钢管钢纤维混凝土结构的性能研究.pdf

第 3 7卷第 1期 2 0 1 1 年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 6 7 钢管钢纤维混凝土结构的性能研究 陈 娟 ， 卢亦焱 ( I 长江大学城 市建设学 院 ， 湖北 荆州4 3 4 0 2 3 ； 2 武汉大学土木建筑工程学院， 湖北 武汉4 3 0 0 7 2 ) 摘要： 根据现有钢管钢纤维混凝土的研究， 对这种组合结构的轴心受压短柱、 偏心受压长柱、 均布荷载作用下的梁以及低周 反复荷载作用下的长柱性能进行了介绍。钢纤维对钢管混凝土柱受压承载力的提高幅度不大， 在钢管混凝土柱中掺入钢纤 维的作用主要是提高钢管混凝土柱的延性， 而不是提高其受压承载力； 在钢管混凝土梁中掺人钢纤维， 能改善梁受拉区的工 作性能， 从而提高梁的承载能力； 钢纤维能提高钢管混凝土柱在水平低周反复荷载作用下的水平承载力及延性。 关键词 ： 钢管混凝土 ； 钢纤维 ； 延性 ； 承载 力 中图分类号 ： T U 3 9 8 9 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) O 1 一 o 6 7一O 3 S t u d y o n p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c 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 t r uc t ur e C HE N J u a n L U Yi y a n ( 1 S c h o o l o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ， Y a n g t z e U n i v e r s i t y ， J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， 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 r i n g ，Wu h a n U n i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2， C h i n a ) A b s t r a c t ： B a s e d o n t h e c u r r e n t a n a l y s i s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t efi l l e d s t e e l t u b e( S F C F T) ， t h e p r o p e r t i e s o f t h i s s t r u c t u r e w e r e i n t r o d u c e d ， wh i c h c o n c l u d e d s h o r t c o l u mn s u n d e r a x i a l c o mp r e s s i o n，l o n g c o l u mn s u n d e r e c c e n t ri c axi al l o a d， r e c t a n g u l a r b e a m u n d e r u nif o r m l o a d a n d l o n g c o l u mn s u n d e r c o mb i n e d c o n s t a n t a x i al c o mp r e s s i o n and c y c li c l o a d i n g S t e e l f i ber h as l i t t l e e ff e c t o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e c o l u mn s u n d e r c o mp r e s s i o n； t h e ma i n f u n c t i o n o f s t e e l fi be r i s t o i mp r o v e t h e d u c