1、2 0 1 1年第 2期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 11 7 文章编 号 : 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 2 - 0 l 1 7 0 5 脱空钢管混凝土偏心受压力学性能试验研究 刘夏 平 , 唐 述 , 唐春会 , 宁运琳 , 刘爱 荣 ( 广州大学 土木工程学院 , 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要 : 本文进行 了 3 O个核心混凝土脱空的钢管混凝土偏心受压构件试验研究, 试验参数有脱空率、 偏心 率、 加载模式及构件长细比。试验过程 中记 录了试件在各级荷载下的纵向、 横向变形, 以及 中截面纵向、
2、横向应 变, 获得 了试件破坏时承受的最大荷载。试验结果表明, 核心混凝土脱空降低 了钢管混凝土极限 承载力, 脱空率越 大, 极限承载力越小; 偏心率越大, 极限承载力也越 小; 在脱 空一侧加载较之在 非脱空 一 侧 加 载 的极 限承载 力 小 ; 脱 空对 长柱极 限承 载力影 响 比短柱 小。 关键词 : 钢管混凝土 脱空 偏心受压 力学性能 试验研究 中图分 类 号 : T U 3 9 2 3文献 标识 码 : B 由于钢管混凝土具有承载能力高 , 抗震性能突出, 自重轻, 施工方便 , 造 价经济等优点 , 目前 已在 工程结 构 中得到了广泛 的应用 。 。根据钢管与混凝 土的
3、黏 结状态 , 钢管混凝土的工作状态可以分为 : 钢管与核心 混凝土径 向挤压、 径向临界和径向脱空 。大量钢管 混凝土拱桥的应用实践表明, 钢管混凝土拱肋 中钢管 与混凝土之间常常出现脱空现象 , 这是一种危险的 病害 , 往往导致结构变形加大, 极限承载能力降低 。目 前工程界对拱肋混凝 土脱空的原因和分类已开展 了研 究 , 对核心混凝土脱空后 的钢管混凝土力学性能研究 也取得了一些成果 。但研究工作远落后于工程实 践的需要 , 其 中对脱空钢管混凝土的试验研究还较少 , 且基本限于轴心受压构件的试验研究。 偏心受压构件是工程结构 的基本构件 , 准确掌握 脱空后的偏心受压钢管混凝土柱的
4、力学行为和破坏机 理 , 是研究和评估脱空后 的钢管混凝 土结构力学性 能 的基础。为此, 本文首次开展 了考虑脱空 率 ( 脱 空率 = ( 核心混凝土面积 一脱空面积) 核心混凝土面积) 、 偏心率 、 加载模式及构件长细 比等多参数 的脱空偏心 受压钢管混凝土柱承载力试验研究 , 观察 了脱空偏心 受压钢管混凝土试件的破坏形态 , 记 录了试件在各级 荷载下的纵向、 横向变形 , 以及中截面纵向、 环向应变 , 获得了试件破坏时承受 的最大荷载 , 分析 了核心混凝 土脱空对偏心受压钢管混凝 土力学性能的影 响, 初步 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 8 - 2 5 ; 修 回日期
5、: 2 0 1 0 1 1 - 1 2 基金项 目: 国家 自然科 学基金项 目( 5 0 9 7 8 0 6) ; 广东 省 自然科 学基金 项 目( 9 1 5 1 0 6 5 0 0 4 0 0 0 0 0 2 ) ; 广州市建设科技计划项 目( 2 0 0 6 1 7 ) 资助 。 作者简介 : 刘 夏平( 1 9 5 9 一 ) , 女, 广西陆川人 , 副教授。 揭示了各参数对钢管混凝土偏心受压力学性能的影响 规律 , 为进一步开展相关研究提供 了科学依据。 1 试验模型设计 试验设计了 3 0个试件 , 其 中 2 4个短柱试件 , 6个 长柱试件。脱空形状与范围按断面为弓形的通
