方钢管自密实混凝土纯弯力学性能研究.doc

摘要： 通过对6根方钢管自密实混凝土纯弯试件的试验 研究 ，考察了方钢管自密实混凝土的纯弯力学性能。采用数值 计算 的 方法 对方钢管自密实混凝土纯弯试件进行了受力全过程 分析 ，并和实验结果进行了对比。最后将设计规程ACI(1999)，AISC-LRFD(1999),AIJ(1997),BS5400(1979)和DBJ13-51-2003(2003)对抗弯承载力和抗弯刚度的计算结果与方钢管自密实混凝土试验结果进行了对比。 关键词： 自密实混凝土 方钢管混凝土 纯弯 初始抗弯刚度 使用阶段抗弯刚度 1. 前言 钢管混凝土具有承载力高，塑性和韧性好的特点，所以在工程实践中得到了越来越广泛的运用。自密实高性能混凝土在少振捣或不振捣的情况下就能自密实成型，对方便施工、减少噪音污染具有重要的意义。随着钢管混凝土结构在工程实践中的大量 应用 , 对钢管混凝土结构的研究也越来越多 , 但是对钢管混凝土纯弯试件的研究仍然相对比较少。 文献 5 对钢管混凝土抗弯性能方面的有关研究成果进行了 总结 。但 目前 对于方钢管自密实混凝土纯弯力学性能的研究还未见报导。 本文拟通过对 6 根方钢管自密实混凝土纯弯试件的试验研究，考察方钢管自密实混凝土纯弯力学性能，并将现有规程 DBJ13-51-2003 3 , ， AISC-LRFD(1999) 6 ,AIJ(1997) 7 ,BS5400(1979) 8 和 ACI(1999) 9 对抗弯承载力和抗弯刚度的计算结果与方钢管自密实混凝土的试验结果进行对比 。 2. 试验概况 试验的 6 根方钢管自密实混凝土试件的参数， B 为试件截面高度， t 为钢管厚度， L o 为计算长度，实际试件长度 L = 1500 mm 。 试件的剪跨比为 3.5 和 1.75 。 在进行试件加工时，钢管由四块钢板拼焊而成，采用坡口焊形式 ，并保证焊缝质量。 钢材强度由标准拉伸实验确定。 平均屈服强度、抗拉强度、弹性模量及泊松比分别是 282MPa 、 358.3MPa 、 2.01510 5 MPa 和 0.263 。 自密实混凝土 水灰比为 0.293 ，配合比按重量比，单位为 kg 用料如下：水泥：粉煤灰：砂：石：水 =350 ： 220 ： 815 ： 815 ： 166.8 原料采用 炼石牌 42.5 普通硅酸盐水泥；河砂，细度模数可在 2.5-2.8 之间，不应小于 2.5 ；碎石，石子粒径 5-15mm ； 矿物细掺料：采用福建华能电厂级粉煤灰；普通自来水。 UNF-5 早强型减水剂掺量为 1% ； 混凝土的塌落度为 270 mm ，铺展度 600 mm ，流动速度 19.3 米 /秒。浇捣混凝土时的室内温度 24.2 度，测得混凝土的温度 26.5 度。混凝土 28 天时的立方体抗压强度为 f cu = 76.7MP a ,实验时 f cu = 81.3 MPa 、 弹性模量 E c 4.2610 4 MP a 。 混凝土浇灌时先将钢管竖立，使未焊盖板的一端位于顶部 ，然后从开口处灌入混凝土。采用了二种混凝土浇灌方式： 1 ，常规的分层灌入法，用 50 振捣棒伸入钢管内部进行完全振捣，在试件的底部及外部同时用振捣棒侧振； 2 ， 混凝土自密实，未采取任何振捣。试件核心混凝土顶部与钢管上截面抹平，并在试件 自然 养护两周后用高强水泥砂浆修补混凝土表面与钢管表面的不平整处，然后焊上另一盖板。 试验采用四分点加载方法，在每个试件中截面四个面的中部纵向及横向各贴一片电阻应变计测量应变。在支座及四分点位置各设置一个机电百分表，在跨中位置设置大行程的位移计测量试件变形。同时在试件底部还设置两个曲率仪。试验的加载及测量装置图和曲率仪示意图参见文献 2 。 3. 试验结果分析及数值计算 试验得到的试件跨中弯矩 ( M ) 跨中挠度 ( u m ) ，跨中弯矩 ( M ) 曲率 ( ) 和弯矩 ( M ) 应变 ( ) 的关系曲线，可以看出：试件的受力经历了弹性变形、弹塑性变形和塑性强化三个阶段。试件跨中挠度达到 L /20 时，作用在试件上的外荷载还能增加，表明试件具有很好的延性。试件破坏时受压区钢管均出现数处局部外凸的现象，钢管外凸部位较均匀的分布在试件四分点与跨中之间，部分试件受拉区钢管破坏时出现撕裂。 数值计算采用文献 1 中方钢管混凝土的钢材和混凝土的应力应变关系及数值计算方法，对试件进行了受力全过程分析。从数值计算结果与试验结果的比较可见数值计算结果总体上低于试验结果。