加载方式对钢管活性粉末混凝土短柱抗压性能影响的研究.pdf

第 3 6 卷第 9 期 2 0 1 4年 9月 铁 道 学 报 J OURNAL 0F THE CHI NA RAI L W AY S 0CI ETY Vo 1 3 6 No 9 Se p t e m b e r 20 1 4 文章编号 ：1 0 0 1 8 3 6 1 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 1 0 5 0 6 加载方式对钢管活性粉末混凝土短柱 抗压性能影响的研究 罗 华 ， 季文玉 ， 闫志 刚， 李 旺旺 ( 北京交通大学 土木建筑工程 学院 ， 北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘 要 ：钢管活性粉末混凝土 的超高 强度 能有 效减小构件的截面尺寸 ， 减轻结构 自重 ， 在高 层建筑和 桥梁建设 中 都有 良好 的应用前景 。考 虑实际工程 中钢管活性粉末混凝 土结构 可能出现的其 中 2种加载方式 全截面加 载 及核心混凝土加载 ， 进行不 同加载方式对钢 管活性粉末混凝 土轴压短 柱受力性 能影响 的试 验研究 。试验 结果表 明 ， 2种加载方式 下试 件的应力发展过程不一样 ， 但极 限状 态时 钢管切 向应力 均接近 钢材 的屈 服强 度 ， 纵 向应力 均接近 0 ， 试件 的极 限承载力相差不大 ， 但套箍 作用和刚度有一定 的差异 。讨论 2种不 同加 载方式作用下 试件 的 破坏机理 、 极 限承载力公式及荷载变形情况 。利 用有 限元 软件 AB AOus建模分析并 与试验结果进 行对 比。 关键词 ：钢管活性粉末混凝土 ； 加 载方式 ； 极 限承载力 ； 荷载 一位移 曲线 ； 荷载一 应变 曲线 中图分类号 ：U2 1 4 1 8 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 - 8 3 6 1 2 0 1 4 0 9 0 1 6 Re s e a r c h o n I nf l u e n c e o f Lo a d i n g M e t h o d s o n Co m p r e s s i v e Be h a v i o r o f Re a c t i v e Po wde r Co nc r e t e Fi l l e d S t e e l Tu b e S t u b Co l u mns u n d e r Ax i a l Lo a d s LUO Hu a ， J I W e n y u， YAN Z h i g a n g， LI W a n g wa n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ：Th e Re a c t i v e Po wde r Co nc r e t e(RPC) 一 f i l l e d s t e e l t ub e s c a n d e c r e a s e t h e s i z e s o f c r o s s s e c t i o ns o f f r a m e m e mbe r s o wi n g t o t he ul t r a hi g h s t r e ngt h of RPC a nd c a n e c on omi z e t he d e a d l o a d of s t r uc t u r e Th e RPC- f i l l e d s t e e l t ub ul a r s t r uc t ur e s h a v e b r oa d pr o s pe c t s i n hi g h r i s e c o m m e r c i a l bui l d i n gs a nd b r i d ge s I n t hi s p a p e r ， t wo d i f f e r e n t l o a d i n g me t h o d s o f t h e RP C - f i l l e d s t e e l t u b u l a r s t r u c t u r e u s e d i n r e a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t s we r e pr e s e nt e d，whi c h we r e t he f ul l s e c t i o n l o a di n g a n d c o r e c o nc r e t e l o a d i ng Ex pe r i me nt a l r e s e a r c h o n i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t l o a d i n g me t h o d s t o b e h a v i o r s o f RP C f i l l e d s t e e l t u b e