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冯Yu Pengcheng徐,元方,杨,俊杰江, ”刚度分析回收循环钢管自密实钢管混凝土柱在偏心压缩”,土木工程的发展, 卷。2019年, 文章的ID2749587, 15 页面, 2019年。 https://doi.org/10.1155/2019/2749587
刚度分析回收循环钢管自密实钢管混凝土柱在偏心压缩
文摘
在这项研究中,21个回收自密实钢管混凝土圆形钢管(RSCFCST)列偏心压缩下的设计和测试。研究参数包括再生粗骨料的替代率(RCA)、混凝土强度等级、偏心距和长径比 的标本。load-stiffness曲线获得的标本的观察整个装货过程,以及标本的各个参数对刚度的影响进行了分析。测试结果表明,RSCFCST短列 在偏心压缩展览drum-like弯曲故障,而RSCFCST长列 偏心受压下体验全球屈曲失效模式。RCA的替代率、长径比和偏心率增加,标本在偏心受压承载力的下降。然而,混凝土的强度等级的增加提高了承载能力。RSCFCST列偏心压缩下的刚度逐渐增加,随着混凝土强度等级的增加,而古怪的刚度有不利影响的标本。随着负载的增加,长径比的增加会加速试件的刚度退化。替代率的影响的RCA标本在弹性阶段的刚度是不明显的。用来验证有限元模型进行参数研究扩大可用的测试结果。此外,一个分析模型预测的有效刚度RSCFCST列下偏心压缩提出了基于放大器方法,执行和验证该方法的使用测试数据和有限元分析。
1。介绍
城市的快速更新和发展,产生大量的废弃混凝土。目前,大多数的这些具体浪费在中国直接land-filled或堆放在露天环境没有任何治疗1- - - - - -3]。回收率非常低。因此,如何有效地回收利用这些废弃物,合理减少土地占用和污染环境吸引了越来越多的关注。
弗里斯和Kisku4,5]证明了回收处理这些废弃混凝土的可行性。Laserna,托马斯,谢赫和朱(6- - - - - -9)进行实验再生骨料混凝土的力学性能和耐久性。测试结果表明,多达25%的普通粗骨料被rca所取代,机械性能没有明显的影响。此外,Tam (10)检查三个预浸处理方法削弱了砂浆RCA。结果表明,再生骨料混凝土的力学性能使这三种治疗方法的显著提高质量与使用传统的方法。简而言之,这些研究证实在工程应用再生骨料的可行性和合理性。
钢管混凝土(钢管),一个复合结构,有效地施加的机械优势外钢管和核心混凝土已广泛应用于工程结构。大量的分析和对钢管进行实验调查,和一系列的成就了11- - - - - -15]。不同于普通的钢管,回收的填充钢管混凝土(RCFST)再生骨料混凝土。Mohanraj et al。16)做了一个实验在方形和圆形RCFST列的行为受到轴向压缩。的影响混凝土的约束,钢管尺寸和形状进行检测时,发现目前钢管混凝土的适用性设计规定RCFST列被评估。随后,一个实验研究提出了偏心受压下RCFST列上杨和汉17和陈等。18]。结果表明,RCFST列偏心载荷下的失效模式是整体屈曲,这是类似于普通钢管混凝土柱。RCFST列的极限承载力随着偏心距和长径比的增加而减少。唐,徐19,20.调查RCFST柱的抗震性能。测试结果表明,地震RCFST列的行为类似于相应的普通钢管混凝土柱,它是可行的应用这些RCFST列在地震地区。耿et al。21)进行了一项实验的时间行为RCFST列。测试结果显示的总变形RCFST列可能增加50% 5个月后受到持续加载,这是比普通钢管混凝土柱高出22%。
上述研究证明RCFST在工程应用的可行性和加强环境保护和可持续发展工程的概念。然而,uncompactness核心混凝土的复合结构很容易发生由于振动和不能移动的空气不足的钢管。这uncompactness缺陷可能会降低承载力的标本。因此,Mahgub et al。22)研究自密实钢管混凝土的力学行为椭圆钢管柱受轴向载荷。结果表明,标本与大长细比展出全球屈曲失效模式,而极限强度降低了随着长细比的增加,虽然随着混凝土强度等级的增加增加。Muciaccia et al。23)进行了实验的反应自密实钢管混凝土(SCFST)列在偏心压缩。等三种不同的混凝土、自密实混凝土、普通的振实混凝土,和一个广阔的鳞状细胞癌,是用来调查SCFST列的行为受到偏心压缩。