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研究文章|开放获取
杨京冀,毛毛,志超,Liangqin江,华语歌曲, ”实验研究的h型的蜂窝状存根列与矩形钢管混凝土法兰承受轴向载荷”,土木工程的发展, 卷。2021年, 文章的ID6678623, 18 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/6678623
实验研究的h型的蜂窝状存根列与矩形钢管混凝土法兰承受轴向载荷
京冀,1,2 毛毛杨
,2
志超徐,3
Liangqin江,2
和
华语歌曲2
1重点实验室结构灾害和教育部的控制权,哈尔滨工业大学,西Dazhi街92号,中国150040年哈尔滨南岗区区
2东北石油大学土木与建筑工程学院,黑龙江重点实验室的防灾、减灾和保护工程、学府路99号,龙凤区,163318年大庆,中国
3东北林业大学工程技术学院,26号禾欣路、香坊,区,150040年哈尔滨,中国
文摘
行为的h型的蜂窝状存根列与矩形钢管混凝土法兰(STHCCs)受到轴向载荷实验调查。总共16标本进行了研究,测试的主要参数变化包括钢管的约束效应系数(ξ),混凝土立方抗压强度(f铜),钢网厚度(t2)和长细比的标本(λ年代)。失效模式、荷载位移曲线、载荷应变曲线钢管法兰和网,并强制机制得到的轴向压缩测试。参数对轴压承载力和延性的影响进行分析。结果表明,舵滑对角线出现在钢管外表面和钢管混凝土法兰的标本展览剪切破坏。标本荷载位移曲线可以大致分为弹性变形、弹塑性变形、载荷下降和残余变形阶段。标本的轴压承载力和延性增加而增加ξ和轴压承载力增加逐渐增加f铜,而延性降低。增加延性显著提高t2,而轴压承载力略有增加。提高轴压承载力逐渐降低λ年代,而延性增加。的解析表达式STHCC短柱轴压承载力建立通过引入修正函数( ),这与实验结果具有良好的协议。最后,提出一些设计指导方针,它可以提供一个基础的推广和应用这种新型组合柱在实际工程项目。
1。介绍
传统的多层轻钢结构已广泛应用建设和重建项目(1- - - - - -4]。当前结构系统朝着超高的、大跨度和承载结构,与传统的轻钢结构等许多新的挑战实现跨度小,分量承载力低、整体或局部不稳定,复杂的联合建设,和应力集中。许多研究[5- - - - - -8)一直致力于核心筒组合结构施工周期较短和高承载能力。核心筒复合框架不仅可以利用钢结构属性也加强刚度和整体稳定性,克服传统的钢框架结构缺陷和不足之处。本研究提出了一种新颖的组装复合框架组成的h型的蜂窝状列与矩形钢管混凝土(钢管)法兰(STHCCs)和工字形的蜂窝梁与矩形钢管法兰(9- - - - - -11]。列和光束通过积分关节连接在一起,如图1。减少复合梁的挠度、预应力肌腱被安排在较低的复合梁法兰的钢管,紧张和锚地的共同意识到的积分。采用钢管混凝土截面形式为框架柱法兰,当地具体的防止钢管屈曲,而连续钢管约束混凝土;因此,混凝土经历三维压缩和钢管和混凝土之间的相互作用可以充分的利用。蜂窝网之间double-limbed钢管法兰不仅有效地连接独立的双钢管混凝土柱,而且大大减少了组合件的重量。梁柱成员和积分关节可以在工厂预制,连接,然后充满混凝土(12,13];因此,没有必要支持模板。浇注混凝土的低地板不影响上层钢构件连接;因此,混凝土可以不断从底部到顶部,倒不需要和具体维修时间,可大大缩短工期。该复合结构框架适用于许多新建设和改造项目由于刚度大、稳定性高、承载力高。
许多研究认为工字形的钢梁与不同的法兰。Hassanein和西尔维斯特14]研究了横向变形屈曲的空心钢管法兰梁(HTFPG)没有加强剂获得HTFPG屈曲能力,验证了相应的解析表达式,最后为这种梁提供了相应的设计建议。Erdal和萨卡人9)实验研究了十二个全面noncomposite蜂窝梁的抗弯性能受集中载荷和极限载荷承载能力提出最优设计钢蜂窝梁。Zhang et al。15]推导出横向扭转屈曲的无量纲表达式关键时刻提示横向弹性悬臂梁括号基于稳定性理论。张(16对称矩阵和反对称矩阵)调查lateral-torsional预应力工字梁的屈曲(LTB)性能,获得了解析解的对称和反对称LTB预应力焊接。基于试验和数值分析,Grilo et al。