方中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能对比试验研究.pdf
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1、2 0 1 5年 第 l 0期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 8 5 文章 编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 8 5 0 5 方 中空夹层钢管混凝土轴压 短柱 力学性能 对 比试 验研 究 黄 宏 , 查宝军 , 陈梦成 , 郭晓宇 ( 1 华东交通 大学 土木建筑学 院, 江西 南昌3 3 0 0 1 3 ; 2 江西省建筑过程模拟与控制重点实验室 , 江西 南 昌3 3 0 0 1 3 ) 摘 要 : 对 4种 不 同截 面形式 的钢 管混凝 土试件 进 行轴 压 对 比试验 , 试 件 分 为
2、 方 实心 试件 、 方套 圆 中空 夹 层试件和 2种 内管不同放置形式的方套方中空夹层试件。试验结果表明: 所有试件达到极限承载力之 后 , 均 出现 外管焊 缝 开裂 、 内管 向 内凸曲的现 象 ; 在 空心率 不太 大的情 况 下 , 方 中空 夹层钢 管混 凝土 的轴 压 承载 力 比方 实心钢 管混凝 土 大 ; 方 实心试件 比方 中空 夹层 试件 的横 向应 变发展 快 , 方套 圆中空 夹层 试 件 比方套 方 中空夹层试件 的横 向应 变发展 更 快 ; 采 用有 限元 分析 软件 A B A Q U S对轴 压试 件 的荷 载一 变 形 全过 程进 行计 算 , 得 到
3、的 极 限承 载 力与试 验 结果吻合 较好 。 关 键词 : 方 中空夹层钢 管混 凝土 轴 压 截 面形 式 试验 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 5 1 0 1 8 钢 管混凝 土 与钢结 构相 比 , 有较好 的抗 火性 、 经济 性 ; 与钢筋混凝土相比, 具有强度高 、 塑性和韧性好 、 施 工方便等优点 , 因此钢管混凝土被广泛应用于各类工 程 中 。中空夹 层钢 管混 凝土 是将 实心钢 管混 凝土 中部 的核心混凝土用空心钢管替代而形成的构件
4、。与实心 钢管混凝土相 比, 中空夹层钢管混凝土的 自重轻 、 抗弯 刚度大 ( 相同自重情况下比较) , 适合用于高架桥的桥 墩 、 海洋 平 台结构 的支 架柱 、 输变 电杆塔 等 工程 中 。 目前对中空夹层 钢管混凝土 的研 究主要集 中 在轴压力学性能方面 , 其截面形式主要有内外圆形 、 内 外 矩形 、 外方 内圆形 , 对 于方 套方 中空 夹层 钢管混 凝 土 的研究 相对 较少 。谢力 等 对 6个矩 形套 矩形 中空 夹 层钢管混凝土轴压短柱进行了试验研究; 杨俊杰 等 对八 边 形套 圆形 中空夹 层钢 管混 凝土轴 压短 柱进 行 了 试 验研 究 ; 夏 玲涛 等
5、 对 4个 八边 形 套 圆形 中空 夹层 钢管混凝土轴压短柱进行 了试验研究 ; 任庆新等 利 用有限元分析软件 A B A Q U S建立 了圆锥形套 圆形 中 空 夹层 钢管 约束 混凝 土 短 柱计 算 模 型 , 对 其 轴 向 局压 力学性能进行了分析; 黄宏等。 。 利用有 限元分析软件 A B A Q U S建模 , 对 圆套 圆 、 方套 圆中空夹 层钢 管混 凝 土 轴 心受 压 时 的 荷 载一 变 形 全 过 程 关 系 曲线 进 行 了计 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 7 0 9 ; 修 回日期 : 2 0 1 5 0 9 0 5 基金项 目: 国家 自然科学基
6、 金项 目( 5 1 3 7 8 2 0 6, 5 1 0 0 8 1 2 2 ) , 江西省 青年 科学基金计划( 2 0 1 4 3 A C B 2 1 0 2 0 ), 江西省青 年科 学家培 养对 象 ( 2 0 1 3 3 B C B 2 3 0 1 5 ) 作者简介 : 黄宏 ( 1 9 7 7 一) , 女 , 教授 , 博士。 算 ; K o j i r o U e n a k a等 以 内外 钢 管 直径 比和 外 管 径 厚 比为参数 对 圆套 圆中空夹 层钢 管混凝 土 轴压柱 进行 了 试验 研究 ; 郭立 湘等 对 6个方 套 圆 中空夹 层 钢 管 混 凝土 构件
7、进行 了压 扭试 验 研 究 ; 张 常光 等 在 厚 壁 圆 筒统 一强 度理论 解 的基 础 上 , 推 导 了外方 内 圆 中空 夹 层钢 管混 凝土轴 压短 柱 的极 限承载力 公式 。 本文 对外管 为方 形而 内管 采用 3种不 同截 面形 式 的方 中空 夹层 钢管 混凝 土及方 实心 钢管混 凝 土轴压 短 柱进 行 了试 验 研 究 。通 过 试 验 现 象 、 破 坏 形 态 和 荷 载一 应变 曲线 , 对所 有试 件进 行 了对 比分 析 。最后 , 采 用有 限元 分 析 软件 A B A Q U S对 试 件 的荷 载一 应 变 曲 线进 行计 算 , 并 将试 验