除弯矩应变的关系曲线，由于试件宽厚比较大，钢管较早出现局部屈曲，使曲线在塑性强化段有所偏差，其余的曲线二者总体上较为吻合。由此可见文献 1 中应力应变关系不但适用于方钢管普通混凝土，也适用于方钢管自密实混凝土的全过程数值模拟。 4. 实用计算方法比较 为了便于分析方钢管自密实混凝土纯弯试件承载力的变化 规律 ，将试件的试验实测承载力和设计 规范 (规程) DBJ13-51-2003 3 ,AISC-LRFD 6 ,AIJ 7 ,BS5400 8 , ACI 9 的计算 结果以及数值计算的结果进行了比较， 结果见 表 1 ，其中 M e 为试验实 测承载力， M u 为计算获得的承载力，极限弯矩取受拉区最大应变达到 10000 时的弯矩。 由表 1 极限承载力计算值 M u 和试验实测值 M e 的比值的比较可以看出，五本规范 ( 规程 ) 的计算值与试验实测值相比都偏于安全。其中以 DBJ13-51-2003 3 计算值与实测值最为接近。 BS5400 8 和 ACI 9 计算值比实验值低 10-15% 左右，而 AISC-LRFD 6 和 AIJ 7 计算值比实测值低 30% 以上 。 表 1 纯弯构件承载力规范计算值和试验值比较 序号 试件编号 实验值 ACI AISC-LRFD DBJ13-51-2003 AIJ BS5400 数值计算 M e (kN . m) M u (kN . m) M u / M e M u (kN . m) M u / M e M u (kN . m) M u / M e M u (kN . m) M u / M e M u (kN . m) M u / M e M u (kN . m) M u / M e 1 SSA100-1 10.83 9.73 0.90 7.74 0.72 9.92 0.92 7.81 0.72 9.39 0.87 9.45 0.87 2 SSA100-2 9.96 9.73 0.98 7.74 0.78 9.92 1.00 7.81 0.78 9.39 0.94 9.45 0.95 3 SSB100 10.33 9.73 0.94 7.74 0.75 9.92 0.96 7.81 0.76 9.39 0.91 9.45 0.92 4 SLA200-1 42.3 41.93 0.99 31.54 0.75 45.12 1.07 32.14 0.76 39.85 0.94 47.61 1.13 5 SLA200-2 54.94 41.93 0.76 31.54 0.57 45.12 0.82 32.14 0.59 39.85 0.72 47.61 0.87 6 SLB200 56.70 41.93 0.74 31.54 0.56 45.12 0.80 32.14 0.57 39.85 0.70 47.61 0.84 平均值 0.885. 0.686 0.926 0.696 0.848 0.928 均方差 0.059 0.046 0.054 0.045 0.058 0.054 根据弯矩曲率曲线可以确定试件的刚度。一般比较认同在弯矩 M= 0.2 M u 时的抗弯刚度作为试件的初始弹性刚度， 文献 2 4 采用试件 在 M= 0.6 M u 时的抗弯刚度作为构件的使用阶段刚度，因为此时试件受力通常处于各种外荷载组合作用下的正常使用受力状态，因此取 M= 0.6 M u 作为试件的使用阶段抗弯刚度是合理的。为此本文取试件在 M= 0.2 M u 和 M= 0.6 M u 时的割线刚度作为试件初始弹性刚度和使用阶段刚度。 表 2 、 3 列出 0.2 M u 和 0.6 M u 时试件抗弯刚度 K 0.2 和 K 0.6 ， 并与 DBJ13-51-2003 4 ,AISC-LRFD 5 , AIJ 6 BS5400 7 , ACI 8 及数值计算和 简化模型 的计算结果比较。这些规范 ( 规程 ) 中抗弯刚度计算方法基本是分别考虑钢管和混凝土对刚度的贡献，不同的是对混凝土对刚度贡献程度的不同考虑。 简化模型计算方法见文献 1 。 