方钢管高强混凝土短柱轴压试验研究.pdf

4 2 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 1 I 期( 总第 1 6 1 期) 方钢管高强混凝土短柱轴压试验研究 郎龚 ， 杨志坚 ， 蒋连接 ( 1 宿迁学院 建筑工程 系 江苏宿迁2 2 3 8 0 0； 2 天津大学 建筑 - I- 程学院 。 天津3 0 0 0 7 2) 【 摘要】 本文对 3 根冷弯型方钢管高强混凝土短柱进行 了轴心受压试验， 并分析了冷弯型方钢管高强混 凝土轴心受压短柱的受力性能及变形特点。提出了典型荷载 一应变全过程曲线， 并分析了各阶段的受力性能。 得到如下结论： 冷弯型方钢管高强混凝土短柱充分利用了高强混凝土抗压与钢材抗拉的材性特点， 其极限承载力 较普通方钢管混凝土更高； 短柱试件承载力的下降取决于方钢管的局部屈曲与核心混凝土失去三向受力状态并 被压碎的程度 ； 冷弯型方钢管高强混凝土的极限承载力本质上主要由冷弯型方钢管局部屈曲控制 ； 冷弯型方钢管 高强混凝土轴压短柱后期延性较差， 但含钢率越大， 其后期残余承载力越大。 【 关键词】 冷弯方钢管； 核心混凝土； 高强； 轴心受压 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 4 2 0 4 EXP ERn ENTAL S TUDY oF HI GH S TRENGTH CF S S T S TUB CoLUMNS UNDER AXI AL COMPRES S I 、 L OAD L A N G Y a h ， Y A N G Z h i - j i a n ， J I A N G L i a n - j i e ( 1 D e p a r t me n t o f B u i l d i n g E n g i n e e ri n g ， S u q i a n C o l l e g e ， J i a n g s u S u q i a n 2 2 3 8 0 0 ，C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n p r e v i o u s r e s e a r c h o n t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b e( C F S S T ) ，a n e x p e r i me n t a l s t u d y o f t h r e e h ii g h s t r e n g t h c o n c r e t e - fi l l e d s q u a r e c o l d - f o r m e d s t e e l t u b u l a r s t u b c o l u mn s w a s c a r rie d o u t ， b e a rin g c a p a c i t y a n d d e f o rm a t i o n o f t h e s t u b c o l u mn s a r e a n a l y z e d i n t h e p a p e r T h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e typ i c a l a x i a l l o a d v e r s u s a x i a l s t r a i n c u r v e a n d me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s d u ri n g t h e t e s t S o me c o n c l u s i o n s are a s f o l l o w s ：Ul t i ma t e b e a ri n g c a p a c i t y o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e fi l l e d s q u a r e c o l d f o rm e d s t e e l t u b u l a r s t u b c o l u mn s i s l a r g e r tha n C F S S T，b e c a u s e o f h i g h s t r e n g t h c o nc r e t e De s c e n d i n g o f be a rin g c a pa c i t y o f CF S ST i s d u e t o i n t e r n a l f o r c e s r e di s t r i b ut i o n b y l o c a l b u l k l i n g o n t h