Elzbieta和皮奥特24)测试外钢管和核心之间的粘结行为自密实混凝土复合管列。结果表明,SCFST列的粘结性能取决于混凝土的抗压强度,和自密实混凝土的粘结强度是低于混凝土振动。丁和Yu (25]研究了纯弯曲SCFST列的行为。的影响强度等级的混凝土抗弯能力并不是显而易见的。然而,抗弯能力随着钢率增加明显增加。此外,Dotreppe et al。26)进行了数值研究利用非线性有限元软件SAFIR调查SCFST列在火灾条件下的结构和热性能。结果显示,SCFST列在高温下的力学行为是类似于普通钢管混凝土柱,和这些列在工程建筑中的应用是可行的。
总之,大量的理论和实验已进行调查RCFST SCFST。然而,很少有研究关注的是RSCFCST列的行为。在这个分析中,21个RSCFCST列下偏心压缩测试调查刚度的性能。
2。实验程序
2.1。制备的标本
21个标本,包括15 RSCFCST短柱和六RSCFCST长列偏心载荷,进行了。四个参数,如长径比、RCA的替代率,混凝土强度等级,和偏心率检查分析。钢管的外径140毫米,和钢管的厚度是3.63毫米。钢管的长度是500毫米,1000毫米和1500毫米。不同长径比(即。,3.57,7.14,和10.71),replacement ratios of RCA (i.e., 0%, 50%, and 100%), strength grades of concrete (i.e., C30, C50, and C60), and eccentricities (i.e., 20 mm, 40 mm, and 60 mm) were adopted. The specific parameters of the specimens are listed in Table1。
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请注意。
是钢管的外径;和是测量钢管的厚度和长度,分别;是RCA的替代率;古怪的标本;RSC的半径;是偏心率;长径比的标本;试件的极限荷载。 |
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300 mm×300 mm×10毫米钢板首次焊接钢管的底部。然后,回收自密实混凝土(RSC)涌入了钢管。核心RSC达到初凝强度后,用塑料薄膜包装的顶部钢管。七天后,这个塑料薄膜是删除,另一个300毫米×300毫米×10毫米钢板焊接在钢管的顶部。
2.2。材料机械性能
RSCFCST列组成的复合结构外无缝钢管和RSC加密。根据“金属material-Tensile测试(GB / t228 - 2010)“我一部分27),外层钢管的产量和极限强度决定从优惠券测试233.1 MPa和295.7 MPa,分别。杨氏模量和泊松比的钢管是2.0×1050.297 MPa和,分别。
RSC的RCA,细骨料,波特兰水泥,自来水,高性能减剂,天然碎石。粗骨料由连续级配碎石和RCA。RCA和级配砾石的粒径范围是5毫米∼31.5毫米。RCA是通过破碎的废弃混凝土块强度甜2∼C60。RCA的筛分分析是根据中国执行代码JGJ 52 - 2006 (28]。细骨料由粉煤灰、粒级砂。粉煤灰的颗粒密度是2.2克/厘米3。砂的细度模数为2.9。表2描述了混合比例的RSC不同强度等级和相应的力学性能决定从指定测试方法根据监管JGJ / t283 - 2012 (29日]。
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2.3。测试设置和加载方案
单调静力加载试验是进行electron-hydraulic伺服压机类型偏航- 5000 f。可调节三角槽板,刀口准备测试所需的怪癖,如图1。两个线性变量位移传感器(线性)对角排列在底部加载板监测RSCFCST柱的轴向变形。另外三个线性排列的1/4,1/2和3/4的列来测量试样的弯曲变形量。RSCFCST短柱,8的数字中高应变仪被均匀地粘在列,如图2(一个),以确定外层钢管的轴向和周向压力。对于RSCFCST长列,如图2 (b),24应变仪均匀排列的1/4,1/2和3/4的标本。
