界面状态对矩形钢管混凝土构件抗弯性能的影响.pdf
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1、第 3 3卷第 1 期 2 0 1 6年 1月 建筑科 学与 J o u r n a l O f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo I 3 3 NO 1 J a n 2 O 1 6 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 1 5 - 0 7 界面状态对矩形钢管混凝土构件抗弯性能的影响 刘永健 , 李 慧 , 张 宁 。 ( 1 长安 大学 陕西省公路桥梁与隧道重点实验室 , 陕西 西安7 1 0 0 6 4 ; 2 西北农林科技大学 水利与建筑工程
2、学 院, 陕西 杨凌7 1 2 1 0 0 ) 摘要: 考虑钢一 混凝土界 面完全粘结和 自由滑移 2种极 限状 态, 研究矩形钢管混凝土构件受弯过程 的截面中和轴平移规律 , 并基于平截面假定, 分别给 出 2种界 面状态下构件抗 弯承载力、 抗弯刚度 的理论计算方法。同时, 针对钢管与核心混凝土界面平均粘结强度 , 分析抗弯构件在界面脱粘时的 有效受压区高度。研究结果表明: 矩形钢管混凝土的界 面脱粘导致核 心混凝土的抗 弯承载力过早 失效, 构件的整体抗弯刚度和承载力降低; 高宽比越 大, 钢管混凝土梁的整体钢管与混凝土之 间的 界 面状 态性能对构件抗 弯承载力的影响越明显 ; 实际
3、中核心混凝土在未达到极限受压强度前与钢 管发生脱粘 , 为充分利用核心混凝土的材料强度 , 应对矩形钢管混凝土的界面粘结进行构造加强。 关键词 : 矩 形钢 管混凝 土 ; 界 面状 态; 抗 弯性 能 ; 粘 结强度 ; 抗 弯承 载 力 中 图分 类号 : T U3 9 8 文献 标志 码 : A I nf l u e n c e o f I n t e r f a c e St a t e o f Re c t a n g u l a r Co nc r e t e - f i l l e d S t e e l Tu b e o n Fl e xu r a l Pe r f o r m
4、 a n c e o f Co mp o ne nt ( 1 S h a a n x i Pr o v i n c i a 1 S h a a n x i ,Ch i n a ; L I U Yo n g j i a n ,LI Hu i ,Z HANG Ni n g Ma j o r L a b o r a t o r y f o r Hi g h wa y Br i d g e Tu n n e l ,Ch a n g a n Un i v e r s i t y ,Xi a n 7 1 0 0 6 4 , 2 Co l l e g e o f Wa t e r Re s o u r c
5、e s a n d Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g,No r t h we s t A&F Un i v e r s i t y ,Ya n g l i n g 7 1 2 1 0 0,S h a a n x i ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :The a ut ho r s s t ud i e d f u l l y bo nd a n d f r e e s l i p o f s t e e l a nd c o nc r e t e whi c h we r e t he t wo k i nd s
6、 o f u l t i ma t e s t a t e ,di s c us s e d t h e ne ut r a l a x i s t r a ns l a t i on r u l e s o f r e c t a n gul a r c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t u b e c o mp o n e n t u n d e r b e n d i n g p r o c e s s ,a n d b a s e d o n t h e p l a n e c r o s s s e c t i o n a s s u mp t
7、 i o n, t h e t wo k i n d s o f c a l c u l a t i o n me t h o d a b o u t i n t e r f a c e s t a t e u n d e r f l e x u r a l b e a r i n g c a p a c i t y we r e gi v e nAt t h e s a m e t i me,a v e r a g e bo nd s t r e ngt h be t we e n s t e e l t ube a nd c o r e c o nc r e t e i nt e r f
