混凝土的密实度对矩形钢管混凝土柱强度的影响

混凝土的密实度对矩形钢管混凝土柱强度的影响摘要钢管混凝土柱比钢结构柱，混凝土柱有更好的结构性能。在过去的几十年，方形钢管和矩形钢管混凝土柱已经被广泛应用。然而，钢管混凝土柱的强度很容易收到混凝土密实度的影响。就预计而言，混凝土的密实度对钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱的影响是不同的。对于钢筋混凝土柱，混凝土的密实度仅仅影响混凝土的力学性能。但是，对于钢管混凝土柱而言，情况是不同的。因为钢管和混凝土的相互作用才是我们理解这种类型柱子的关键所在。混凝土的密实度不仅仅影响着核心混凝土的性能，也可能影响着核心混凝土与钢管之间的相互作用，从而影响组合柱的性能。本文旨在研究混凝土的密实度对矩形钢管混凝土柱的影响。本实验利用35个矩形钢管混凝土柱来研究混凝土的密实度对组合柱性能的影响，主要的参数为：（1）柱截面的长宽比，从1到2；（2）钢管截面长度与管壁厚的比，从34到136；（3）荷载的偏心距，从0到31㎜；（4）柱子的长细比，从21到62；该试验的目的有两个，第一，记录不同密实度条件下组合柱的实验数据；第二，研究混凝土密实度对组合柱性能的主要影响。将以得到的柱子强度的实验数据与预计的柱子的强度进行了对比，结果发现，混凝土的密实度越好，矩形钢管混凝土柱的强度越高。关键词：组合柱混凝土混凝土密实度试件性能组合行为引言在现代的建筑结构中，在矩形钢管，方形和圆形钢管中填满混凝土组成组合柱，这种组合柱优点众多，如：承载力高，安装速度快，截面较小，防火性能好。然而，这种柱的性能又易于受到混凝土密实度的影响就预计而言，混凝土的密实度对钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱的影响是不同的。对于钢筋混凝土柱，混凝土的密实度仅仅影响混凝土的力学性能。但是，对于钢管混凝土柱而言，情况是不同的。因为钢管和混凝土的相互作用才是我们理解这种类型柱子的关键所在。混凝土的密实度不仅仅影响着核心混凝土的性能，也可能影响着核心混凝土与钢管之间的相互作用，从而影响组合柱的性能。术语B矩形钢管的宽D矩形钢管截面的长度e荷载沿y-y轴方向的荷载偏心长度e/r荷载沿y-y轴方向的荷载偏心率Ec混凝土的弹性模量Es钢材的弹性模量fsy钢材的屈服强度fcu28天龄期混凝土立方体标准强度L弯矩作用平面内柱子的有效屈曲长度Nu环境条件下组合柱的极限强度Nuc预测极限强度Nue实验极限强度SLI强度损失值t钢管的壁厚β矩形钢管截面的长宽比λ长细比最近几十年，对于钢管和核心混凝土之间的粘结强度的研究已经取得很大的进步。对于不同条件下制造的混凝土试样进行了研究，如下所示：骨料与水泥的比为5.0，干燥处理，利用插入式振捣器压实。骨料与水泥的比为5.0，湿润处理，利用插入式振捣器压实。骨料与水泥的比为5.5，湿润处理，利用插入式振捣器压实。骨料与水泥的比为5.5，湿润处理，利用插入式振捣器未压实。骨料与水泥的比为5.5，湿润处理，利用手来压实。骨料与水泥的比为5.5，湿润处理，利用手未压实。实验结果表明，机械振动压实下的试样比手动压实的试件有更高的粘结强度，且密实度越高则矩形钢管混凝土构件以及截面的整体性能更好。本实验的主要目的是研究混凝土的密实度是否会影响钢管混凝土柱的性能，该试验利用了35个矩形钢管混凝土柱来研究混凝土的密实度对组合柱的性能的影响。主要的参数为：（1）柱截面的长宽比，从1到2；（2）钢管截面长度与管壁厚的比，从34到136；（3）荷载的偏心距，从0到31㎜；（4）柱子的长细比，从21到62；该试验的目的有两个，第一，记录不同密实度条件下组合柱的实验数据；第二，研究混凝土密实度对组合柱性能的主要影响。将以得到的柱子强度的实验数据与预计的柱子的强度进行了对比，结果发现，混凝土的密实度越好，矩形钢管混凝土柱的强度越高。实验过程在轴心荷载和偏心荷载作用下对35个柱子进行实验。该试验的目的不仅用来确定试样的最大承载力，而且用来研究超过极限荷载时试样的力学行为。图1为焊接的矩形钢管的横截面，B与D代表矩形钢管的宽和长，t为钢管的壁厚，所有的钢管都由低碳钢板制造，这四块钢板从同一薄钢板上取下，然后焊接为一矩形形状，最后在转角处进行单面斜口焊接。按照国标GB2975，对钢管壁进行拉伸实验，并从钢管的每个面上取三组试样，从这些数据得出钢管的屈服强度为340.1MPa，弹性模量为207000MPa。搅拌混凝土的28天龄期的立方体抗压强度大约为22MPa，按照国标GBJ81-85测得混凝土的弹性模量值为25306MPa，混合的比例如下：水泥：403kg/m³水：153kg/m³砂：561kg/m³粗骨料;1283kg/m³混凝土的压实方法在这个阶段将会对组合柱的力学行为产生一定的影响。表1总结了实验中各个试件的最大荷载值，数据表明，振捣式试件与手压试件相比有更高的极限强度，同时振捣式的短柱的极限强度比手压式的柱的极限强度高3-30%，振捣式长柱的极限强度比手压式的长柱极限强度高20-27%。图示7说明，在两种不同混凝土压实情况下，试件的极限强度是不同的，为了比较的方便性，利用振捣器压实的试件表述为MC，而利用手压实的混凝土试件则表述为HC。实验结果分析和讨论通过定义以下的强度损失指数来衡量由于核心混凝土未密实而带来的组合柱试件的强度损失。通过计算，表1列出了试件强度损失指数。计算试件的截面尺寸为195×130×2.65，图示8是通过变化长细比来计算试件的强度损失指数。图示9则是通过变化荷载偏心率。从图示8，9可以得出，强度损失指数是随着长细比与荷载偏心率的增大而增大的。通过对实验结果的仔细研究可以得到一个很明显的现象：试件的截面尺寸越大，强度损失指数越高。因为截面尺寸越大意味着核心混凝土的尺寸越大，混凝土对组合柱的承载力的贡献值就越高。正是因为如此，大截面试件的混凝土的密实度对组合柱强度的影响就会比小截面试件更加明显，从而导致强度损失值更高。通过以下的四种设计方法以及实验中得到的实验结果来比较试件的承载力。在所有的设计计算中，统一设置了材料的局部安全因素。表2列出了不同方法下的截面预测承载力与实验承载力的比较结果。表3列出了不同设计方法下的平均值以及标准偏差值。表格中，振捣式密实混凝土表述为MC，手压式密实混凝土表述为HC。表中的结果清楚地表明：LRFD,AIJ,EC4得到的数据是保守的。因为他们给出的承载力比实验得到的低了8-12%。根据国标GTB4142-2000制定的实验方法，预测的数据比实验值稍高。总之，根据国标制定的实验方法是最高的预测方法，其给出的平均值为1.017，偏差为0.0669.然而，对于手压式密实的试件得到的预测值都是不安全的。通过比较可以得到，混凝土的密实方法对矩形钢管混凝土试件的强度的影响是十分重要的。结论基于实验结果，得到了以下的实验结论：