(一)
(b)
(一)
(b)
在该测试中,采用load-controlled和位移控制加载方案。最初,load-controlled加载方案应用,加载率为50 kN /分钟。随着负载的增加到大约85%的估计强度极限的标本,然后采用位移控制加载方案,加载速率为0.5毫米/分钟。
3所示。实验结果和分析
3.1。失效模式
根据测试结果,RSCFCST列的失败过程经历三个阶段弹性、弹塑性和失败。等现象,逐渐下降的钢管表面的铁锈,当地的外层钢管的屈服,偶尔RSC破碎的声音,和当地的翘曲标本,观察到在测试。两种失效模式的RSCFCST列偏心压缩了下,如图3。RSCFCST短柱在偏心压缩展览drum-like弯曲故障,而RSCFCST长列体验全球屈曲失效模式。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.2。Load-Stiffness曲线
图4说明了各种参数的影响,如混凝土强度等级、RCA的替代率,怪癖,长径比,load-stiffness RSCFCST关系列上的下一个偏心载荷。表示试样的刚度代表了轴向载荷。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.2.1之上。混凝土强度等级的影响
图4(一)描述了混凝土强度等级的影响标本的load-stiffness关系。很明显,混凝土的强度等级有很大影响试件的刚度和承载力。最初,load-stiffness曲线基本上是水平的,和初始刚度随着混凝土强度等级的增加而增加。把RSCSE-7 RSCSE-13例如,的初始刚度RSCSE-13 RSCSE-7的大约2.4倍。随着负载的增加,试样的刚度退化率是逐渐增加,混凝土强度等级的增加将会恶化的具体退化。如图4(一)RSCFCST列的极限承载力随着混凝土强度等级的增加而增加。例如,RSCSE-13的极限承载力高于RSCSE-7约16%。原因是抗压强度、弹性模量、以及核心RSC的密实度随着混凝土的强度等级的增加而增加。
3.2.2。RCA的替代率的影响
图4 (b)说明了RCA的替代率的影响的刚度偏心载荷RSCFCST列。RCA的替代率几乎没有影响标本在弹性阶段的刚度和load-stiffness曲线近似水平。随着负载的增加,曲线显示了一个明显的拐点,标本进入弹塑性阶段。RCA的替代率的增加加快了刚度退化的标本。一般来说,更高的替代率的标本RCA短load-stiffness水平阶段,再缓慢下降阶段。RSCFCST列的极限承载力偏心载荷下稍微降低RCA的替代率增加。例如,极限承载力的RSCSE-2 RSCSE-8高出5%。这可能来自RCA的替代率的增加提高了砂浆坚持RCA的表面之间的接口,它加速了试件的刚度退化和略RSCFCST列的承载力降低。
3.2.3。偏心率的影响
如图4 (c),离心率有显著影响标本的刚度和承载力。在初始加载阶段,标本的load-stiffness曲线提出了一种近似水平阶段。标本的初始刚度减少随着偏心率的增加。例如,初始刚度RSCSE-1 RSCSE-3的大约4倍。随着负载的增加,load-stiffness曲线偏离水平和试件的刚度退化速度增加。试件的极限承载力随偏心率的增加而减小。RSCSE-1和RSCSE-3例如;的极限承载力RSCSE-13 RSCSE-7高出60%。这可能来自标本的失败全剖面压缩轴向载荷下失败,而部分紧张和部分压缩发生在偏心受压的失败部分标本。钢管对核心RSC的约束效应只发生在压缩区。 The larger the eccentricity is, the smaller the cross-sectional area of the compression is in the failure zone. Therefore, the confinement effect decreases as the eccentricity increases. Moreover, the increase of the eccentricity enlarges the second-order effect and increases the lateral deflection.
