圆形钢管含粗骨料超高性能混凝土中长柱偏压性能试验研究.pdf
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1、文章编号:1000-4750(2023)Suppl-0191-09圆形钢管含粗骨料超高性能混凝土中长柱偏压性能试验研究吴方红1,2,曾彦钦2,徐礼华2,余敏2(1.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院,佛山528225;2.武汉大学土木建筑工程学院,武汉430072)摘要:为研究圆形钢管含粗骨料超高性能混凝土(Ultra-highperformanceconcretewithcoarseaggregatefilledsteeltube,CA-UHPCFST)中长柱的偏心受压性能,考虑长径比和偏心距的影响,设计制作了 7 个圆形 CA-UHPCFST 中长柱试件,通过偏心受压试验,重点考察构件的破
2、坏形态、荷载-变形关系曲线、侧向挠度分布曲线、荷载-应变关系曲线、延性和极限承载力。研究表明:圆形 CA-UHPCFST中长柱在偏心受压下发生弯曲失稳破坏,其荷载-变形曲线经历了弹性段、弹塑性段和下降段;极限承载力随长径比和偏心距的增加而降低,延性系数随长径比的增加而减小,而随偏心距的增加呈先增加后减小的趋势。规范 GB509362014 可较好地预测圆形 CA-UHPCFST 中长柱偏心受压极限承载力。研究成果可为钢管超高性能混凝土的进一步研究与推广应用提供参考。关键词:钢管混凝土;含粗骨料超高性能混凝土;中长柱;偏心受压;极限承载力中图分类号:TU398+.9文献标志码:Adoi:10.6
3、052/j.issn.1000-4750.2022.06.S022EXPERIMENTALSTUDYONECCENTRICCOMPRESSIONPERFORMANCEOFCIRCULARULTRA-HIGHPERFORMANCECONCRETEWITHCOARSEAGGREGATEFILLEDSTEELTUBESLENDERCOLUMNSWUFang-hong1,2,ZENGYan-qin2,XULi-hua2,YUMin2(1.SchoolofTransportation,CivilEngineering&Architecture,Foshanuniversity,Foshan528225,
4、China;2.SchoolofCivilEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:To investigate the mechanical behavior of circular ultra-high performance concrete with coarseaggregate filled steel tube(CA-UHPCFST)slender columns under eccentric compression,7 specimens weredesigned and fabricated with th
5、e consideration of slenderness ratio and eccentricity.Through eccentriccompression tests,the failure modes,load-deformation curves,lateral deflection distributions,load-strainrelationships,ductilityandultimatecarryingcapacitywereanalyzed.TheresultsshowthattheCA-UHPCFSTslendercolumnsundereccentriccom
6、pressiondemonstrateabucklingfailurepattern,andtheload-deformationcurvesconsistofelastic,elastoplasticanddescendingstages.Theultimatecarryingcapacityofspecimensisinverse proportional to the slenderness ratio and eccentricity,the ductility coefficient decreases with theslendernessratiowhileincreasesfi
