钢管高强膨胀混凝土轴压短柱试验研究.pdf
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1、2 0 1 0年 第 2 期 (总 第 2 4 4 期 】 Nu mbe r 2 i n 2 01 0 ( To t a l No 2 4 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORET I CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 2 0 1 5 钢管高强膨胀混凝土轴压短柱试验研究 齐延 。明磊 ( 1 岩土钻掘 与防护 教育部 工程研究 中心 ,湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ;2 中国地质大学 工程学 院,湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要: 由于钢管高
2、强膨胀混凝土与普通钢筋混凝土相比, 混凝土的材料性质有改变, 必然会引起试件的力学性能的改变, 在研究钢管 高强膨胀混凝土的力学性 能时 , 不可能完全沿用现有 的普通钢管混凝土的研究成果 , 因此 , 有必要 对钢管 高强膨胀混凝 土的性 能进 行试验 研究 。依据 1 5个钢管 高强膨胀混凝土试件 的试验情况 , 研究 了钢管高膨胀混凝土的水化热 , 自应力及破坏荷载 。确定 了膨胀 剂的最 佳掺 量 , 提出了钢管高强膨胀混凝 土相对普通钢管混凝土 的极限破坏荷载的提高幅度 , 运 用力学 的基本原理 , 建立 了钢管高强膨胀混凝 土的计 算模型 , 提 lL I J 了非线性 有限元分
3、析钢管 高性膨胀混凝土性能 的方法 , 通过算例 , 验证了非线性有 限元分析 钢管高强膨胀混凝 土力学性 能的 方法的正确性。这将 有利 于指导 实际工程 的应用 。 关键词 : 钢管高强膨胀 混凝土 ;混凝土 ; 自应力 ;极限承载力 ;有限单元法 中图分类号 : T U5 2 8 5 7 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 5 3 0 4 S t ud y on a xl e pr es s s hor t pos t e xpe r i m e nt of hi gh s t r e ngt h e xpa ns
4、 i v e c onc r e t e f i l l e d s t ee l t ub e 0I S u , M GL e i ( 1 En g i n e e rin gRe s e a r c hCe n t e r o fRo c k s o i l Dr i l l ing& Ex c a v a t i o n a n dP r o t e c t i o n。 Mi ni s tr yo fEd u c a t i o n, Wu h a n43 0 07 4, Ch i n a ; 2 E ng i n e e ri n g Fa c u l t y, Ch i n a U
5、nive r s i ty o f Ge o s c i e n c e s , Wu h a n 4 3 0 0 7 4, Chi n a ) Abs t r ac t : Hi g h s t r e n g t h e x p a n s i v e c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e h a v e d i ffe r e n t ma t e ria l p r o p e r t i e s, wh i l e t h e i r me c h a n i c a l p r o p e rti e s a r e di ffe
6、r e n t S o we c a n n t u s e a l l t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e t o r e s e a r c h t he me c h e r i a l p r o p e r t i e s o f h i g h s t r e n g t h e x p a n s i v e c o n c r e t e fil l e d s t e e l tub e Th e e x p e r i me n t a l s t u d y
7、 f o r me c h a ni c a l p r o pe r t i e s o f h i g h s tr e ngth e x p a n s i v e c o n c r e t e fil l e d s t e e l tub e i s n e s s a r y Ac c o r d i n g t O t h e t e s t r e s u l t s o f 1 5 s p e c i me n s o f p e r f o r m a n c e e x p a n s i v e c o n c r e t e fil l e d s t e e l