3.2.4。长径比的影响
图4 (d)揭示了长径比的影响在RSCFCST列的刚度偏心压缩。最初,标本的load-stiffness曲线提出了一种水平阶段大约标本是在弹性阶段。显然,随着负载的增加,长径比的增加会加速试件的刚度退化。RSCFCST柱的极限承载力下偏心载荷减少随着长径比的增加。例如,极限承载力的RSCSE-12 RSCSE-21高出24%。原因是长径比的增加会导致不稳定的偏心载荷下标本。标本的挠度增加随着长径比的增加。额外的挠度放大了P- - - - - -δ标本的影响减少试件的承载力和抗弯刚度。
3.3。应力应变分析
受到的应力-应变曲线RSCFCST列偏心压缩数据所示5- - - - - -8。在这些数字,代表试样的压应力,是纵向应变,是周向应变。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
3.3.1。混凝土强度等级的影响
混凝土强度等级的影响RSCFCST列偏心压缩下的应力-应变关系见图5。最初,对不同混凝土强度等级的应力-应变曲线是线性的增加,混凝土的强度等级对应力-应变曲线没有影响在弹性阶段。随着负载的增加,试样的应力-应变曲线非线性增加,应力-应变曲线上出现一个拐点。纵向压缩应变发展速度比纵向拉伸应变,和周向拉伸应变发展速度比压缩应变。随着混凝土强度等级的增加,试样的应力应变发展速度降低而增大。
3.3.2。RCA的替代率的影响
如图6,替代率的影响的RCA RSCFCST列在偏心受压的应力-应变关系不明显处于弹性阶段。随着负载的增加,应力-应变曲线偏离线性增长。周向拉伸应变发展快于周向压缩应变。另外,纵向压缩应变发展速度比纵向拉伸应变。应变增长加快RCA的替代率增加。
3.3.3。偏心率的影响
应力-应变曲线的斜率随偏心率的增加,如图7。标本的小怪癖,整个部分是在加载的初始压缩状态,和所有菌株在截面抗压。随着偏心率的增加,标本的产量和最大应力降低,而压力的快速健康发展。
3.3.4。长径比的影响
最初,标本不同长径比的应力-应变曲线是线性增加的,如图8。随着负载的增加,应力-应变曲线偏离线性,应力-应变曲线上出现一个拐点。长径比的增加会降低样品的压力,增加应变增长率。
4所示。修改后的有效刚度预测模型
4.1。基本假设
简化的有效刚度计算RSCFCST列偏心压缩下,以下假设:(1)平面部分假设适用于整个计算;(2)外钢管和核心RSC工作和变形协调;(3)挠度曲线形状的大约是半正弦波。
4.2。一个新的模型估算的有效刚度
传统的钢管混凝土柱的刚度的估计下轴向压缩建议通过以下著名的方程(30.]: 在哪里和核心混凝土的弹性模量和外钢管,分别和和的横截面惯性矩是核心混凝土和钢管外,分别。
然而,一些调查的重点是预测下钢管混凝土组合柱的有效刚度偏心压缩。根据(31日,32),复合结构需要一定的有效刚度降低自接口交互应该考虑。因此,一个有效刚度的因素在这项研究中,介绍了和RSCFCST列的有效刚度偏心压缩可以表示如下: 在哪里下RSCFCST列的有效刚度偏心压缩;RSC的弹性模量;和RSC的横截面惯性矩和外层钢管,分别;和通过多元回归得到的测试数据如下: 在哪里校正系数是考虑RCA的替代率的影响,拟合的回归分析现有的测试数据,如图9和以下方程:
细长的列,应该考虑二阶效应。有两种主要方法如名义曲率的方法和目前放大镜在当前规范考虑二阶效应的方法。放大镜方法依赖于精确的时刻的标本,并一直受雇于Eurocode 4 (39],aci - 318 [40)等。规格,放大系数可以建立: 在哪里试件的极限荷载和吗是关键的抗弯强度,这是有关吗和 。 可以估计以下方程:
根据上面的方程,可以描述如下:
根据方程(2)和(7),有效刚度系数RSCFCST列的下偏心压缩可以表示如下:
RSCFCST存根列受到偏心载荷( )(41),标本的失效模式主要是压缩核心RSC的失败。因此,有效刚度因子( )主要考虑的影响和 。钢管的屈服强度的影响( )在有效刚度系数( )是不明显的。安装了测试数据,见以下方程:
