方鋼管自密實(shí)混凝土純彎力學(xué)性能研究(1)

1、.摘要：通過對(duì)6根方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件的試驗(yàn)研究，考察了方鋼管自密實(shí)混凝土的純彎力學(xué)性能。采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件進(jìn)行了受力全過程分析，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。最后將設(shè)計(jì)規(guī)程ACI(1999)，AISC-LRFD(1999),AIJ(1997),BS5400(1979)和DBJ13-51-2003(2003)對(duì)抗彎承載力和抗彎剛度的計(jì)算結(jié)果與方鋼管自密實(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。 關(guān)鍵詞：自密實(shí)混凝土 方鋼管混凝土 純彎 初始抗彎剛度 使用階段抗彎剛度 1. 前言鋼管混凝土具有承載力高，塑性和韌性好的特點(diǎn)，所以在工程實(shí)踐中得到了越來越廣泛的運(yùn)用。自密實(shí)高性能混凝土在

2、少振搗或不振搗的情況下就能自密實(shí)成型，對(duì)方便施工、減少噪音污染具有重要的意義。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中的大量應(yīng)用,對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究也越來越多,但是對(duì)鋼管混凝土純彎試件的研究仍然相對(duì)比較少。文獻(xiàn)5對(duì)鋼管混凝土抗彎性能方面的有關(guān)研究成果進(jìn)行了總結(jié)。但目前對(duì)于方鋼管自密實(shí)混凝土純彎力學(xué)性能的研究還未見報(bào)導(dǎo)。本文擬通過對(duì)6根方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件的試驗(yàn)研究，考察方鋼管自密實(shí)混凝土純彎力學(xué)性能，并將現(xiàn)有規(guī)程DBJ13-51-20033,，AISC-LRFD(1999)6,AIJ(1997)7,BS5400(1979)8和ACI(1999)9對(duì)抗彎承載力和抗彎剛度的計(jì)算結(jié)果與方鋼管自密實(shí)混

3、凝土的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。2. 試驗(yàn)概況試驗(yàn)的6根方鋼管自密實(shí)混凝土試件的參數(shù)，B為試件截面高度，t為鋼管厚度，Lo為計(jì)算長(zhǎng)度，實(shí)際試件長(zhǎng)度L=1500mm。試件的剪跨比為3.5和1.75。在進(jìn)行試件加工時(shí)，鋼管由四塊鋼板拼焊而成，采用坡口焊形式，并保證焊縫質(zhì)量。鋼材強(qiáng)度由標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)確定。平均屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量及泊松比分別是282MPa、358.3MPa、2.015×105 MPa和0.263。自密實(shí)混凝土水灰比為0.293，配合比按重量比，單位為kg用料如下：水泥：粉煤灰：砂：石：水=350：220：815：815：166.8原料采用煉石牌42.5普通硅酸鹽水泥；河砂，細(xì)

4、度模數(shù)可在2.5-2.8之間，不應(yīng)小于2.5；碎石，石子粒徑5-15mm；礦物細(xì)摻料：采用福建華能電廠級(jí)粉煤灰；普通自來水。UNF-5早強(qiáng)型減水劑摻量為1%；混凝土的塌落度為270mm，鋪展度600mm，流動(dòng)速度19.3米/秒。澆搗混凝土?xí)r的室內(nèi)溫度24.2度，測(cè)得混凝土的溫度26.5度?；炷?8天時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度為fcu=76.7MPa,實(shí)驗(yàn)時(shí)fcu=81.3MPa、彈性模量Ec4.26×104 MPa?；炷翝补鄷r(shí)先將鋼管豎立，使未焊蓋板的一端位于頂部，然后從開口處灌入混凝土。采用了二種混凝土澆灌方式：1，常規(guī)的分層灌入法，用50振搗棒伸入鋼管內(nèi)部進(jìn)行完全振搗，在試件的底部及

