薄壁钢管混凝土短柱力学性能分析.pdf

7 2 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 3 期( 总第 1 5 3 期) 薄壁钢管混凝土短柱力学性能分析 赖伶 ( 营1：3 职业技术学院建筑工程系， 辽宁营口1 1 5 0 0 0 ) 【 摘要】 研究薄壁钢管混凝土力学性能， 本文对薄壁钢管混凝土试件进行试验 ， 结果表明薄壁钢管混凝土 具有良好承载能力和抗变形能力； a n 劲肋设置有效改善薄壁方钢管混凝土性能 薄壁钢管混凝土在工程中具有 可行性。 【 关键词】 薄壁钢管混凝土； 力学性能 ； 轴压 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 7 2 0 3 0引言 薄壁钢管混凝土柱是薄壁钢管与混凝土组合而 成的一种新型结构， 薄壁钢管混凝土柱能够充分发挥 钢材和混凝土特性 ， 具有组合结构优点 本文通过试 验研究对薄壁钢管混凝土柱静力性能进行研究 针对 薄壁板件易发生局部屈曲现象采用增设纵向加劲肋 方法改善， 并分析加肋对结构力学性能影响。 1 试件设计 、 制作及材料特性 1 1 试件设计 首先确定钢管板件宽厚比范围根据当前研究现 状表明宽厚比D t 控制在 8 0 1 0 0间较合理 试件长 度适当， 试件过长影响稳定性， 试件过短端部效应不可 忽略， 根据以上分析试验采用长宽比为 3 。试件尺寸 如表 1 所示。 表 1 试件尺寸 4结语 ( 1 ) 经楼层最大位移和层问最大位移角验算， 除少数构件外， 结构 中布置的型钢混凝土构件均满足 中震不屈服的性能设计 目标， 与连体直接相连的型钢 混凝土构件满足中震弹性要求。 ( 2 ) 在选取的三条中震水平 的地震记录、 三向 作用、 两个输入方 向作用计算完成后 ， 塔楼 A结构主 要承重墙肢未出现大面积塑性损伤， 剪力墙损伤主要 发生在连梁、 结构地上一层至地上三层及连体结构上 一 层位置； 塔楼 B结构主要承重墙肢亦未出现大面积 塑性损伤， 剪力墙损伤主要发生在连梁、 结构地上一层 一 地上三层以及相对连体结构的核心筒背部剪力墙 位置 。 参考文献 1 尧国皇， 黄用军， 宋宝东 钢框架一钢筋混凝土核心简结构的 动力弹塑性分析 J 深圳土木与建筑， 2 0 0 7 。 4 ( 4 ) 2 李云贵， 邵弘 多层、 高层建筑结构弹塑性动力、 静力分析 J 建筑结构学报 。 2 0 0 2 ， 2 3 ( 5 ) 3 庄茁， 张帆， 岑松 A B A Q U S 非线性有限元分析与实例 M 北京 ： 科学出版社， 2 0 0 5 4 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ， 建筑抗震设计规范( 2 0 0 8 年版) s 收稿日期 2 0 1 0 一 l l 一 1 9 【 作者简介 王英杰( 1 9 6 5一) ， 男， 河南禹县人， 工学硕士， 高 级工程师， 从事建筑结构设计和工程技术管理 工作。 赖伶： 薄壁钢管混凝土短柱力学性能分析 7 3 板拼焊采用熔透角焊缝形式保证焊缝质量。试件加工 时按设计要求加工 ， 同时保证钢管两端截面平整 带 肋试件将肋焊于成型板件后将钢板拼接； 采用强制式 搅拌机搅拌混凝土 ， 浇筑时将钢管竖立， 从顶部分层灌 入混凝土并振捣保证混凝土密实度 ， 使混凝土表面与 钢管表面齐平养护 ， 养护完成后焊上上端板 ， 从端板上 预留小孑 L 中注人环氧找平保证钢管和混凝 土在受荷 初期共同工作。 