椭圆形钢管混凝土承载力的试验研究

杨 剑,郭小刚, 吕 弦



椭圆形钢管混凝土承载力的试验研究

杨 剑,郭小刚, 吕 弦

(湘潭大学 土木工程与力学学院, 湖南 湘潭, 411105)

根据正交试验理论,设计了不同混凝土强度、钢管强度、钢管厚度、长细比等的钢管混凝土试件, 通过轴心受压加载方式测试其承载能力. 试验结果表明: 受轴压载荷时, 钢管混凝土的强度随着混凝土强度、钢材强度、钢管厚度的增加而增加, 随着钢管混凝土的高度增加而减小.

椭圆形; 钢管混凝土; 正交试验

钢管混凝土是一种新兴的组合结构, 主要用来承受轴心受压和较小的偏心受压[1], 被广泛应用于框架结构中(如厂房和高层建筑). 钢管混凝土结构应用的高速发展得益于它具有良好的承载能力和施工性能. 目前, 对椭圆形截面钢管混凝土相关方面的研究比较少, 研究椭圆形截面钢管混凝土以发现其优缺点, 为建筑结构材料的应用提供理论依据[2-4].

1 构件设计

构件拟按工程实际1:10的比例进行制作, 考虑钢管混凝土连杆制作工序复杂, 难以保证质量, 易造成初始缺陷, 难以反映构件真实受力机理, 故按照对称原理, 进行单肢构件制作, 钢管混凝土横截面如图1所示. 对于本构件, 混凝土采用C30. 圆端形钢管采用3 mm钢板焊接制作, 其套箍系数=ss/(cc) = 0.66,s、c分别为钢材及混凝土强度设计值;s、c分别为钢管、混凝土的截面积.

图1 圆端形构件横截面

在顶板中心位置开设直径为100 mm的圆孔. 浇注混凝土, 用直径5 cm的振捣棒插入振实, 每次灌入混凝土的厚度约为30～40 cm, 完成后柱端用水泥砂浆抹平. 试件养护条件为室外自然养护,混凝土强度用与试件同龄期的150 mm × 150 mm × 150 mm立方体试验确定, 养护条件与实验混凝土相同. 钢材强度用实验钢管上切割下来的试板经单轴拉伸试验给出. 混凝土养护28 d后, 对于轴心受压构件, 由于混凝土的收缩, 混凝土的顶面与钢管的顶面相隔2 cm, 试验时, 铺垫一层细沙, 上部垫设10 mm的方形钢板, 保证构件均匀受力.

2 试验装置与加载方式

圆端形钢管混凝土轴向承载力试验在工程结构试验中心500t万能压力试验机上进行, 上、下柱端采用刀口铰加载. 试验前, 用打磨机将钢管混凝土试件顶端打磨平整. 对于轴心受压构件, 上部加设10 mm的方形钢板作为构件顶板, 然后将试件直接放在压力机上进行一次压缩试验. 试件安装后先进行预加载2～3次, 预加载值约为预计极限荷载的15%. 首先将采集数据的仪器调试完毕, 然后将试件吊装于试验台上, 并与仪器和设备连接, 再进行调试, 待正常运行后开始试验.

试验加载采用分级加载方式. 加载范围小于预计极限荷载的60%. 每级加载值约为预计极限荷载的1/10; 超过此荷载值后, 调整每级加载值约为预计极限荷载的1/20. 每级荷载持续时间为2～3 min.

当试件接近破坏状态时, 采用慢速连续加载方式. 试件即将破坏时, 荷载增加放缓甚至减荷, 此时位移增加很快, 当达到如下条件之一时立即停止加载: ①当荷载降低至峰值荷载的65%以下; ②钢管焊缝发生破坏.

3 轴压试验结果

3.1 混凝土强度对钢管混凝土(CFST)抗压强度的影响

试件参数: 钢材屈服强度235 Mpa; 钢管厚度4 mm; CFST高度1.8 m; 混凝土抗压强度见表1. 为了分析混凝土材料强度变化对椭圆形钢管混凝土轴心承载力性能的影响, 本文制备了几个不同混凝土强度的试件, 其几何尺寸与钢材强度均保持一致, 仅改变混凝土强度. 最大承载力测试结果见表1第3列, 最大承载力随混凝土强度变化规律如图2所示.