5、外部同時(shí)用振搗棒側(cè)振；2，混凝土自密實(shí)，未采取任何振搗。試件核心混凝土頂部與鋼管上截面抹平，并在試件自然養(yǎng)護(hù)兩周后用高強(qiáng)水泥砂漿修補(bǔ)混凝土表面與鋼管表面的不平整處，然后焊上另一蓋板。試驗(yàn)采用四分點(diǎn)加載方法，在每個(gè)試件中截面四個(gè)面的中部縱向及橫向各貼一片電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變。在支座及四分點(diǎn)位置各設(shè)置一個(gè)機(jī)電百分表，在跨中位置設(shè)置大行程的位移計(jì)測(cè)量試件變形。同時(shí)在試件底部還設(shè)置兩個(gè)曲率儀。試驗(yàn)的加載及測(cè)量裝置圖和曲率儀示意圖參見文獻(xiàn)2。3. 試驗(yàn)結(jié)果分析及數(shù)值計(jì)算試驗(yàn)得到的試件跨中彎矩(M)跨中撓度(um)，跨中彎矩(M)曲率()和彎矩(M)應(yīng)變()的關(guān)系曲線，可以看出：試件的受力經(jīng)歷了彈性變形、彈

6、塑性變形和塑性強(qiáng)化三個(gè)階段。試件跨中撓度達(dá)到L/20時(shí)，作用在試件上的外荷載還能增加，表明試件具有很好的延性。試件破壞時(shí)受壓區(qū)鋼管均出現(xiàn)數(shù)處局部外凸的現(xiàn)象，鋼管外凸部位較均勻的分布在試件四分點(diǎn)與跨中之間，部分試件受拉區(qū)鋼管破壞時(shí)出現(xiàn)撕裂。數(shù)值計(jì)算采用文獻(xiàn)1中方鋼管混凝土的鋼材和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)試件進(jìn)行了受力全過程分析。從數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較可見數(shù)值計(jì)算結(jié)果總體上低于試驗(yàn)結(jié)果。除彎矩應(yīng)變的關(guān)系曲線，由于試件寬厚比較大，鋼管較早出現(xiàn)局部屈曲，使曲線在塑性強(qiáng)化段有所偏差，其余的曲線二者總體上較為吻合。由此可見文獻(xiàn)1中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不但適用于方鋼管普通混凝土，也適用于方鋼管

7、自密實(shí)混凝土的全過程數(shù)值模擬。4. 實(shí)用計(jì)算方法比較為了便于分析方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件承載力的變化規(guī)律，將試件的試驗(yàn)實(shí)測(cè)承載力和設(shè)計(jì)規(guī)范(規(guī)程)DBJ13-51-2003 3,AISC-LRFD6,AIJ7,BS54008,ACI9的計(jì)算結(jié)果以及數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果見表1，其中Me為試驗(yàn)實(shí)測(cè)承載力，Mu為計(jì)算獲得的承載力，極限彎矩取受拉區(qū)最大應(yīng)變達(dá)到10000時(shí)的彎矩。由表1極限承載力計(jì)算值Mu和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值Me的比值的比較可以看出，五本規(guī)范(規(guī)程)的計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相比都偏于安全。其中以DBJ13-51-20033計(jì)算值與實(shí)測(cè)值最為接近。BS54008和ACI9計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值低

8、10-15%左右，而AISC-LRFD6和AIJ7計(jì)算值比實(shí)測(cè)值低30%以上。表1 純彎構(gòu)件承載力規(guī)范計(jì)算值和試驗(yàn)值比較序號(hào)試件編號(hào)實(shí)驗(yàn)值A(chǔ)CIAISC-LRFDDBJ13-51-2003AIJBS5400數(shù)值計(jì)算Me(kN.m)Mu(kN.m)Mu /MeMu(kN.m)Mu /MeMu(kN.m)Mu /MeMu(kN.m)Mu /MeMu(kN.m)Mu /MeMu(kN.m)Mu /Me1SSA100-110.839.730.907.740.729.920.927.810.729.390.879.450.872SSA100-29.969.730.987.740.789.921.007.

