方钢管自密实混凝土纯弯力学性能

摘要：通过对6根方钢管自密实混凝土纯弯试件的试验研究，考察了方钢管自密实混凝土的纯弯力学性能。采用数值计算的方法对方钢管自密实混凝土纯弯试件进行了受力全过程分析，并和实验结果进行了对比。最后将设计规程ACI(1999)，AISC-LRFD(1999),AIJ(1997),BS5400(1979)和DBJ13-51-2003(2003)对抗弯承载力和抗弯刚度的计算结果与方钢管自密实混凝土试验结果进行了对比。关键词：自密实混凝土方钢管混凝土纯弯初始抗弯刚度使用阶段抗弯刚度1.前言钢管混凝土具有承载力高，塑性和韧性好的特点，所以在工程实践中得到了越来越广泛的运用。自密实高性能混凝土在少振捣或不振捣的情况下就能自密实成型，对方便施工、减少噪音污染具有重要的意义。随着钢管混凝土结构在工程实践中的大量应用,对钢管混凝土结构的研究也越来越多,但是对钢管混凝土纯弯试件的研究仍然相对比较少。文献[5]对钢管混凝土抗弯性能方面的有关研究成果进行了总结。但目前对于方钢管自密实混凝土纯弯力学性能的研究还未见报导。本文拟通过对6根方钢管自密实混凝土纯弯试件的试验研究，考察方钢管自密实混凝土纯弯力学性能，并将现有规程DBJ13-51-2003[3],，AISC-LRFD(1999)[6],AIJ(1997)[7],BS5400(1979)[8]和ACI(1999)[9]对抗弯承载力和抗弯刚度的计算结果与方钢管自密实混凝土的试验结果进行对比。2.试验概况试验的6根方钢管自密实混凝土试件的参数，B为试件截面高度，t为钢管厚度，Lo为计算长度，实际试件长度L=1500mm。试件的剪跨比为3.5和1.75。在进行试件加工时，钢管由四块钢板拼焊而成，采用坡口焊形式，并保证焊缝质量。钢材强度由标准拉伸实验确定。平均屈服强度、抗拉强度、弹性模量及泊松比分别是282MPa、358.3MPa、2.015×105MPa和0.263。自密实混凝土水灰比为0.293，配合比按重量比，单位为kg用料如下：水泥：粉煤灰：砂：石：水=350：220：815：815：166.8原料采用炼石牌42.5普通硅酸盐水泥；河砂，细度模数可在2.5-2.8之间，不应小于2.5；碎石，石子粒径5-15mm；矿物细掺料：采用福建华能电厂Ⅱ级粉煤灰；普通自来水。UNF-5早强型减水剂掺量为1%；混凝土的塌落度为270mm，铺展度600mm，流动速度19.3米/秒。浇捣混凝土时的室内温度24.2度，测得混凝土的温度26.5度。混凝土28天时的立方体抗压强度为fcu=76.7MPa,实验时fcu=81.3MPa、弹性模量Ec＝4.26×104MPa。混凝土浇灌时先将钢管竖立，使未焊盖板的一端位于顶部，然后从开口处灌入混凝土。采用了二种混凝土浇灌方式：1，常规的分层灌入法，用ф50振捣棒伸入钢管内部进行完全振捣，在试件的底部及外部同时用振捣棒侧振；2，混凝土自密实，未采取任何振捣。试件核心混凝土顶部与钢管上截面抹平，并在试件自然养护两周后用高强水泥砂浆修补混凝土表面与钢管表面的不平整处，然后焊上另一盖板。试验采用四分点加载方法，在每个试件中截面四个面的中部纵向及横向各贴一片电阻应变计测量应变。在支座及四分点位置各设置一个机电百分表，在跨中位置设置大行程的位移计测量试件变形。同时在试件底部还设置两个曲率仪。试验的加载及测量装置图和曲率仪示意图参见文献[2]。3.试验结果分析及数值计算试验得到的试件跨中弯矩(M)－跨中挠度(um)，跨中弯矩(M)－曲率(Φ)和弯矩(M)－应变(ε)的关系曲线，可以看出：试件的受力经历了弹性变形、弹塑性变形和塑性强化三个阶段。试件跨中挠度达到L/20时，作用在试件上的外荷载还能增加，表明试件具有很好的延性。试件破坏时受压区钢管均出现数处局部外凸的现象，钢管外凸部位较均匀的分布在试件四分点与跨中之间，部分试件受拉区钢管破坏时出现撕裂。数值计算采用文献[1]中方钢管混凝土的钢材和混凝土的应力－应变关系及数值计算方法，对试件进行了受力全过程分析。