方鋼管自密實混凝土純彎力學性能研究

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1、前言

    鋼管混凝土具有承載力高，塑性和韌性好的特點，所以在工程實踐中得到了越來越廣泛的運用。自密實高性能混凝土在少振搗或不振搗的情況下就能自密實成型，對方便施工、減少噪音污染具有重要的意義。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程實踐中的大量應用,對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究也越來越多,但是對鋼管混凝土純彎試件的研究仍然相對比較少。文獻^[5]對鋼管混凝土抗彎性能方面的有關(guān)研究成果進行了總結(jié)。但目前對于方鋼管自密實混凝土純彎力學性能的研究還未見報導。     本文擬通過對6根方鋼管自密實混凝土純彎試件的試驗研究，考察方鋼管自密實混凝土純彎力學性能，并將現(xiàn)有規(guī)程DBJ13-51-2003^[3],，AISC-LRFD(1999)^[6],AIJ(1997)^[7],BS5400(1979)^[8]和ACI(1999)^[9]對抗彎承載力和抗彎剛度的計算結(jié)果與方鋼管自密實混凝土的試驗結(jié)果進行對比。     2.   試驗概況     試驗的6根方鋼管自密實混凝土試件的參數(shù)，B為試件截面高度，t為鋼管厚度，L_o為計算長度，實際試件長度L=1500mm。試件的剪跨比為3.5和1.75。在進行試件加工時，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。鋼材強度由標準拉伸實驗確定。平均屈服強度、抗拉強度、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，細度模數(shù)可在2.5-2.8之間，不應小于2.5；碎石，石子粒徑5-15mm；礦物細摻料：采用福建華能電廠Ⅱ級粉煤灰；普通自來水。UNF-5早強型減水劑摻量為1%；混凝土的塌落度為270mm，鋪展度600mm，流動速度19.3米/秒。澆搗混凝土時的室內(nèi)溫度24.2度，測得混凝土的溫度26.5度。混凝土28天時的立方體抗壓強度為f_cu=76.7MPa,實驗時f_cu=81.3MPa、彈性模量E_c＝4.26×10⁴ MPa。     混凝土澆灌時先將鋼管豎立，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ф50振搗棒伸入鋼管內(nèi)部進行完全振搗，在試件的底部及外部同時用振搗棒側(cè)振；2，混凝土自密實，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)護兩周后用高強水泥砂漿修補混凝土表面與鋼管表面的不平整處，然后焊上另一蓋板。試驗采用四分點加載方法，在每個試件中截面四個面的中部縱向及橫向各貼一片電阻應變計測量應變。在支座及四分點位置各設置一個機電百分表，在跨中位置設置大行程的位移計測量試件變形。同時在試件底部還設置兩個曲率儀。試驗的加載及測量裝置圖和曲率儀示意圖參見文獻^[2]。     3.   試驗結(jié)果分析及數(shù)值計算     試驗得到的試件跨中彎矩(M)－跨中撓度(u_m)，跨中彎矩(M)－曲率(Φ)和彎矩(M)－應變(ε)的關(guān)系曲線，可以看出：試件的受力經(jīng)歷了彈性變形、彈塑性變形和塑性強化三個階段。試件跨中撓度達到L/20時，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與跨中之間，部分試件受拉區(qū)鋼管破壞時出現(xiàn)撕裂。     數(shù)值計算采用文獻^[1]中方鋼管混凝土的鋼材和混凝土的應力－應變關(guān)系及數(shù)值計算方法，對試件進行了受力全過程分析。從數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較可見數(shù)值計算結(jié)果總體上低于試驗結(jié)果。除彎矩—應變的關(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^[1]中應力－應變關(guān)系不但適用于方鋼管普通混凝土，也適用于方鋼管自密實混凝土的全過程數(shù)值模擬。     4.   實用計算方法比較     為了便于分析方鋼管自密實混凝土純彎試件承載力的變化規(guī)律，將試件的試驗實測承載力和設計規(guī)范(規(guī)程)DBJ13-51-2003 ^[3],AISC-LRFD^[6],AIJ^[7],BS5400^[8],ACI^[9]的計算結(jié)果以及數(shù)值計算的結(jié)果進行了比較，結(jié)果見表1，其中M_e為試驗實測承載力，M_u為計算獲得的承載力，極限彎矩取受拉區(qū)最大應變達到10000με時的彎矩。