冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究.pdf
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1、第 45 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.45 No.4Aug.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)Journal of Civil and Environmental Engineering冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究李星儿1,苗吉军1,曾在平2,陈超3(1.青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛 266033;2.甘肃建筑职业技术学院,兰州 730050;3.长沙华艺工程设计有限公司,长沙 410116)摘要:为研究冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结滑移性能,以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度为变量,设计 21个试件进行推出试验,分析冻融损伤
2、后圆钢管混凝土柱粘结强度、荷载滑移及钢管应变的变化规律。结果表明:经冻融循环作用后圆钢管混凝土柱的荷载滑移曲线与未经冻融试件趋势相似,均可分为上升段、下降段、残余段;受冻融循环作用影响的圆钢管混凝土柱界面粘结性能下降,粘结强度与冻融循环次数成反比,界面滑移量总体呈上升趋势;增大套箍系数可增大试件界面粘结强度,提高圆钢管混凝土柱抗冻性能。根据试验结果,提出考虑冻融循环次数和套箍系数的圆钢管混凝土柱粘结强度计算表达式,计算结果与试验结果吻合良好。关键词:钢管混凝土柱;冻融循环;粘结滑移;粘结强度;组合结构中图分类号:TU398.9;TU317.1 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(20
3、23)04-0114-10Experimental study on interfacial bonding properties of circular steel tube concrete columns after freeze-thaw cyclesLI Xinger1,MIAO Jijun1,ZENG Zaiping2,CHEN Chao3(1.School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,Shandong,P.R.China;2.Gansu Vocational Colleg
4、e of Architecture,Lanzhou 730050,P.R.China;3.Changsha Huayi Engineering Design Co.,Ltd,Changsha 410116,P.R.China)Abstract:In order to study the bond slip behavior of round steel tube concrete column after freeze-thaw cycle,a total of 21 specimens were designed to carry out the push test,taking the n
5、umber of freeze-thaw cycles,steel tube wall thickness and strength of concrete as variables.The variation laws of bond strength,load-slip and strain of round steel tube concrete column under freeze-thaw damage were analyzed.The test results show that the load-slip curves of the circular steel tube c
6、oncrete columns subjected to freeze-thaw cycles are similar to those of the specimens without freeze-thaw cycles,which can be divided into ascending section,descending section and residual section.Under the influence of freeze-thaw cycles,the interfacial bond performance of concrete column with roun
7、d steel tube decreases,the bond strength is inversely proportional to the number of DOI:10.11835/j.issn.2096-6717.2021.175收稿日期:20210525基金项目:2020年度高等学校创新基金(2020A-235)作者简介:李星儿(1996-),女,主要从事钢管混凝土组合结构研究,E-mail:。苗吉军(通信作者),男,教授,E-mail:msyu_。Received:20210525Foundation items:2020 Higher Education Innovatio
8、n Fund(No.2020A-235)Author brief:LI Xinger(1996-),main research interest:concrete-filled steel tube composite structure,E-mail:.MIAO Jijun(corresponding author),professor,E-mail:msyu_.开放科学(资源服务)标识码OSID:freeze-thaw cycles,and the interfacial slip generally increases.The increase of the hoop coefficie