1 3 材料特性 钢板材料， 测定钢板屈服强度、 极限强度、 伸长率 和弹性模量； 混凝土采用分层浇注振捣 ， 管 口混凝土抹 光保持混凝土与钢管 口表面平齐。分别制作 1 5 0 m m 1 5 0 ra m1 5 0 m m标准试块养护 2 8 d进行抗压强度试 验 ， 测得平均抗压强度为 4 0 3 MP a 。 2 测试 内容 和测点布置 在试件上布置位移计 ， 安装在柱中部位移计、 测量 跨中水平位移， 安装在上、 下柱顶位移计用 以量测上、 下柱段轴向变形。在每一侧面沿柱高四分点及试件中 截面布置应变片。加劲肋分成两个屈曲半波 ， 在肋焊 接位置处未发现空鼓现象。对于未加劲试件 ， 随着荷 载增加构件呈现屈服状态， 局部屈曲达到最大荷载前 首先出现在柱一块钢板上， 其余钢板开始发生屈曲变 形； 沿柱高度方向， 屈曲发生在不同位置 ， 主要发生在 柱中部和端部 ； 钢管各个面上均向外屈曲； 局部屈曲后 变形迅速增加 ， 当试件轴向应变相对较大时出现焊缝 撕裂破坏。由于管角部圆弧过渡缘故， 在试件中部及 附近形成向外局部 凸曲， 局部凸曲发展一般较快且沿 l 6 0 o 1 2 o 0 Z 窆8 0 0 4 o 0 O E l a e +A A- 一A一1 0 5 O 0 0 l O O o 0 e It 一 A AA Al l 环向凸曲程度基本相同， 对试件破坏起决定作用。加 劲钢管混凝土局部屈曲发生一般晚于无肋钢管混凝 土且加劲肋刚度越小， 局部屈曲发展越迅速。通过对 试验过程观察对于 D t 为 8 O和 1 0 0未充分加肋试件， 板件屈曲变形均发生在试件达到极限承载力前 ， 且试 验结束后钢管屈曲变形 比充分加劲试件要大。 3 试验装置和加载制度 3 1 试验装置设计 本试验选择 2 0 0 t 液压试验机， 试件两端采用刀铰 加载模拟两端为铰接边界条件。试件两侧设置加载 板， 按预定偏心距设置条状弧形凹槽 ， 使刀铰上三角形 刀口深度略高出凹槽， 这样能够满足施加荷载为线性 荷载， 在加荷板中心处设置孔径为 2 1 m m， 深为 2 0 m m 圆孔 ， 试件两端板 中心处焊直径 2 0 m m、 长 1 8 m m 凸榫 ， 保证试验安全及准确对 中。 3 2 试验加载 试验加载分两个阶段进行， 分别为预载和极限荷 载阶段。预载使试件支撑部位和加载部位接触良好能 够进入正常工作状态。试件采用分级加载， 在试件处 于弹性变化阶段每级荷载为预计极限荷载0 1 倍 ， 当 钢管压区纤维达到屈服点后 每级荷载约为预计极限 荷载 0 0 5倍， 接近破坏时慢速连续加载至试验结束。 4 试验结果分析 4 1 轴压试件荷载变形关系分析 通过对试件进行加载， 实测荷载 一 平均纵向应变 ( N s ) 关系曲线如图 1 所示 ， 其中平均纵向应变为试 件压缩变形除以试件长度。 1 6 o 0 Z 1 2 0 0 暮 8 0 0 4 0 O O u +A一 2 - 口 一 A一 3 0 3 O 0 o 6 O o 0 9 O o 0 1 2 O 0 o - A一 2 2 +A- 3 3 -4 ) - A- 2 图 I 试件 - 系曲线 由图 1 可以看出加荷初期荷载变形曲线呈线形变 化， 构件处于弹性阶段， 随着荷载增加曲线出现弯曲， 7 4 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 3 期( 总第 1 5 3期) 此时构件进入弹塑性阶段 ， 荷载超过极限点变形曲线 呈下降趋势， 随着 D t 增大， 下降越趋于显著， 表明薄 壁钢管混凝土具有良好延性和塑性变形能力。