s t u b c o l u mn s s u b j e c t e d t o a x i a l l o a d s wa s c a r r i e d o u t An a l y s e s r e s u l t s i n d i c a t e t h a t ，wh e n t h e s p e c i me n s a r e s u b j e c t e d t o f u l l s e c t i o n l o a d i n g a n d c o r e c o nc r e t e l o a di n g r e s pe c t i v e l y ， t h e s t r e s s de ve l o p i ng pr o c e s s e s a r e d i f f e r e n t t he s t r e s s e s o f s t e e l a nd t he u l t i m a t e l oa d c a r r y i ng c a pa c i t i e s a r e s i m i l a r i n t h e l i m i t l o a di ng s t a t e a nd t he ho o pi n g e f f e c t a n d s t i f f ne s s a r e di f f e r e nt t o s o m e e x t e nt Th e f a i l ur e m e c ha ni s m a nd l oa d d i s pl a c e me nt c ur v e s o f RPC f i l l e d s t e e l t ub e s t u b c ol u m ns und e r t WO t y pe s of a x i a l l oa d i ng we r e a na l y z e d Ke y wo r d s：Re a c t i v e Po wd e r Co nc r e t e f i l l e d s t e e l t ube ； l oa di n g m e t h od； ul t i ma t e l o a d i ng c a p a c i t y； l oa d d i s pl a c e m e n t c ur ve ： l o a d s t r a i n c u r v e 钢管活性粉末混凝土( 钢管 R P C ) 具有极高的承 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 9 2 9 ； 修 回 E t 期 ： 2 0 1 4 0 1 0 3 基金 项 目 ：教 育 部 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 ( 2 0 1 3 Y J 8 0 5 6 ， 2 0 1 3 YJ S 0 6 7) 第一作者 ：罗华 ( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ， 湖南 岳阳人 ， 博 士研究 生。 Ema i l ： l 1 l 1 5 2 9 8 b j t u e d u c n 通讯作者 ：季文玉( 1 9 6 O 一 ) ， 男 ， 辽 宁北票人 ， 教授 ， 博 士。 Ema i l ： wy j i b j t u e d u c n 载力 ， 能很好地解决建筑物 、 构筑物截面过大 的问题 ， 也能增大桥梁结构的跨越能力 ， 在高层建筑和桥梁建 设 中应用广泛_ 1 。实际工程中的钢管 R P C结构的加 载形式是多样的 ， 如在钢管 R P C拱桥 中， 先架设空钢 管 ， 后 浇 筑 管 内活 性 粉 末混 凝 土形 成 钢 管 RP C拱 肋 ， 钢管中存在初应力 ； 在约束型钢管混凝土桥墩 中， 荷载 主要施加于管内混凝土。这些都与 目前大量的试验研 1 O 6 铁 道 学 报 第 3 6卷 究 中采用钢管与混凝土全截面同时加载的受力情况不 同 。本文对钢管 R P C结构中可能存在的其中 2种 加载方式对轴压构件的受力性能影响进行试验研究。 本文 仅介 绍短 柱 的试 验研 究结 果 。 1 试验简介 1 1 材 料配 比 活性 粉末 混 凝 土 通 过 提 高 材 料 组 份 的 细 度 和 活 性 ， 减少材料内部的缺 陷， 获得高强度与高耐久性 ， 能 有效克服普通高强混凝土的高脆性。活性粉末混凝土 抗弯抗拉强度高 ， 与轴心抗压强度相 同的普通高强混 凝土相 比， 采用活性粉末混凝土可以延长结构寿命 ， 降 低维护费用 ， 降低工程建设和使用 的综合造价。本文 研 究 的钢管 RP C中 ， 主 要利 用 R P C的抗 压 能力 ， 钢 纤 维对此影响不大 ， 为施工方便 和降低造价 ， R P C中不 掺加钢纤维 ， 减少石英砂掺量 ， 增加碎石比例。借鉴 已 有 试 验数据 ， 本 试验试 件 采用 R P C配合 比组成成 分 见 表 1 ， 其 水胶 比为 0 1 4 。 