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劲性钢管混凝土组合柱轴压性能试验研究

放大字体??缩小字体 发布日期:2017-08-23??来源:中国钢格板网
核心提示:  基金项目:广东省自然科学基金资助项目(990565)、广东省高教厅“千百十工程”优秀人才培养基金资助项目、广州市建委科学基金资助项目(9915)。  教授,博士生导师,cvcaiscut.试验的试

  基金项目:广东省自然科学基金资助项目(990565)、广东省高教厅“千百十工程”优秀人才培养基金资助项目、广州市建委科学基金资助项目(9915)。

  教授,博士生导师,cvcaiscut.试验的试件参照广州某高层商住楼实际结构构件按1:3比例模型设计,共设计试件10根,其中圆形截面和方形截面各5根。试件高1.914m,核心71994-2015随着超高层建筑不断发展和应用,钢筋混凝土柱由于过大的柱截面尺寸制约了建筑使用功能的发挥成为一种不合理和不经济的结构形式。为了满足超高层建筑的发展,钢结构、组合结构等结构形式得到广泛应用。本文所研究的劲性钢管混凝土组合柱是结合劲性钢筋混凝土和高强钢管混凝土各自优点,以高强钢管混凝土作为核心,周围浇筑普通钢筋混凝土的新型柱构件形式。它弥补了钢结构以及钢管混凝土结构耐火性和耐久性差的缺点,充分利用钢材强度,节约了钢材。在超高层或高耸结构中,采用劲性钢管混凝土组合柱的侧向刚度大于纯钢结构,侧向位移可以显着减小。与钢筋混凝土柱相比,劲性钢管混凝土组合柱不仅强度、刚度明显加,而且延性得到极大改善,抗震性能好。另外,施工安装时核心钢管混凝土骨架本身构成一个具有一定强度和刚度的结构,可以作为浇筑外围混凝土时挂模、滑模的骨架,可以大量节省模板支撑,同时可以承担部分施工荷载1141. 23试验现象分析试验中发现,圆柱试件与方柱试件破坏部位有所不同,方形外箍对混凝土的约束较弱,仅其外箍转角部位对混凝土有约束,因而在方柱的四角产生应力集中。为试验测得的相对荷载-位移曲线(相对荷载为荷载与极限荷载的比值)。由图可见,大部分试件具有较好的塑性发展阶段,承载力也有明显的提高,显示了核心钢管对构件承载力和变形U1.能力的贡献。从图中还可以看出曲线开始进入水平+ibhshingLouse.Allngntsreserved.试验采用15MN大型长柱压力试验机进行轴向单调加载。在试件的荷载-位移曲线出现曲线段之前,采用荷载控制模式,以300kN/min的速度加载;之后改为位移控制模式,以0. 5mm/min的速度加载,直至试件破坏。