8、tu b e, s tu d y t h e h y d r a t i o n h e a t , s e l f - s tre s s a n d t h e l i mi t b e a rin g c a p a c i t y o f hi g h s t r e n g t h e x p an s i v e c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e De t e rm i n e d o p t i mu m c o nt e n t of e x p a n s i v e a g e n t Th e l i mi t b e
9、 a r i n g c a p a c i t y o fh i g h s t r e n gth e x p a n s i v e c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tube i s t a l l e r t ha n t h e l i m i t b e a r i n g c a p a c i t y o f c o mmo n c o n c r e t e fil l e d s t e e l tube Th e c a l c ul a t i n g mo d e l o f e x p a n s i v e c o nc
10、r e t e fi l l e d s t e e l tub e i s f o u n d e d b y us i n g t h e p r i n c i pl e f un d a me n t a l s o fme c h a n i c i a nTa k i n g t h e mo t h e d o f hi g h s t r e n g t h e x p a n s i v e c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub e a n a l y z e d wi t h n o n l i n e a r fin i t e
11、 e l e me n t I t i s p r o v e d b y e x a m p l e t h a t t h e n o n l i n e a r fin i t e e l e me n t a n a l y z e d t h e me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f hi g h s t r e n gth e x p a ns i v e c o n c r e t e fil l e d s t e e l tub e Th e s e wi l l d o g o o d t o t h e a p p l i c
12、 a t i o n o f t h e p r a c t i c e e n g i ne e rin g Ke y w or d s: hi g h s t r e n g t h e x p a n s i v e c o n c r e t e fil l e d s t e e l tub e; c on c r e t e ; s e l f - s t r e s s ; l i mi t b e a rin g c a p a c i ty; fin i t e e l e me n t 0 引言 目前 , 对普通钢管混凝 土构 件的力学性能 已经有 了较 充分 的研究_ 】
13、- 4 , 但对钢管高强膨胀混凝土 的研究还不 多。由于钢管 高强膨胀混凝土与普通钢筋混凝土相 比 , 混凝土 的材 料性 质有 改变, 必然会引起试件的力学性能的改变, 在研究钢管高强膨 胀混凝土的 力学性能时 , 不可能完全沿用现有 的普通钢 管混凝 土的研究成 果 , 因此 , 有必要对 钢管高 强膨胀混凝 土 的力 学性 能进行试验研究 。 1 试验概况 1 1 试件 设计 本次试验共采用试件 5组, 每组 3件, 共有试件 1 5 件 , 试 件尺寸均为长 6 3 0 i n 13 1 , 直径 1 8 0 mm, 长径 比 l d = 3 5 , 表明试件 为短柱类型 。 所用钢管