t i l i t y o f c o l u mn s S t e e l fi b e r c 2 n i mp r o v e t h e w o r k i n g p e rf o r ma n c e o f t e n s i l e a r e a o f c o n c t t c fi U e d s t e e l t ub e b e a f n ： t h e reb y i n c rea s e t h e c a p a c i t y o f be am An d s t e e l fi b e r C an i n c r e a s e t h e l a t e r al c a p a c i t y a n d d u c t i l 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 t e e l t u b e c o l u mn s u n d e r c y c l i c l o a d i n g Ke y wo r d s ： c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u be ； s t e e l fi b e r ； d u c t i l i t y； c a p a c i ty 0 引 言 钢管混凝土结构因其承载力高 、 自重轻、 节约材 料、 截面尺寸小 、 抗震性 能好 的突 出优点 ， 使其在工 程中的应用越来越广泛。国内外研究者们对钢管混 凝土构件的力学性能已开展 了深人系统的研究 。近 年来 ， 研究者为进一步提高钢管混凝土的工作性能 ， 从混凝土材料和构件截面形式着手 ， 提 出了几种新 型的钢管混凝土并对其进行 了研究 ， 如钢管粉末 混 凝土 、 钢 管轻 骨 料 混凝 土 4 。 、 异 形 钢 管 混凝 土 刮等。钢管钢纤维混凝土是钢管 、 钢纤维和混凝 土三种材料组成的组合结构 ， 可 以利用钢纤维来 改 善钢管中核心混凝土 的性能 ， 从而提高钢管混凝 土 的整体性能。目前 ， 钢 管钢纤维混凝 土已在某些工 程中应用 剖， 但国内外只有少数研究者对钢管钢纤 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 6 - 2 9 作者 简介 ： 陈娟 ( 1 9 8 0一) ， 女 ， 湖北武 汉人 ， 博 士 ， 讲 师 ， 研究 方 向 为钢管混凝 土、 土木工程材料 。 Ema i l ： c h e n j u a n 9 8 7 6 1 6 3 c o m 维混凝土进行了试验研究。本文在现有试验研究 的 基础上 ， 结合 目前对钢管钢纤维混凝土的研究成果 ， 对钢管钢纤维混凝土的性能进行了介绍 ， 可供钢管 钢纤维混凝土在工程中的应用提供参考。 1 钢 管 钢 纤 维 混 凝 土 轴 心 受 压 短 柱 9 承受轴向压力是钢管钢纤维混凝土柱最简单的 受力状态 ， 但却是研究这种组合结构其他受力状态 下工作性能的基础。作者对7根轴心受压的钢管钢 纤维高强混凝土短柱和 3根钢管高强混凝土对 比短 柱进行了试验研究 ， 对比了不同套箍系数、 钢纤维含 量以及不同混凝土强度的钢管钢纤维混凝土短柱在 轴心压力作用下的性能 ， 并对轴压短柱 的位移延性 系数进行了计算 。各柱的试验参数及试验结果见表 1 ， 表 中试件 的编号 由三部分组成 ， 第一部分表示素 混凝土的强度等级 C 5 0 ， C 6 0 ， C 7 0 ； 中间的数字表示 钢管壁厚 ； 最后一个数字代表混凝 土中钢纤维的体 积掺量( 0 ， 0 6 ， 0 9 和 1 2 ) ， 钢纤维采用 弓 6 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 形钢纤维。 表 1 轴心受压的钢管钢 纤维混凝 土短柱试 件的参 数设计 及 试 验 结果 Ta bl e 1 Pa r a m e t e r s a nd e x pe r i m e n t al r e s ul t s o f s hor t S FCFT c ol umns unde r a xi a l c o mpr e s s i o n 编号 钢 D xt x 寸 L f 编号 强度 服强 度 ， ： ： mm, MMP a MPa 一 注 ： D， ， L分别为钢管的外径、 壁厚和长度 为边长 为 1 5 0 m m 的 立方体混凝土试块 测得 的立方体抗压强度 为钢管 的屈服强 度 ； 为套箍系数 ， f=A A ， 其 中 A ， A 分别为混凝 土和钢 管的横截面积 ： 0 。 