6、长缝考 虑( 见 图 1 ) 。考虑到实际工程 中脱空位置出现的可能 性 , 试验中按图 1的 A式和 B式两种方式加载。 钢管采用 Q 2 3 5焊管 , 外直径为 1 6 8 m m。短柱试 件长 5 0 0 m m, 长柱试件长1 0 0 0 m m, 管内灌浇 C 5 0混 凝土。试件的套箍指标按 C E C S 2 8 : 9 0规程 。 。 计算 结果为 0= 1 1 9 5 。钢管脱空 由加垫钢板形成 , 钢板待 混凝土浇筑 5 h后抽 出, 留下断面为 弓形 的通长脱空 缝 隙 。 采用 4 2 5普通硅酸盐水泥 , 粒径 0 52 0 e m的 碎石 , 以及河砂和 自来水拌
7、制混凝土 ( 水 泥: 砂: 碎石: 水 =1 : 1 3 7 : 2 5 4 : 0 4 5 ) , 混凝土从钢管顶端灌人 , 用 振捣棒插入振实, 每次填人混凝土层 的厚度为 2 5 3 5 e m, 最后用水 泥砂浆将 柱顶抹平 。试件采 用 自然养 护 , 管内混凝土强度由同条件成型养护并 与试件同龄 期的 1 5 0 m m1 5 0 mm1 5 0 m m立方体试验确定。 钢材强度 由钢管上切割下来的标准试条经单轴拉 伸试验给出 , 屈服强度为 3 3 0 M P a 。实测混凝土立方 抗压强度为 5 6 MP a 。 2 试验装置与试验方法 试验装置见 图2 。全部试件均在 Y
8、E 5 0 0 A液压式 压力试验机上进行加载。荷载通过设于试件两端的刀 铰和 3 0 m lT l 厚 的加载板传递。为保证 钢管与混凝土 1 1 8 铁道建筑 共同均匀受力 , 在试件两端均 以2 0 m m厚的端板与钢 管 焊牢 。 试验采用分级单调加载。初始阶段 , 每级为极限 荷载的 1 1 51 1 2 , 在 总荷载 大约超过极 限荷 载的 5 0 以后 , 每级减少为 1 2 51 2 0极限荷载。每级持 载 2 3 m i n 。在大约 0 8倍极限荷 载以后 , 则采取慢 速连续加载 , 并连续记录读数 , 以捕捉极限荷载时的应 变和挠度。当荷载达到最大值时( 该荷载定义为
9、极限 荷载) , 试验机压力表指针开始 回转后 , 仍继续 向试验 脱空 ( a ) A 式 ( b ) B 式 ( a ) 试验装置 注 : e 为加载偏心距 ;N为加载力。 图 1 加载方式 机油缸送油 , 并连续记录下位移、 应变和荷载读数 , 直 到荷载一位移曲线 已明显下降或变形过大 , 无法继续 加载后停止试验。 试件纵向应变的量测采用两种方式 , 一是采用在 试件中部纵 向黏贴应变片测试 , 另外采用千分表测试 件顶端的变形。试件纵向分四段三点用千分表量测试 件的侧 向挠度 , 每测点采用一对相向千分表。试件中 截面沿环向等距离黏贴 8个应变片 , 应变片采用相互 垂直的双向电阻
10、应变片, 测点布置见图 3 。 ( b )实物 图 2 试验装置及实物照片 3 试验结果与分析 试验结果表明 , 中截面在不同的荷载阶段, 基本上 保持平面, 试件的横向变形 曲线近似为半波正弦曲线 , 脱空率、 偏心率以及加载模式均对钢管混凝土受力性 能有相当的影响。 3 图 3 应变片 布置 3 1 荷载一 挠度 曲线 图 4为部分试件的荷载一挠度 曲线。从图 4可看 出, 各试件荷载一挠度曲线与脱空率 、 偏心率 、 加载模式 及长细比有关, 一般由线性增长、 非线性增长和水平发 展三个阶段组成。曲线水平发展阶段通常较长, 说明脱 空后的偏心受压钢管混凝土构件还具有 良好的延性。 一2
11、0 2 4 6 8 1 O 1 2 1 4 1 6 - 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 横向位移6 mm 横向位移6 m m 横向位移 m m ( a ) 短柱不同脱空率 ( b ) 短柱不同偏心距 ( c ) 长柱 图 4 荷 载一挠度 曲线 总体来说, 在加载初期的线性增长阶段混凝土脱 空对曲线的影响不大 ; 在加载的后期 , 在同样的荷载作 用下 , 脱空率越大, 挠度越大 ; 偏心率越 大, 挠度越大 ; A式加载比 B式加载的挠度要大。 3 2纵 向应变 图 5为部分试件的中截面最大压应变的荷载一最 大纵