8、a c e t o a n a l y z e e f f e c t i v e c o mp r e s s i v e z o n e h e i g h t o f t h e f l e x u r a l me mb e r wa s i n t r o d u c e d Th e r e s u l t s s ho w t h a t t h e i nt e r f a c e de bo nd l c a ds t o pr e m a t ur e f a i l u r e o f t he c or e c o n c r e t e f l e xur a l b
9、e a r i ng c a p a c i t y a nd de c r e a s e o f o v e r a l l f l e xu r a l r i gi d i t y a nd b e a r i n g c a pa c i t y of c o mpo ne n t s Th e gr e a t e r a s pe c t r a t i o i s , t he gr e a t e r i nf l ue nc e s o f t he pe r f o r m a nc e i n t e r f a c e be t we e n s t e e l t
10、ub e a nd c o r e c o n c r e t e o n t h e pe r f o r m a n c e of t he b e a r i n g c a pa c i t y of be n di n g me mbe r s a r e I n f a c t , i t m a k e s f u l l u s e o f ma t e r i a l s t r e n g t h o f t h e c o r e c o n c r e t e b y e n h a n c i n g t h e b o n d s t r e n g t h b e
11、 t we e n s t e e l a n d c onc r e t e t o, r e a c h t he u l t i ma t e c o m pr e s s i v e s t r e n gt h b e f o r e t he s t e e l c o n c r e t e i n t e r f a c e d e bo n d 收稿 日期 : 基金项 目: 作者简介: 2 O1 5 1 2 一 O 2 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 0 5 1 , 5 1 3 7 8 0 6 8 ) ; 交 通运输部建设科技项 目( 2 0 1 3 3 1
12、8 8 1 2 4 1 0 ) 中央高校基本科研业务费专项资金项 目( 3 1 0 8 2 1 1 5 1 1 0 1 ) 刘永健 ( 1 9 6 6 一 ) , 男 , 江西玉山人 , 教授 , 博士研究生导师 , 工学博士 , E ma i l : s t e e l l y j 1 2 6 c o r f l 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 刘永健, 等 : 界面状态对矩形钢管混凝土构件抗弯性能的影响 1 7 导 日 ( a ) 钢一 混凝土界面完全粘结 厶) 好冒 日 n =
13、( b ) 钢- 混 凝土 界 面 自 由滑 动 图 2 2种极 限界面状态下弯 曲中和轴变化 Fi g 2 Va r i a t i o n o f Fl e xu r a l Ne u t r a l Ax i s of TWO Ul t i ma t e I n t e r f a c e S t a t e s 变形 , 其拉应力分布逐渐呈曲线形态 , 直至为 0 , 而 钢管和受压区的混凝土仍为线性分布。为保持截面 水平方向合力平衡 , 必有 中和轴上移和弯 曲曲率增 长变快的趋势 。若钢一 混凝土界面无粘结作用而能 自由滑动, 钢管与核心混凝土将绕各 自截面的 中和 轴发生转动 ,
14、 而混凝土的极限拉应变小于钢材 , 混凝 土受拉区开裂后 , 其截面的中和轴明显上移 , 而此时 钢管截面的中和轴始终位于截面的几何形心处 。因 此 , 即使竖 向位移协同变形 , 核心混凝土与钢管 的弯 曲曲率将出现差别 , 并且混凝 土的曲率增加有变快 的趋势。核心混凝土曲率的快速增长将导致其抗弯 能力过早失效 , 而仅有钢管承受外部荷载 。可见, 当 核心混凝土与钢管之间的粘结力失效 而出现滑移 时, 构件的整体抗弯刚度和承载力将有减小趋势 。 2 抗弯承载力计算模型 参考钢筋混凝土受弯梁 的典 型裂缝 和变形过 程 , 可将矩形钢管混凝 土构件从开始受弯直至破坏 分为 3 个受力阶段
15、。各阶段的性能特征如下 : ( 1 ) 混凝土开裂前阶段 混凝土开裂前阶段 MMc , 其 中, M 为截面抗 弯承载力 。试件刚开始加载弯矩很小 , 构件截面中 和轴和形心基本重合 , 受压区高度 h 一h 2 , 截面的 应力 为线 性分 布 , 钢 管 与 核 心 混凝 土 均 处 于 弹 性受 力阶段 , 二者曲率随弯矩成 比例增大 , 当受拉区混凝 土的应变达到混凝土极限拉应变 e 时 , 受拉区混凝 土出现裂缝 , 此时试件的弯矩为开裂弯矩 Mc 。 ( 2 ) 带裂缝工作阶段 带裂缝工作 阶段 Mc M , 其 中, M 为钢 管屈服弯矩 。受拉区核心混凝土由于开裂逐渐退 出 工