e wa l l o f s q u are t u b e a n d c r u s h e d c o n c r e t e T h e u l t i ma t e b e a ti n g c a p a c i t y i s e s s e n t i a l l y c o n t r o l l e d b y l o a c a l b u l k l i n g Au tho u g h t h e d u c t i l i t y o f h i g h s tr e n g th c o n c r e t e fi l l e d s q u are c o l d f o rm e d s t e e l t u b u l a r s t u b c o l u mn s i s n o t g ood，r e s i d u a l b e a ri n g c a p a c i ty o f the c o l u mn s i s b e t t e r ，wi t h s t e e l r a t i o i n c r e a s e s Ke y wo r ds： c o l d f o rm e d s q u a r e s t e e l t u be；c o r e c o n c r e t e；h i g h s tre n t h；ax i a l c o mp r e s s i v e l o a d 近年来， 钢与混凝土组合结构发展迅速， 钢管混 凝土结构也得到了越来越多的关注。对其力学性能 的研究 ， 国内外诸多学者做了大量的工作 。虽然 圆钢管混凝土的各项力学性能指标 ， 特别是极 限承载 力要优于方钢管混凝土， 但是由于方形钢管混凝土具 有比圆钢管混凝土截面相对展开 ， 抗弯刚度大， 抗弯 性能好， 节点构造简单， 建筑上易于空间布置和装修 等优点 ， 因而逐渐被广泛地应用到越来越多的高 层建筑中， 如武汉国际证券大厦 ， 杭州瑞丰国际商务 大厦， 江西华龙 国际大厦等 j 。近年来， 国内外学者 提出了各种改进方钢管约 束核心混凝 土作用的方 法 ， 但改进后的方钢管混凝土工作机理变得更加 复杂， 使得施工过程复杂， 从 而增加 了工程造价。由 于冷弯型方钢管的成型工艺有了长足发展， 且高强混 凝土被实际工程大量使用， 因此本文在冷弯型方钢管 普通混凝土研究的基础上， 对冷弯型方钢管高强混凝 土短柱进行轴压试验研究。 1 试验研 究 ( 1 ) 试验概况： 试验采用强度等级为 Q 2 3 5的冷 弯型方钢管和 C 7 5的 自密实混凝土。试件的截面形 式均为方形 ， 试件的详细参数如表 1所示， A表示轴 压； s 表示短柱； 字母后面的第一个罗马数字 4 、 5和 6 郎 龚等： 方钢管高强混凝土短柱轴压试验研究 4 3 表示 管壁的名义厚度； B为方试件截面外边长， t 为管 壁厚度， 为试件长度， c t 为含钢率( =A 。 A 。 ) ， 为钢 材约束效应系数( =, ( f , f o k ) ) 为钢材屈服强度； 厂 u 为钢材极限强度 ， E 。 为钢材弹性模量。 混凝土立方体 抗压强度 =7 5 MP a ， 弹性模量E =4 0 11 0 MP a ， 宽厚比( B t ) 范围为3 3 - 5 5 ， 试件高宽比( L B )取 3 。 表 I 试件参数一览表 浇筑前， 先将钢管底部端板封焊 ， 浇筑时确保钢 管直立 ， 然后从顶部灌入混凝土。为保证混凝土的密 实度， 排除混凝 土中的气泡 ， 采用振捣棒进行了轻微 的振捣。试件 自然养护两周后， 用角磨机磨掉高出钢 管顶面的混凝土， 确保钢管顶面与混凝土顶面在同一 平面上， 尽可能保证钢管与核心混凝土在试验施加荷 载的初期共同受力 ， 最后焊接顶部端板。 ( 2 ) 试验方法。试验在 5 0 0 0 k N压力机上进行。 为了准确地测量试件的应变和变形， 在每个试件柱中 截面沿纵横向粘贴八片电阻应变片， 在柱底设置两个 电测位移计 以监测试件的纵 向总变形。试验采用分 级加载制， 弹性范围每级荷载为预计极 限荷载的 l 1 0， 当钢管压区纤维屈服后每级荷载约为预计极限荷 载的 1 1 5 ， 每级荷载的持荷时间约为 2 ra i n 。接近破坏 时慢速连续加载 ， 并连续记录各级荷载 的变形值 ， 直 至试件破坏时停止试验。 ( 3 ) 试验现象与结果分析。通过试验可知： 随 着钢管壁厚的增加， 方钢管高强混凝土轴压时极限承 载力增长明显， 后期承载力也更大 ， 但下降部分曲线 变得更加突然和陡峭。A S 6试件在加载初期， 随着轴 压荷载的增加， 相应 的轴 向压缩变形呈线性关 系增 长， 一直保持到轴压荷载达到 3 0 0 0 k N( 约为极限荷载 的 8 0 ) 附近。之后轴压荷载与压缩变形呈非线性关 系增长 ， 但方钢管的外观并无任何明显改变。