9、810.789.390.949.450.953SSB10010.339.730.947.740.759.920.967.810.769.390.919.450.924SLA200-142.341.930.9931.540.7545.121.0732.140.7639.850.9447.611.135SLA200-254.9441.930.7631.540.5745.120.8232.140.5939.850.7247.610.876SLB20056.7041.930.7431.540.5645.120.8032.140.5739.850.7047.610.84平均值0.885.0.6860.9

10、260.6960.8480.928均方差0.0590.0460.0540.0450.0580.054根據(jù)彎矩曲率曲線可以確定試件的剛度。一般比較認(rèn)同在彎矩M=0.2Mu時(shí)的抗彎剛度作為試件的初始彈性剛度，文獻(xiàn)2 4采用試件在M=0.6Mu時(shí)的抗彎剛度作為構(gòu)件的使用階段剛度，因?yàn)榇藭r(shí)試件受力通常處于各種外荷載組合作用下的正常使用受力狀態(tài)，因此取M=0.6Mu作為試件的使用階段抗彎剛度是合理的。為此本文取試件在M=0.2Mu和M=0.6Mu時(shí)的割線剛度作為試件初始彈性剛度和使用階段剛度。表2、3列出0.2Mu和0.6Mu時(shí)試件抗彎剛度K0.2和K0.6，并與DBJ13-51-20034,AISC-

11、LRFD5, AIJ6 BS5400 7,ACI8及數(shù)值計(jì)算和簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果比較。這些規(guī)范(規(guī)程)中抗彎剛度計(jì)算方法基本是分別考慮鋼管和混凝土對(duì)剛度的貢獻(xiàn)，不同的是對(duì)混凝土對(duì)剛度貢獻(xiàn)程度的不同考慮。簡(jiǎn)化模型計(jì)算方法見文獻(xiàn)1。表2 初始彈性抗彎剛度與規(guī)范計(jì)算值比較(kN.m2)序號(hào)試件編號(hào)實(shí)驗(yàn)值A(chǔ)CIAISC-LRFDDBJ13-51-2003AIJBS5400數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)化模型K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.21SSA100-1427.2292.50.68430.91.01409.40.962

12、94.50.69507.51.19426.11.00362.50.852SSA100-2474.9292.50.62430.90.91409.40.86294.50.62507.51.07426.10.90362.50.763SSB100468.5292.50.62430.90.92409.40.87294.50.63507.51.08426.10.91362.50.774SLA200-13584.72850.50.805298.21.484849.11.352854.80.806546.91.835663.31.583478.80.975SLA200-24232.72850.50.67529

13、8.21.254849.11.152854.80.676546.91.555663.31.343478.80.826SLB2003951.02850.50.725298.21.344849.11.232854.80.726546.91.665663.31.433478.80.88平均值0.691.151.070.691.401.190.84均方差0.0220.2860.2040.0210.5240.4350.029由表3可以看出：方鋼管自密實(shí)混凝土初始彈性剛度規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)值相比以DBJ13-51-20033最為接近，平均值為1.07，均方差為0.435。數(shù)值計(jì)算值比試驗(yàn)實(shí)測(cè)值偏大，平均值為

14、1.19,均方差為0.435。簡(jiǎn)化模型計(jì)算值比試驗(yàn)實(shí)測(cè)值偏小，平均值為0.84，均方差為0.029。表3 使用階段抗彎剛度與規(guī)范計(jì)算值比較(kN.m2)序號(hào)試件編號(hào)實(shí)驗(yàn)值A(chǔ)CIAISC-LRFD DBJ13-51-2003AIJBS5400數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)化模型K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.61SSA100-1291.8292.51.00430.91.48409.41.40294.51.01507.51.74315.01.08321.71.102SSA100-2314.9292.50.93430.9