9、nt can increase the interfacial bond strength and improve the frost resistance of the concrete column of round steel tube.According to the test results,a formula for calculating the bond strength of concrete column with round steel tube considering the number of freeze-thaw cycles and the hoop coeff
10、icient is proposed,and the calculated results are in good agreement with the test results.Keywords:round steel pipe concrete column;freeze-thaw cycle;bond slip;bond strength;composite structures因承载力高、延性好等优点2-4,钢管混凝土结构1被广泛应用于桥梁、海港等领域5-7。为保证建筑结构在不同服役环境中正常工作,有关结构界面粘结性能的研究一直备受关注。陈宗平等8分析了混凝土强度、历经最高温度、锚固长
11、度、恒温时长和冷却方式对高温喷水冷却后钢管高强混凝土界面粘结性能的影响,并提出界面粘结强度的计算公式;Lu 等9探讨了混凝土龄期对钢纤维自应力自密实钢管混凝土柱界面粘结性能的影响,试验表明,混凝土龄期可提高钢管混凝土柱界面粘结强度;Yu等10以钢渣混凝土自应力、径厚比及约束因子为参数,研究了自应力钢渣钢管混凝土的粘结滑移性能,并提出了简化的三阶段粘结滑移本构关系;Dong 等11对不同构造的大型高强度圆钢管混凝土柱进行了推出试验,得到了基于多参数的预测荷载滑移曲线;Sindhuja等12采用低密度混凝土填充加劲圆钢管混凝土柱,对其粘结强度进行了试验与数值分析,结果表明,低密度混凝土可提高界面粘
12、结强度;Li等13提出了考虑荷载传递边界衰减效应的分析模型,探讨了钢管混凝土界面粘结滑移的非线性分布。中国地域辽阔,北方地区冬季较寒冷,结构冻融损伤普遍存在14-16,随着钢管混凝土结构在实际工程中的广泛应用17-19,严寒条件下结构的耐久性问题也成为学者们关注的焦点。钢管混凝土结构界面粘结力是保证两者共同工作的重要前提,因此,开展冻融循环作用后钢管混凝土结构界面粘结性能的研究尤为重要。黄梦迪20对冻融循环作用后方钢管混凝土试件的粘结滑移性能进行了试验研究,结果表明,界面粘结强度随着冻融循环次数增加、试件长细比增大、钢管宽厚比增大而减小,并进一步提出了冻融循环作用后钢管混凝土粘结应力滑移本构关
13、系。但研究仅分析了方钢管混凝土柱,未分析混凝土强度对界面粘结性能的影响。笔者以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度为主要参数,设计 21个圆钢管混凝土柱进行推出试验,分析各因素对界面粘结强度的影响规律,提出冻融循环作用后圆钢管混凝土柱界面粘结强度计算公式,以期为严寒地区钢管混凝土结构的有关设计提供参考。1试验概况1.1试件设计与制作试验变量为冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度,共设计 21 个推出试件,试件设计具体参数如表 1 所示。其中,冻融循环次数分别设定为 0(对照组)、50、100、200、300 次。试验均采用内径 D0=92 mm 的 Q235 无缝圆钢管,钢管外径 D 分别为 10
14、0、98、96 mm,材性试验结果如表 2所示。试件锚固长度 la取为钢管外径的 3倍21,试件高度 l均为 340 mm。核心混凝土采用 P O 42.5 水泥表 1试件设计参数Table 1Design parameters of specimens注:TC表示推出试验;t为钢管壁厚;n为试件冻融循环次数;为套箍系数21。第 4 期李星儿,等:冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究freeze-thaw cycles,and the interfacial slip generally increases.The increase of the hoop coefficient c
15、an increase the interfacial bond strength and improve the frost resistance of the concrete column of round steel tube.According to the test results,a formula for calculating the bond strength of concrete column with round steel tube considering the number of freeze-thaw cycles and the hoop coefficie
16、nt is proposed,and the calculated results are in good agreement with the test results.Keywords:round steel pipe concrete column;freeze-thaw cycle;bond slip;bond strength;composite structures因承载力高、延性好等优点2-4,钢管混凝土结构1被广泛应用于桥梁、海港等领域5-7。为保证建筑结构在不同服役环境中正常工作,有关结构界面粘结性能的研究一直备受关注。陈宗平等8分析了混凝土强度、历经最高温度、锚固长度、恒温
17、时长和冷却方式对高温喷水冷却后钢管高强混凝土界面粘结性能的影响,并提出界面粘结强度的计算公式;Lu 等9探讨了混凝土龄期对钢纤维自应力自密实钢管混凝土柱界面粘结性能的影响,试验表明,混凝土龄期可提高钢管混凝土柱界面粘结强度;Yu等10以钢渣混凝土自应力、径厚比及约束因子为参数,研究了自应力钢渣钢管混凝土的粘结滑移性能,并提出了简化的三阶段粘结滑移本构关系;Dong 等11对不同构造的大型高强度圆钢管混凝土柱进行了推出试验,得到了基于多参数的预测荷载滑移曲线;Sindhuja等12采用低密度混凝土填充加劲圆钢管混凝土柱,对其粘结强度进行了试验与数值分析,结果表明,低密度混凝土可提高界面粘结强度;
