微膨胀钢管混凝土弹塑性变形试验研究.pdf

2 0 1 3年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 1 3 3 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 7 - 0 1 3 3 0 3 微膨胀钢管混凝土弹塑性变形试验研究 葛 勇， 王起 才 ， 张戎令 ， 武庆喜 ， 左 迪 ( 兰州交通大学 土木 工程学院 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 7 0 ) 摘要 ： 通过试验研究膨胀剂对钢 管膨胀混凝土承载力及应变的影响， 确认膨胀剂能在一定范围内通过补 偿 收 缩提 高钢 管 混凝 土的 承载 力 ， 进 而研 究膨胀 剂 不 同掺 量对 钢 管 混凝 土在 加 载 情 况 下 弹 塑性 变形 的 影响规律。试验得 出： 对于钢管混凝土 ， 膨胀剂掺量有一极值 ， 而并非呈线性关 系； 掺加膨胀剂后钢管混 凝 土 构件提 高 了韧 性 ， 降低 了脆 性 ， 起 到 了“ 增韧 减脆 ” 的 作 用。 关 键 词 ： 钢 管 混凝 土 膨胀 剂 变形 中图分 类 号 ： T U 3 7 ； 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 3 0 7 4 2 钢 管混 凝 土 ( 简 称 C F S T) 结 构 在 桥 梁 上 的 应 用 ， 可 以 同时解 决拱 桥 中混凝 土 材料 的有 效应 用 和施 工架 设两大难题 ； 且钢管混凝土除具 有强度 高、 重量轻、 延 性好 、 耐 疲 劳 、 耐 冲击 等 优 越 的力 学 性 能 外 ， 还 具 有 省 工省料 、 架设轻便 、 施工快速等优越的施工性能 。因此 近年 来 ， 钢 管混凝 土 结构 得到 了广 泛 的应 用 。 钢管 混凝 土 结构 是 由混凝 土 填人 薄壁 钢管 内而形 成的一种组合结构， 其基本原理是借助钢管对核心混 凝 土的套 箍 约束作 用 ， 使 核 心混 凝 土处 于三 向受 压 状 态 ， 从而使核心混凝土具有更高 的抗压强度和更强 的 塑性 变形 能力 。本 文 通 过 在 核 心混 凝 土 中加 入 不 同量的膨胀剂 ， 研究膨胀剂掺量对钢管混凝土 的承载 力 和 弹塑 性变 形 的影 响 。 1 试验方法 1 1试 验 布置 试 验模 拟研 究 钢管 混凝 土施 工 过程 中膨 胀 剂掺 量 对 试件 承 载力 和弹 塑性 变形 的影 响 。试 验采 用精 密 万 能试验机加载 ， 能够精 确控制 到 1 0 N， 试件 钢管采用 普 通 Q 2 3 5焊 管 ， 尺 寸 为 4 02 25 0 0 ( 直 径 为 1 4 0 mm， 壁厚 2 2 m m， 高 5 0 0 mm) ， 径 长 比约 为 0 3 ， 核 心 混 凝土 等 级为 C 5 0 ， 试 件 浇 筑 过 程 中振 捣 密 实 。在试 件表面贴有纵向和环向的应变片以测量试件各变形阶 段下的应变， 试件的变形用千分表测量 ， 各元件都采用 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 1 0； 修回 日期 ： 2 0 1 3 0 3 0 5 基金项 目： 长江学者和创新 团队发展 计划 ( I R T 1 1 3 9 )； 国家 自然科 学基 金 ( 5 1 2 6 8 0 3 2 ) ； 兰州交通 大学学生 科技创 新基 金 ( D X S 2 0 1 2 0 3 4 ) 作者简介 ： 葛勇 ( 1 9 8 8 一) ， 男 ， 甘肃省会 宁人 ， 硕士研究生 。 锡焊焊接 ， 以保证接通 良好 。试件在标准养护条件下 2 8 d后 进 行 试 验 ， 试 验 中所 采 用 膨 胀 剂 为 U E A 型 膨 胀 剂 。 弹塑 性变形 试 验结束 后 ， 对试 件进 行 了压坏 试验 ， 试件膨胀剂掺量与承载力试验值详见表 1 ， 承载力试 验布 置如 图 1 。 表 1膨胀剂掺量及承载 力 图 1承载力试 验布置 表 1极限承载力为试件破坏时所受力 的大小 ， 鼓 胀承载力为试件受力后表面钢管刚出现鼓胀时所受力 的大小 ， 每组试验相同试件都取两件 ， 最后的承载力取 其平均值 。 铁道建筑 1 2变形 试验 加载 机制 试验 过程 中分 级 加载 ， 各 级 荷 载 占试件 设 计 承 载 力 的 5 左 右 ， 分 8次加 载完 成 ， 总 荷 载 占设 计 承载 力 的 4 0 左右 ， 确保 试件 处于 弹性变 形范 围内。加 载时 试件两头垫两块 1 0 m m厚 的方钢板 ( 如 图 2 ) ， 确保钢 管和核心混凝土同时均匀受力。 