设置加 劲肋后钢管混凝土承载能力有所提高。 4 2 试件破坏模态分析 试件破坏形态主要为压皱破坏。试件压皱后在鼓 出部位为椭圆形 ， 随着荷载增加构件进入屈服状态， 截 面钢管壁发生外鼓 ， 随着荷载增加相邻钢管壁屈曲变 形出现贯通 ， 失去承载力。试件在整个破坏过程表现 出较好 延性 。 5 薄壁钢管混凝土短柱轴压力学影响分析 5 1 加劲肋影响分析 设置加劲肋后钢管混凝土极限承载力均有较大 提高， 承载力随加劲肋刚度增加而增大。为进一步研 究加劲肋的设置对承载力影响， 定义构件 中各种材料 单独作用时承载力 ： N o = A + 厂 y A 。 ， + 。 A 。 。 式中， A o A 、 A 分别为混凝土、 钢管和加劲肋截 面面积 ， 分别为钢管和加劲肋屈服强度； 为混 凝土轴心抗压强度。 对于钢柱和未加劲钢管混凝土柱 ， 计算材料强度 和， 为定量研究钢管混凝土承载力提高程度 ， 表 2列出 计算 0 值及试验承载力计算值 。 与 0 比值 ， 。 在条件相同情况下加劲肋试件极限承载力有一 定程度提高 ： 当肋点焊在钢管内时承载力有所增加， 点 焊加劲肋能够有效改善钢管壁屈曲性能， 提高钢管混 凝土承 载能力 。 表2 薄壁钢管混凝土轴压试件 5 2 截面宽厚比影响分析 随着试件截面宽厚比增大， 荷载达到极限承载力 一 半时试件表面出现凸曲， 截面截面宽厚比越小 ， 试件 在达到极限承载力后下降段表现更加平缓。 6结语 薄壁钢管混凝土轴压短柱所有试件荷载 一纵向 位移曲线均由上升和下降段组成 具有良好承载能力 和抗变形能力， 极限承载力主要由混凝土压碎破坏控 制， 薄钢管对内填混凝土有一定约束； 截面宽厚比越 大 ， 局部屈曲出现得越早； 加载方式对薄壁方钢管混凝 土轴心受压时的极限承载能力有重要影响， 当薄壁钢 管和核心混凝土共同受力时能充分发挥这两种材料 优点， 承载力具有一定较高。 参考文献 1 韩林海 钢管混凝土结构 一 理论与实践 M 北京： 科学出版 社 ， 2 0 0 4 2 陶忠， 于清 新型组合结构柱 一 试验、 理论与方法 M 北京： 科学 出版社 ， 2 0 0 6 3 G B 5 0 0 8 1 2 0 0 2 、 2 0 0 3 ， 普通混凝土力学性能试验标准 S 4 G B 5 0 0 1 0- 2 0 0 2 ， 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 收稿 日期】 2 0 1 01 1 2 2 作者简介】 赖伶( 1 9 6 1 一) ， 女， 辽宁营日人， 副教授， 从事 建筑工程技术教学及科研工作。 敬告读者 低温建筑技术 是指导我国三北地区( 东 北， 西北， 华北) 的建筑科学技术和冬期施工技 术发展的唯一综合性科技期刊。 欢迎读者踊跃投稿， 重点撰写冬施技术方 面的内容 ： 寒区多层及高层建筑设计与结构设计 建筑工程冬期施工技术 负温混凝土冬期施工耐久性问题探讨 大体积混凝土冬期施工技术 冬期施工成套技术研究 新型建筑材料在寒冷地区应用技术 建筑节能与保温隔热材料的应用技术 寒冷地 区屋面防水技术 混凝土外加剂的研究成果与应用技术 泵送混凝土在寒冷地区的应用 粘结剂在低温下的应用技术 负温下钢筋焊接技术的研究 高强与高性能混凝土在寒区的应用技术 冬期施工质量通病与防治措施 普及建筑技术与现代化科学管理