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關(guān)于方鋼管自密實混凝土純彎力學(xué)性能研究的理工論文
摘要：通過對6根方鋼管自密實混凝土純彎試件的試驗研究，考察了方鋼管自密實混凝土的純彎力學(xué)性能。采用數(shù)值計算的方法對方鋼管自密實混凝土純彎試件進(jìn)行了受力全過程分析，并和實驗結(jié)果進(jìn)行了對比。最后將設(shè)計規(guī)程ACI(1999)，AISC-LRFD(1999),AIJ(1997),BS5400(1979)和DBJ13-51-2003(2003)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試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。
關(guān)鍵詞：自密實混凝土 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，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(yīng)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(xiàn)[5]對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)。但目前對于方鋼管自密實混凝土純彎力學(xué)性能的研究還未見報導(dǎo)。
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(xué)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(jìn)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，Lo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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(xì)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?xí)r的室內(nèi)溫度24.2度，測得混凝土的溫度26.5度�；炷�28天時的立方體抗壓強度為fcu=76.7MPa,實驗時fcu=81.3MPa、彈性模量Ec＝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(jìn)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(yīng)變計測量應(yīng)變。在支座及四分點位置各設(shè)置一個機電百分表，在跨中位置設(shè)置大行程的位移計測量試件變形。同時在試件底部還設(shè)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(xiàn)[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(um)，跨中彎矩(M)－曲率()和彎矩(M)－應(yīng)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(dá)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(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)值計算方法，對試件進(jìn)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(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(shè)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(jìn)行了比較，結(jié)果見表1，其中Me為試驗實測承載力，Mu為計算獲得的承載力，極限彎矩取受拉區(qū)最大應(yīng)變達(dá)到10000με時的彎矩。由表1極限承載力計算值Mu和試驗實測值Me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。
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=0.6Mu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時試件抗彎剛度K0.2和K0.6，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(xiàn)，不同的是對混凝土對剛度貢獻(xiàn)程度的不同考慮。簡化模型計算方法見文獻(xiàn)[1]。
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(jìn)一步說明，文獻(xiàn)[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(xiàn)[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。
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