偏心压缩(以下RSCFCST长列 )(41),标本的失效模式是压缩失败的核心RSC和紧张的外钢管。显然,的影响和在有效刚度系数( )是显著的。此外,钢的屈服强度的影响( )和钢比( )不是在这种情况下可以忽略不计。由实验数据拟合,见以下方程:
RSCFCST列的方程预测有效刚度偏心压缩下可以获得如下:
5。非线性有限元分析
在这项研究中,RSCFCST列偏心压缩下的力学行为模拟的有限元分析软件ABAQUS 6.12。建立了有限元分析模型的标本:(1)建立了单个组件;(2)个人材料属性分配;(3)创建网格大小;(4)组件组装;(5)定义分析步骤;和(6)约束条件、边界和负载应用。一个python脚本支持的有限元分析[42)开发促进多次执行相同的任务,和模型可以方便地计算挠度的标本。
5.1。材料的本构关系模型
如图10钢的应力-应变曲线可以分为五个阶段:弹性、弹塑性、塑性,淬火,二次塑性流动(43,44]。应力-应变曲线的表达式如下(45]: 在哪里和表示的等效应力和等效应变钢;钢的弹性模量;钢的屈服强度;是钢的应变对应比例限制;是开始屈服点的应变;是结束屈服点;是钢的极限强度对应的应变;和 , ,和弹塑性阶段的参数。 , , , 是钢的比例限制,是钢的强度极限。
如图11RCA的替代率的影响被认为是应力-应变关系和应力-应变关系建立了RSC受到偏心载荷在这项研究基于现有模型(46,47]: 在哪里和代表RSC的压应力和最大压应力,分别;和是压缩应变和RSC的最大压应变;和是测试数据的回归分析得到的参数,如以下所示方程 在哪里抗压强度。是约束影响系数考虑RCA的替代率的影响。 和的横截面积是钢管和核心RSC压缩区。
核心RSC的应力-应变模型采用张力带如下(43]: 在哪里和代表RSC的拉应力和最大拉应力。和拉伸应变和RSC的最大拉伸应变,分别。
5.2。有限元模型
5.2.1。交互设置
中定义的约束模型之间的交互模块。地对地接触相互作用是用于钢管和核心RSC的表面(48]。金属触点被指定为正常变形的两个表面之间的相互作用,在分析摩擦系数是0.3。加载板和钢管之间的接触类型shell-to-solid-coupling。
5.2.2。加载边界条件
有效地反映了偏心受压状态,两个加载板块设置在底部和顶部的标本,如图12。为了防止两个加载板的变形,杨氏模量的加载板被定义为2.1×1014MPa和泊松比为0.3。底部的自由度的标本是完全约束在旋转和翻译,而顶部的列是允许的Z方向。加载线设置在顶部加载板,和位移控制加载的应用Z方向。
5.2.3。分析步骤和固体元素
采用增量迭代法在分析控制时间增量。初始增量、增量最小和最大增量设置为0.001,1 e - 006,分别和10。S4R (four-node-reduced积分格式壳元素元素)和C3D8R (eight-node固体元素有三个翻译自由度)采用网状外钢管和核心RSC,分别。敏感性研究表明外层钢管和核心RSC可以用3毫米编织元素的大小,和每个元素的有限元模型和网格划分如图所示13。
(一)
(b)
(c)
(d)
5.2.4。有限元模型的评价和参数研究
承载力和挠度的测量测试数据RSCFCST列下偏心压缩与有限元模型的预测值进行比较,如表所示3。和站的测量极限载荷和挠度标本,分别;极限载荷的预报值,说明了偏转的预测价值。有限元模型的预测值与试验数据吻合较好,。的平均值和分别是97.4%和96%,均方误差是0.042和0.037,分别。
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请注意。
代表了极限载荷的预报值;表示偏转的预测价值。 |