12、向应变曲线 , 曲线一般也是由线性增长、 非线性增 长和水平发展三个阶段组成 , 水平发展阶段通常较长, 再次说明脱空后的偏心受压钢管混凝土构件还具有良 好的延性。 根据单轴 拉伸试 验 的结果 , 钢 材的屈 服应变为 1 4 X 1 0, 如忽略双 向应力场 的影响, 所有试件在停 止试验时, 中截面钢管最大压应力均已达到屈服。 图 6为部分试件的荷载一纵 向应变曲线 。图 6的 s 和 s 为试件 中截 面主弯 曲面 上左右两 测点 的应 变 , 占 为中截面形心处的纵 向应变 ( 即钢管表面实测 纵向应变的平均值) 。 2 0 1 1年第 2期 脱空钢管混凝土偏心受压力学性能试验研究
13、1 1 9 茧 2 铺 拒 2 辅 姆 8 0 6 0 4 0 2 0 O O 8 O 6 0 4 0 2 0 0 1 2 3 4 5 纵 向应变, 1 O 一 图 5 中截面荷载一最大纵 向应变 曲线 S 1 - 、 一 1 2 ff 8 0 4 0 : 1 1 0 5 7 0 3 5 l 0 1 2 3 4 - 1 0 1 2 3 4 应变, l 0 一 应变, 1 0 ( a ) S e h A- 2 0 4 ( b ) S e h A一 2 0 - 1 2 图 6中截面荷载一纵 向应变 曲线 3 3 极 限承 载 力 试件所承受的极限荷载也称为极限承载力, 其实测 结果见表 1 。表
14、1中的极 限荷 载计算值 按下式计 算 = N0 1 其中, N 。=A e f c +2 A s , 。 式中, 0 为短柱轴压极 限承载能力 ; 为考虑偏心率 的极限承载能力折减系数 ; A 为核心混凝 土的横截面 积, 不考虑脱空 的影 响; A 为钢管 的横截 面面积 ; f 为混凝土的抗压强度; 为钢管的屈服强度; e为初始 偏心距 ; 为管 内混凝 土半径 。从 表 1可 以看 出, 混 凝土的脱空会降低钢管混凝土极限承载力 , 同时 , 脱空 后 的钢管混凝土极限承载力与偏心率、 加载模式及长 细 比等参 数有关 。 4 极 限承载 力的参数 分析 4 1 脱 空率影 响 表 1
15、的数据显示 , 核心混凝土脱空率对钢管混凝 土极限承载力有较大的影响, 脱空率越大 , 极 限承载力 降低越多, 说明随着脱空率的增大 , 钢管对核心混凝土 的套箍作用不断削弱。 图7和图 8分别为偏 心距 为 2 0 m m 时短柱试件 的脱空率与承载力关系曲线和脱空率与承载力折减系 数曲线 , 从 图中可看出, 脱空率与承载力之间呈非线性 关系, 脱空率较小时, 承载力随脱空率增大而降低的速 度较快 ; 脱空率较大时, 承载力随脱空率增大而降低的 速度减缓。 与文献 8 的脱空轴 心受压 钢管混凝土 短柱相 2 柱 8 0 7 0 6 O 5 0 4 0 3 O 2 0 1 O 0 0 搽
16、 j 辖 R 郴 皤 图 7 脱空率一 承载力 曲线 图 8 脱 空率一 承载力折 减系数 曲线 比, 当脱空率较小 ( 脱空率在 2 以下 ) 时 , 脱空率对钢 管混凝土极限承载力影响程度, 偏 压构件与轴压构件 相 当; 当脱空率较大 ( 脱空率达 3 4 7 以上 ) 时 , 脱空 率对钢管混凝土偏压构件极限承载力影响程度降低 , 即在同样脱空率下, 脱 空的偏心受压钢管混凝 土极 限 承载力 比脱空的轴心受压钢管混凝土极 限承载力折减 要少 , 而且脱空率越大, 偏压构件比轴压构件因脱空导 致的极限承载力折减越小 。 4 2偏 心 率影 响 图 9和图 1 O分别是脱空率为 0 6
