核心混凝土、鋼管外的鋼筋混 凝土三部分組成的組合柱。由于鋼管對(duì)核心混凝土的約束作 用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，承載力得到提高。外 圍混凝土對(duì)核心區(qū)域的鋼管混凝土起到了保護(hù)作用，使得鋼 管混凝土核心柱比鋼管混凝土柱具有更好的耐火和耐腐蝕 性能，并且更有利于梁柱節(jié)點(diǎn)的處理。本試驗(yàn)結(jié)合鋼筋混凝土異形柱、鋼骨混凝土異形柱、鋼 管混凝土核心柱的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型的鋼一混凝土組合 柱一一異形鋼管混凝土組合柱，研究其受力機(jī)理和破壞機(jī) 理。1實(shí)驗(yàn)1.1構(gòu)件設(shè)計(jì)本試驗(yàn)以房屋建筑的框架柱為研究對(duì)象，根據(jù)框架柱的

3、 受力特點(diǎn)，取上下反彎點(diǎn)間部位作為試驗(yàn)研究單元，在試件 軸向保持常軸力。共設(shè)計(jì)制作6根t形鋼管混凝土柱，柱肢 長(zhǎng)300mm,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。鋼管直徑為108mm,柱身 高度為400ram,為了防止試件加載時(shí)端部先破壞，在試件上、 下兩端各加一個(gè)400mm高的柱帽，試件總高為1200mm,外包 截面尺寸為300mmx300mm,肢寬150mm。試件高寬比為4, 符合短柱要求，可忽略長(zhǎng)細(xì)比對(duì)軸壓構(gòu)件承載力的影響?？v 筋直徑取中12,箍筋直徑取中6,柱帽區(qū)箍筋加密，間距取 50mm,柱身區(qū)間距取100mm。為了防止試件加載時(shí)出現(xiàn)受力 不均勻，在柱帽兩端各加10mm厚的鋼板。1.2應(yīng)變片布置為了準(zhǔn)

4、確測(cè)量試件中鋼管和鋼筋的變形，在柱身中部鋼 管壁上面每隔90。沿縱向和環(huán)向粘貼8片電阻應(yīng)變片，在柱 身中部的縱向鋼筋和水平箍筋上分別布置了電阻應(yīng)變片。其 中，在不相同位置的縱向鋼筋上布置了縱向應(yīng)變片，共4個(gè); 在水25平箍筋的不同位置上布置了環(huán)向的應(yīng)變片，共8個(gè)。 電阻應(yīng)變片粘貼完畢之后，利用膠帶使其電阻絲與鋼管或鋼 筋絕緣，再采用環(huán)氧樹脂膠將上述應(yīng)變片進(jìn)行絕緣固定，并 將每個(gè)電阻應(yīng)變片的電阻絲接出導(dǎo)線，絕緣之后用萬用表檢 查確保阻值無誤。1.3試件制作試驗(yàn)采用的鋼管為q235碳素?zé)o縫鋼管，縱向鋼筋和水 平箍筋均為熱軋光圓鋼筋hpb235o在制作試件時(shí)，先按照試 件設(shè)計(jì)的尺寸加工鋼管、縱筋、箍

5、筋。切割完鋼管后要把兩 端車平，保證端部平整。為每個(gè)試件加12塊 300mmx300mmx20mm的蓋板，在蓋板上標(biāo)出鋼管、縱筋的相 應(yīng)位置，然后將鋼管、縱筋和底部蓋板焊接在一起，并保證 焊接質(zhì)量。在柱帽區(qū)箍筋加密，間距為50mm,柱身區(qū)箍筋間 距取100mm。接著將加工好的箍筋在試件設(shè)計(jì)的位置處和縱 筋以焊接的方式來固定。在鋼筋和鋼管指定位置打磨并粘貼 應(yīng)變片，然后在應(yīng)變片端線上焊導(dǎo)線，并將應(yīng)變片和焊點(diǎn)用 環(huán)氧樹脂封固。自密實(shí)混凝土按照配合比，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)現(xiàn)場(chǎng)攪拌 自密實(shí)混凝土，現(xiàn)場(chǎng)支立模板，在模板的中間部位鉆幾個(gè)大 孔，將電阻應(yīng)變片連接的導(dǎo)線引出，并將電線的接頭用塑料 袋封裹密實(shí)，又在

6、模板的中下部鉆幾個(gè)小孔，用來判斷模板 內(nèi)的混凝土是否澆注完全。若混凝土流出，則說明混凝土澆 注完全。澆注時(shí)，先澆注鋼管內(nèi)的混凝土，然后澆注鋼管外 部的混凝土，箍筋外部的混凝土保護(hù)層留置為25mmo釆用自 由下落的方法澆注，從鋼管頂部灌入混凝土直至鋼管底部。 待鋼管澆注完全之后再澆注鋼管外部混凝土直至澆注完全。 此時(shí)保持鋼管內(nèi)混凝土頂面與鋼管外混凝土的頂面保持水 平，再將上端的鋼板蓋在鋼管的上端，此時(shí)嚴(yán)格的保持上端 的水平精確度，確保鋼板與鋼管端部完全接觸。試件采用人 工澆水方式養(yǎng)護(hù)，立方體試塊采用相同條件養(yǎng)護(hù)。1.4加載制度試驗(yàn)在8000kn的柱式試驗(yàn)機(jī)上以荷載控制的方式進(jìn)行 加載，加載前，先