分析表 1中不同钢纤维掺量的钢管钢纤维高强 混凝 土柱 ( 试件 C 6 0 - 4 - 0和 C 6 0 - 4 - 0 6 ， C 6 0 - 4 - 0 9 ， C 6 0 - 4 1 2 ， 试件 C 5 0 - 4 - 0和 C 5 0 - 4 - 0 9 ， 试件 C 7 0 - 4 - 0 和 C 7 0 - 4 - 0 9 ) 可知， 在其他参数均相 同仅钢纤维掺 量不同的情况下 ， 掺有钢纤维的钢管钢纤维高强混 凝土轴压短柱极限承载力和延性比不掺钢纤维的钢 管高强混凝土柱的高 ， 但钢纤维的掺量对钢管钢纤 维高强混凝土柱的极限承载力影响不大， 试件 C 6 0 4 - 0 6 ， C 6 0 -4 - 0 9 ， C 6 0 - 4 1 2的钢纤维体积掺量分别 为 0 6 ， 0 9 和 1 2 ， 与未掺钢纤维 的对 比柱 C 6 0 - 4 - 0相比， 极限承载力分别提高 5 2 ， 8 0 和 9 9 ； 试件 C 5 0 - 4 - 0 9与对比试件 C 5 0 - 4 - 0相比， 承 载力提高 9 6 ； 试件 C 7 0 - 4 - 0 9与对 比试件 C 7 0 - 4 0相比， 承载力提高 1 8 。随着钢纤维掺量 的增 加 ， 钢管钢纤维高强混凝土轴压短柱的延性大幅度 提高。 混凝土强度对钢管钢纤维混凝土轴压短柱的影 响规律与普通钢管混凝土柱的相同， 即随着混凝土 强度的增大， 钢管钢纤维高强混凝土轴压短柱 的极 限承载力提高 ， 试件的延性降低 ； 随着套箍系数的增 加， 钢管钢纤维高强混凝土轴压短柱 的极限承载力 和延性提高。当套箍系数较大时， 在试件中掺入钢 纤维对轴压短柱的延性影响不大 ， 当含套箍系数较 小时， 钢纤维对试件延性的影响显著。 2 钢管钢 纤维混凝土梁的受弯性能 同济大学的余志伟和邓洪洲对均布荷载下的钢 纤 维矩形 钢管混凝 土梁进行 了研 究 ， 试件 分为 两 组 ， 每组试件为 2个 ， 试件尺寸均为 1 5 0 m r d2 5 0 m m 2 0 0 0 m m， 矩形钢管采用 Q 2 3 5钢， 壁厚 4 m m。 第一组试件中灌普通 C 3 0混凝土， 第二组试件内灌 C 3 0钢纤维混凝土 ， 钢纤维选用铣削型钢纤维 ， 掺量 为 8 0 k g c m 。试验结果表明， 在钢纤维矩形钢管混 凝土梁 中掺人钢纤维能改善梁受拉 区的工作性能， 从而提高梁的承载能力。李火军等人采用条带法对 钢纤维方钢管混凝土梁 的抗弯极限承载力进行 了计 算 “ ， 也得出了相同的结论。 3 钢 管钢纤维混凝土长柱受压 S R a ma n a G o p a l 和 P D e v a d a s Ma n o h a r a n两次 对偏心受压的钢管钢纤维混凝土柱和钢管混凝土柱 进行了试验。在 2 0 0 6年发表的论文 中 ， 柱 的初 始偏心率为 0 2 6 ( e D) ， 各试件的试验参数和试验 结果见表 2 ， 表 中编号一栏 中最后一个字母 P代表 钢管 内为普通混凝土， F代表钢管 内为钢纤维混凝 土 ， 钢纤维体积掺量为 l ， H代表为空钢管， 其余 符号与上文相同。 表2 偏心受压钢管钢纤维混凝土长柱试件参数设计及 试 验结果 Ta bl e 2 Pa r ame t e r s an d e x pe r i me nt al r e s ul ts o f l ong S FCFT c ol umns u nde r e c c e nt r i c c ompr e s s i o n 由表 2中结果可知 ， 长细比对偏心受压的钢管 混凝土长柱的性能影响最显著 ， 对长细 比较大 的试 件 ， 钢纤维混凝土对试件的承载力 、 刚度和延性有提 高 ， 但是提高幅度不大； 钢管内灌钢纤维混凝土的试 件的能量吸收比内灌普通混凝土的试件有所提高 ； 如长细 比为 2 5的试件 ， 钢管内混凝土为钢纤维混凝 土的试件， 其极限承载力、 延性和能量吸收 比内填素 混凝土的试件分别提高 9 6 ， 5 6 和 1 6 0 ； 长 细比为 2 8的钢管钢纤维混凝土柱 ， 其极限承载力、 延性和能量吸收 比内填 素混凝土 的试件分别提高 1 2 ， 4 4 和 1 3 2 。