表 2 初始弹性抗弯刚度与规范计算值比较 ( kN . m 2 ) 序号 试件编号 实验值 ACI AISC-LRFD DBJ13-51-2003 AIJ BS5400 数值计算 简化模型 K 0.2 K c K c / K 0.2 K c K c / K 0.2 K c K c / K 0.2 K c K c / K 0.2 K c K c / K 0.2 K c K c / K 0.2 K c K c / K 0.2 1 SSA100-1 427.2 292.5 0.68 430.9 1.01 409.4 0.96 294.5 0.69 507.5 1.19 426.1 1.00 362.5 0.85 2 SSA100-2 474.9 292.5 0.62 430.9 0.91 409.4 0.86 294.5 0.62 507.5 1.07 426.1 0.90 362.5 0.76 3 SSB100 468.5 292.5 0.62 430.9 0.92 409.4 0.87 294.5 0.63 507.5 1.08 426.1 0.91 362.5 0.77 4 SLA200-1 3584.7 2850.5 0.80 5298.2 1.48 4849.1 1.35 2854.8 0.80 6546.9 1.83 5663.3 1.58 3478.8 0.97 5 SLA200-2 4232.7 2850.5 0.67 5298.2 1.25 4849.1 1.15 2854.8 0.67 6546.9 1.55 5663.3 1.34 3478.8 0.82 6 SLB200 3951.0 2850.5 0.72 5298.2 1.34 4849.1 1.23 2854.8 0.72 6546.9 1.66 5663.3 1.43 3478.8 0.88 平均值 0.69 1.15 1.07 0.69 1.40 1.19 0.84 均方差 0.022 0.286 0.204 0.021 0.524 0.435 0.029 由表 3 可以看出：方钢管自密实混凝土初始弹性刚度规范计算值与试验值相比以 DBJ13-51-2003 3 最为接近，平均值为 1.07 ，均方差为 0.435 。数值计算值比试验实测值偏大，平均值为 1.19, 均方差为 0.435 。 简化模型计算值比试验实测值偏小， 平均值 为 0.84 ，均方差为 0.029 。 表 3 使用阶段抗弯刚度与规范计算值比较 ( kN . m 2 ) 序号 试件编号 实验值 ACI AISC-LRFD DBJ13-51-2003 AIJ BS5400 数值计算 简化模型 K 0.6 K c K c / K 0.6 K c K c / K 0.6 K c K c / K 0.6 K c K c / K 0.6 K c K c / K 0.6 K c K c / K 0.6 K c K c / K 0.6 1 SSA100-1 291.8 292.5 1.00 430.9 1.48 409.4 1.40 294.5 1.01 507.5 1.74 315.0 1.08 321.7 1.10 2 SSA100-2 314.9 292.5 0.93 430.9 1.37 409.4 1.30 294.5 0.94 507.5 1.61 315.0 1.00 321.7 1.02 3 SSB100 312.8 292.5 0.94 430.9 1.38 409.4 1.31 294.5 0.94 507.5 1.62 315.0 1.01 321.7 1.03 4 SLA200-1 2746.0 2850.5 1.04 5298.2 1.93 4849.1 1.77 2854.8 1.04 6546.9 2.38 2975.6 1.08 3019.4 1.10 5 SLA200-2 3007.5 2850.5 0.95 5298.2 1.76 4849.1 1.61 2854.8 0.95 6546.9 2.18 2975.6 0.99 3019.4 1.00 6 SLB200 3058.0 2850.5 0.93 5298.2 1.73 4849.1 1.59 2854.8 0.93 6546.9 2.14 2975.6 0.97 3019.4 0.99 平均值 0.96 1.61 1.50 0.97 1.95 1.02 1.04 均方差 0.010 0.270 0.176 0.010 0.542 0.011 0.012 由表 3 可以看出： 使用阶段刚度以 AIJ 7 和 ACI 9 的计算值与试验实测值 最为接近， 平均值 为 0.96 和 0.97 ，均方差都为 0.010 。从表 2 和表 3 可看到，数值计算和简化模型的计算结果也与试验实测值吻合良好，这进一步说明，文献 1 提出的数值计算 模型 适用于方钢管自密实混凝土的数值计算 。