15、1.37409.41.30294.50.94507.51.61315.01.00321.71.023SSB100312.8292.50.94430.91.38409.41.31294.50.94507.51.62315.01.01321.71.034SLA200-12746.02850.51.045298.21.934849.11.772854.81.046546.92.382975.61.083019.41.105SLA200-23007.52850.50.955298.21.764849.11.612854.80.956546.92.182975.60.993019.41.006SLB20

16、03058.02850.50.935298.21.734849.11.592854.80.936546.92.142975.60.973019.40.99平均值0.961.611.500.971.951.021.04均方差0.0100.2700.1760.0100.5420.0110.012由表3可以看出：使用階段剛度以AIJ7和ACI9的計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值最為接近，平均值為0.96和0.97，均方差都為0.010。從表2和表3可看到，數(shù)值計(jì)算和簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果也與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好，這進(jìn)一步說明，文獻(xiàn)1提出的數(shù)值計(jì)算模型適用于方鋼管自密實(shí)混凝土的數(shù)值計(jì)算。5. 結(jié)論通過上述探討，在本文試驗(yàn)

17、參數(shù)范圍內(nèi)，可得出如下結(jié)論：(1) 方鋼管自密實(shí)混凝土純彎試件具有良好的截面曲率延性和后期承載力。(2) 文獻(xiàn)1提出的鋼管混凝土數(shù)值計(jì)算模型適用于方鋼管自密實(shí)混凝土的受力全過程數(shù)值模擬。(3) DBJ13-51-20033,AISC-LRFD6,AIJ7,BS54008ACI9計(jì)算方鋼管自密實(shí)混凝土承載力時(shí)以DBJ13-51-20033的計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近。(4) DBJ13-51-20033,AISC-LRFD6,AIJ7,BS54008ACI 9計(jì)算方鋼管自密實(shí)混凝土初始彈性抗彎剛度時(shí)，以DBJ13-51-20033 的計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近，而在計(jì)算使用階段抗彎剛度時(shí)以AIJ7和AC

18、I 9的計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近。：r V-6/1.5M3 1 2012.12 15 160 good shop air spray gun (zinc) ZQP-2 2 Shanghai 2009 2012.12 16 113 good workshop rust sandblasting machine 1 set 2008 2012.12 17 123 good workshop manual hoist, Shanghai Zhejiang Wuling 2011 3T/5T 12 13 6 good workshop 2012.12 18 high pressure Airless s

19、praying machine King56:1 1 Shanghai 2005 2012.12 19 25 good workshop angle grinder P125 4 Germany 2011 60 good shop top 0.5T10T 12 2012.12 20,000 pounds China's 2009 50 good shop 2012.12 21 magnetic drill/hand . Center height installation for base, each installed segment both up and down, left a

20、nd right dimension. Height deviation control within 2mm. Such as steel, reinforcing Tian Ding, concrete-reinforced concrete. Ming following half of the starting unit, from the plant to the reverse direction of flow section on installation. 4) installation erected on site design cable crane 3 ton mac

21、hine, using a cable machine hoisting steel pipe. Cable selection ¢ 24mm* main cable, with ¢ 15mm steel wire rope for lifting and towing ropes, hauling, lifting machines of 5 tons *2. 5) installation installation process as follows: lifting connection adjust fixed touch up welding cleaning

22、polishing completed. According to the construction units to provide the town Pier and vertical control points, after it has been checked, survey release tube installation required by the buttress of the town center and vertical, steel pipe is in place, with strings, hammer line, horizontal pipe and

23、steel tape measure pipe and elevation. Preliminary fixing of seams, taking into account the pipe Center not to shift, steel pipe seam, fixed with angle (angle iron against the base at one end and temporary welding of welding and steel tubes), guaranteed by section steel pipe joints not to shift. Pipe joints with we