方钢管混凝土粘结强度试验研究.pdf
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1、第 2 7卷 第 1 期 2 0 1 0年 3月 建筑科 学与 J o u r n a 1 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 Vol _ 2 7 NO 1 M a r 2 0 1 O 文 章 编 号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 卜0 0 4 3 0 6 0 方钢管 混凝 土粘结强度试 验研 究 黄 一杰 , 薛建 阳 , 赵鸿铁 ( 1 同济大学 建 筑工 程系 , 上海2 0 0 0 9 2 ; 2 西安建筑科技大学 ,仵建斌 土木工程学院 , 陕西 西
2、安7 1 0 0 5 5 ) 摘 要 : 为 了得 出方钢 管混 凝土 构件 的粘 结强度 计 算公 式 , 进 行 了不 同 长 宽比 、 宽厚 比方 钢 管混 凝 土 柱 的轴心 推 出试验 , 得到 了方 钢 管混凝 土的粘 结 强度 变化 规律 ; 总 结 并分 析 了各 国相 关试 验 , 提 出 了 当核 心 混凝 土周边 的薄壁 混 凝土破 坏之 后试 件破 坏 这 一思路 , 利 用 弹性 力 学 与材 料 力 学的 相 关 理论 , 推导 了方钢 管 混凝 土粘 结强度 的半 经验 半理论 公 式 。分析 结果表 明 : 方钢 管混凝 土的 粘结 强 度 受构件 宽厚 比影
3、响较 大 , 受 长宽 比影响较 小; 所得 公 式 的计 算 结果 与 试验 值 吻 合 良好 , 为方 钢 管 混凝 土粘 结强度 计 算提 供 了新 思路 。 关键 词 : 方 钢 管混凝 土 ; 粘 结 强度 ; 影 响 因素 ; 弹性模 量 中 图分类 号 : TU3 9 2 3 文献标 志码 : A Ex pe r i m e nt a l S t u d y o f Bo nd St r e n g t h o f Co n c r e t e f i l l e d S q u a r e S t e e l Tu b e HUANG Yi j i e ,XUE J i a n
4、 y a n g ,Z HAO Ho n g t i e ,WU J i a n b i n 。 ( 1 De p a r t me n t o f B u i d i n g En g i n e e r i n g,To n g j i Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ,Ch i n a : 2,Sc h oo l o f Ci vi l En gi n e e r i n g,Xi a n Uni v e r s i t y of Ar c hi t e c t u r e a nd Te c h nol o gy,Xi a
5、 n 7 10 05 5,Sh a a nxi ,Chi na ) Ab s t r a c t :To o bt a i n t h e bo nd s t r e n gt h c a l c ul a t i ng f o r m ul a of c onc r e t e f i l l e d s q ua r e s t e e l t u be s pe c i m e ns, pu s h ou t e x pe r i m e nt s we r e c a r r i e d ou t un de r d i f f e r e n t s l e nd e r ne s
6、s e s a nd wi dt h t hi c kne s s r a t i o s,a nd t he c h a ng e pr i n c i p l e o f bo nd s t r e n gt h o f c o nc r e t e f i l l e d s q u a r e s t e e l t u be s p e c i m e ns wa s o bt a i n e d Ac c o r di n g t o d ome s t i c a n d f or e i gn e x pe r i me n t s,a ut ho r s pr o po s
7、e d t ha t whe n t h e t hi n wa l l e d c on c r e t e d a ma g e d, t h e s a mpl e wa s d e s t o r ye d Ba s e o n t hi s pr i nc i pl e, a s e m i e mpr i c a l t he o r y f or m u l a wa s d e du c e d u s i n g e l a s t i c me c h a n i c s a nd m a t e r i a l me c ha ni c s me t h o ds Ana