7、rstandthendecreaseswiththeeccentricity.ThecarryingcapacityofspecimenspredictedbyGB509362014isingoodagreementwiththeexperimentalresults.TheresearchoutcomecanprovidereferenceforfurtherinvestigationandengineeringapplicationofUHPCFSTmembers.Keywords:concrete-filledsteeltube;ultra-highperformanceconcrete
8、withcoarseaggregate;slendercolumn;eccentriccompression;ultimatecarryingcapacity收稿日期:2022-06-17;修改日期:2023-02-22基金项目:国家自然科学基金重点项目(51738011);国家自然科学基金青年基金项目(52208152);广东省基础与应用基础研究基金项目(2021A1515110280)通讯作者:徐礼华(1962),女,安徽人,教授,博士,博导,主要从事纤维混凝土本构关系及钢管混凝土研究(E-mail:).作者简介:吴方红(1989),男,湖北人,讲师,博士,硕导,主要从事钢管高性能混凝土及
9、超高性能混凝土研究(E-mail:);曾彦钦(1996),男,江西人,博士生,主要从事钢管混凝土及超高性能混凝土研究(E-mail:);余敏(1982),男,湖北人,副教授,博士,博导,主要从事钢管混凝土研究(E-mail:).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS191超 高 性 能 混 凝 土(Ultra-high performanceconcrete,简称 UHPC)是一种新型的水泥基复合材料,具有超高强度、高韧性和优异耐久性等优点12,但延性较差。将 UHPC 置于钢管中形成钢管超高性能混凝土(Ultra-
10、highperformanceconcrete-filledsteeltube,简称 UHPCFST),核心 UHPC 因受到钢管约束处于三向受压状态,其延性显著增强,强度和韧性也将进一步提升3。UHPCFST 具有承载力高、延性好等优点,可减小构件截面尺寸、减轻结构自重,能够满足现代工程结构向着高耸、大跨、重载方向发展的需求。此外,在UHPC 中掺入适量粗骨料可减少胶凝材料用量,降低材料造价,增强抗自收缩能力和整体稳定性4。目前,国内外学者对 UHPCFST 构件的受力性能进行了广泛研究,但主要针对其轴压性能56、纯弯性能78和抗震性能911。王震等12根据力平衡和变形协调原理,建立了圆钢管
11、 UHPC 短柱极限承载力计算模型,并基于 Mander 模型,提出了圆钢管约束 UHPC 单轴受压本构模型。XU 等13和颜燕祥等14考察了钢纤维和聚丙烯纤维掺量、钢管壁厚对 UHPCFST 短柱轴压性能的影响,基于极限平衡理论和变形协调原理,建立了圆形和方形UHPCFST 短柱轴压极限承载力计算公式。CHEN等15研究了 UHPCFST 短柱的轴压性能,并与普通钢管混凝土柱进行对比,发现钢管对 UHPC 的约束增强作用弱于普通混凝土。HOANG 等1617研究了约束系数、径厚比对圆形 UHPCFST 构件承载能力和延性的影响,提出了 UHPCFST 短柱轴压极限承载能力计算公式。韦建刚等5
12、进行了钢管约束 UHPC 短柱轴压试验,发现高强钢管的局部鼓曲和 UHPC 的脆性得到明显改善。此外,文献1819 对 UHPCFST 构件的受弯性能进行研究,评价了现有规范的适用性。现有关于 UHPCFST 构件受力性能的研究主要侧重于轴压性能和受弯性能,而关于 UHPCFST 中长柱偏心受压性能的试验研究尚未见报道。本文以长径比和偏心距作为变化参数,设计了 7 根圆形钢管含粗骨料超高性能混凝土(简称CA-UHPCFST)试件,对其偏心受压性能开展试验研究,通过将实测极限承载力与规范计算结果进行对比,给出了适合圆形 CA-UHPCFST 中长柱偏压极限承载力计算的设计规程,为其工程应用提供参