从数值计算结果与试验结果的比较可见数值计算结果总体上低于试验结果。除弯矩—应变的关系曲线，由于试件宽厚比较大，钢管较早出现局部屈曲，使曲线在塑性强化段有所偏差，其余的曲线二者总体上较为吻合。由此可见文献[1]中应力－应变关系不但适用于方钢管普通混凝土，也适用于方钢管自密实混凝土的全过程数值模拟。4.实用计算方法比较为了便于分析方钢管自密实混凝土纯弯试件承载力的变化规律，将试件的试验实测承载力和设计规范(规程)DBJ13-51-2003[3],AISC-LRFD[6],AIJ[7],BS5400[8],ACI[9]的计算结果以及数值计算的结果进行了比较，结果见表1，其中Me为试验实测承载力，Mu为计算获得的承载力，极限弯矩取受拉区最大应变达到10000με时的弯矩。由表1极限承载力计算值Mu和试验实测值Me的比值的比较可以看出，五本规范(规程)的计算值与试验实测值相比都偏于安全。其中以DBJ13-51-2003[3]计算值与实测值最为接近。BS5400[8]和ACI[9]计算值比实验值低10-15%左右，而AISC-LRFD[6]和AIJ[7]计算值比实测值低30%以上。表1纯弯构件承载力规范计算值和试验值比较序号试件编号实验值ACI境AISC扒-LRF素D猾DBJ1离3-51优-200饲3AIJ株BS54鼠00数值计算Me墙(扭kN.m旗)Mu掌(辰kN.m守)Mu/MeMu刘(崖kN.m疾)Mu/MeMu火(尚kN.m锯)Mu/MeMu居(胸kN.m芬)Mu/MeMu壤(瘦kN.m未)Mu/MeMu鸦(拣kN.m帽)Mu/Me1势SSA1份00-1降10.8果39.730.907.740.729.920.927.810.729.390.879.450.872冶SSA1四00-29.969.730.987.740.789.921.007.810.789.390.949.450.953藏SSB1磁00信10.3砖39.730.947.740.759.920.967.810.769.390.919.450.924慧SLA2艳00-142.3栋41.9焦30.99需31.5补40.75夫45.1膜21.07后32.1折40.76色39.8乐50.94哨47.6闯11.135述SLA2舞00-2看54.9毒4报41.9抬30.76开31.5畜40.57矛45.1栽20.82源32.1搂40.59绵39.8娇50.72狱47.6岁10.876悉SLB2悠00斧56.7笼0议41.9雁30.74旬31.5注40.56当45.1亚20.80餐32.1丈40.57网39.8校50.70霞47.6佳10.84平均值寄0.88此5.渗0.68皇6参0.92谦6辰0.69涨6穿0.84塘8辆0.92货8均方差庙0.05堆9行0.04贩6悬0.05睡4委0.04挖5喝0.05栏8傅0.05筑4衬根据弯作矩混—崭曲率曲线怒可以确定栽试件的刚斧度。一般法比较认同脑在弯矩斯M=坑0.2央M盏u饮时的抗弯燃刚度作为忌试件的初伍始弹性刚气度，文献竖[24谨]绝采用试件脊在煎M=影0.6靠M让u江时的抗弯也刚度作为盼构件的使扑用阶段刚莫度，因为储此时试件授受力通常演处于各种画外荷载组迷合作用下于的正常使眼用受力状罩态，因此立取惰M=敬0.6馆M缸u跃作为试件减的使用阶呀段抗弯刚姜度是合理虹的。为此去本文取试沉件在被M=券0.2佣M幅u隆和逼M=渔0.6定M春u谊时的割线坟刚度作为米试件初始帖弹性刚度佛和使用阶膜段刚度。歇表踩2宣、差3索列售出然0.2炸M逼u冶和擦0.6赞M牲u尚时试件抗笨弯刚度分K自0.2梨和熔K某0.6守，并浓与闭DBJ1战3-51纹-200姓3熔[4]疤,AIS啦C-LR精FD橡[5]催,AI披J爽[6]均BS5席400坛[7]串,ACI眉[8]倚及数值计浆算和简化扑模型的计奏算结果比铸较。这些监规鸭范侍(末规扁程副)祝中抗弯刚窗度计算方脑法基本是腐分别考虑攻钢管和混丛凝土对刚逐度的贡献寇，不同的裁是对混凝轨土对刚度述贡献程度咸的不同考毙虑。