方钢管再生混凝土组合短柱的承载力计算方法探讨.pdf
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1、安徽建筑 2 0 1 5年第 3期( 总 2 0 3期 ) D OI : 1 0 1 6 3 3 0 j c n k i 1 0 0 7 - 7 3 5 9 2 0 1 5 0 3 0 7 2 方钢管再生混凝土组金 的丞 篁 法 过 Di s c u s s i o n a b o u t B e a r i n g Cap a c i t y Ca lc u l a t i o n Me t h o d o f R e c y c l e d Co n c r e t e F i l l e d Sq u a r e S t e e l Tu b e Co l u mn s 纵 超 ( 华侨
2、 大 学 厦门 工 学 院, 福 建 厦 门 3 6 1 0 0 0 ) 摘 要 : 通过简述方钢管再生混凝土短枉的研究现状, 进而分析国内 外规 范关于钢 管再 生混凝 土短 枉的计算方法 , 给 出方钢 管再 生混凝 土 组合短柱 受压 的实用计 算公 式。 关键词 : 方钢管; 再生混凝土; 组合短柱; 计算方法 中图分类 号: T U3 9 2 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 5 ) 0 3 - 0 1 5 9 - 0 3 0 前言 目前, 对普通钢管混凝土短柱的轴压承载性能的研究已经 比较深入了, 但是对于钢管再生混凝土组合短柱的
3、研究仍然少 见报道 , 尤其是关 于钢管再生混凝 土组合短柱的承载性的研究 更是非常有限。实验表明, 再生混凝土的取代率对于方钢管再 生混凝土轴压短柱的承载性能有很大的影响, 随着再生混凝土 取代率的提高 , 核心混凝土强度不断降低, 而方钢管再生混凝 土组合短柱的轴压承载力也是呈降低的趋势。 因此在推导方钢 管一再生混凝土轴压短柱的承载公式的时候必须引入混凝土 取代率这个参数。同时, 套箍系数也是影响方钢管再生混凝土 轴压承载力的一个重要因素。随着套箍系数的增加, 核心混凝 土的强度随之增加 , 因而方钢管一再生混凝土的承载力也随之 增加。 本文结合已有的各国的规范当中关于普通混凝土短柱轴
4、压承载力的计算方法, 并考虑到再生混凝土取代率及套箍系数 的影响, 探讨方钢管再生混凝土组合短柱的轴压承载力的计算 方法 。 1 国 内外研究概况 E l 本、 美国和欧洲等发达国家对废弃混凝土资源化的研究 较早, 主要集中在对再生骨料和再生混凝土基本性能的研究上, 并已有成功应用于刚性路面和建筑结构的例子。近年来, 国内 的一些专家学者在这方面进行了一些基础性研究 , 并在住宅楼 中初步应用再生混凝土。研究结果表明: 与相同配合比的天然 骨料混凝土相 比, 再生混凝土具有水灰比大、 表观密度小 、 孔隙 多 、 强度和弹性模量低 、 收缩和徐变大、 流动性差等缺点, 且技 术上缺少较完善的再
5、生骨料和再生混凝土技术规程或标准, 因 此还 只能在一些 次要结构或非承重结构 中应用, 极 大地阻碍 了 再生混凝土在实际结构中的应用。此外, 与普通混凝土相比, 再 生混凝土具有 自重轻、 导热系数小和脆性低等优点。通过对国 内外大量文献的分析与研究, 对各国再生混凝土技术开发与研 作 者简 介 : 纵 超( 1 9 8 4 一) , 男 , 安徽 淮北人 , 毕 业于华 侨大 学 , 硕 士 ; 助 教 , 主要从 事结构工程 专业的教 学工作。 究的进展进行了综述, 主要包括: 再生骨料的生产工艺; 再生混 凝土的配合比; 再生混凝土的物理性能; 再生混凝土耐久性 ; 再 生混凝土抗拉
6、强度、 抗压强度、 坍落度、 表观密度等基本性能及 再生混凝土结构的性能等。同时, 提出了再生混凝土结构技术 需要进一步研究的课题。 K o n n o 1 】埘 等研究了钢管约束再生混凝土构件的力学性能, 并与钢管约束普通混凝土构件进行了比较, 进行了理论分析。 试验共进行了包括钢管约束普通混凝土在内的 1 0个试件的研 究, 混凝土的强度从 1 7 2 M P a 4 9 7 M P a 。研究结果表明, 钢管约 束再生混凝土构件的力学性能与钢管约束普通混凝土类似, 且 具有良好的延性, 但该类构件在刚度和承载力方面有降低的趋 势, 分析认为主要原因是再生混凝土的强度和弹性模量都低于 相同
7、配合 比的普通混凝土。 福州大学杨有福教授p 课题组为了全面考察钢管再生混凝 土构件在一次加载下的静力性能, 先后做了一系列的试验研究, 包括钢管混凝 土轴压短柱试验 、圆钢 管再 生混凝 土柱试 验 、 钢 管再生混凝土 纯弯 构件试验 , 分析 比较 了方形 截面和圆形截 面 在不同的粗骨料取代率下,钢管再生混凝土的荷载 一变形关 系、 强度承载力以及柱的偏心矩 、 梁的弯矩和扰度等因素的变 化规律。研究表明, 钢管再生混凝土构件与钢管普通混凝土构 件的力学性能类似, 但由于再生混凝土的强度和弹性模量低于 相同配合比的普通混凝土,致使钢管再生混凝土构件的承载 力、 轴压短柱弹性模量和纯弯构