8、 l y t i c a l r e s ul t s s ho w t h a t bo nd s t r e ng t h o f c on c r e t e f i l l e d s q u a r e s t e e l t u be s pe c i m e n i s mo r e a f f e c t e d b y wi d t h t hi c k ne s s r a t i o,a nd i s l e s s a f f e c t e d b y t he s l e nde r ne s s The r e s u l t s o f f o r mul a
9、m a t c h we l l wi t h t h os e o f e xp e r i me nt s, whi c h p r ov i d e a ne w wa y t O c a l c u l a t e b ond s t r e n gt h of c o nc r e t e f i l l e d s q Ha r e s t e e 1 t u be c ol u m n s Ke y wor d s :c o nc r e t e f i l l e d s q ua r e s t e e l t u be;bo nd s t r e n gt h;i n f
10、l ue nc e f a c t o r;e l a s t i c mo du l u s 引 目 方钢管混凝土结构具有承载力高、 刚度大 、 抗震 性 能好 、 施 工方便 等 优点 , 是需 要大 力发展 的一种 建筑 结构 形式 。在 方 钢 管混 凝 土 结 构 实 际应 用 中 , 外力 一般 先传 到钢 管 壁 上 , 然 后 再 通 过剪 切 粘 结 力 传递 给核 心混 凝 土 。各 国相关 试 验 表 明 : 钢 管 混 凝 土粘结强度较低 , 其剪力传递长度过长 。这就会 造成 核心 混凝 土不 能达 到其设 计强 度或 者虽 然能 够 达到设 计 强度 , 但结 构不
11、 能充 分利用 , 从 而导 致钢 管 收稿 日期 : 2 0 0 9 1 2 - 0 5 基金项 目: 国家 自然科学 基金项 目( 5 0 4 7 8 0 4 4 ) 作者简介 : 黄一杰( 1 9 8 3) , 男 , 山东济南人 , 同济 大学工学博士研究生 , E ma il : 3 0 2 h u a n g y ii i e 1 6 3 c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 建筑科 学与 工程 学报 2 0 1 0车 混 凝土 这种组 合结 构 的优 势得 不到充 分发 挥 。为了 解 决这 些 问题 , 需要 对 方 钢 管 混凝
12、 土 的 剪切 粘 结 性 能做进 一步 的研究 。 到 目前为止, 各国已经开展 了一些对方钢管混 凝土粘结性能的试验研究 , 但是还存在一些问题 , 如 对影响其粘结强度的因素存在较大争议等。为此 , 本次试验对方钢管混凝土的粘结性能进行了深入的 研 究 。 1 试验概况 1 1 试 验方 案 试验在西安建筑科技大学结构实验室进行。加 载装 置 为 YE S - 5 0 0型长柱 液压 试验 机 , 极 限加 载 能 力为 5 MN。为保证构件轴心受压, 在加载之前 , 先 找出构件的中心, 以确保结果的准确性。为防止核 心混凝土发生局压破坏 , 在加载端与核心混凝土之 间放 置 1块尺
13、寸略 小 于方 钢 管 的 刚性 垫 块 , 以便 传 递荷 载 。 采用 推 出试 验 方 法 , 即外 力 首先 加 载 到核 心混 凝土上 , 通过粘结力将荷载逐步传递给钢管 , 在试件 自由端 留有一 定空 隙 , 以便 核 心混 凝 土 能够 发 生 相 对 滑移 , 见 图 1 , 其 中 , z 为构件 长度 。 主 磁 力表 座 固定 表1 钢 支座 图 1 试 验 加 载 装 置 【 单 位 : mm) F i g 1 Te s t Lo a d i n g De v i c e( Un i t : mm) 试验采用分级静力加载的方式 , 在没有发生明 显 滑移 之 前 ,
14、每 级 加 载 大 小 约 为 预 估 极 限 荷 载 的 5 。在滑移增大后 , 采用缓慢加载方式, 直至构件 破 坏 。 在试 件 的两 端设 置 千 分表 , 用 来 测量 加 载段 与 自由端 的滑移 , 在 试 验 前先 对 方 钢 管 内壁进 行 人 工 除锈 , 然后再涂抹化学药品进一步除锈 , 以保证钢管 内壁光 滑 。 1 2材料 性质 本次试 验钢 材 选用 Q2 3 5钢, 分别 在壁 厚 为 5 5 、 3 r n m 的钢管上裁取标准试件, 以测量钢材的 性 质 , 结果 如表 1 所 示 。 表 1 钢 材 性 质 Ta b1 Pr o pe r t i e s o