图 2变形试验布置 每个试 件从 0开 始 加 载 ， 刚开 始 记 录初 始 的应 变 和百分表读数 ， 第一次加载到 5 0 k N， 并持荷 5 m i n ， 待 读数稳定后记录该荷载下对应 的应变读数 和变形读 数， 然后卸载 ， 等仪表读数稳定后记录读数 ， 再加载到 1 0 0 k N， 持荷 5 mi n ， 待读数稳定后记录该荷载下对应 的应变读数和变形读数 ， 然后卸载， ， 按 照每次在 前 一 次基 础上 多加 5 0 k N力 的加 载 机 制 ， 每个 试 件 一 直加 载到 4 0 0 k N。 2试验分析 在上述加载机制作用下 ， 当其他条件一定时 ， 膨胀 剂的掺量对于钢管混凝土的承载力的影响体现在发挥 了补偿 收缩 和 自应 力 ， 增 加 了核 心混 凝 土 与 钢管 接 触的密实度 ， 从而提高钢管混凝土的承载力 ， 即膨胀剂 掺量为 8 时起到最好的膨胀作用 ， 使核心混凝 土的 承 载力 最高 。见 图 3 。 l 蘧 叵 O 5 0 1 0 0 1 5 O 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 加载 力 k N 图 3 试件 总变形 曲线 对于钢管混凝土试件 ， 钢管 的承载作用不大， 只分 担很小一部分力， 钢管的主要作用是套箍作用 ， 起到对 核心混凝土的横向约束作用 ， 提高 了钢管混凝土整体 承载力 ， 而且钢管混凝土的纵向变形减小 了。 当钢管混 凝土 的承 载力 随着膨 胀剂掺 量 的变化 而 变化时 ， 钢管表面的应变随着膨胀剂掺量的的改变而 变化， 见 图4 。在一定 范围内， 膨胀 剂的掺量越 多， 钢 管 的紧 箍效应 就越 明显 ， 钢管 混凝 土 的承载 力就越 高 ， 试 件 的环 向和竖 向应力 就越 小 。 3 O 0 f 25 0 2I 2 0 0 l 5 o 髫l 0 0 5 0 0 1 O O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 加载力 k N 图 4试件环 向应变 曲线 相 比之下 当膨 胀 剂 掺 量 在 8 时 承 载力 最 高 ， 所 以膨 胀剂 掺量 在 8 时试件 表 面钢 管 的横 向和竖 向应 变都 是最 小 的。但 是超 过 这 一 范 围 之后 ， 其纵 向变 形 会 随着膨 胀剂 掺量 的增加 而增 大 ， 见 图 5 。 f b 一 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 加载力 k N 图 5 试件纵向应变 曲线 表 2为不 同膨胀 剂 掺 量 时 塑性 变 形 、 弹性 变形 占 总变形 的 比例 。从表 中大 体 看 出 ， 当膨 胀 剂 掺 量 改 变 时 ， 钢 管混 凝土 的纵 向变形 也会 变化 ， 并且 在重 复荷 载 作用 下 ， 试 件 的塑性 变形变 小 ， 而弹 性变形 能力 却有 所 增加 ， 即钢 管混凝 土 试 件 提 高 了韧 性 ， 降低 了脆 性 ， 起 到 了“ 增韧 减脆 ” 的作 用 。 表 2试件弹塑性变形 占总变形的百分比 钢 管 混 凝 土试 件 的纵 向 总变 形 与 承 载 力 变 化 相 反 ， 变形随着承载力 的提高而降低 ， 但钢管混凝土试件 的纵向弹性变形和纵向塑性变形却不同， 钢管混凝土 试件的塑性变形随着承载力 的提高而降低 ， 而其 弹性 变 形反 而增加 。也 就是 说 ， 钢管混 凝 土试件 中 ， 不 同膨 胀 剂掺量 影 响钢管 混 凝 土试 件 的脆 性 和 韧性 ， 当膨 胀 跏瑚 枷姗瑚o 如 如 如 如 如 2 0 1 3年第 7期 葛 勇等 ： 微 膨胀钢管混凝土弹塑性变形试验研究 1 3 5 剂掺量为 8 1 2 时 ， 钢管混凝土试件 的承载力 相对达到最大值 ， 其纵向变形能力相对达到最小 ， 见 图 6和 图 7。 1 6O 1 40 1 2 O 1 00 O 8 O 0 60 0 4 0 O 2 O 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 加载力 k N 图 6 试件纵 向弹性变形 曲线 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 加载力I k N 图 7 试件纵 向塑性 变形曲线 3 试验 结论 I ) 对于钢管 混凝 土 ， 并非膨胀 剂掺量越多越好 ， 而是有一个极限值 P， 当掺量 QP时 ， 其 力学性能反而随 Q的增大而降低 ， 并且这个极 限值随 膨 胀 剂种类 的不 同在 8 1 2 之 间变化 。 2 ) 膨胀 剂 能 在 一 定 范 围 内通 过 补 偿 收 缩 和 自应 力 明显提高钢管混凝土的使用承载力 ， 但对于极限承 载力的提高不太显著 。 