矩形中空夹层钢管混凝土纯弯构件的试验研究.pdf

2 0 1 2年第 1 2期 铁道建筑 R a i l w a y En n e e fi n g l 5 5 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 1 5 5 0 4 矩形中空夹层钢管混凝土纯弯构件的试验研究 谢 力 ， 陈梦成 ， 黄 宏 ( 1 华东交通大 学 土木建筑学院 ， 江西 南 昌3 3 0 0 1 3 ； 2 南 昌大学 建筑工程学 院 ， 江西 南 昌3 3 0 0 3 1 ) 摘要 ： 中空夹层钢管混凝土是在 两根 同心放置的钢管夹层 中灌筑混凝土而成 的一种新型结构。本文以 空心率为主要 变化参数 ， 设计 了3根矩形中空夹层钢管混凝土和 1根矩形实心钢 管混凝土试件 ， 通过试 验研究 了其在纯弯状态下的力学性能。试验结果表明 ： 在加载过程中， 所有试件均表现 出良好的塑性性 能； 矩形 中空夹层钢管混凝土抗弯承载力较矩形实心钢管混凝土有显著的提 高； 同时用有限元方法对试 件 弯矩一跨 中挠度 曲线进行计算， 计算结果与试验结果吻合 良好。 关键词： 矩形 中空夹层钢管混凝土 纯弯试验有限元 中图分 类 号 ： T U 3 9 2 3文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 2 1 2 4 5 中空夹层钢管混凝土是在两根同心放置的钢管夹 层 中灌筑混凝土而成的一种新型组合结构。不仅继承 了普通钢管混凝土承载力高 、 塑性和韧性好的优点 ， 由 于特殊的截面形式还具有截面开展、 抗弯刚度大 、 自重 轻、 抗震性能好等特点。变换内外管的截面形式 ， 可以 组合 出多种不同种类的中空夹 层钢管混凝土 ， 本 文研 究如图 1所示矩形中空夹层钢管混凝土在纯弯状态下 的力 学 性 能 。 I I i I l 图 1 试 件截面示意 国内外 已有研究者对钢管混凝土及中空夹层钢管 混凝土纯弯构件的力学性能进行 了试验和理论研究。 陶忠等( 2 0 0 4 ) 以空心率为变化参数 ， 进行 了 5个方 中空夹层钢管混凝土纯弯构件的试验研究 。尧 国皇等 ( 2 0 0 4 ) 通过分析荷 载一变形全过程各 阶段 的力学 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 4 2 0 ； 修 回日期： 2 o 1 2 0 9 2 0 基金项 目： 国家 自然 科学 基金 ( 5 1 0 0 8 1 2 2， 5 0 9 6 8 0 0 6) ； 江西 省教 育厅项 目资助( G J J 1 0 7 0 9 ) 作者简介 ： 谢力( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 江西南 昌人 ， 实验师 ， 博士研究生 。 性能和特点 ， 提出了圆形、 方形及矩形钢管混凝土纯弯 弯矩一曲率关系全过程曲线的实用计算公式。黄宏等 ( 2 0 0 6 ) 进行了 5个圆中空夹层钢管混凝土纯弯构件 的试验研究。卢方伟等 ( 2 0 0 8 ) 通过对 3个非等壁厚 矩形钢管混凝土纯弯构件的试验研究 ， 考察非等壁厚矩 形钢管混凝土受弯构件的力学性能。于清等( 2 0 0 8 ) E s 采用有限元软件 A B A Q U S对钢管约束混凝土纯弯构件 的荷载一变形关系进行 了计算。李毅等( 2 0 0 9 ) 进行 了带肋方钢管混凝土纯弯构件的试验研究 ， 并用有限元 软件 A B A Q U S 对其工作机理进行了分析。 本文以空心率为主要变化参数 ， 设计 3个矩形中 空夹层钢管混凝土和 1个矩形实心钢管 昆凝土试件 ， 通过试验研究 ， 考察矩形 中空夹层钢管混凝土试件在 纯弯 状 态 下 的 力 学 性 能。 同 时 采 用 有 限 元 软 件 A B A Q U S对矩形 中空夹层钢管混凝土纯弯试件的受力 全过程进行计算 ， 并与试验结果进行对比。 1 试验概况 与方法 共设计了 3个矩形中空夹层钢管混凝土试件和 1 个矩形实心钢管混凝土的对 比试件 ， 对其进行纯弯试 验。具体参数见表 1 ， 其 中 。 ， D 。 ， t 。 ， B ， D ， t 分别为 外内钢管截面的宽度、 高度和厚度， 厂 v 。 ， 分别为试件 外 内钢管 的屈服强度 ； 为混凝 土的立方体 抗压强 度 ； 为试件空心率 ， =( A 一 A ) A A 为外钢管 内径所包围的面积 ， A 为混凝土截面面积 ； M 。 为试验 测得的极限弯矩 ， 为本文计算得到的极限弯矩。试 件设计时 ， 主要变化参数为空心率 。 内外钢管的制作形式 为： 先将两片切割好的钢板 放在折边机上折成槽 型， 再用坡 口对接焊缝将两个槽 1 5 6 铁道建筑D e c e m b e r ， 2 0 1 2 型钢板焊接成 矩形钢管。为确保钢管 与端 板垂直焊 接 ， 钢管两端要打磨平 整。在一端盖板上定好 内外钢 管的位置， 以确保 内外管 同心 ， 先焊 内管再焊外管 ， 另 一 端盖板待混凝土灌筑完毕后再焊上。内、 外管之间 的顶部采用钢筋支撑 ， 以免浇筑混凝土时将内管振偏。 钢材强度由标准拉伸试验确定。 采用搅拌机进行机械搅拌混凝土 ， 浇筑时将钢管 竖立 ， 从顶部分层灌人混凝土 ， 并用插入式振捣棒进行 振捣 ， 使之密实 。试件养护方法为 自然养护， 两周后凿 去混凝土表面浮浆 ， 再用高强环氧砂浆将混凝土表面 与钢管管面抹平 ， 待其硬化后打磨平整， 然后焊上上盖 板 ， 以保证钢管 和混凝 土在受荷 初期就能共 同受 力。 混凝土的水灰 比为 0 4 4 ， 坍 落度 为 7 59 0 l l l m， 其重 P ( a 1 测点布置 应 变 片 量配合 比为水 ： 水泥： 砂： 石 ： 2 1 5 ： 4 8 9 ： 5 1 7 ： 1 1 5 7 ， 采 用 中粗 砂 ， 最大粒 径 为 1 2 I T l m 的 卵石 。混 凝 土标 准 立 方体强度 由同条件成型养护的 1 5 0 mm立方体试块 测得 。 试验在华东交通大学结构试验室进行 ， 试验装置 和测点布置详见 图 2 。试验采用 四分点加载方式 ， 其 支座 之 间 的距 离 为 1 4 0 0 mm。加 载设 备 为 5 0 0 t 压 力 机 ， 用 5 0 t 压力传感器测定千斤顶所施加的荷载 ， 将所 读荷载乘 以 3 5 0 m m可得试件纯弯段 的弯矩 。在试件 跨中截面上下侧各贴一枚纵 向应变片 ， 试件左右一侧 贴 3枚纵 向应变 片， 测量试件跨 中截 面的纵 向应变 。 在 3个四分点处各设置一个百分表 ， 用来测量试件 3 个 截面处 的挠度 。 A A 图 2 测点布置及试验装置 ( 单 位 ： m 1 ) 试验采用分级加载制 ， 弹性范围内每级荷载为预 计极限荷载的 1 1 0 。当钢管屈服后每级荷载约 为预 计极限荷载的 1 1 5 ， 每级荷载的持荷时间约为 2 rai n ， 接近破坏时缓慢连续加载 。应变值通过东华 D H 3 8 1 9 数据采集系统 自动采集 ， 百分表数值人工读取。 2 试 验结果与分析 本次试验结果表 明， 所有试件均表现出延性破坏 的特征 。图 3为典型试件在各加载阶段 的变形情 况。 在加载初期 ， 试件基本处于弹性变形阶段 ， 挠度的增长 和外荷载的增长基本成正 比， 此时中截面处 的纵 向应 ( b )试验 装置 变较 小 ， 且 变 化不大 ， 表 明 中和 轴 基 本 没有 上 升 ； 当钢 管拉 区最 大纤 维应 变 达 到钢 材 的屈 服应 变 以后 ， 试 件 变形 的增长速度要快于外荷载 的增加速度 ， 试件进入 弹塑性变形阶段 ； 加 载后期 ， 试件挠度急剧增长 ， 而弯 矩不再增加或出现下降 ， 纯弯段某一截面位置处形成 塑性铰 ， 此时截面受压区的钢管发生局部屈曲。 图4为所有试件 的破坏形态。试件发生破坏 时， 受压区均出现多处局部钢管外凸现象。图 5为用百分 表实测试件 b r l r 4的各测点挠度沿构件长度 的分 布， 其 中虚 线为 正弦半 波 曲线 。图 中横坐 标为试 件 上各 点 距左边支座的距离 ， 纵坐标为试件各测点的挠度 U 。 铁道建筑 能即应力一断裂能关系。单轴受压应力一应变关系则 采用刘威 ( 2 0 0 5 ) 改进的钢管混凝 土中核心混凝 土模 型 ， 核心混凝土的泊松 比 取 0 2 ， 弹性模量按 E = 4 7 3 0 MP a 计算 ， 其中 为混凝土圆柱体抗压强度。 3 ) 钢管与混凝土的界面模型 盖板与内外钢管采用壳体与实体耦合约束。内外 钢管与混凝土的界面模型由法向的接触和切 向的黏结 滑移组成。法向接触选择“ 硬” 接触模 型来模拟； 采用 库仑摩擦模型来模拟钢管与核心混凝土界面切 向力的 传递 ， 摩擦系数取 0 2 5 。 