17、8 ( 脱空高度为 4 m m) 的短柱试件的偏心率一承载力曲线和偏心率一 承载力折减系数曲线。从图 9可看出, 脱空后的钢管混 凝土极限承载力随偏心率增大而降低 , 但从 图 1 0的承 载力折减系数曲线来看 , 偏心率对承载力折减系数的影 响较小 , 表明当脱空率为 0 6 8 时, 因核心混凝土脱空 引起的承载力折减随偏心率的改变而变化较小。 偏心率 注 : 脱空率: O 6 8 ; L I D = 3 图 9 偏心率一 承载力曲线 4 3加载模式影响 从上述图7至图 1 0可看出, 钢管混凝土短柱因脱 空引起的极限承载力降低 , A式加载比 B式加载程度 严重。当偏心率为 0 2 5
18、3时 , B式加载 比 A式加载 的 1 2 0 铁道建筑 F e b r u a r y , 2 0 1 l 注 : 试验编号 S 为短柱 , “ L 为长柱 , “ A ” 为 A式加载 , “ B ” 为 B式加载 ; 试件编号中的第一 个数字为初始偏心距 e ( mm) , 第二个数字为脱 空 高度 ( mm) ; 承载力折减 =( 极 限荷载计算值 一实测极限荷 载平均值 ) t lt ll 1 6 7 i I tl l c tl i ;承载力折减系数 卢 =1一承载力折减 。 籁 1 Il 5 键 R 徭 偏心率 注: 脱空率= O 6 8 , L I D =- 3 图 1 O 偏
19、心率一承载力折减系数 曲线 承载力约大 1 0 左右 ; B式加载比A式加载的承载力 增加量还与偏心率有关 , 当脱空率 = 0 6 t t , 偏心率 e =0 2 5 3 0 7 5 9时, B式加载 比 A式加载 的承载力约 大 4 9 左右 。 4 4 长 细 比影 响 从表 1 可以看出, 脱空的钢管混凝 土长柱极 限承 载力比短柱小 。脱空率 、 偏心率 、 加载模式对脱空的钢 管混凝土长柱极限承载力均有影响, 且影 响规律与短 柱相似 , 但总体来说 , 影 响比短柱小 , 所有长柱试 件的 承载力折减均在 8 以下 , 远小于短柱试件的承载力 折减量 。 5 结论 通过 3 0
20、个脱空钢管混凝土偏心受压构件试验研 究 , 可以初步得出以下结论 : 1 )脱空钢管混凝土偏心受压构件 中截面在不同 2 0 1 1年第 2期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 1 21 文 章编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 2 - 0 1 2 1 - 0 4 圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱工作机理的研究 黄 宏 , 杨 超 , 张安哥 ( 华 东交通大学 土木建筑学院 , 南 昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘要 : 利用有限元软件 A B A Q U S建模 , 计算 了圆钢 管混凝土受不等端弯矩偏压 时的荷载一
21、变形全过程 关 系曲线 , 计算结果与试验结果符合 良好。在验证 了有限元软件对此类构件模拟的正确性基础上, 对此 类构件 的工作机理进行 了分析 , 并考察 了端弯矩比、 偏心距、 长细比、 名义含钢率、 钢材和混凝土强度对 圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱力学性能的影响规律。研究表明, 端弯矩 比对构件受力性能有显著影 响 ; 偏心距、 长细比、 名义含钢率、 钢材和混凝土强度对构件 的影响与其对等端弯矩偏压柱的影响类似。 关键词 : 圆钢管混凝土 不等端弯矩 有限元承载力 机理 中图分类 号 : T U 3 9 2 3 文献标 识码 : B 圆钢管混凝土具有承载力高 、 延性好等优越的力 学