表 1 R P C组成成分表 k g m 。 1 2加 载方 式 加 载方式 考虑 2种 情况 全截 面加 载和核 心混 凝土加载。试验在北京交通大学 土木 工程实验 中心 5 0 0 t 的液压试验机上进行 。试件两端采用平板铰加 载 。每个试件在上下端板 两侧设置 2个 电测位移计 ， 在中截面处布设纵向及横 向各 4片 电阻应变片， 试 验 加载装置见 图 1 。试验采用分级加载 ， 每级荷 载持 荷 ： J _ d - - _上 承 力 板 LI Lt LI LLLLLL0 I 篁 挛片、 l 钢 I 777 1 传 LLLLL 暖 鲑 L L ( a )全截面加载 ( b )核心混凝土加载 ( c )加载装置 图 图 1 不同加载方式与加载装置图 时间约为 3 mi n ， 初期加 载每级荷载为预计极 限荷载 的 1 1 0 ， 钢管屈服后为 1 2 0 。使用东华 DH3 8 1 6静态 应变测量 系统采集数据 。 1 3试 件 设计 试件制作前 ， 对不同搅拌批次的活性粉末混凝土 和钢材 进行 力学性 能测 试 ， 得 出 活性 粉 末 混 凝 土 在无 侧压时的轴心抗压强度 和钢管屈 服强度 厂 ， 见表 2 。考虑加载方式和套箍系数等 因素 的影响 ， 设计 了 1 6 个试 件。所有试 件外径 D一1 3 3 mm， 长 L一4 0 0 mm， 长细比为 3 。试件主要参数见表 2 ， 其 中， 试件编 号中第一位的字母代表加载方式 ， A为全截面加载 ， B 为核心混凝土加载 ； 第二位 的数字代表钢管厚度 t ， 单 位 mm； 套箍系数 一A f A ， 。试件采用 2 O 钢材 ， 常 温养护 。 表 2试 件 主 要 参 数 表 号 f MP a A mm - A mm 试件编号 服强度 截面积 截面积 y s u c A一 6 1 A_ 6 2 吕 6 1 6 2 A一 8 1 A一 8 2 B 8 1 8 2 2破坏形态及极 限承载力推导 2 1 钢 管 R P C工作机 理 全截面加载钢管与核心混凝土受力简 图见 图 2 ， 其 中 为 钢 管 纵 向应 力 ， 为钢 管 切 向应 力 ， 为核 0 图2 全截面加载钢管与核心混凝土受力简图 心活性粉末混凝 土及 钢管 的径 向应力 ， d 。为钢管 内 2 弘 1 9 4 3 4 1 2 1 2 一 一 一 一 B 2 4 2 B 1 O 8 铁 道 学 报 第 3 6卷 种滑动受外围钢管的约束 ， 钢管混凝土 的承载力不会 突然降低 。 1的试件 ， 即试件 A一 8 ， A一 1 O ， A一 1 2 ， 核 心混凝土被剪切破坏后 ， 楔形块受到的侧 向约束较大 ， 滑动被阻止 ， 核心混凝土会在相反方 向形成第二个剪 切面。如此往复 ， 混凝土最终形成了多折剪切破坏 ， 如 A一 8 2 、 A 一 1 O 一 2等试件的钢管表面有多处鼓曲。 对于核心混凝 土加载( B式) 试件 ， 核心混凝 土单 独承担全部荷载 ， 钢管不承受荷载 ， 所有试件加载板深 陷混凝土内， 试件大多成腰鼓状鼓起。如 B l 2 2 ， 该试 件的 比较大， 核心混凝土发生塑性破坏 ， 试件呈典型 的腰鼓 状鼓起 。 由于 存 在 初始 的偏 心 及 缺 陷 ， 试 件 变 形量很大时都存在一定程度的侧移。 综上 ， 加载方式本身对试件的破坏形态影响不大 ， 主要的影响因素是套箍系数 。 比较小时， 试件表现 为 剪切 破坏 ； 比较 大 时 ， 核 心 混 凝 土 为 塑 性 破 坏 ， 试 件 成腰 鼓状 鼓起 。 3 荷载变形 曲线 睦 -A- 6-2 0 2 O 4 0 6 0 位移 m m 位移 r a m ( b )钢管厚 8mm 位移 n u n 图 ( c )钢 管厚 1 0i 1m ( d )钢管厚 1 2mm 图 5 试件荷载一 位移曲线 由图 5可见 ， A式加载试件 的荷载一 位移 曲线与常 规研究相同。A 式加载 曲线的初始斜率略大于 B式 加载曲线 ， 说明此阶段 A式加载试件的承载力略大于 B式加载试件 ， 因为 B式加载试件荷载是加在核心混 凝土上 ， 而 A式加载试 件是加在全截 面上 ， A 式加载 试件的初始刚度略大于 B式加载试件， 但相差很小或 可以忽略 ； 随着荷 载的逐渐增加， A式 加载试件与 B 式加载试件极限荷载与达到极限荷载时的极限应变均 较为接近 ， 后期强度 A式加载试件略高于 B式加载试 件 ， 但相差不大 。本试验认为加载方式对钢管 RP C轴 压 短柱 力学 性能 的影 响 不 大 ， 与 理论 分 析 得 出 的 2种 加 载 方式下 试件 的极 限承 载力相 差不 大 的结论 一致 。 3 2 钢管荷载一 纵 向应变曲线 不同钢管厚度的试件荷载与纵向应变的关系曲线 见图 6 。 ； 0 4 8 1 2 0 4 8 应变， ( 1 O 应变 ( x l 0 - 3 ) ( a )钢管厚 6mm ( b )钢管厚 8m m 0 4 8 1 2 1 6 应变 ( x l O - 3 ) ( c ) 钢管厚 1 0 m m 0 4 8 1 2 应变 ( x 1 O ( d )钢 管厚 1 2m l T l 图 6 试件钢管荷载一 纵向应变曲线 由图 6可知 ， 对 A 式 加载试 件 ， 在 初 始 荷载 阶段 ， 混凝土与钢管之间没有发生挤压 ， 钢管与核心混凝 土 共同承受纵向压力 ， 钢管处 于弹性变形 阶段 ， 荷载一 纵 向应变曲线呈线性增加 。