简化护模型计算叹方法见文框献恐[1]槐。机表沈2翠亚初始弹性扎抗弯刚度翼与规范计造算值比较愈(淹kN.m圆2亮)序号试件编号实验值ACI跟AISC煌-LRF射D央DBJ1愤3-51描-200污3AIJ需BS54伪00数值计算简化模型K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.2KcKc/K0.21麦SSA1感00-1滩427.肯2吗292.谅50.68械430.冰91.01窝409.攻40.96鼻294.厦50.69容507.报51.19裤426.展11.00腔362.访50.852订SSA1院00-2劫474.萌9掘292.垦50.62悦430.搬90.91涝409.像40.86长294.效50.62项507.悼51.07水426.迫10.90纲362.亿50.763窜SSB1告00研468.坟5苦292.筒50.62立430.撇90.92妈409.信40.87豆294.剂50.63矿507.驰51.08亡426.钟10.91议362.洪50.774效SLA2劳00-1宰3584悔.7久2850乏.50.80叛5298作.21.48冲4849斗.11.35斩2854白.80.80守6546费.91.83呢5663海.31.58虏3478逗.80.975仪SLA2啊00-2鸣4232旱.7拼2850青.50.67涂5298池.21.25消4849低.11.15诉2854垫.80.67章6546除.91.55妥5663缝.31.34刮3478锁.80.826础SLB2浙00运3951赏.0沈2850戏.50.72痕5298饮.21.34肉4849久.11.23进2854涛.80.72谦6546框.91.66页5663谎.31.43垮3478注.80.88平均值0.691.151.070.691.401.190.84均方差雾0.02碰2坏0.28抱6饲0.20昨4钻0.02渗1蛋0.52目4果0.43徐5冶0.02挎9贡由虾表浑3械可以看出鱼：方钢管城自密实混期凝土初始淋弹性刚度棍规范计算慕值与试验昼值相比弓以捡DBJ1随3-51存-200译3然[3]乖最为接近圈，平均值流为永1.0亮7远，均方差顾为歪0.43育5对。数值计持算值比试介验实测值熔偏大，平郑均值背为坡1.19诚,宪均方差晌为本0.43火5才。简化模冈型计算值珍比试验实获测值偏小叼，平均值飘为愈0.8变4绒，均方差躁为唯0.02判9爸。淋表初3敲优使用阶段锡抗弯刚度龟与规范计歼算值比垫较错(薪kN.m太2寿)序号试件编号实验值ACI葵AISC削-LRF盏D援DBJ1芬3-51桨-200拥3AIJ棍BS54鸦00数值计算简化模型K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.6KcKc/K0.61纹SSA1遍00-1骨291.遭8局292.年51.00娘430.请91.48趁409.个41.40猛294.心51.01滩507.改51.74粗315.颂01.08所321.钥71.102想SSA1巴00-2定314.跳9告292.史50.93赤430.朵91.37攀409.犹41.30逮294.幼50.94斑507.殃51.61组315.及01.00笼321.败71.023京SSB1方00漂312.穷8巡292.钳50.94自430.屿91.38么409.否41.31捞294.役50.94框507.朱51.62隙315.团01.01唉321.甜71.034孤SLA2叠00-1案2746芳.0精2850武.51.04谅5298尤.21.93针4849勇.11.77究2854迟.81.04输6546偷.92.38截2975恒.61.08乎3019控.41.105吉SLA2失00-2谊3007乱.5酿2850余.50.95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