轴压荷 载达到峰值 3 7 4 5 k N时， 荷载表盘指针经过短暂的停 留后迅速回落， 方钢管的管壁开始 出现较为明显 的 “ 鼓包” 并形成较快。随后轴压荷载值随轴向压缩的 继续迅速降低， 在荷载值降至 3 2 0 0 k N( 约为极限承载 力的 8 5 ) 时， 曲线下降 幅度 变小。在荷载值 降至 2 3 0 0 k N ( 约为极限承载力的6 0 ) 时， 轴压荷载与轴压 压缩变形曲线趋于稳定 ， 试件 A S 5和 A S 4试验过程同 A S 6相似。 文献 1 对方钢管普通混凝土试件 s l 和 R 1 进行 了轴压试验。 得出的相应的曲线与本文图 1 的形状与 曲线走势非常相似 ， 只是没有图 1曲线陡峭。文献 3 亦对 2 9号和 1 0 6号方形钢管混凝土进行了类似的 试验。分析认 为： 在短柱试件达到极限承载力 附近 时， 一方面方钢管管壁由于屈曲， 形成“ 鼓包” ， 使得方 钢管承担的轴压荷载迅速减小； 另一方面 由于管壁屈 曲， 方钢管对核心混凝土的套箍约束作用减弱 ， 使得 核心混凝土开始被压碎， 而高强混凝土材料本身脆性 较大， 这也说明了图 l 下降段曲线陡峭的原因。 图1 方钢管高强混凝土轴压荷戴( N ) 与轴向压缩变形( 关系曲线 在短柱试件的加载初期 ， 由于钢管处于弹性阶段 或弹塑性阶段， 方钢管与混凝土共 同承担着轴压荷 载， 含钢率较大的短柱试件， 其方钢管承担了更多的 轴压荷载； 虽然在短柱试件达到极限承载力后 ， 由于 钢管壁局部屈曲和核心混凝土被压碎而导致短柱试 件承载力迅速减少， 但在短柱试件的加载后期 ， 由于 钢材进入强化阶段， 方钢管又重新承担了部分轴压荷 载， 短柱试件的承载力逐渐稳定。从图 1中还可以看 出， 含钢率较大的短柱试件， 其极限承载力相对较大， 且后期残余承载力亦较大。 图 2所示的是试件 A S 5试验完成后的破坏情况 及试件剖开后核心混凝土的破坏情况。从图中可 以 看出， 靠近钢管内壁的核心混凝 土压碎较为严重 。 剥 去被压碎的混凝土后发现核心混凝土 内部完好。切 开带有局部鼓曲变形的钢管壁， 发现内部凹面与核心 混凝土表面基本不接触。因此可以判断： 冷弯型方钢 管高强混凝土在达到极限承载力后， 方钢管由于管壁 局部受压屈曲而逐渐失去承载力， 且由于管壁局部鼓 曲导致核心混凝土失去了钢管对其提供的稳定有效 低温建筑技术 2 0 1 1 笫 l l期( 总第 1 6 I 期 ) 的约束作用 ， 核心混凝土抗压强度也逐渐降低， 并开 始被压碎。随后 ， 方钢管的材料进入强化 阶段， 方钢 管继续承担部分荷载， 且由于核心混凝土被压碎导致 横向变形系数增长加快 ， 重新获得了方钢管的约束作 用， 短柱试件承载力进入稳定阶段。最终短柱试件 由 于方钢管管壁变形过大， 试验结束。 表 2 序 试件 号 编号 1 A S 4 2 A S 5 3 A S 6 阻 ( A S 5 试件破解前照片 ( b ) A S 5 试件破解后照片 图2 方钢管混凝土剖解图 极 限承载 力实测值与计算值对 照表 实 测 值 计 算 值 实 测 值 计 算 值 实 测 值 计 算 值 C 4 0 E “ v k N k N计算值 k N计算值 C 4 0 f J AN C 7 5 C H J 3 】 8 5 3 1 3 9 1 0 1 2 9 6 8 1 0 7 2 D 9 9 n 6 6 3 3 9 9 3 3 4 8 1 0 2 3 1 9 1 1 0 7 2 3 1 2 0 6 8 3 7 4 5 3 6 1 7 】 0 4 3 4 9 3 1 0 7 2 5 R 6 0 6 9 表 2给出了极限承载力实测值与计算值的对照， 文献 1 1 和文献 4 计算结果均偏保守。但可适用于 本文研究的冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱极 限 承载力计算。表 2还给出了文献 1 1 采用 C 4 0混凝 土的冷弯型方钢管普通混凝土短柱极限承载力， 可看 出， 其它参数不变而混凝土强度提高前提下， 冷弯型 方钢管高强混凝土极限承载力有更大提高。 2 荷载与应变关系全过程分析 图 3为轴压荷载( )纵向平均应变( s ) 典型关 系曲线示意图， 此示意图概括地划分为四个阶段。 ( 1 ) 弹性阶段( O A) ： 钢管和核心混凝土均为单 独受力， 相互之间基本没有作用 ， A点大致相当于钢材 进入弹塑性阶段 的起点， 且在本组试验 曲线 中， 曲线 上 A点对应的承载力值约为极限承载力的的8 0 。 ( 2 ) 弹塑性阶段( A B ) ： 进入此阶段， 核心混凝 土在外力作用下微裂缝不断开展 ， 横 向变形系数开始 超过钢材的横向变形系数， 钢材对核心混凝土的套箍 约束作用增强， 核心混凝 土处于三向受压状态， 其强 度得到较大提高。 ( 3 ) 下降段( B C ) ： B点是曲线的峰值点， 进入此 阶段， 方钢管壁局部屈曲失稳， 导致核心混凝土失去 钢管的约束作用 ， 核心混凝土被压碎， 承载力随着纵 向应变的增长开始迅速下降。 ( 4 ) 平缓阶段( C D) ： 随着轴心受压短柱的纵向 变形逐渐增加， 核心混凝土的横 向变形 系数迅速增 大， 重新获得了方钢管的约束作用， 方钢管的材料进 入强化 阶段 ， 缓解 了由于核心混凝 土被压碎 而导致 的 持续性承载力下降， 短柱试件承载力在较大的纵向变 形范围内保持稳定不变。 图 3 轴压荷载( 一 纵向平均应变( n蜒墼 l 关系曲线 3结 语 ( 1 ) 由于采用了高强混凝土， 充分利用了冷弯 型方钢管的套箍约束作用， 使得冷弯型方钢管高强混 凝土极限承载力高于方钢管普通混凝土。 ( 2 ) 含钢率较大的短柱试件， 其承载力相对较 大， 且后期承载力亦较大。 ( 3 ) 冷弯型方钢管高强混凝土轴压荷载( ) 纵向平均应变 ( s ) 关系曲线分界点 明确。如图 3所 示 ， 在 弹性 阶段和 弹塑性 阶段 ， 方 钢管 与核心 混凝 土 共同承担了轴压荷载； 虽然短柱试件在达到极 限承载 力时， 由于方钢管屈曲与核心混凝土被压碎导致内力 重分布， 短柱试件进入下降段。但之后， 由于方钢管 进人强化阶段 ， 短柱试件承载力进入平缓阶段。 ( 4 ) 冷弯型方钢管高强混凝土的轴心受压短柱 试件轴压荷载z ( N)一纵向平均应变( s ) 典型关系曲 线与方钢管普通钢管混凝土基本相似。但是 由于高 强混凝土的脆性较大， 冷弯型方钢管高强混凝土典型 曲线在下降段比方钢管普通混凝土更加陡峭。 ( 5 ) 冷弯型方钢管高强混凝土的破坏是由方钢 管局部屈 曲控 制 的。在 短柱 试 件达 到极 限承 载力 附 近时， 一方面由于方钢管管壁屈曲， “ 鼓包” 形成速度 较快， 方钢管承担的轴压荷载迅速减小， 另方面， 核 心混凝土由于失去方钢管的套箍约束作用 ， 其强度减 史美东等： 混凝土结构地下室和楼板抗裂设计分析 4 5 混凝土结构地下室和楼板抗裂设计分析 史美东 ， 史如平 ( 1 浙江水利水电专科学校建筑工程系。 杭州3 1 0 0 1 8 ； 2 浙江工业大学建筑工程学院。 杭州3 1 0 0 1 4 ) 【 摘要】 首先介绍了地下室混凝土结构如何进行抗裂设计 ， 然后介绍了某工程 1 号楼和2号楼混凝土结 构抗裂设计， 重点介绍了混凝土楼板的抗裂设计计算。分析了大楼使用期间的环境温度影响， 按王铁梦的方法分 析了板的温度应力， 并对楼板的切角裂缝进行了分析。 【 关键词】 结构设计 ； 温度； 抗裂分析 【 中图分类号】 T U 3 7 5 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 4 5 0 3 S T RUCT URAL DES I GN AND CRACK ANALYS I S OF CoNCRETE S TRUCT URES S HI Me i d o n g ，S HI Ru p i n g ( 1 Z h e j i a n g Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d mp o w e r C o l l e g e ，H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i a n d A r c h i t e c t u r e ， Z h e j i a n g U n i v o f T e c h n o l o g y ，H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： F i r s t i n t r o d u c i n g h o w t o d e s i g n t h e b a s e me n t c o n c r e t e s t r u c t u r e a n t i c r a c k i n g ，t h e n d e s c ri b e s a p r o j e c t ， b u i l d i n g 1 a n d b u i l d i n g 2， c r a c k i n g o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s d e s i g n e d t o h i g h l i g h t the c o n c r e t e fl o o r c r a c k d e s i g n c a l c u l a t i o n s T h e b u i l d i n g d u ri n g u s e o f t h e a mb i e n t t e mp e r a t u r e ，a c c o r d i n g t o t h e me tho d o f