矩形中空夹层钢管混凝土纯弯构件的试验研究.pdf
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1、2 0 1 2年第 1 2期 铁道建筑 R a i l w a y En n e e fi n g l 5 5 文章 编号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 1 5 5 0 4 矩形中空夹层钢管混凝土纯弯构件的试验研究 谢 力 , 陈梦成 , 黄 宏 ( 1 华东交通大 学 土木建筑学院 , 江西 南 昌3 3 0 0 1 3 ; 2 南 昌大学 建筑工程学 院 , 江西 南 昌3 3 0 0 3 1 ) 摘要 : 中空夹层钢管混凝土是在 两根 同心放置的钢管夹层 中灌筑混凝土而成 的一种新型结构。本文以 空心率为主要 变化参数 , 设计 了3根矩形中空夹
2、层钢管混凝土和 1根矩形实心钢 管混凝土试件 , 通过试 验研究 了其在纯弯状态下的力学性能。试验结果表明 : 在加载过程中, 所有试件均表现 出良好的塑性性 能; 矩形 中空夹层钢管混凝土抗弯承载力较矩形实心钢管混凝土有显著的提 高; 同时用有限元方法对试 件 弯矩一跨 中挠度 曲线进行计算, 计算结果与试验结果吻合 良好。 关键词: 矩形 中空夹层钢管混凝土 纯弯试验有限元 中图分 类 号 : T U 3 9 2 3文献 标识 码 : A D O I : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 2 1 2 4 5 中空夹层钢管混凝土是在两根同
3、心放置的钢管夹 层 中灌筑混凝土而成的一种新型组合结构。不仅继承 了普通钢管混凝土承载力高 、 塑性和韧性好的优点 , 由 于特殊的截面形式还具有截面开展、 抗弯刚度大 、 自重 轻、 抗震性能好等特点。变换内外管的截面形式 , 可以 组合 出多种不同种类的中空夹 层钢管混凝土 , 本 文研 究如图 1所示矩形中空夹层钢管混凝土在纯弯状态下 的力 学 性 能 。 I I i I l 图 1 试 件截面示意 国内外 已有研究者对钢管混凝土及中空夹层钢管 混凝土纯弯构件的力学性能进行 了试验和理论研究。 陶忠等( 2 0 0 4 ) 以空心率为变化参数 , 进行 了 5个方 中空夹层钢管混凝土纯弯
4、构件的试验研究 。尧 国皇等 ( 2 0 0 4 ) 通过分析荷 载一变形全过程各 阶段 的力学 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 4 2 0 ; 修 回日期: 2 o 1 2 0 9 2 0 基金项 目: 国家 自然 科学 基金 ( 5 1 0 0 8 1 2 2, 5 0 9 6 8 0 0 6) ; 江西 省教 育厅项 目资助( G J J 1 0 7 0 9 ) 作者简介 : 谢力( 1 9 7 8 一) , 男 , 江西南 昌人 , 实验师 , 博士研究生 。 性能和特点 , 提出了圆形、 方形及矩形钢管混凝土纯弯 弯矩一曲率关系全过程曲线的实用计算公式。黄宏等 ( 2 0 0
5、 6 ) 进行了 5个圆中空夹层钢管混凝土纯弯构件 的试验研究。卢方伟等 ( 2 0 0 8 ) 通过对 3个非等壁厚 矩形钢管混凝土纯弯构件的试验研究 , 考察非等壁厚矩 形钢管混凝土受弯构件的力学性能。于清等( 2 0 0 8 ) E s 采用有限元软件 A B A Q U S对钢管约束混凝土纯弯构件 的荷载一变形关系进行 了计算。李毅等( 2 0 0 9 ) 进行 了带肋方钢管混凝土纯弯构件的试验研究 , 并用有限元 软件 A B A Q U S 对其工作机理进行了分析。 本文以空心率为主要变化参数 , 设计 3个矩形中 空夹层钢管混凝土和 1个矩形实心钢管 昆凝土试件 , 通过试验研究
6、 , 考察矩形 中空夹层钢管混凝土试件在 纯弯 状 态 下 的 力 学 性 能。 同 时 采 用 有 限 元 软 件 A B A Q U S对矩形 中空夹层钢管混凝土纯弯试件的受力 全过程进行计算 , 并与试验结果进行对比。 1 试验概况 与方法 共设计了 3个矩形中空夹层钢管混凝土试件和 1 个矩形实心钢管混凝土的对 比试件 , 对其进行纯弯试 验。具体参数见表 1 , 其 中 。 , D 。 , t 。 , B , D , t 分别为 外内钢管截面的宽度、 高度和厚度, 厂 v 。 , 分别为试件 外 内钢管 的屈服强度 ; 为混凝 土的立方体 抗压强 度 ; 为试件空心率 , =( A
7、一 A ) A A 为外钢管 内径所包围的面积 , A 为混凝土截面面积 ; M 。 为试验 测得的极限弯矩 , 为本文计算得到的极限弯矩。试 件设计时 , 主要变化参数为空心率 。 内外钢管的制作形式 为: 先将两片切割好的钢板 放在折边机上折成槽 型, 再用坡 口对接焊缝将两个槽 1 5 6 铁道建筑D e c e m b e r , 2 0 1 2 型钢板焊接成 矩形钢管。为确保钢管 与端 板垂直焊 接 , 钢管两端要打磨平 整。在一端盖板上定好 内外钢 管的位置, 以确保 内外管 同心 , 先焊 内管再焊外管 , 另 一 端盖板待混凝土灌筑完毕后再焊上。内、 外管之间 的顶部采用钢筋支
8、撑 , 以免浇筑混凝土时将内管振偏。 钢材强度由标准拉伸试验确定。 采用搅拌机进行机械搅拌混凝土 , 浇筑时将钢管 竖立 , 从顶部分层灌人混凝土 , 并用插入式振捣棒进行 振捣 , 使之密实 。试件养护方法为 自然养护, 两周后凿 去混凝土表面浮浆 , 再用高强环氧砂浆将混凝土表面 与钢管管面抹平 , 待其硬化后打磨平整, 然后焊上上盖 板 , 以保证钢管 和混凝 土在受荷 初期就能共 同受 力。 混凝土的水灰 比为 0 4 4 , 坍 落度 为 7 59 0 l l l m, 其重 P ( a 1 测点布置 应 变 片 量配合 比为水 : 水泥: 砂: 石 : 2 1 5 : 4 8 9
9、: 5 1 7 : 1 1 5 7 , 采 用 中粗 砂 , 最大粒 径 为 1 2 I T l m 的 卵石 。混 凝 土标 准 立 方体强度 由同条件成型养护的 1 5 0 mm立方体试块 测得 。 试验在华东交通大学结构试验室进行 , 试验装置 和测点布置详见 图 2 。试验采用 四分点加载方式 , 其 支座 之 间 的距 离 为 1 4 0 0 mm。加 载设 备 为 5 0 0 t 压 力 机 , 用 5 0 t 压力传感器测定千斤顶所施加的荷载 , 将所 读荷载乘 以 3 5 0 m m可得试件纯弯段 的弯矩 。在试件 跨中截面上下侧各贴一枚纵 向应变片 , 试件左右一侧 贴 3枚
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