22、性能 , 还具备施工方便及造价经济合理等工程优点 , 近年来在高层建筑和桥梁中得到广泛应用。实际结构 工程中, 一般钢管混凝土构件均为偏 心受压状态 , 因 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 9 0 1 ; 修 回日期 : 2 0 1 0 - 1 1 - 1 0 基金项 目: 国 家 自然 科 学 基 金 ( 5 1 0 0 8 1 2 2) ; 江 西 省 自然 科 学 基 金 ( 2 0 0 9 G Z C 0 0 2 3 ) 作者简介 : 黄宏( 1 9 7 7 一 ) , 女, 江西樟树人 , 副教授 , 博士。 此 , 对钢管混凝土偏压构件进行研究具有实际工程意 义。对于钢管混凝土
23、偏压柱 , 根据顶端和底端弯矩的 异同, 可分 为等端 弯矩偏 压柱和不等端弯矩偏压柱。 本文拟对圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱进行研究。 以往针对 圆钢管混凝土等端弯矩偏压力学性能的 研究较多 , 而对其不等端弯矩偏压力学性能 的研究 则相对较少 。其 中, 刘殿忠 进行 了 2 7个 圆钢管 混凝土柱的不等偏压试验研究 ; 蔡绍怀和顾维平 进 的荷载阶段基本上保持平面 , 脱空后的偏心受压钢管 混凝土构件还具有 良好的延性。 2 )在加载的初期 , 混凝土脱空对构件横 向变形影 响不大; 在加载的后期 , 同样 的荷载作用下 : 脱空率越 大, 挠度越大; 偏心率越大 , 挠度越大; A式加
24、载比 B式 加载的挠度要大。 3 )核心混凝土脱空会 降低钢管混凝土偏压构件 极限承载力, 脱空率越大 , 极 限承载力 降低越多 , 脱空 率与承载力之间呈非线性关 系; 脱空后的钢管混凝土 极限承载力随偏心率增大而降低 , 当脱空率较小时, 因 核心混凝土脱空引起的承载力折减随偏心率 的改变而 变化较小; 钢管混凝 土短柱因脱空引起 的极限承载力 降低程度 , A式加载比 B式加载严重 ; 脱空对长柱极限 承 载力 的影 响远 比短柱 小 。 参 考 文 献 1 陈宝 春 钢 管混 凝 土 拱 桥 M 北 京 : 人 民交 通 出版 社 , 20 07 2 韩林海 钢管混 凝土结 构理 论
25、与 实践 M 北京 : 科学 出版社 , 2 0 0 4 3 钟善桐 钢管混凝土结构 ( 第 3版 ) M 北 京 : 清华 大学 出 版社 , 2 0 0 2 4 R O E D E R C W C o m p o s i t e a c t i o n i n c o n c r e t e fi l l e d t u b e s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g , 1 9 9 9 , 1 2 5 ( 5 ) : 4 7 7 4 8 4 5 陈宝春 钢管 混凝 土拱 桥应 用与研 究 进展 J 公
26、 路 , 2 0 0 8 ( 1 1 ): 5 7 6 6 6 涂光 亚 , 颜东煌 , 邵 旭东 脱粘对 桁架式 钢管混凝 土拱桥受 力性 能的影 响 J 中国公路学报 , 2 0 0 7 , 2 0 ( 6 ) : 6 1 - 6 6 7 孙 庆新 , 杨冬波 基 于 A N S Y S的脱空 钢管混 凝土拱 桥极 限 承载能力分 析 J 华 中科技 大学学报 ( 城市 科学 版) , 2 0 0 9 , 2 6 ( 2 ) : 4 7 5 1 8 杨世 聪 , 王福敏 , 渠平 核心混凝 土脱空 对钢管混凝 土构件 力学性 能的影响 J 重庆交 通大学 学报 ( 自然 科学版 ) , 2 0 0 8 , 2 7( 3) : 3 6 0 3 6 5 9 叶跃忠 混 凝土 脱粘 对钢 管混凝 土 中、 低 长柱 性能 的影 响 J 铁 道建筑 , 2 0 0 1 ( 1 0 ) : 2 5 1 0 中国工程建设标准化协会标准 C E C S 2 8 : 9 0 钢管混凝土 结 构设 计与施工规程 S 北京 : 中国建筑 工业 出版社 , 1 9 9 0 1 1 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 M 北京: 人民交通出版 社 , 2 0 0 7 ( 责任审编 白敏华)