4 ) 边 界条件 采用全构件模型进行模拟计算 ， 按照试 验实际情 况对试件两端施加边界约束 ， 在 四分点处采 用位移加 载 方式施 加 荷载 。 3 2 有限元结果与计算结果对比 采用上述有限元模型对试件的弯矩 M一跨中挠度 曲线进行 了计算。图 7为有 限元计算弯矩一跨 中 挠度曲线与上述试验结果 的比较。极限弯矩 的取 值方法为： 当截面 外边缘 纤维 最 大应 变 s 在达 到 0 0 1 前 ， 构件 所承 受 的荷载不 出现 下降 时取 ,ff ： 0 O 1时所对应 的弯矩值 为 M 当出现下 降时取构件 的最大弯矩为 由图 7可以看出， 有限元计算与试 验结果符合 良好。有 限元计算和试验极限承载力都列 于表 1中， 计算值( M ) 与试验值 ( ) 之 比的平均值 为 0 9 3 3 ， 均方 差 为 0 0 7 7 。 4 结 论 1 ) 矩形 中空夹层钢管t 昆凝土纯弯试件 的承载力 较矩形实心钢管混凝土有显著的提高， 提高值在 2 0 以 上 。 2 ) 在空心率不大于0 2 3的情况下 ， 矩形 中空夹层 钢管混凝土构件的纯弯力学性能和矩形实心钢管混凝 土基本类似 ， 构件的荷载一变形关 系不出现下降段 ， 构 件具有 良好 的延性 和后期 承载力 ； 当空心率为 0 3 0 时， 钢管的局部屈曲对构件的力学性能有一定的影响， 荷载一变形关系出现较为明显的下降段。 r a b r I m m ( c )b r l r 3 ( b )b r lr 2 l l ml t al l q ( d )b r lr 4 图 7 有限元计算曲线与试验曲线 比较 3 ) 采用有 限元方法对矩形 中空 夹层钢管混凝土 纯弯构件的荷载一变形关系进行了计算 ， 计算结果 和 试验结果吻合较好。 参 考 文 献 1 陶忠 ， 韩林海 ， 郑永乾 ， 等 方 中空夹层钢管混凝土 纯弯力学 性能研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 ) ： 6 - 9 2 尧 国皇 ， 韩林 海 钢管混凝土轴压与纯弯荷载一变形 关系 曲 线实用计算方法研究 J 中国公路学报 ， 2 0 0 4 ， 1 7 ( 4 ) ： 5 0 5 4 3 黄宏 ， 陶忠 ， 韩林海 圆 中空夹 层钢管 混凝 土纯弯 力学 性能 研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 1 ) ： 1 5 1 8 4 卢方伟 ， 陈建斌 ， 李 四平 非 等壁厚矩 形钢 管混凝 土构 件抗 弯力学性 能的试验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 3 ) ： 3 1 3 4 5 于清 ， 陶忠 ， 陈志波 ， 等 钢管约束混凝 土纯弯构件抗弯 力学 性能研究 J 工程力学 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 3 ) ： 1 8 7 1 9 3 6 李 毅 ， 黄宏 ， 张安 哥 带肋 方钢管 混凝 土纯 弯力 学性 能研 究 J 铁道建筑 ， 2 0 0 9 ( 1 O ) ： l 1 3 1 1 6 7 H I L L E R A， M O D E E R N W ， MC H E N R Y P E A n a l y s i s o f c r a c k f o r ma t i o n a n d c r a ck g r o wt h i n m e c h a n i c s a n d f i n i t e e l e m e n t s J 1 9 7 6 ( 6)： 7 3 3 7 8 2 e or l c r e t e b y me a ns o f f r a c t ur e Ce me n t a n d Co nc r e t e Re s e a r c h， ( 责任 审编 王红) 声 明 尸 本刊重申： 稿件凡经本刊发表 ， 即视为作者同意授权本刊代 理其作品电子版信息有线和无线互联 网络传播 权 ； 并且本刊有权授权第三方进行电子版信息有线和无线互联 网络传播。本刊支付的稿费已包括上述 使用方式 的费用。作者如不同意 ， 请投稿时 申明。 铁道建筑 编辑部