表1 试件参数及测试结果

图2 CFST 抗压强度随混凝土强度变化曲线

试验表明钢管混凝土受轴压时, 其承载力随着核心混凝土强度的提高而提高. 从图2可以看出, 核心混凝土强度的高低对钢管混凝土轴压柱强度提高率虽有影响, 但影响不大.

3.2 钢材强度对CFST抗压强度的影响

试件参数:混凝土抗压强度为20 Mpa; 钢管厚度4 mm; CFST高度1.8 m; 钢材屈服强度见表2.

表2 试件参数及测试结果

与研究混凝土强度对钢管混凝土承载力影响类似, 本文制备了几个不同钢材强度的试件, 其几何尺寸与混凝土强度均保持不变, 仅改变钢材强度. 测试结果如表2第3列所示, 最大承载力随钢材强度变化规律如图3所示.

图3 CFST 抗压强度随钢材强度变化曲线

试验表明钢管混凝土受轴压时, 其承载力随着钢材强度的提高而提高. 从图3可以看出, 曲线基本呈一条直线, 且曲线的斜率较大, 这表明钢材强度对整个钢管混凝土承载力的影响较大.

3.3 钢管厚度对CFST抗压强度的影响

试件参数: 混凝土抗压强度20 MPa; 钢材屈服强度235 MPa; CFST高度1.8 m; 钢管厚度见表3.

制备钢管厚度为4、5、6、7 mm的试件, 其余几何尺寸与混凝土强度、钢材强度试验条件保持一致. 测试结果如表3所示, 最大承载力随钢管厚度变化规律如图4所示.

表3 试件参数及测试结果

图4 CFST 抗压强度随钢管厚度变化曲线

试验表明钢管混凝土受轴压载荷时, 其承载力随着钢管厚度的提高而提高. 从图4可以看出, 钢管混凝土的抗压强度基本上随着钢管厚度呈线性变化, 且变化幅度较明显.

3.4 CFST高度对其抗压强度的影响

试件参数: 混凝土抗压强度为20 MPa; 钢材屈服强度为235 MPa; 钢管厚度为度4 mm; CFST高度见表4.

制备钢管混凝土高度为1 800、2 100、2 400、2 700 mm的试件, 其余几何尺寸与混凝土强度、钢材强度试验条件保持一致. 测试结果如表4所示, 最大承载力随CFST高度变化规律如图5所示.

表4 试件参数及测试结果

图5 CFST 抗压强度随高度变化曲线

试验表明钢管混凝土受轴压载荷时, 其承载力随着钢管高度的增大而降低. 从图5可以看出, 钢管混凝土的抗压强度随其高度的增加而不断降低, 且降低的幅度随着高度的增加越来越大.

4 结论

本文通过试验方法研究了混凝土强度、钢材强度、钢管厚度、钢管混凝土高度等因素对椭圆形钢管混凝土承载能力的影响. 加载方式为轴压加载, 试验结果表明: 受轴压载荷时, 钢管混凝土的强度随着混凝土强度、钢材强度、钢管厚度的增加而增加, 随着钢管混凝土的高度增加而减小. 上述因素中, 钢管厚度与钢材强度对钢管混凝土的承载能力有比较明显的影响, 其余因素对承载力影响相对较弱.

[1] 熊德新. 钢管初应力对钢管混凝土构件性能影响的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2005. 1-12.

[2] 陈勇, 张耀春. 设对拉片方形薄壁钢管混凝土短柱的试验研究与有限元分析[J]. 建筑结构学报, 2006, 27(5): 23-29.

[3] 陈勇, 张耀春. 设置斜肋方形薄壁钢管混凝土轴压短柱研究[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2006, 36(1): 107-112.

[4] 蔡绍怀. 我国钢管混凝土结构技术的最新进展[J]. 土木工程学报, 1999, 32(4): 16-26.

Experimental study on the bearing capacity of elliptical concrete filled steel tube

YANG Jian, GUO Xiao-gang, LV Xian

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

To test its bearing capacity, the different concrete strength, steel pipe, steel pipe thickness strength and slenderness ratio of concrete filled steel tube were designed with the theory of the orthogonal. The results showed that: when subject to axial compression load, the CFST strength increased with the concrete strength, steel pipe, steel pipe thickness strength increases, and reduced with the increase of the height of CFST.

elliptical cross section; CFST; orthogonal

TU 398+.7

1672-6146(2012)01-0063-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.01.017

2012-03-16

杨剑(1986-), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为钢-混凝土混合结构. E-mail: 515031779@qq.com

(责任编校:江 河)