由表1極限承載力計算值M_u和試驗實測值M_e的比值的比較可以看出，五本規(guī)范(規(guī)程)的計算值與試驗實測值相比都偏于安全。其中以DBJ13-51-2003^[3]計算值與實測值最為接近。BS5400^[8]和ACI^[9]計算值比實驗值低10-15%左右，而AISC-LRFD^[6]和AIJ^[7]計算值比實測值低30%以上。 表1   純彎構(gòu)件承載力規(guī)范計算值和試驗值比較 序號 試件編號 實驗值 ACI AISC-LRFD DBJ13-51-2003 AIJ BS5400 數(shù)值計算 M_e (kN.m) M_u (kN.m) M_u / M_e M_u (kN.m) M_u / M_e M_u (kN.m) M_u / M_e M_u (kN.m) M_u / M_e M_u (kN.m) M_u / M_e M_u (kN.m) M_u / M_e 1 SSA100-1 10.83 9.73 0.90 7.74 0.72 9.92 0.92 7.81 0.72 9.39 0.87 9.45 0.87 2 SSA100-2 9.96 9.73 0.98 7.74 0.78 9.92 1.00 7.81 0.78 9.39 0.94 9.45 0.95 3 SSB100 10.33 9.73 0.94 7.74 0.75 9.92 0.96 7.81 0.76 9.39 0.91 9.45 0.92 4 SLA200-1 42.3 41.93 0.99 31.54 0.75 45.12 1.07 32.14 0.76 39.85 0.94 47.61 1.13 5 SLA200-2 54.94 41.93 0.76 31.54 0.57 45.12 0.82 32.14 0.59 39.85 0.72 47.61 0.87 6 SLB200 56.70 41.93 0.74 31.54 0.56 45.12 0.80 32.14 0.57 39.85 0.70 47.61 0.84 平均值 0.885. 0.686 0.926 0.696 0.848 0.928 均方差 0.059 0.046 0.054 0.045 0.058 0.054       根據(jù)彎矩—曲率曲線可以確定試件的剛度。一般比較認同在彎矩M=0.2M_u時的抗彎剛度作為試件的初始彈性剛度，文獻^{[2 4]}采用試件在M=0.6M_u時的抗彎剛度作為構(gòu)件的使用階段剛度，因為此時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=0.6M_u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=0.2M_u和M=0.6M_u時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0.2M_u和0.6M_u時試件抗彎剛度K_0.2和K_0.6，并與DBJ13-51-2003^[4],AISC-LRFD^[5], AIJ^[6] BS5400 ^[7],ACI^[8]及數(shù)值計算和簡化模型的計算結(jié)果比較。這些規(guī)范(規(guī)程)中抗彎剛度計算方法基本是分別考慮鋼管和混凝土對剛度的貢獻，不同的是對混凝土對剛度貢獻程度的不同考慮。簡化模型計算方法見文獻^[1]。 表2  初始彈性抗彎剛度與規(guī)范計算值比較(kN.m²) 序號 試件編號 實驗值 ACI AISC-LRFD DBJ13-51-2003 AIJ BS5400 數(shù)值計算 簡化模型 K_0.2 K_c K_c/ K_0.2 K_c K_c/ K_0.2 K_c K_c/ K_0.2 K_c K_c/ K_0.2 K_c K_c/ K_0.2 K_c K_c/ K_0.2 K_c K_c/ K_0.2 1 SSA100-1 427.2 292.5 0.68 430.9 1.01 409.4 0.96 294.5 0.69 507.5 1.19 426.1 1.00 362.5 0.85 2 SSA100-2 474.9 292.5 0.62 430.9 0.91 409.4 0.86 294.5 0.62 507.5 1.07 426.1 0.90 362.5 0.76 3 SSB100 468.5 292.5 0.62 430.9 0.92 409.4 0.87 294.5 0.63 507.5 1.08 426.1 0.91 362.5 0.77 4 SLA200-1 