18、Li等13提出了考虑荷载传递边界衰减效应的分析模型,探讨了钢管混凝土界面粘结滑移的非线性分布。中国地域辽阔,北方地区冬季较寒冷,结构冻融损伤普遍存在14-16,随着钢管混凝土结构在实际工程中的广泛应用17-19,严寒条件下结构的耐久性问题也成为学者们关注的焦点。钢管混凝土结构界面粘结力是保证两者共同工作的重要前提,因此,开展冻融循环作用后钢管混凝土结构界面粘结性能的研究尤为重要。黄梦迪20对冻融循环作用后方钢管混凝土试件的粘结滑移性能进行了试验研究,结果表明,界面粘结强度随着冻融循环次数增加、试件长细比增大、钢管宽厚比增大而减小,并进一步提出了冻融循环作用后钢管混凝土粘结应力滑移本构关系。但研
19、究仅分析了方钢管混凝土柱,未分析混凝土强度对界面粘结性能的影响。笔者以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度为主要参数,设计 21个圆钢管混凝土柱进行推出试验,分析各因素对界面粘结强度的影响规律,提出冻融循环作用后圆钢管混凝土柱界面粘结强度计算公式,以期为严寒地区钢管混凝土结构的有关设计提供参考。1试验概况1.1试件设计与制作试验变量为冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度,共设计 21 个推出试件,试件设计具体参数如表 1 所示。其中,冻融循环次数分别设定为 0(对照组)、50、100、200、300 次。试验均采用内径 D0=92 mm 的 Q235 无缝圆钢管,钢管外径 D 分别为 100、98
20、、96 mm,材性试验结果如表 2所示。试件锚固长度 la取为钢管外径的 3倍21,试件高度 l均为 340 mm。核心混凝土采用 P O 42.5 水泥表 1试件设计参数Table 1Design parameters of specimens试件编号TC2-30-0TC2-30-50TC2-30-100TC2-30-200TC2-30-300TC2-50-0TC2-80-0TC3-30-0TC3-30-50TC3-30-100TC3-30-200TC3-30-300TC3-50-0TC3-80-0TC4-30-0TC4-30-50TC4-30-100TC4-30-200TC4-30-300
21、TC4-50-0TC4-80-0混凝土强度C30C30C30C30C30C50C80C30C30C30C30C30C50C80C30C30C30C30C30C50C80t/mm222222233333334444444n050100200300000501002003000005010020030000D/t48.0048.0048.0048.0048.0048.0048.0032.6732.6732.6732.6732.6732.6732.6725.0025.0025.0025.0025.0025.0025.001.171.171.171.171.170.810.541.841.841.84
22、1.841.841.270.842.332.332.332.332.331.601.07注:TC表示推出试验;t为钢管壁厚;n为试件冻融循环次数;为套箍系数21。115第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)制备,混凝土强度等级分别为 C30、C50、C80,进行28 d 标准养护;同条件下制备并养护 150 mm150 mm150 mm 混凝土立方体,根据立方体试块混凝土强度等级的不同,分为 3 组,每组 3 个试块,测得其抗压强度。配合比与实测立方体抗压强度平均值见表 3。试件制作时,为准确预留长度 40 mm 空隙,在钢管一端放置厚度 40 mm、直径与钢管内径相同的
23、泡沫板。事先将泡沫板用胶带包裹,避免泡沫粘结混凝土,对试验结果产生影响;并对试件底部进行密封,避免混凝土渗漏。1.2试验方法1.2.1冻融循环试验对试件完成 28 d 养护后,根据文献22中规定的快冻法对进行冻融循环试验。冻融循环试验设备采用水冻水融法,圆钢管混凝土试件放置于冻融试验箱内的橡胶桶(100 mm100 mm400 mm)中,清水没过试件 5 mm,制冷剂作为循环介质。冻融循环试验完成后,试件未出现局部变形或开裂。1.2.2试验加载及量测内容推出试验在 30 t 万能试验机上进行。为避免偏心加载,加载前将试件两端打磨平整,确保加载时试件两端受力面与钢管纵向轴线垂直。核心混凝土与钢管
24、平齐的一端定义为加载端,其两侧垂直安放位移计,测量加载端核心混凝土滑移;具有 40 mm 空钢管的一端定义为自由端。在试件下方放置中心预留孔洞的支座,便于位移计测量混凝土自由端位移,并在支座上表面放置位移计,排除支座位移的影响。试件加载时,外荷载通过直径为 90 mm 的圆形钢垫块进行荷载传递,用墨线确定位置,使垫块中心、试件纵向轴线、支座中心保持在同一直线,并与两端加载板垂直。为保证试验仪器与试件紧密压实,预加载至 5 kN,预加载期间不记录数据。试验采用分级加载制,每级荷载增量为预期极限荷载的 5%,持荷时间约为 23 min,荷载达到极限荷载的 70%后,慢速连续加载,直到自由端核心混凝
25、土达到预期位置,最大滑移为 30 mm。试验量测内容包括试件界面相对滑移量、粘结荷载及钢管不同高度应变值。粘结荷载、钢管应变分别通过万能试验机的力学传感器及沿钢管壁纵向分布的应变片测得,应变片的布置如图 1所示。2试验结果与分析2.1试验现象观察试验过程,发现经冻融循环作用的试件与未经冻融的试件试验现象相似。加载初期,加载端位移计数值很小,自由端位移计无变化,即加载端混凝土有微小变形,局部界面胶结力破坏,自由端核心混凝土与钢管之间无相对滑移。随着荷载的表 2钢材材性Table 2Mechanical properties of steels组别TC2TC3TC4厚度t/mm234弹性模量Es/
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