预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱的轴压特性研究

陈国灿, 赖庆先, 田跃平, 杨智硕



预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱的轴压特性研究

陈国灿, 赖庆先, 田跃平, 杨智硕

(莆田学院 土木建筑工程学系, 福建 莆田, 351100)

分析了预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱与钢筋混凝土构件、钢管混凝土构件及非预制钢管混凝土叠合柱相比较的优点.基于实验现象观察的基础上提出计算假设, 并以预制钢管超高强石渣混凝土叠合短柱的极限承载力的研究成果为基础, 给出了预制钢管超高强石渣混凝土叠合中长柱的承载力计算公式, 弥补了《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(CECS188:2005)中未考虑长细比对核心钢管混凝土承载力影响的不足.

预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱; 钢管超高强石渣混凝土柱; 超高强石渣混凝土; 极限承载力

超高强混凝土具有单位质量水泥贡献的质强比大、能源资源消耗少等突出的优点[1-5], 推广应用超高强度混凝土, 不仅可以大量减少材料用量, 节约日益短缺的自然资源, 而且可以延长土木工程结构的使用寿命, 减少生产、运输和施工过程中的能源损耗, 降低建筑成本. 因此, 无论在国内还是在国外, 都认为超高强混凝土是绿色的、先进的土木工程材料, 目前超高强混凝土在实际工程中的应用实例较多[6].

虽然超高强混凝土超高泵送的纪录不断被刷新, 如继2008年12月中国建筑第四工程局有限公司携手中联重科股份有限公司共同打造了将C100超高强混凝土成功泵送至411 m的广州西塔顶部的业界神话后, 2011年初, 深圳京基100大厦项目的总承包单位中国建筑第四工程局有限公司又携手中联重科股份有限公司等单位联合攻关, 再次创造了C120超高性能混凝土泵送至417 m泵送的世界奇迹. 但在超高性能混凝土施工方面仍存在着突出的问题:

1) 超高强混凝土采用低水胶比配制方案, 强度、耐久性能对用水量的敏感性高, 施工质量控制难度较大[7].

2) 超高强混凝土粘性大, 施工性能不良, 超高泵送耗能巨大[8].

3) 超高强混凝土的强度高, 承受同样荷载时构件的截面尺寸比采用高强混凝土结构的小, 施工质量控制要求更为严格. 在目前的施工条件下, 应用于现浇结构中仍有很多困难.

基于“组合”的思路, 本课题组提出以预制钢管超高强石渣混凝土为芯柱的钢筋混凝土叠合柱这种新型结构型式[8]. 本文主要介绍预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱的特点, 并在文献[9]研究其短柱极限承载力的基础上, 针对《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(CECS 188∶2005)[10]未考虑长细比对核心钢管混凝土承载力影响的问题, 提出考虑长细比对核心钢管混凝土承载力影响的预制钢管超高强石渣混凝土叠合中长柱的极限承载力计算公式, 以供工程设计参考.

1 预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱的特点

预制钢筋混凝土叠合柱分两次施工, 钢管超高强石渣混凝土芯柱采用工厂预制, 养护至规定龄期后, 运到现场安装, 再进行钢管外钢筋绑扎, 模板安装, 钢管外混凝土浇筑等工序的施工.

图1 叠合柱

图2 钢筋混凝土柱

图3 叠合短柱与钢筋混凝土短柱的荷载与应变关系曲线比较.

1.1 与钢筋混凝土构件比较的优点

预制叠合短柱(图1)与钢筋混凝土短柱(图2)的荷载与应变关系曲线见图3. 图3中: 钢管超高石渣混凝土核心柱/= 3.1, 核心混凝土强度cu= 126.7 MPa, 外围混凝土强度cu= 20.2 MPa; 普通混凝土柱/= 3.1, 混凝土强度cu= 20.2 MPa. 从图3可以看出, 与钢筋混凝土构件相比, 核心超高强混凝土由于受钢管约束, 构件的极限承载力、抗变形能力显著提高. 在本课题组进行的实验参数范围内, 极限承载力为钢筋混凝土构件的2.34～2.92倍[8], 极限应变达到钢筋混凝土构件的1.86～8.29 倍[8]. 其次, 可以克服超高强混凝土的高脆性(图4)和高温下爆裂的缺陷(图5).

1.2 与钢管混凝土构件比较的优点

钢管外设置耐久性能、耐火性能良好的普通混凝土可充当钢管的防护层, 保护钢管免受空气中有害介质的侵蚀. 因此, 与钢管超高强混凝土柱相比较, 其耐久性能和防火极限可大为提高; 且定期维护的周期较长, 可节省对钢管表面定期采取除锈、防锈、防腐措施的费用.

在叠合柱中, 框架梁、墙的受力纵筋可以直接锚固在芯柱外的混凝土中,或从叠合柱的纵筋与芯柱之间穿过. 因此, 与钢管超高强混凝土柱相比, 采用叠合柱的结构中节点构造相对简单、施工工艺简便.

图4 超高强石渣混凝土受压后破坏形态

图5 超高强石渣混凝土高温下的破坏形态

另外, 钢管超高强混凝土柱外包钢筋混凝土后可以降低构件的长细比, 防止钢管混凝土失稳屈曲, 提高构件的稳定承载力.

1.3 较非预制钢管混凝土叠合柱的优点

在设施齐全、制度健全的工厂内预制钢管超高强混凝土芯柱, 施工过程受到有效的监控, 构件的质量可以得到充分的保障.