16、作 , 而受压区面积逐渐减小 。钢管应力在弹性 阶 段 内持续增加 , 直至钢管边缘出现屈服 , 此时的弯矩 为钢管屈服弯矩 My 。若钢管一 混凝土的界面完全粘 结 , 则中和轴上移 , 使得钢管下边缘受拉区首先发生 屈服; 若钢管一 混凝土的界面 自由滑移, 则钢管拉 、 压 边缘同时屈服。 ( 3 ) 弹塑 性 阶段 弹塑性阶段 MM , 其 中, M 为截 面峰 值抗弯承载力 。随着弯矩的增加 , 钢管的屈服 区进 一 步增大 , 而核心混凝 土受压 区的应力趋 近于抗压 强度 厂 c 。受压侧的钢管一 混凝土界面失效可能发生 在该 阶段 , 这是 由于受 压 区 的混 凝 土 达 到
17、抗 压 强 度 而发生破坏, 导致界面粘结力降低 , 混凝土沿着钢管 内壁整体错动 , 此时的抗弯承载力达到峰值 M 。若 继续施加荷载 , 则构件仅为钢管承受弯矩 , 其抗弯承 载力无法继续显著增加。 对上述典 型阶段的控制弯矩进行推导 , 为简化 计算, 模型中钢管的本构关系采用二折线模型, 核心 混凝 土 的本构 关 系采用 R u s e h模 型 , 其 典型 的应 力一 应变( ) 曲线见 图 3 , 其 中, , 分别为钢材屈 服 应力和屈服应变 , e 为混凝土极限压应变。 ( a ) 钢 管 的应 力一 应 变 关系 J。 8I 。 8 。 8 ( b ) 核 心 混凝 土
18、的 应力- 应变 关 系 图 3材料本构模型 Fi g 3 Co ns t i t ut i v e M o d e l o f M a t e r i a l 各阶段的截面总抗弯承载力 M 可以表示为 M M + ( 1 ) 式中: M , Mc 分别为钢管和混凝土的弯矩 。 假定钢管与混凝土的界 面为完全粘结的弯矩一 曲率( ) 曲线 , 即保证受力过程是符合平截面假 定 , 则各阶段的曲率 可以根据式( 2 ) 计算 , 即 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 建筑科学与工程学报 2 0 1 6生 一 ( 2 ) 式中: 。 为各点到中和轴的距离。 2
19、 1 混 凝 土开裂 前 阶段 2 1 1 界 面 完全粘 结 图 4为界面完全粘结混凝土开裂时截面示意 , 其中, b为截面宽度 , t 为钢管厚度。此时全截 面有 效 , 钢管与混凝土均处于弹性 阶段 , 受拉区混凝土达 到极限拉应变时, M。 与 M 有如下计算关系 M 一2 E E b t ( h 一0 5 t ) + ( 矗 一 ) ( 3 ) 1 一 ( b -2 t ) ( -t ) 。 ( 4 ) 式中: e 一f E , f 为混凝土抗 拉强度 标准值 , E 为钢材弹性模量 ; E 为混凝土弹性模量 。 图 4 界面 完全 粘结混凝土开裂时截面示意 Fi g 4 S e c
20、 t i o n S c h e ma t i c s of Co nc r e t e Cr a c ki n g M o me nt of Fu l l y - bo n de d I n t e r f a c e 2 1 2界 面 自由滑动 图 5为界面 自由滑动钢管与混凝土截面示意。 对于不考虑界面粘结力 的钢管混凝土 , 相 当于钢管 与核心混凝土绕各 自中和轴弯 曲, 混凝土 的受压区 高度变为 h 2 。因此 , 钢管截 面的抗弯 承载力计算 式同第 2 1 1节 , 而混凝土在受拉 区发生开裂后的 弯矩变为 1 1 Mc 一厂 ( b -2 t ) ( 一 ) ( 5 ) f
21、 b ) 混凝土开裂前混凝土截面 图 5 界面 自由滑动钢管 与混 凝土截面示意 Fi g 5 S c h e ma t i cs o f St e e l c o nc r e t e I nt e r f a c e o f Fr e e - s l i p 在计算此时 的钢管抗弯承载力 时 , 由于在 弹性 阶段两者挠度变形相等 , 折算该 曲率对应的钢 管弹性弯矩 , Mc 与 Ms 之和即为该阶段未考虑界面 粘结 力 的抗 弯承 载力 。 2 2带裂 缝工 作 阶段 2 2 1 界 面 完全粘 结 由于混凝土开裂而退 出工作, 组合截面 的中和 轴向受压区移动 , 直至钢管受拉区下边
22、缘达到屈服 , 而受压区混凝土未达到极 限压应变, 且在此阶段不 考虑受拉 区混凝土参与受力 , 如 图 6所示, 其 中 c 为折 算 到受压 区的压应 变 。 纂 鲞 图 6 界 面 完 全 粘 结 弹 性 阶 段 截 面 应 变 示 惹 Fi g 6 S c h e ma t i c s of S e c t i o n St r e s s a t I n t e r f a c e Fu l l y - b on de d El a s t i c St a g e 该 阶段钢管截面的抵抗弯矩 Ms 为 M 一, t E b ( h -h 一0 5 f ) +( h -h 一 ) +
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