8、结 果与 计算结 果进 行 了 比较 。 1 试验概况 1 1 试 件 设计及 制作 本次 试验设 计 了 4种 不 同截面形 式 的短柱 , 即 : 方 实心钢管混凝土 ( s - S ) 、 方 套圆 中空夹层钢管混凝土 ( D S C ) 、 方套 方 中 空夹 层 钢 管 混凝 土 ( D S S a b , a为 内管 正放 , b为 内管 斜 放 ) 如 图 1所 示 。 为 了 便 于 比 较 , 所有试 件 采用 了相 同的外 管与 混凝 土 , 因此它 们具 有相 同的名义 含钢 率 和 约束 效 应 系 数 , 所 有 中 空夹 层 钢管混凝土试件内管径( 宽 ) 厚 比相
9、同, 其空心率大致 相 等 。 表 1列 出 了所 有试 件 的参 数 , 其 中 : B为方 钢 管边 长 , D为圆钢管直径, t 为钢管壁厚 , 下标 O , i 分别表示 , ) 外管 和 内管 , 为试 件 长 度 ; 空 心 率 = , 名 义 8 8 铁道建筑 夹层试件的横向应变发展快 , 这是由于实心试 件的核 心混凝土在轴 向荷载下微裂缝不断扩展, 向外 的横 向 变形发展更快 。方套 圆中空夹层试件 比方套方中空夹 层试件的横向应变发展更快 , 这是由于方形内管的四 边 中部局部 向 内屈 曲造成 的。2种方 套 方 中空 夹层 试 件 的横 向应变发展基本相同。 3试验结
10、果与计算结果对 比 利用有 限元 分 析 软 件 A B A Q U S分 别 对 所 有 试 件 的N 曲线进 行 了模 拟 和 分 析 。盖 板 , 内 、 外 钢 管 和 混凝 土 , 均 采用八 节 点缩 减 积分 格 式 的 三维 实 体 单元 ( C 3 D 8 R) , 盖板模拟为刚体。采用结构化 网格划分 , 具体 建模方 法参 考文献 1 O 。 将有 限元计 算 所 得 N s曲线 与 试 验 实 测 曲线 进 行 比较 , 如图 7所示 。有 限元 计算 和试 验 实测 极 限 承 载力都列于表 1中, , 的平均值为 1 0 0 8 , 均方 差 为0 0 0 0 0
11、5 , 所有试 件 极 限承 载 力 的 有 限元 计 算 结 果与试验实测结果 吻合较好。在 达到极限承载力之 前 , S s , D S c试件 的轴 压刚度 实测 值 与 有 限元计 算 值 基本相同 , 而 D S S a , D S S b试件的轴压刚度 , 有限元 计 算值 略高 于实测 值 , 这 可 能是 试 件混 凝 土 浇 筑不 密 实 、 钢材 缺 陷等 问题 造成 的 。在 荷载 下降 的后期 , 所有 试件 的有 限元计算 曲线趋 于 平 缓 , 这 是 由 于试 验 后 期 钢管焊 缝开裂 , 有 限元没 有模 拟这种 情况 ; 而试 验 曲线 的荷载下降明显 ,
12、这是因为混凝土 已被压碎而失去承 载能力 , 钢管 屈服 、 焊缝 开裂 。 图 7 有 限元计算值与试验实测值对 比曲线 4 结论 1 ) 所 有试 件 的外 管均 鼓 曲且 焊缝 开裂 ; 中空 夹层 钢 管混凝 土 的内管 均 向 内 凸曲 ; 两种 不 同放 置形 式 的 方 套方 中 空 夹 层 钢 管 混 凝 土 向 内 凸 曲 的 程 度 基 本 相同 。 2 ) 在空心率不太大 的情况下 , 方中空夹层钢管混 凝土 的轴压 承载力 比方 实心钢 管混凝 土 的大 。 3 ) 方实 心试 件 比方 中 空夹 层 试 件 的横 向应 变 发 展快 , 方套 圆 中空 夹层 试 件
13、比方 套 方 中 空夹 层 试 件 的 横 向应 变发 展更快 。 4 ) 有 限元 方 法 可 以较 为 准 确 地 预 测 方 实 心 和 方 中空 夹层钢 管混 凝土 的轴压 承载力 。 参 考 文 献 1 赵均海 , 孟 晓健 , 刘建 军 , 等 圆 中空 夹层钢管 混凝 土短柱 的承载力 J 长安大学学报 ( 自然科学版 ) , 2 0 0 9 , 2 9 ( 1 ) : 7 0 7 4 2 谢力 , 陈梦成 , 黄宏 矩形 中空夹层钢管混凝土轴压 构件的 试验研究 J 工业 建筑 , 2 0 1 3 , 4 3 ( 5 ) : 1 2 8 1 3 1 3 杨俊杰 , 徐汉 勇,
14、彭国军 八边形中空夹层钢管混凝土轴压 短 柱力学性能 的研究 J 土木工程 学报 , 2 0 0 7, 4 0 ( 2 ) : 3 3 38 4 夏玲涛 , 徐汉勇 , 余伯增 中空夹层 钢管 混凝 土短柱力 学性 能的试 验分 析 J 武汉 理工 大学 学报 , 2 0 0 9 , 3 1 ( 6 ) : 4 2 46 5 任庆新 , 默亚卿 , 贾连光 , 等 圆锥形 中空夹层钢 管约 束混 凝土短柱轴向局压力学性 能分析 J 工 业建筑 , 2 0 1 3 , 4 3 ( 4) : 1 4 4 1 4 8 6 H U A N G H o n g , H A N L i n h a i ,
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- 中空 夹层 钢管 混凝土 轴压短柱 力学性能 对比 试验 研究
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