此外, 采用预制的钢管混凝土叠合柱, 可以较少的能源消耗轻而易举地解决超高强混凝土的超高泵送难题, 可有效地解决建筑业的快速发展与实现节能减排目标的矛盾.

2 预制钢管超高强石渣混凝土叠合中长柱的极限承载力

关于钢管超高强混凝土叠合中长柱的承载力, 现行《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(CECS 188:2005)[10](以下简称《规程》)给出的计算公式是(见《规程》第6.2.7条):

u=u1+u2,(1)

式中u为构件的受压承载力;u1为短柱构件中钢管外钢筋混凝土的受压承载力;u2为短柱构件中核心钢管混凝土的受压承载力;为叠合柱的稳定系数, 按《规程》中表6.2.7采用.

从式(1)可以看出, 关于钢管超高强混凝土叠合中长柱承载力的计算, 现行《规程》仅考虑长细比对钢筋混凝土受压承载力的影响, 而忽略长细比对核心钢管混凝土承载力的影响.

事实上, 由于钢管混凝土叠合柱在受压过程中箍筋范围内的钢筋混凝土和核心钢管混凝土共同工作(图6), 其他学者的研究[11]也证实了这一观点. 因此, 本课题组认为在计算叠合中长柱的承载力时, 应该把钢管混凝土叠合柱作为一个整体来考虑, 即不但要考虑长细比对钢筋混凝土受压承载力的影响, 而且也必须考虑长细比对核心钢管混凝土承载力的影响.

本文以预制钢管超高强石渣混凝土叠合短柱的极限承载力的研究成果[9]为基础,对《规程》提出的计算公式[10]进行修正, 提出考虑长细比对核心钢管混凝土承载力影响的预制钢管超高强石渣混凝土叠合中长柱的承载力计算公式.

图6 钢管超高强石渣混凝土叠合柱的破坏形态

计算假设与叠合短柱极限承载力计算所采用的相同, 即采用如下计算假设:

1) 箍筋对外围混凝土的约束效应忽略不计;

2) 混凝土保护层对承载力的贡献忽略不计, 其依据详见文献[9];

3) 考虑叠合柱属于钢筋混凝土的范畴, 将其作为一个整体考虑长细比对其承载力的影响.

根据以上3点, 得出预制钢管超高强混凝土叠合中长柱的承载力计算公式:

u=(u2+u3),(2)

式中:u3为短柱构件中钢管与箍筋范围内之间钢筋混凝土的受压承载力.

u3= 0.9(c′ce′ +y′s′), (3)

①对于钢管高强混凝土或钢管超高强混凝土叠合柱, 其核心钢管超高强混凝土短柱的极限承载力u2按公式(4)-(5)计算[12].

u2=cc(1 + 1.8), (4)

c= 0.73cu. (5)

②对于预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱, 其核心钢管超高强混凝土短柱的极限承载力u2按公式(6)、(7)计算[1].

u2=cc(1 + 1.84), (6)

c= 0.70cu, (7)

式中=ys/(cc)是钢管混凝土的套箍指标;ce′为核心钢管与箍筋范围内之间的混凝土面积;c′为核心钢管混凝土外混凝土的轴心抗压强度;y′为钢筋的屈服强度;s′为核心钢管混凝土外钢筋的面积;c为核心钢管混凝土中混凝土的面积;c为核心钢管混凝土中混凝土的轴心抗压强度;y为核心钢管混凝土中钢管的屈服强度;s为核心钢管混凝土中钢管的面积.

3 结束语

预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱充分利用钢管超高强石渣混凝土柱承载力高、预制构件质量易于控制的优点, 同时汲取普通混凝土便于现场浇筑的长处, 推广应用预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱可突破制约超高强混凝土在现浇结构中应用的瓶颈.

基于实验现象观察的基础上提出计算假设, 并以预制钢管超高强石渣混凝土叠合短柱的极限承载力的研究成果为基础, 提出预制钢管超高强石渣混凝土叠合中长柱的承载力计算公式, 弥补了《规程》(CECS188:2005)未考虑长细比对核心钢管混凝土承载力影响的缺陷.

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Experimental studies on the mechanical properties of composition columns reinforced with the prefabricated SHSCUS filled with steel tubes subjected to axial load

CHEN Guo-can, LAI Qing-xian, TIAN Yue-ping, YANGZhi-shuo

(Civil Engineering Department of Putian University, Putian 351100, China)

This paper presented the advantages of composition columns reinforced with the prefabricated SHSCUS filled with steel tubes superior to members made with reinforced concrete, or concrete-filled steel tubular, or those reinforced with the concrete filled with steel tubes by conventional methods, then the hypothesis was put forward based on experimental phenomena observed, and based on the experimental studies on the ultimate bearing capacity of composition columns reinforced with the prefabricated SHSCUS filled with steel tubes subjected to axial load, the formula of its ultimate load capacity was suggested for the columns with medium slenderness ratio, on which the effect of slenderness ratio on the ultimate load capacity of core concrete-filled steel tube is considered.

composition columns reinforced with the prefabricated SHSCUS filled with steel tubes; SHSCUS filled with steel tubes; high strength concrete used stone-chop (abbreviated to SHSCUS); ultimate load capacity

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.03.023

TU 398

1672-6146(2012)03-0082-04

2012-05-28

福建省自然科学基金计划资助项目(2011J01327), 莆田市科技计划资助(2007G26)

陈国灿(1963-), 男, 博士, 教授, 研究方向为新型组合结构的力学性能与抗火特性. E-mail: chen-a2002@163.com

(责任编校:江 河)