随着纵 向应变的增加 ， 混凝 土 的侧 向膨胀 超过 钢 管 的侧 向膨 胀 ， 钢 管 处 于 三 向应 力状态 ， 进入塑性阶段后 曲线以较小 的斜率上升直至 试 验结束 。 对 B式加载试件 ， 由于荷载只施加在核心混凝土 上 ， 钢管的纵 向应变很小。在初始荷载阶段 ， 由于钢管 与混凝土接触面间的摩擦力 ， 使钢管受到不同程度的 纵向压力 ， 荷载一 纵向应 变曲线呈线性增加 ， 曲线斜率 略高于 A式加载试件。随着荷载 的增加 ， 混凝土 因内 部 出现微 裂 而 向外 挤 胀 ， 在 混凝 土 与钢 管 壁 之 间 出现 径向压力 ， 钢管横向变形的增加 引起 了纵 向变形的增 加 ， 钢管进入塑性阶段后 曲线以较小 的斜率上升直至 试 验结束 。 由于 2 种加载方式下试件 的极限状态相似 ， 试件 对 应状 态下 的纵 向变形 也相 差不 大 。 3 3 钢 管荷 载一 横 向应变 曲线 不同钢管厚度的试件荷载与横 向应变的关系曲线 见 图 7 。 由图 7可知 ， 对 A式加载试件 ， 在初始荷载阶段 ， 混凝土与钢管之间没有发生挤压 ， 钢管与核心混凝 土 共同承受纵向压力 ， 此 阶段钢管的横 向变形 由纵 向变 1 1 O 铁 道 学 报 第 3 6 卷 雪2 莹 姿1 炬 O 2 4 6 8 应变 ( x l O - 2 ) ( a )A 一 6 应 ( 1 O ( c )A一1 O 0 4 8 1 2 应变 ( x l O - 2) ( e )B一 6 0 4 8 l 2 应变 ( x l O - b ( b )A一 8 0 4 8 1 2 应变 ( x l O ( d )A一1 2 应变 ( x m- b ( D B一 8 0 4 8 1 2 0 4 8 1 2 应变， ( 1 O 应变， ( 1 0 ( g )B - 1 0 ( h )B - 1 2 +有限元 计算结果 图9 短柱荷载一 位移曲线试验结果与有限元结果对比图 差 不大 。 参考文献 ： E 1 万马 ， 赵铁军 ， 王 鹏刚 ， 等 活性 粉末 混凝 土制 备试 验研 究 J 混凝土与水泥制品 ， 2 0 1 3 ， ( 9 ) ： 2 2 2 5 WAN Ma ，ZHAO Ti e - j u n ，W ANG Pe n g g a n g ， e t a 1 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e J C h i n a C o n c r e t e a n d Ce m e n t Pr o d u c t s ， 2 0 1 3， ( 9 )： 2 2 2 5 2 刘数华 ， 刘显军 ， 张洁 基于正 交试验 的活性粉 末混凝 土配 合 比设计 J 公路 ， 2 0 1 3 ， ( 2 ) ： 1 5 8 1 6 O L I U S h u - h u a ，L I U Xi a n - j u n，ZHANG J i e Mi x De s i g n o f R e a c t i v e P o wd e r C o n c r e t e B a s e d o n O r t h o g o n a l Te s t J Hi g h wa y ，2 0 1 3 ， ( 2 ) ： 1 5 8 1 6 O 3 黄育 ， 董太群 钢管 活性粉 末混 凝土 在现代 结构 中的应 用 J 低温建筑技术 ， 2 0 0 7 ， ( 3 ) ： 4 - 5 HUANG Yu ， DONG Ta i - q u n Ap p l i c a t i o n o f S t e e l Pi p e R e a c t i v e C o n c r e t e i n Mo d e r n S t r u c t u r e J L o w T e mp e r a t u r e Ar c h i t e c t u r e Te c h n o l o g y ， 2 0 0 7， ( 3 ) ： 4 - 5 4 陈宝春 ， 黄福 云 加 载方 式对钢 管混 凝土轴 压 短柱 受力 性 能影 响的试验研究 J 铁道 学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 3 ) ： 8 2 8 8 CHEN Ba o c h u n。 HUANG Fu y u n Ex p e r i m e n t a l Re s e a r c h o n I n f l u e n c e o f Lo a d i n g M e t h o d s t O B e h a v i o r o f C o n c r e t e Fi l l e d S t e e l Tu b u l a r S t u b Co l u mn s u n d e r Ax i a l L o a d s J J o u r n a l o f t h e C h i n a R a i l w a y S o c i e t y ，2 0 0 9 ， 3 1 ( 3 ) ： 8 2 8 8 5 蔡绍怀。 