S R a ma n a G o p a l 和 P D e v a d a s Ma n o h a r a n在 2 0 0 4年发表的论文中 1 3 1 也得到 了相同的结论 。 陶忠 等人在对加劲薄壁钢管混凝土柱的性 能进行试验研究时 ， 在部分试件中采用了钢纤维混 凝土， 采用端钩型钢纤维 ， 其体积率为 2 ， 试 件截 面尺寸 为 2 0 0 m m 2 0 0 mm 2 5 mm， 钢 板 的屈 服 强度为 2 7 0 MP a ， 各试件的参数及试验结果见表 3 。 编号一栏中“ c F r ” 代表钢管 内填素混凝 土， “ F R C” 2 0 1 l N o 1 陈娟 ， 等： 钢管钢纤维混凝土结构的性能研究 6 9 代表钢管内填钢纤维混凝土。 表 3 加劲薄 壁钢 管混 凝土柱试 件的参数设计 及试 验结果 Tab l e 3 Par ame t e r s a nd e xpe r i me nt a l r e s ul t s o f c o nc r e t e - 皿 e d s t i f f e n e d t h i n wa l l e d s t e e l t ubular c o l um n s 从表 3中结果可以看出， 钢纤维的掺入对偏 心 受压的加劲薄壁钢管混凝 土柱 的承载力影 响很小 ， 有的掺人钢纤维的试件承载力与未掺入钢纤维的试 件相比， 稍有提高， 有的则 降低 ， 但钢纤维能有效提 高柱的延性 ， 在试验参数范围内， 柱的延性系数提高 幅度 为 1 4 5 5 7 3 。 4 钢管钢纤维混凝土柱 的抗震性 能 作者对 9个钢管钢纤维高强混凝土柱和 3个钢 管高强混凝土柱在低周反复荷载作用下 的性能进行 了试验研究 j ， 分析 了钢纤维体积掺量对钢管钢纤 维高强混凝土柱的骨架 曲线、 极限承载力 、 耗 能、 延 性和刚度退化的影响。各试件设计参数及试验结果 见表 4， 表中试件编号一栏各符号意义与前文相同。 表 4 抗震试 件的参数 设计及试 验结果 Tab l e 4 Pa r a m e t e r s a nd e x pe r i m e n t al r e s ul t s o f l o ng S FCFT c ol umns unde r c y c l i c l a t e r al l o ad i ng 恭 鸳 D m m M P a M P a n1 Pk N 编 号 a a C 6 o _ 4 C 6 o 4 6 C 6 o 4 9 C 6 0 4 1 2 C5 O4_ 0 C5 0- 4 9 C 7 O4 C 7 O4 9 注： n 为 轴压 比 ； P 为平均水平极限承载力 ； 其余 符号与上文相同 。 在试验过程 中发现 ， 3个 没有 掺入钢纤维 的钢 管高强混凝土柱在水平承载力下降到极限承载力 的 8 5 以下后 ， 出现轴力无法稳定的现象 ， 而钢管钢纤 维高强混凝土柱 的水平承载力下降到极限承载力的 8 5 以下时， 轴力仍能很好地稳定。这说 明， 在钢管 高强混凝土柱中掺入钢纤维 ， 能使组合柱在低周反 复荷载作用下保持为一 个整体 ， 更好 地承受荷 载。 由表 4中的结果可 以得出， 钢纤维的掺入能提高钢 管钢纤维高强混凝土 的水平极限承载力和延性 ， 对 试件的耗能和刚度的影 响很小 ， 随着钢纤维掺量的 增加 ， 试件 的极限水平承载力和延性逐渐增大 。 5结论与建议 综上 ， 对钢管钢纤维混凝土的试验研究 ， 可得到 以下结 论 ： ( 1 ) 钢纤维对钢管混凝土柱 的承载力的影 响很 小 ， 在钢管混凝土柱中掺人钢纤维， 旨在改善柱的延 性 ， 尤其 当钢管混凝土柱的套箍系数较小或混凝土 强度较高时。 ( 2 ) 钢纤维能提高混凝土的抗拉强度， 因此， 在 钢管混凝土梁 中能提高梁的抗弯承载力。 ( 3 ) 钢管混凝土具 有便于施工 的优点 ， 但是 ， 用 钢纤维混凝土代替普通混凝 土， 若不能解决 钢纤维 对混凝土的工作性能的影响， 势必对钢管钢纤维混 凝土的施工和结构性能带来影响， 因此 ， 内灌钢纤维 混凝土的工作性能非常重要 ， 应 能达到泵送混凝土 的要求 。 