3584.7 2850.5 0.80 5298.2 1.48 4849.1 1.35 2854.8 0.80 6546.9 1.83 5663.3 1.58 3478.8 0.97 5 SLA200-2 4232.7 2850.5 0.67 5298.2 1.25 4849.1 1.15 2854.8 0.67 6546.9 1.55 5663.3 1.34 3478.8 0.82 6 SLB200 3951.0 2850.5 0.72 5298.2 1.34 4849.1 1.23 2854.8 0.72 6546.9 1.66 5663.3 1.43 3478.8 0.88 平均值 0.69 1.15 1.07 0.69 1.40 1.19 0.84 均方差 0.022 0.286 0.204 0.021 0.524 0.435 0.029       由表3可以看出：方鋼管自密實混凝土初始彈性剛度規(guī)范計算值與試驗值相比以DBJ13-51-2003^[3]最為接近，平均值為1.07，均方差為0.435。數(shù)值計算值比試驗實測值偏大，平均值為1.19,均方差為0.435。簡化模型計算值比試驗實測值偏小，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)范計算值比較(kN.m²) 序號 試件編號 實驗值 ACI AISC-LRFD DBJ13-51-2003 AIJ BS5400 數(shù)值計算 簡化模型 K_0.6 K_c K_c/ K_0.6 K_c K_c/ K_0.6 K_c K_c/ K_0.6 K_c K_c/ K_0.6 K_c K_c/ K_0.6 K_c K_c/ K_0.6 K_c K_c/ K_0.6 1 SSA100-1 291.8 292.5 1.00 430.9 1.48 409.4 1.40 294.5 1.01 507.5 1.74 315.0 1.08 321.7 1.10 2 SSA100-2 314.9 292.5 0.93 430.9 1.37 409.4 1.30 294.5 0.94 507.5 1.61 315.0 1.00 321.7 1.02 3 SSB100 312.8 292.5 0.94 430.9 1.38 409.4 1.31 294.5 0.94 507.5 1.62 315.0 1.01 321.7 1.03 4 SLA200-1 2746.0 2850.5 1.04 5298.2 1.93 4849.1 1.77 2854.8 1.04 6546.9 2.38 2975.6 1.08 3019.4 1.10 5 SLA200-2 3007.5 2850.5 0.95 5298.2 1.76 4849.1 1.61 2854.8 0.95 6546.9 2.18 2975.6 0.99 3019.4 1.00 6 SLB200 3058.0 2850.5 0.93 5298.2 1.73 4849.1 1.59 2854.8 0.93 6546.9 2.14 2975.6 0.97 3019.4 0.99 平均值 0.96 1.61 1.50 0.97 1.95 1.02 1.04 均方差 0.010 0.270 0.176 0.010 0.542 0.011 0.012     由表3可以看出：使用階段剛度以AIJ^[7]和ACI^[9]的計算值與試驗實測值最為接近，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)值計算和簡化模型的計算結(jié)果也與試驗實測值吻合良好，這進一步說明，文獻^[1]提出的數(shù)值計算模型適用于方鋼管自密實混凝土的數(shù)值計算。     5、結(jié)論     通過上述探討，在本文試驗參數(shù)范圍內(nèi)，可得出如下結(jié)論：     (1)  方鋼管自密實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^[1]提出的鋼管混凝土數(shù)值計算模型適用于方鋼管自密實混凝土的受力全過程數(shù)值模擬。     (3)  DBJ13-51-2003^[3],AISC-LRFD^[6],AIJ^[7],BS5400^[8]ACI^[9]計算方鋼管自密實混凝土承載力時以DBJ13-51-2003^[3]的計算值與試驗值最為接近。     (4) DBJ13-51-2003^[3],AISC-LRFD^[6],AIJ^[7],BS5400^[8]ACI ^[9]計算方鋼管自密實混凝土初始彈性抗彎剛度時，以DBJ13-51-2003^[3] 的計算值與試驗值最為接近，而在計算使用階段抗彎剛度時以AIJ^[7]和ACI ^[9]的計算值與試驗值最為接近。