7、對(duì)試件進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)中，先預(yù)加載檢驗(yàn)儀表 工作是否正常，正常后再正式加載。加載時(shí)，根據(jù)預(yù)估的最 大破壞荷載進(jìn)行分級(jí)加載。在預(yù)估破壞荷載的70%80%之 前，按1/101/15分級(jí)加載，每?jī)杉?jí)荷載間停30s左右， 使試件的變形能夠充分發(fā)揮或恢復(fù)；在構(gòu)件表現(xiàn)出非線性變 形階段后，采用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)實(shí)行連續(xù)采集直至試件破 壞。2試驗(yàn)過程及結(jié)果分析2.1試驗(yàn)過程及破壞現(xiàn)象加載初期，試件的變形和形態(tài)變化均不大，當(dāng)外荷載加 至極限荷載的60%70%時(shí)，外部混凝土在柱身處開始出現(xiàn)第 一條微裂縫，隨著外荷載的增加，裂縫逐漸增多，并且布滿 了柱身中部；當(dāng)外荷載達(dá)到極限承載力的75%85%時(shí)，柱身中部處的豎向裂縫急

8、劇發(fā)展，形成幾條寬度在57mm的主 裂縫；當(dāng)即將達(dá)到極限荷載時(shí)，柱身中部處的混凝土開裂速 度越來越快，開裂深度越來越大，最后出現(xiàn)有整塊的混凝土 崩裂，脫落，進(jìn)入了試件的破壞階段，壓力機(jī)無法繼續(xù)加載, 認(rèn)為達(dá)到了破壞荷載。2. 2荷載一縱向位移關(guān)系分析由荷載-位移曲線可以看出，破壞過程大致都經(jīng)歷了三 個(gè)階段：線性增長(zhǎng)階段。在加載初期，t形鋼管混凝土組 合柱的鋼管、鋼筋及鋼管內(nèi)、外混凝土都處于彈性工作階段, 荷載增量和位移增量呈線性變化。由于加載初期荷載較小， 試件變形量很小，從外觀看無明顯變化。非線性增長(zhǎng)階段。 隨著荷載的不斷增加，各種材料先后達(dá)到屈服極限進(jìn)入塑性 階段，荷載增量和位移增量呈非線

9、性的關(guān)系。此階段，試件 的剛度不斷下降，曲線的切線斜率不斷變小。下降階段。 三個(gè)試件當(dāng)達(dá)到其極限荷載后，荷載位移曲線開始下降。2. 3縱筋和箍筋的荷載一應(yīng)變關(guān)系分析在加載初期，荷載較小，縱筋、箍筋處于彈性階段，荷載和應(yīng)變近似 呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)荷載施加到極限荷載的約60%時(shí)，荷載一縱 向應(yīng)變曲線開始進(jìn)入非線性增長(zhǎng)階段。當(dāng)試件達(dá)到其極限承 載力后，荷載一應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)下降段。箍筋的荷載一應(yīng) 變曲線反映了荷載施加過程中，試件橫向變形的情況。當(dāng)達(dá) 到極限荷載之前，應(yīng)變曲線經(jīng)歷了較長(zhǎng)的非線性增長(zhǎng)階段, 這是因?yàn)楣拷顑?nèi)混凝土的橫向膨脹引起的。箍筋受到混凝土 的擠壓向外鼓屈，致使在達(dá)到極限荷載約70%之后箍

10、筋的橫 向應(yīng)變迅速增加達(dá)到屈服應(yīng)變，當(dāng)達(dá)到極限荷載后，曲線開 始出現(xiàn)下降段，但是下降的速度比較緩慢，說明箍筋在破壞 時(shí)表現(xiàn)出很好的延性。2. 4鋼管的荷載一應(yīng)變關(guān)系分析鋼管的荷載一縱向應(yīng)變曲線、荷載一環(huán)向應(yīng)變曲線與鋼 筋的荷載一應(yīng)變曲線一樣，經(jīng)歷了線性增長(zhǎng)階段、非線性增 長(zhǎng)階段、下降階段。在荷載施加初期，t形鋼管混凝土組合 柱鋼管、核心混凝土、外圍混凝土按照剛度比來承擔(dān)外部荷 載，此階段可以忽略鋼管和內(nèi)外混凝土的粘結(jié)作用，將核心 混凝土看作單向受壓狀態(tài)，鋼管的變形主要以縱向變形為 主，鋼管的環(huán)向應(yīng)變?cè)黾雍芫徛?，直線的斜率很大。隨著荷 載的不斷增加，核心混凝土的應(yīng)變不斷增大，當(dāng)核心混凝土 的橫向

11、變形超過鋼管的橫向變形，由于變形協(xié)調(diào)，在鋼管和 核心混凝土之間產(chǎn)生了隨外界荷載增加而增加的作用力。當(dāng) 鋼管進(jìn)入非線性增長(zhǎng)階段后，由于核心混凝土的橫向膨脹變 形，使鋼管的橫向應(yīng)變迅速增加。此階段我們發(fā)現(xiàn)鋼管直徑 越大荷載一環(huán)向應(yīng)變曲線上升的越緩慢，即環(huán)向應(yīng)變?cè)酱蟆?因?yàn)殇摴苤睆皆酱螅摴軐?duì)核心混凝土提高的約束作用越 小，鋼管的環(huán)向應(yīng)變?cè)黾拥脑酱?。?dāng)施加的荷載達(dá)到極限荷 載之后，鋼管的縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變都繼續(xù)增加，荷載一應(yīng) 變曲線表現(xiàn)為下降。鋼管的荷載一縱向應(yīng)變曲線下降速度比 荷載一環(huán)向應(yīng)變下降速度慢，表明試件達(dá)到極限承載力后鋼 管的縱向應(yīng)變的增加速度大于環(huán)向應(yīng)變的增加速度。3結(jié)論(1) 從破壞形態(tài)看三個(gè)試件都是柱中間部位呈腰鼓狀 破壞，具有短柱軸心受壓破壞的典型特征。由于試件腹板處 含鋼