参 考 文 献： 1 杨吴生 钢 管活性 粉末混凝 土力学性 能及 其极 限承载力 研究 D 长沙 ： 湖南大学 ， 2 0 0 3 2 张静 钢 管活性 粉末 混凝 土 短柱 轴压 受力 性 能试 验研 究 D 福州 ： 福州大学 ， 2 0 0 3 3 吉伯海 ， 王晓亮 ， 马敬海 ， 杨明 钢管高强轻集料混凝 土短柱 轴压性 能的试 验研究 J 建筑结 构学 报 ， 2 0 0 5， 2 6( 5) ：6 0 6 5 4 王晓亮 钢管高强轻集料混凝土短柱 D 南京： 河海大学， 2 o o 6 5 荣彬 方钢管混凝 土柱和 L形截面方 钢管混凝 土组合异 形 柱研究 D 天津： 天津大学 ， 2 0 0 6 6 赵毅 异形钢管混 凝土短柱轴压 性能研究 D 哈尔滨 ：哈 尔滨工业大学 ， 2 0 0 7 7 苗博字 公路大桥钢管拱 钢纤维混 凝土试验及 应用 J 石家 庄铁路职业技术学院学 报， 2 0 0 6 ( 5 ) ( 增刊) ： 2 4 - 2 7 8 陈国英 公伯峡黄河大桥钢管拱钢纤维混凝土试验及应用 J 铁道建筑技术， 2 0 0 1 ( 6 ) ： 1 1 1 5 9 陈娟 钢管钢纤维高强混凝 土柱基本力学性能研究 D 武 汉 ： 武汉大学 ， 2 0 0 8 1 O 余志伟 钢纤维矩形钢管混凝土梁的研究 J 特种结构， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 4 ) ： 5 - 8 1 1 李火军， 潘继维， 曹玉明钢纤维方钢管混凝土梁柱研究 J 建筑施工 ， 2 0 0 7， 2 9 ( 7) ： 5 1 1 - 5 1 3 1 2 D e v a d a s Ma n o h a r a n P ， R a m a n a G o p al S E x p e r i m e n t a l b a h a v i o u r o f e c c e n tr i c a l l y l o a d e d s l e n d e r c i rcu l a r h o l l o w s t e e l c o l u mn s i n- fi l l ed w e i t h fi b r e r e i n f o r c e d e o c r e t e J J o u rna l o f C o n s t r u c t i o n a l S t eel R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ， 6 2 ( 5 ) ： 5 1 3 - 5 2 0 1 3 R a ma n a G o p a l S T e s t s o n r e i n f o rced c o n c r e t e fi l l ed s t e e l t u b u l a r c o l u mn s J S t eel a n d C o mp o s i t e S t r u c t u res ， 2 0 o 4， 4 ( 1 ) ： 3 7 48 1 4 L i n H a l H a n Z h o n g T a o ， D o n g Y e Wa n g E x p e r i me n t al b e h a v i o u r o f c o n e rct e fi l l e d s t i ff e n e d t h i n w a l l e d s t e e l tub u la r c o l u mn s J T h i n Wall e d S tr u c tur e s ， 2 0 0 7 ， 4 5 ( 4 )： 5 1 7 - 5 2 7 9 2 2 l 9 3 8 9 2 3 3 4 2 3 2 2 2 2 O 9 2 3 7 O 舵 们 钙 钙 O O O O 0 O O 0 O 6 O 1 6 9 3 4 陀 3 3 3 3 3 3 3 3 7 7 7 7 7 7 7 7 X 4 4 4 4 4 4 4 4 XXX i i l l 3 3 3 3 3 3 3 3