13、考。1试验概况1.1试件设计与制作本试验共设计了 7 个圆形 CA-UHPCFST 中长柱试件,主要考虑了长径比 L/D(3.5、8、12、16)和偏心距 e(0mm、15mm、30mm、45mm)这2 个变化参数。试件基本参数见表 1,表中试件编号“LC8E30”的含义如下:“LC”表示中长柱;“8”表示长径比为 8;“E30”代表偏心距为30mm。按照设计长度制作空钢管,确保钢管两端齐平,以消除因端部不平而产生的初始偏心,在试件底部焊接尺寸为 140mm140mm10mm 的端板,试件加载前焊接另一端端板。表1试件基本参数Table1Parametersofspecimens试件编号D/m
14、mt/mmL/mmL/Dfy/MPaAs/mm2fck/MPaAc/mm2e/mmNu/kNLC8E00114691284062034124816701520LC8E151146912840620341248167151133LC8E30114691284062034124816730863LC8E45114691284062034124816745645SC3.5E3011464003.54062034124816730965LC12E3011461368124062034124816730742LC16E3011461824164062034124816730636注:D、t、L 分别为钢
15、管的直径、壁厚和试件长度;L/D 为长径比;fy为钢材的屈服强度;fck为 CA-UHPC 的立方体抗压强度;As、Ac分别为钢管和核心 CA-UHPC 的横截面面积;e 为偏心距;Nu为实测极限承载力。1.2试验材料钢材均采用 Q390 无缝钢管,外径为 114mm,壁厚为 6mm。参照金属材料拉伸试验第 1 部分:室温试验方法(GB/T228.12010)20,在 30t万能试验机上对钢材进行拉伸试验。实测钢管的屈服强度为 406MPa,极限抗拉强度为 589MPa,弹性模量为 206GPa,泊松比为 0.284。本试验采用娲石牌 P.O52.5 普通硅酸盐水泥,192工程力学矿物掺和料采
16、用硅灰和粉煤灰,其中硅灰的比表面积为 22m2/g,SiO2的含量为 92%;粉煤灰采用麻城一级粉煤灰,颜色呈深灰色;细骨料为天然河沙,粒径小于 1.5mm,细度模数为 2.6;粗骨料采用粒径为 5mm16mm 的花岗岩碎石。减水剂为中建商品混凝土有限公司提供的聚羧酸高效减水剂(简称 SP),减水率为 35%,固含量为 40%。采用武汉新途工程纤维制造有限公司生产的镀铜平直型钢纤维和聚丙烯纤维(简称 PPF),其中钢纤维直径为 0.2mm,长度为 13mm,抗拉强度2200MPa;聚丙烯纤维长度为 19mm,直径为0.048mm,抗拉强度为400MPa,密度为0.91kg/m3。含粗骨料超高性
17、能混凝土(简称 CA-UHPC)的配合比见表 2。参照活性粉末混凝土(GB/T313872015)21对 CA-UHPC 的力学性能进行测试,实测立方体抗压强度为 124MPa,轴心抗压强度为112MPa,弹性模量为46GPa,峰值应变为2732。表2CA-UHPC 配合比/(kg/m3)Table2MixproportionofCA-UHPC水泥硅灰粉煤灰水SP钢纤维PPF砂碎石449104138124171570.97607501.3试验装置及加载方案试验在武汉大学土木建筑工程学院土木工程实验中心的 500t 压力试验机上进行。偏心荷载通过固定在试验机上的平板铰施加,平板铰中心线与试验机中
18、心线重合,偏心距通过调整平板铰中心线与试件中心线的距离设置。在试件半高处截面对称布置 4 组 90应变花,测量钢管表面纵向和横向应变。在试件底部和顶部竖向布置 4 个位移计测量轴向压缩变形,沿高度方向四等分点处水平布置 3 个位移计测量侧向挠曲变形。试验加载装置及测点布置示意图如图 1 所示。荷载由电脑自带采集系统采集,应变片和位移计数据由东华DH3816N 静态应变采集系统采集,采样频率为2Hz。为保证试件、平板铰、试验机之间良好接触,对试件进行预加载,幅值为 200kN。正式加载采用分级加载制度,达到预估极限荷载前,每级荷载约为预估极限荷载的 1/10,加载速率为 5kN/s,每级持荷 2
19、min;当荷载达到预估极限荷载的 90%后,采用位移加载,加载速率为 1mm/min;进入下降段后,降低加载速率,采取慢速连续加载。当荷载下降至峰值荷载的 70%或侧向挠曲变形过大而不能继续加载时,结束试验。e试验机荷载传感器荷载应变片LVDT平板铰V1,H1V3,H3V4,H4V2,H2e(a)加载装置照片(b)加载装置示意图(c)测点布置示意图图1试验装置及测点布置示意图Fig.1Testsetupandlayoutofmeasuringpoints2试验结果与分析2.1试验现象与破坏形态在荷载达到峰值荷载的 85%95%之前,试件表面无明显变化,试件处于弹性阶段。由于核心CA-UHPC