  在试件上布置了百分表和应变片以测定构件的位移和钢管、钢筋的应变(测点布置如所示,图中括号内数字表示B-B截面的应变片布置)。

  试验过程中采用PORTABLEDATALOGGERTDS-302数据采集仪测定各百分表和应变片数据12. 2试验现象及分析2.1圆柱试件的试验现象~YZ5)在加载的初期处于线1性状态,随着荷载的加,钢管与纵向钢筋先月艮,保护层混凝土开始剥落,箍筋和钢管横向明显大。在达到极限荷载的80%~95%时,试件荷载位移曲线开始进入水平段。此后,荷载加很慢,试件的位移则加很快,呈现一个明显的强化过程。在大部分箍筋屈服后,试件达到承载力极限状态,之后荷载缓慢下降。试验结束时,绝大部分箍筋达到屈服,破坏形态主要表现为试件中部外筋混凝土压碎,保护层混凝土大面积剥落,纵筋向夕卜鼓曲如(a)所示,但试件的延性较好123. 2.2方柱试件的试验现象~FZ5)在加载初期都处于线弹性状态,随着荷载的加,首先在柱头角部外箍部位混凝土出现明显纵向裂缝,之后出现2种情况:一种在试件中下部也出现纵向裂缝,随着裂缝的发展,钢管与纵向钢筋先后屈服。在达到极限荷载的90%左右时,试件荷载-位移曲线开始出现曲线段,此后,荷载缓慢加,试件的位移则迅速加,强化过程不明显1但有较长的水平段、在大部分箍筋屈月艮后试件达到承载力极限状态,之后荷载缓慢下降,试件延性较好,破坏现象主要为柱中与柱头混凝土开裂、严重剥落((b))。另一种情况(FZ3,FZ4和FZ5试件)是在柱头出现裂缝后,裂缝发展较快,柱中部裂缝发展缓慢或基本不发展。钢管先于纵向钢筋屈服,达到比例极限后有明显的卸荷现象,之后才进入较平稳的流塑阶段,破坏时箍筋基本没有屈服,延性较差。试件破坏现象主要是柱头混凝土压坏,开裂严重而导致荷载无法施加((c))。原因是FZ5为第1根试验的方柱,柱顶的加载垫块尺寸偏小,使柱头加载面角部产生应力集中,导致柱头混凝土局压破坏;FZ3则是在安装时砂浆不平,使得柱顶受力不均,柱头过早压碎231.组合柱中钢管约束内核高强混凝土形成钢管混凝试牛的好。rightSserved试件相对荷载"1立移曲线段时均有一个较明显的卸载过程,这一过程是由于外包混凝土破坏而丧失承载力,钢管和纵向钢筋先后屈服所致。对于圆箍以及配箍率较大的方箍,箍筋对混凝土的约束作用较大,外包混凝土退出工作较晚,卸载比例较小。之后钢管和纵筋的应力保持不变,外包混凝土逐渐退出工作,而钢管内核心高强混凝土仍处于应力水平上升段,因此荷载-位移曲线显示为水平或略有上升的形状。试验结束时圆柱试件和方柱试件FZ1,FZ2的大部分箍筋屈服,这也说明了箍筋在约束混凝土的横向变形,保证在保护层混凝土开裂后受箍筋约束的外包混凝土能继续与核心钢管混凝土共同工作发挥作用|2~4. 3影响组合柱轴压性能的因素3.1钢管(骨)含钢率钢管(骨)含钢率是影响钢管(骨)混凝土构件力学性能的重要因素。对于钢管(骨)混凝土构件而言,钢管(骨)含钢率越高,构件的力学性能越好。在土,其作用比普通钢骨更明显。试件YZ4YZ5和YZ3是一组其他参数相同,钢管(骨)含钢率分别为0.65%1.26%和1.18%的试件,极限承载力分别为6096kN,6751kN和6954kN.由于钢材力学性能与混凝土强度的差异,使得试件YZ3和YZ5的理论承载力比较接近,这与试验结果相吻合。由可见钢管(骨)含钢率对组合柱的影响是显着的,钢管(骨)含钢率越高,柱承载力越大,延性越3.2纵向钢筋配筋率纵向钢筋在组合柱中的作用主要表现在:一方面纵筋承担一部分的荷载,另一方面还可以与箍筋形成钢筋笼约束外包混凝土,但由于配置了核心钢管柱,纵向钢筋的影响不明显。试件YZ1,YZ2和YZ3的纵筋配筋率分别为0.72%1.08%和1.47%其余参数相同,极限承载力分别为6597kN,6845kN和6954kN;FZ1和FZ2的纵筋配筋率分别为0.85%和1.15%,极限承载力分别为7 691kN和8052kN.试验结果表明,纵向钢筋配筋率越高,柱极限承载力越大,但其影响没有钢管(骨)含钢率显着126. 3.3体积配箍率混凝土是一种脆性材料,而且强度越高,延性越差。为了改善钢管骨混凝土构件中混凝土部分的脆性性能,必须通过设置箍筋来约束外包混凝土,使之能与钢骨形成共同作用的整体不至于过早剥落而影响构件承载力。试验虽没有将配箍率作为变参数,但试验中荷载水平较大,箍筋应变发展加快;试验结束时,延性较好的试件箍筋大部分屈服,而承载力或延性表现较差的试件箍筋基本未屈服。这都表明箍筋对混凝土的横向膨胀起到约束作用,保证了试件在保护层混凝土剥落后外包混凝土仍能与核心钢管混凝土共同工作12 3.4截面形状方形截面试件箍筋的约束作用比较弱,仅在箍筋的转角处对混凝土有较大的约束作用,容易在该处产生应力集中现象;钢管外的混凝土由于受到的横向约束小,其强度也提高得不多;这些直接影响其构件的整体承载力和延性。而圆柱不存在应力集中点,箍筋约束作用大且均匀。从试验现象看,在加载达到屈服后,圆柱试件基本上都有一个强化阶段,之后荷载才开始下降,破坏在柱中截面;而方柱屈服后有明显的卸载,之后才进入较平稳的塑性变形发展阶段(见)圆柱试件的延性明显比方柱4结语本文在试验的基础上对钢管混凝土组合柱的力学性能进行了初步的探索,分析表明组合柱的外包钢筋混凝土在箍筋的拉结下,即使在部分保护层混凝土开始剥落的情况下仍能与核心钢管混凝土共同作用,保证了构件在屈服后能保持足够的强度和变形能力,具有良好的力学性能。组合柱的钢管(骨)含钢率、纵筋配筋率、配箍率等对组合柱的力学性能有明显的影响。采用圆形截面的组合柱力学性能优于方形截面。在实际应用中,应该注意选择合理的参数,并尽可能采用圆形截面形式,以充分发挥组合柱的优势。

  本文对劲性钢管混凝土组合柱进行了初步的探讨,以期为工程应用及钢管(骨)混凝土理论的完善提供资料。关于该柱的其他研究结果将在后续文章中给予报告。

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