现代钢管混凝土结构 M 北京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 00 3 6 韩林海 钢 管混 凝 土结 构 M 北 京 ： 科 学技 术 出 版 社 ， 2 0 00 7 韩林海 ， 钟善桐 钢管混凝土力学 M 大连 ： 大连理工大学 出版社 ， 1 9 9 6 8 J OHANS S O N M， GY L L TOF T K Me c h a n i c a l B e h a v i o r o f C i r c u l a r S t e e l- c o n c r e t e C o mp o s i t e S t u b C o l u mn s J J o u r n a l o f S t r u c t u r e En g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 ，1 2 8 ( 8 )： 1 0 7 3 1 0 8 1 9 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 1 O L U X B Un i a x i a l a n d T r i a x i a l B e h a v i o r o f Hi g h S t r e n g t h Co n c r e t e wi t h a n d wi t h o u t S t e e l F i b e r s r D Un i t e d S t a t e s ： Ne w J e r s e y I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y，2 0 0 6 1 1 李业 学 ， 谢和平 ， 彭 琪 ， 等 活性粉末 混凝 土力学性 能及 基 本构件设 计理论研 究进展 J 力 学性能 ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 1 ) ： 5 1 5 9 L I Ye - x u e ，XI E He - p i n g，P ENG Qi ，e t a 1 P r o g r e s s i n M e c h a n i c Pr o p e r t y a n d De s i g n Th e o r y o f El e me n t a r y S t r u c t u r e o f R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e( R P C) J Ad v a n c e s i n M e c h a n i c s ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 1 ) ： 5 1 5 9 1 2 KA NG - KYU C HOI A n a l y t i c a l a n d E x p e r i me n t a l S t u d i e s o n M e c h a n i c a I Be h a v i o r o f Co n f i n d C o n c r e t e F i I l e d Tu b I J - l a r C o l u mn s D U n i t e d S t a t e s ： Un i v e r s i t y o f S o u t h e r n Ca l i f o r n i a ，2 0 0 7 1 3 朱倩 ， 赵均海 ， 王娟 ， 等 基于统一 强度 理论 的钢 管活性 粉 末混凝土短柱 承载 力分 析 J 工业 建 筑 ， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 1 1 ) ： l 27 1 3 O ZHU Qi a n，ZHA0 J u n - h a i ，WANG J u a n ，e t a 1 B e a r i n g Ca p a c i t y o f RP C F i l l e d S t e e l S h o r t Tu b e Co l u mn s Ba s e d o n t h e U n i f i e d S t r e n g t h Th e o r y a n d t h e B o n d s l i p Th e o r y 口 I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n ， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 1 1 ) ： 1 2 7 1 3 0 ( 责任编辑苗蕾) 一z 0 _【 ) 挺 一 c o 【 ) 犍 0 _【 ) 枢