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研究参数包括钢的屈服强度( ),钢比( ),diameter-thickness钢管的比率( ),RCA的替代率 ,混凝土的强度等级,偏心率 ,和长径比 RSCFCST列。列出了详细的参数值表4。评估该模型,长径比 和偏心率 在本研究调查全面。与此同时,其他参数研究了解决一个特定的值,如表所示5。此外,14的组合 , , ,和创建和混凝土强度等级与每个3值运行和 。总共14×3×3 = 126有限元模型建立。
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6。对该模型的评价
为了验证的有效刚度计算公式的准确性RSCFCST列下偏心压缩,该方程预测的挠度值和测试数据在这项研究中比较表6。的平均比例预测值偏差的模型测试数据是1.022,和均方误差是0.123。从该模型获得的结果非常接近测试数据。
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此外,十二个回收循环钢管柱钢管混凝土偏心受压(49)收集进一步验证的适用性提出了估算的有效刚度方程。如表所示7的平均比率预测挠度测试数据的参考价值为1.086,均方误差是0.133。此外,上述126 FE模型也用来评估的准确性提出了预测方程的有效刚度、和的总体性能提出了方程是描绘在图14。测试数据,有限元分析结果和变形量的预测方程比较图14。显然,大多数情况下误差在±10%。提出了方程的预测值与试验数据吻合较好,有限元分析。因此,在这项研究中提出的模型可以采用评估RSCFCST列下的有效刚度偏心压缩。
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请注意。试样识别系统的一个示例如下:cl12 - 8 - 100 - 0,在CL占组合与聚合列,数字数字“12”是长径比(
),数字“8”定义了名义上的比率为8%,数字“100”代表了RCA替代率为100%,最后一个“0”表示偏心负载与0毫米。 |
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7所示。结论
实验研究和有限元分析的力学性能RSCFCST列偏心压缩以下在本研究进行的。主要结论如下:(1)RSCFCST短柱在偏心压缩展览drum-like弯曲故障,而RSCFCST长列下偏心压缩体验全球屈曲失效模式。(2)RCA的替代率、长径比或偏心率增加,RSCFCST列在偏心受压承载力的下降。然而,试件的承载力随着混凝土强度等级的增加而增加。(3)RSCFCST列偏心压缩下的刚度逐渐增加,随着混凝土强度等级的增加,而古怪的刚度有不利影响的标本。随着负载的增加,长径比的增加会加速试件的刚度退化。替代率的影响的RCA标本在弹性阶段的刚度是不明显的。(4)应力-应变曲线是线性弹性阶段。随着负载的增加,应力-应变曲线偏离线性应变增长率和RCA的替代率增加,长径比,或偏心率增加,而应变增长率减少随着混凝土强度等级的增加。(5)用来验证有限元模型进行参数研究扩大可用的测试结果。的分析模型预测的有效刚度RSCFCST列下偏心压缩提出了基于放大器方法,执行和验证分析模型的使用测试数据和有限元分析的结果。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。参考测试数据表7可以获得通过https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141029616307271。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(51578001号,51608003,51878002,51008001),教育部、安徽省(没有。KJ2015ZD10),安徽省的关键研究和发展计划(没有。1704 a0802131),安徽省优秀青年人才支持计划(没有。gxyqZD2016072)。
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