Wa n g T i e me n g the r ma l s t r e s s o f p l a t e ，a n d c r a c k s i n t h e fl o o r o f t h e c u t t i n g a n g l e w a s a ri a l y z e d Ke y wo r d s ： s t r u c t u r a l d e s i g n； t e mp e r a t u r e ； c r a c k a n a l y s i s 某工程地下室尺寸 1 1 4 2 m1 2 8 7 m X 4 m， 其中1 号楼为 1 5层框剪结构， 平面尺寸为 1 0 4 4 m x 3 1 4 m， 2 号楼为4 层框架结构 ， 平面尺寸为7 5 6 m X 3 7 2 m。混 凝土强度等级分别为C 3 0 、 C 2 5 ， 地下室底板厚 6 0 0 m m， 楼板厚 l O O m m。由于本工程地下室及 1 、 2号楼均为超 小在轴压荷载作用下被压碎， 因此短柱试件承载力迅 速下降。 参考 文献 1 S c h n e i d e r s A x i a l l y L o a d e d C o n c r e t e fi l l e d S t e e l T u b e s J J o u r n al o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ，A S C E， 1 9 9 8 ，1 2 4 ( 1 0 ) 2 H a n L H T e s t s o n S t u b C o l u m n s o f C o n c r e t e fi l l e d R H S S e c t i o n s J J o u mal o f C o n s truc t i o n al S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 5 8 ， ( 3 ) 3 叶再利方形、 矩形钢管高强混凝土轴压短柱基本力学性能 研究 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 1 4 韩林海钢管混凝土结构 一理论与实践 ( 第二版) M 北 京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 7 5 李大浪， 左菊林 矩形钢管混凝土柱在华龙国际大厦的应用 J 有色冶金设计与研究， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 4 ) ： 3 4 3 7 6 H s u a n T e h H u ， e t a 1 N o n l i n e ar a n al y s i s o f a x i a l l y l o a d e d C O n c r e t ef i l l e d t u b e c o l u mn s w i t h c o n fi n e me n t e ff e c t J o u ma l o f 长混凝土结构， 要考虑施工及使用期间的混凝土干缩 和温度变化引起的有害裂缝影响工程的使用和安全， 要对其进行抗裂设计和分析。 1 地下室混凝土结构抗 裂设计 地下室超长混凝土结构在施工期间易产生干缩 S t r u c t u r al E n g i n eer i n g ，A S C E。 2 0 0 3 ，1 2 9 ( 1 O )： 1 3 2 2 7 蔡健 ， 何振强 带约束拉杆方形钢管混凝土柱偏压性能 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 4 ) ： 2 5 3 5 8 王志浩， 成戎 复合方钢管混凝土短柱的轴压承载力 J 清 华大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 5 ， ( 1 2 ) ： 1 5 9 6 1 5 9 9 9 吕天启 赵国藩 内( 圆) 钢管增强方钢管混凝土偏压柱极限 承载力分析数值方法 J 大连理工大学学报， 2 0 0 1 ， 4 1 ( 5 ) ： 61 26 1 3 1 O 陶忠， 庄金平， 于清 F R P约束钢管混凝土轴压构件力学性 能研究 J 工业建筑， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 9 ) ： 2 O 一 2 3 I 1 钟善桐 钢管混凝土统一理论 一 研究与应用 M 北京： 清 华大学出版社 ， 2 0 0 6 收稿 日 期 2 0 1 1 0 7 一 o 7 作者简介 郎龚( 1 9 8 5 一 ) 男， 江苏宿迁人， 助教， 硕士， 现 主要从事组合结构方面的研究。