15、 f St e e l 壁厚 mm 弹性模量 GP a 泊松比 屈服强度 MP a 极限强度 MP a 5 5 1 95 O 2 5 2 2 9 2 4 1 8 3 0 1 82 0 2 5 3 g 8 5 4 1 3 混凝土采用商品混凝土, 强度 等级为 C 6 0 。通 过 压 预 留 的 6 块 尺 寸 为 1 5 0 f i l m 1 5 0 mm X 1 5 0 mm的混凝土标准试块, 得 出立方体混凝土的抗 压强度 标准 值为 5 9 MP a 。 1 3试验 结果 本 次试 验所得 结果 如表 2所示 。 由表 2可 以看 出 : 在 相 同长 细 比的 情 况 下 , 随着
16、钢 管 宽 厚 比的 增 大, 构件的粘结强度有较大的提高 , 而长细 比的变化 对方 钢管混 凝土 的粘结 强度 影响较 小 。 2 影 响因素 结合 本 次试 验 的结 果 及各 国相关 文献 可 知 , 构 件的宽厚 比、 含钢率、 内壁粗糙程度等是影响粘结强 度 的主要 因素 , 而混 凝 土 强度 等 级 、 长 宽 比、 钢材 强 度等是影响粘结强度的次要因素 。 2 1宽厚 比 、 根据 文献 E 4 可 知 , 方钢 管混 凝土 的宽厚 比对其 粘 结强度 有较 大影 响 , 一般 随着 宽厚 比的增大 , 方钢 管 混凝 土构件 的粘结 强度 降低 。本次试 验 5 也 验证
17、 了这一现象 , 结果如图 2所示 。估计造成这种现象 的原 因是 : 宽 厚 比越 大 , 则 钢管 径 向刚度 越 小 , 外壁 越 容 易发生鼓 曲 , 与核 心 混 凝 土之 间的粘 结 强 度越 低 , 但也并不是随着宽厚 比的增大 , 粘结强度无限降 低 。 由文献 E 6 可 知 : 当宽厚 比达 到 5 0时 , 随着 宽厚 比的增大 , 方 钢管 混 凝 土构 件 的粘 结 强 度 变化 并 不 明显 ; 当宽厚 比小于 2 0时 , 粘结强度增大趋势并不 明显 。 2 2 长 宽 比 相关试验口 表 明: 方钢管混凝土的长宽 比对其 粘结强度有影响, 但是粘结强度随长宽 比
18、变化 的规 律 尚不 明确 。 图3 为粘结 强度随长宽 比的变化 , 其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 黄 一杰 , 等 : 方钢 管混凝 土粘 结强度 试验研 究 4 5 表 2 方钢管混凝土构件的平均粘结强度 Ta b 2 Av e r a g e Bo n d S t r e ng t h s of Co nc r e t e - f i l l e d S qu ar e S t e e l Tub e Sp e c i me ns 试件编号 长度 ram 宽度 ram 壁厚 mm 长宽 比 宽厚 比 混凝土强度 破坏荷载 k N 平均粘
19、结强度 MP a CFST1 一 P 4 5 O 1 5 O 5 5 O 3 0 2 7 3 C6 0 1 7 5 8 6 0 7 0 1 CFS T2 一 P 4 5 O 1 5 O 3 7 5 3 0 4 0 0 C6 0 9 1 9 5 0 3 6 2 CFS T3 一 P 4 5 0 l 5 O 3 O 0 3 0 5 0 0 C6 0 4 6 3 7 0 1 8 0 CFS T4 一 P 8 2 5 l 5 O 5 5 O 5 5 2 7 3 C6 0 2 4 9 5 8 O 5 4 6 CFS T5 一 P 8 2 5 l 5 O 3 7 5 5 5 4 0 0 C6 0 1 2
20、1 5 6 0 2 5 4 CFS T6 一 P 8 2 5 l 5 O 3 O O 5 5 5 O O C6 0 8 7 8 5 0 1 81 CFS T7 一 P 1 0 5 O l 5 O 5 5 0 7 0 2 7 3 C6 0 3 3 2 2 3 0 5 6 5 CF ST8 一 P 1 0 5 O 1 5 O 3 7 5 7 O 4 0 0 C6 0 2 3 6 8 0 0 3 9 2 CFST9 一 P 1 05 O l 5 0 3 O0 7 0 5 0 0 C6 0 1 2 4 8 6 0 2 0 7 图 2 粘结 强度 随宽厚 比的变化 Fi g 2 Ch an g e s
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- 钢管 混凝土 粘结 强度 试验 研究
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