3 ) 膨胀 剂掺 量在 一 定 范 围影 响 试 件 的应 变 ， 在 膨 胀剂掺量不超过极限值 时， 应变随着膨胀剂掺量 的增 加 而减 小 。 4 ) 钢管混凝土纵 向变形也 随膨胀剂掺量 的不 同 而改变 ， 影响规律与其对承载力 的相反 ， 在一 定范 围 内， 其纵 向变形随膨胀剂掺量的增加而降低。 5 ) 在本文 加 载机 制 作用 下 ， 钢 管 混 凝土 的纵 向 弹 性变形和塑性变形随着膨胀剂掺量的变化而变化。在 一 定范围内， 随着膨胀剂掺量 的增加 ， 试件 的塑性变形 呈下降趋势 ， 而弹性变形呈上升趋势 ， 即钢管混凝土试 件提高 了韧 性 ， 降低 了脆性 ， 起 到 了 “ 增 韧减 脆 ”的 作 用 。 参 考 文 献 1 李庚英 ， 王湛 膨胀 混凝土在钢管约束下 的力学性能 以及微 观 特征 J 四川 I 建筑科学 研究 ， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 9 6 1 2 钟善 桐 钢 管混 凝 土结 构 M 3版 北京 ： 清华 大 学 出版 社 2 0 0 3 3 韩林 海 钢管混凝 土结构 理论 与实践 M 北 京 ： 科 学 出版社 ， 2 0 0 4 4 韩林海 现代钢管 混凝土 结构技术 M 北京 ： 中国建筑 工 业 出版 社 ， 2 0 0 7 5 蔡少怀 现代钢管混凝土结构 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 03 Ex p e r i me n t a l s t ud y o n e l a s t i c - p l a s t i c de f o r ma t i o n o f mi c r o e x p a n s i o n c o n c r e t e - fil l e d s t e e l t u b e G E Y o n g ， WA N G Q i c a i ， Z H AN G R o n g l i n g ， WU Q i n g x i ， Z U O D i ( I n s t i t u t e o f C i v i t E n g i n e e r i n g ， L a n z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ex p e r i me n t s we r e c o n d u c t e d t o s t u d y t h e i n flu e n c e o f e x p a n s i v e a g e n t o n t h e b e a r i n g c a p a c i t y a n d s t r a i n p e rfo r ma n c e o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e As t h e a g e n t c o u l d，t o c e r t a i n e x t e n t ，i mp r o v e t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f CF TS v i a s h r i n k a g e c o mp e n s a t i o n，t h e p a p e r i n t e n t s t o fin d o u t t h e i n flu e n c e o f t h e a g e n t o n t he e l a s t o p l a s t i c i t y d e f o r ma t i o n o f l o a d i n g CF TS T h e r e s u l t s h o w t h a t t h e a g e n t p a r a me t e r h a s i t s l i mi t ，t h e r e f o r e i t s r e l a t i o n wi t h CFT S i s n o t a l i n e a r o n e；a t t h e s a me t i me，t h e t o u g h n e s s o f CF TS h a s b e e n i mp r o v e d，wh i l e i t s f r a g i l i t y，r e d u c e d Ke y wo r ds ： Co n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e； Ex p a n s i v e a g e n t ； De f o r ma t i o n ( 责任审编孟庆伶) 如 如 如 3 2 2 l O 【 u 、 锹掣融厦暴 E u v 掣剥匣