14、 为 3号钢 , 按规程 C E C S 2 8 : 9 0 t 规定 3号钢的抗 收稿 日期 :2 0 O 9 _ o 9 _ o 7 压强度设计值为 2 1 5 MP a ; 混凝土设计强度为 C 5 0 。 按 规程 C E C S 2 8 : 9 0 的计算原则 , 钢管尺寸 为 4 ) 1 8 0 n ml x 3 mmx 6 3 0 r a m, 混凝土设计强度等级为 C 5 0的试件设计承载能 力为 1 3 6 5 k N。 1 2 试 件制 作 1 2 1 钢管系自行制作的直焊缝钢管 将购来的 3号钢板按要求加工成一个矩形板 , 在湖北路桥 公司卷板机上卷压成一个圆管, 用电焊
15、机将直焊缝焊拢 , 为了 灌 注混凝 土方便 , 底部盖板与钢管焊接牢 固。 1 2 2 钢管打磨 用砂纸除去钢管表面贴应变片处的锈斑 、污垢等覆盖层 , 划出测点定线, 用细纱布磨平。贴应变片之前, 打成与测量方向 成 4 5 度 的交叉条纹。 1 2 - 3 贴应 变片 本试验所用应变片是河北省邢台市电子化工厂生产的。应 变胶为自制, 其配合比为: 环氧树脂 1 0 0 , 聚酰胺 1 2 0 。按常 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 用方法将应变片贴在试件上。 1 2 _4 混凝土的浇灌、 养护和焊接顶部盖板 按配合比设计的五组新拌混凝土用漏斗向钢管内
16、灌注, 将 试件放置在振动台振捣, 使混凝土充分密实。混凝土浇灌完毕 后, 将试件放入室内自然养护, 在灌人混凝土 2 4 h后, 将顶部盖 板焊牢 。 1 3 试验加 栽与测 试方 法 试验在 5 0 0 t 长柱试验机上进行。在各级荷载下 , 用静态电 阻应变仪测量试件全高度范围内的平均纵向变形 、 钢管表面的 纵 向和环向应变以及混凝土中的纵 向, 环 向及法向应变 。 2 试验结果与分析 2 1 水化 热的研 究 本试验所用膨胀剂 主要成分是 : 生 明矾 和二水石膏 。混凝 土的配合 比及试验结果 见表 1 。钢管高强膨胀混凝土 内核心混 凝土的温度变化如图 1 所示 。 表 1 不
17、同混凝土的配合比及试验结果 编 水 水泥 粉煤灰 膨胀剂 砂 石子 坍落度 号 ( k g m ) ( k g m ) ( k g m ) ( k g m ) ( k g m。 ) ( k g m ) MP a c m A l 8 2 4 7 0 7 0 6l 5 1 0 9 3 6 2 2 2 3 O B l 8 2 4 7 0 7 0 3 8 5 7 7 1 0 9 3 5 2 3 2 3 0 C l 8 2 4 7 0 7 0 4 7 5 6 8 1 0 9 3 5 4 7 2 3 0 D 1 8 2 4 7 0 7 0 5 6 5 5 9 1 0 9 3 6 0 0 2 3 5 E l
18、 8 2 4 7 0 7 0 9 4 5 21 1 0 9 3 44 0 2 3 5 注 : 试件尺 寸为 1 8 Omm 3 mmx 6 3 0mm; 膨胀剂 的含量分别 为 0 、 8 、 1 O 、 1 3 和 2 O 时 间 , h 图 1 不 同混凝土水化热曲线 从图 1 可看 出, 各组混凝 土的温度差别很小 , 这主要是 由 于测量中核心混凝土水化热可以通过钢管外壁不断向环境释 放出 , 而且 由于砂石等材料 的存 在 , 对水 化热的集 中产生起到 一 定 的“ 稀释 ” 作用 。 2 2 自应 力的研 究 2 2 1 应变与时间的关 系曲线 根据钢管外壁中部纵向及环向的应变实
19、测值绘制出各组 试件的应变与时间的关系曲线见图2 、 3 。 2 2 2 部分应变片的应变实测值 A试件为普通钢管高强混凝土, 其收缩形式主要是 自收缩 和冷缩。由于自收缩主要发生在水化早期, 故在水化开始后 2 d 再测量 已影响不 大。 另外 , 由于钢管尺寸较小 , 水化热造成 的冷 缩影响也不显著 , 所 以在混凝土浇灌 2 d 后开始实测时 , 应变仪 上显示读数基本上没有变化, 仅为气温变化时略有跳动, 因此 其应变值未作记录。E组试件为掺 2 0 膨胀剂的钢管混凝土, 其应变变化范围较大 ( 见表 2 ) , 便 于分析 。 5 4 i 馏 龄期 d 龄期 , d 图 3 各组试
20、件的钢管外壁环 向应变与时间的关系 曲线 表 2 E试件中混凝土的应变值 2 2 3 钢管表面特征 完全封闭浇灌密实的钢管混凝土试件, 当混凝土产生膨胀 时对钢管内表面的应力分布见图4 ; 钢管竖壁纵向内力见图5 。 I 图 4 钢管 内表面的应 力分布 从实测数据中, 可以看到各组试件的各测点的应变值有下 列特点 : ( 1 ) 从图 2和图 3可知 , 钢管的应变随膨胀剂掺量的增加 而增大 。 ( 2 ) 从图4和图 5可知, 钢管壁端部的纵向应变大于中部 的纵向应变 , 另外, 由于钢管端部的顶盖板的约束, 使得钢管端 部的环向应力小于其中部的环向应力。 ( 3 ) 从表 2可知, 钢管
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