20、具有较高的受压比例极限,在达到峰值荷载之前,荷载随轴向压缩变形的增加呈线性增加,荷载-位移曲线趋于线性。进入弹塑性阶段后,受压区半高截面处钢管表面的铁锈开始脱落,钢管径向膨胀急剧增加,试件产生轻微的侧向挠曲。达到峰值荷载时,核心混凝土发出压碎的声音,试件中部呈现明显的侧向弯曲,长径比越大,峰值荷载时侧向挠曲越明显。进入下降阶段后,承载力迅速下降,侧向挠曲变形加剧,试件最终呈现整体弯曲失稳破坏。其中部分长径比为 8 的试件,受压区中部因受到核心混凝土的挤压而产生局部鼓曲。圆形 CA-UHPCFST 中长柱在偏心受压下的破坏形态如图 2 所示。可看出,长径比较小的试件呈弯曲失稳和局部压屈破坏,长径
21、比超过 12 的试件表现为整体弯曲失稳破坏。随长径比和偏心距工程力学193的增加,失稳现象变得更加明显。采用氧割的方式剥开试件中部 1/3 高度范围的钢管,观察核心CA-UHPC 的破坏形态,如图 2 所示。可看出,核心混凝土受压区仅有少量肉眼可见的纵向压碎裂纹,受拉区存在较多的细小横向裂纹,随着长径比和偏心距的增加,核心 CA-UHPC 受拉区和受压区微裂纹的数量减少,裂纹的宽度和深度也减小。受拉区受压区(a)L/D=8(b)L/D=12图2CA-UHPCFST 中长柱及核心混凝土破坏形态Fig.2FailuremodesofCA-UHPCFSTsandconcretecore2.2荷载-轴
22、向变形曲线图 3 给出了 CA-UHPCFST 中长柱在偏心受压下的荷载-轴向变形关系曲线。可看出,随着偏心距的增加,荷载-轴向变形曲线在弹性阶段的斜率逐渐减小,极限承载力随之降低,下降段趋于平缓,而峰值荷载对应的轴向压缩变形随偏心距的增加变化规律不明显。在相同偏心距下,随长径比的增加,刚度和极限承载力逐渐降低,下降段更加陡峭,但长径比对弹性阶段曲线斜率和极限荷载对应的轴向压缩变形值影响较小。此外,由图 3(b)可看出,长径比为 3.5 的短柱在相同偏心距下其初始刚度和极限承载力均高于中长柱试件,曲线的下降段更加平缓,延性更好。2.3荷载-侧向挠度分布曲线x/L图 4 给出了各级荷载下试件的侧
23、向挠度分布曲线,其中纵坐标表示各侧向挠度测量点至柱底距离与试件高度的比值,横坐标为不同荷载水平下各测点的侧向挠度。可看出,在弹性阶段,侧向挠度曲线分布密集,表明此阶段偏心受压中长柱的侧向挠曲变形较小,试件侧向挠度增长缓慢且呈非对称式发展,部分甚至呈“S”形分布。由于在弹性阶段,二阶效应不明显,短柱和中长柱近似为轴心受压,试件径向膨胀使得位移计的读数为负值。而随长径比和偏心距的增加,侧向挠度在弹性阶段的变形值逐渐减小,曲线分布更加密集,近似于半波正弦分布。进入弹塑性阶段后,侧向挠曲变形加快,负的变形值逐渐减小变为正值,而正的变形值持续增加。当荷载达到峰(a)不同偏心距试件荷载-轴向变形曲线051
24、015202530030060090012001500e=0 mme=15 mme=30 mme=45 mm荷载/kN荷载/kN变形/mm051015202530变形/mm02004006008001000L/D=3.5L/D=8L/D=12L/D=16(b)不同长径比试件荷载-轴向变形曲线图3荷载-轴向变形曲线Fig.3Loadversusaxialdisplacementcurves0510152025300.000.250.500.751.000.50 Nu0.70 Nu0.80 Nu0.85 Nu0.90 Nu0.95 NuNu0.92 Nu0.85 Nu0.000.250.500.7
25、51.00侧向变形/mm(a)LC8E0005101520253035404550侧向变形/mm(b)LC8E150.40 Nu 0.60 Nu 0.80 Nu 0.90 Nu Nu0.98 Nu 0.95 Nu 0.90 Nu 0.85 Nu 0.80 Nu 0.75 Nu 0.70 Nu高度比x/L高度比x/L194工程力学值荷载后,由于试件处于偏心受压状态且二阶效应加剧,致使柱中截面的附加弯矩迅速增加,导致侧向挠曲急剧增加,侧向挠曲近似半波正弦分布。此外,随长径比和偏心距的增加,试件在相同荷载水平下的侧向挠曲变形值增大。2.4荷载-应变曲线图 5 为圆形 CA-UHPCFST 中长柱在偏
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