8、件刚度均低于相应的钢管普通 混凝土构件。 另外长期荷载作用下钢管再生混凝土构件的变形 特性试验|4 1 的结果表明, 钢管再生混凝土中核心再生混凝土的 收缩变形特性和长期荷载作用下的纵向变形随时间变化规律, 与相应钢管普通混凝土类似, 但其值总是前者高于后者。 吴波等日 通过 1 7根试件的轴压试验, 考察钢管再生混合短 柱与钢管混凝土短柱的 7 d和 2 8 d轴向受力行为,比较二者的 刚度、 强度和延性。根据国内外钢管混凝土结构设计标准, 对试 件的抗压承载力进行计算, 基于计算结果与试验结果的对比, 建 议钢管再生混合短柱的抗压承载力计算公式。研究结果表明: 虽然钢管再生混合短柱采用了
9、3 2 3 5 的废弃混凝土, 但 其轴向受力性能却与全现浇钢管混凝土短柱相当; 根据我国 标准 J C J O l 一 8 9给出的钢管再生混合短柱的抗压承载力计算结 果, 与试验结果吻合较好。 2 各国规范中普通混凝土柱的计算方法 目前国内外已有多本规范规定了方、 矩形钢管混凝土试件 承载力的验算方法 , 如美国 A C I ( 2 0 0 2 ) t 、 13本 A I J ( 1 9 9 7 ) 、 英国 B S 5 4 0 0 ( 1 9 7 9 ) s 、 欧洲 E C 4 ( 1 9 9 4 ) 9 1)及我国工程建设标准化协会 _ I _ = = = _ 结 构 设 计 与 研
10、 究 应 用 安 徽 建 筑 _ 2 0 1 5年第 3期 总 2 0 3期 ) 安徽建筑 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 圈 标准 矩形钢管混凝土结构技术规程) ( C E C S 1 9 5 : 2 0 0 4 ) t 和福 建 省 工 程 建 设 标 准钢 管 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 ( D B J 1 3 - 5 1 - 2 o o 3 ) 。 美国A C I ( 2 002 ) 和日本 A I J ( 1 9 9 7 ) 规程, 采用了相同的计 算公式计算方、 矩形钢管混凝土的轴压承载力: NA c t = A f r + O 8 5 A ( 1 )
11、式中i 为混凝土圆柱体抗压强度。 B S 5 4 0 0 ( 1 9 7 9 ) q h 采用混凝土立方体试块强度工计算试 件的极限承载力 : 加 6 7 5 A f + ( 2 ) ( ) E C 4 ( 1 9 9 4 ) 提供了下述钢管混凝土柱的轴压承载力: 产A l :1 矩形钢管混凝土结构技术规程 ( C E C S 1 9 5 : 2 0 0 4 ) 采用 如下的承载力计算公式 : N旺 暑 A A c 在 钢管混凝土结构技术规程 ( D B J 1 3 5 1 2 003 ) q h , 约 束效应系数 被用来描述钢管混凝土二者之间的相互作用 , 其 定义为: 4 f 半 ( 5
12、 ) c k 该规程认为, 钢管混凝土是一种组合材料 , 采用统一理论 计算其承载能力 , 其组合截面的轴压强度可表示 为: 矗 ( 6 ) 式中: A 为钢管和混凝土二者的截面面积之和, A = A + A 矗 为方形或矩形钢管混凝土的组合轴压强度 , 按下式计算 : 丘 ( 1 1 8 + 0 8 ( 7 ) 从以上各国规范( 规程 ) 中可以发现, 各个国家给出的计算 公式有所不同,利用上述公式对表 1中的试件进行了计算, 所 文献【 1 3 忡 方形钢管混凝试件一览表 表 1 注 : B为截 面的边长 ; t 为钢 板厚度 ; L为试件长度 ; 为屈服 强度 为立方体抗 压强度; 为约
13、束效应 系数 , 按式( 5 ) 计算 ; N 为试验值。 的结果与试验值比较见表 2 。 仔细分析各国规范或规程 , 可见这些计算公式是有一定差 异的。 一部分公式只是混凝土和钢管两种材料承载力的简单加 和 , 如 A I J ( 1 9 9 7 ) 、 A C I ( 2 0 0 2 ) 、 E C 4( 1 9 9 4 ) 、 B S 5 4 00 ( 1 9 7 9 ) 以 及 C E C S 1 9 5 : 2 0 0 4 ( 2 0 0 4 ) 给出的组合构件的计算公式。这些公式没 有考虑两种材料的组合效应,使得计算出来的承载力的值偏 小 , 在我国的 钢管混凝土结构技术规程 (
14、D B J 1 3 - 5 1 - 2 0 0 3 ) 中 提出了约束效应系数 这个概念,考虑了两种材料的组合作 用 , 更加准确的反映组合构件的极限承载力。 3 方钢管 一再生混凝土组合短柱轴压承载力 计算方法 通 过对各 国规范 ( 规程 )的 比较 ,可知 D B J 1 3 5 1 2 0 0 3 ( 2 0 0 3 ) 中关于钢管混凝土的计算公式能够较为准确的预测构件 的轴压承载能力, 本文将根据规程 D B J 1 3 5 1 2 0 0 3 ( 2 0 0 3 ) 给出 方钢管再生混凝土组合短柱的轴压承载力的实用计算方法。 因 为方钢管再生混凝土与普通钢管混凝土的不同在于内填混凝
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