17)提出了一种新的公式来确定蜂窝梁的剪切阻力帖子屈曲。刘等人。18]提出的解析解lateral-torsional钢梁的屈曲(LTB)钢管法兰承受集中载荷。王等人。19]预测弯曲和剪切屈服强度短复合工字大梁与钢管混凝土管法兰和波纹。钢管混凝土组合柱的研究主要集中在传统的钢管混凝土柱,使成格子状列,与各个部分和特殊形状的列。林和加德纳20.]调查16钢管混凝土轴压不锈钢管识别参数对柱承载力的影响,建立了预测承载力的解析表达式。提出了表达的准确性被ACI验证与预测计算相比,EC4。Sweedan et al。21]研究整体屈曲的轴向加载工字形的列与圆形web穿孔和提供了一个简化的过程评价的屈曲能力列。陈和Ou (22]研究了钢管使成格子状柱极限承载力表达式使用ANSYS和提出基于参数分析预测为四条腿的钢管混凝土极限承载力巨大列。Ellobody和Ghazy23)实验研究了纤维增强不锈钢钢管混凝土管列受到轴向偏心载荷和准确预测表明,EC4代码为不锈钢管混凝土柱轴压承载力。包(24)提出了一种实用的方法来计算等效长细比钢管扇格列,和一个解析表达式推导预测钢管使成格子状柱承载力与K-shaped关节。为了合理地模拟扇格列,Fooladi,巴南区25)开发了一个实用的超级元素基于有限元的概念。Ekmekyapar和Al-Eliwi26)测试18短期、中期和长期圆形钢管混凝土柱和表示,EC4预测与测试结果表现出更好的协议,而AISC360-10预测保守所有标本。刘等人。27)实验研究了不同参数对柱稳定性的影响下轴向压缩6 l型和12 t形截面的钢管混凝土短柱,和相应的解析表达式,提出了稳定承载力基于实验和有限元(FE)分析结果。杨et al。28]研究了四条腿的方钢管混凝土的抗震性能横向循环荷载作用下使成格子状的成员透露,四条腿的广场钢管扇格标本表现中空钢的滞回行为。王等人。29日)实验研究小说L型和t形钢管混凝土的轴向抗压性能广场钢管(L / T-CFSST)列和建立公式计算轴向抗压强度和稳定承载力相应的L / T-CFSST列。Shariati et al。30.)提出了一个数值调查的行为组合钢管混凝土柱在轴压和表明,混凝土强度的提高更大的横截面导致更高的负荷能力相比,钢管厚度增加。然而,大多数以前的研究主要是集中在梁与各种不同的法兰和钢管混凝土柱部分,似乎很少有研究报道了h型的性能的蜂窝状列与矩形钢管混凝土法兰(STHCCs)。
蜂窝状钢网连接两个独立的矩形钢管混凝土柱作为一个整体,两条腿,他们可以有效地防止法兰两边弯曲,它类似于斜桅杆桁架体系的影响。探索STHCCs的机械行为,我们的研究小组(12)调查STHCCs的屈曲行为,提出了特征值和非线性屈曲荷载表达式这种复合列。在此基础上,本文通过实验研究了轴向压缩16 STHCC存根列,和不同的影响参数对短柱的轴压性能进行了研究。一个解析表达式推导计算极限承载力的存根列基于测量的实验数据。
2。测试概述
2.1。样本设计
研究STHCC轴向压缩,16个标本在设计时不同的箍系数(ξ),混凝土立方抗压强度(f铜),web厚度(t2)和长细比(λ年代参数值(见表)1),其中变量的物理意义如图2。蜂窝网是由开孔钢板网diameter-to-height比(d/ )是0.7,space-between-holes-to-height率(年代/ )0.3。两个钢盖板焊接结束时,每一个标本,和两个矩形浇注孔被安排在上盖板。为了防止钢管局部屈曲和网结束,10间设置加劲肋钢管,网和盖板。图3显示设计和成分的标本。
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请注意。
,
h
1,b,t
1,t
2卷筒纸宽度,法兰钢管的高度、宽度、厚度、和web厚度,分别。l试样长度。λ
年代是长细比,即
。
f
yf和f
yw是测量法兰和网络的平均屈服强度钢,分别。f
铜是测量平均立方混凝土的抗压强度。ξ是箍系数,即ξ=一个
年代
f
yf/一个
c
f
ck。这些变量的物理意义的解释研究杨和汉31日]。 |
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(一)
(b)
2.2。样品生产和维护的标本
矩形钢管、钢网、盖板和加劲肋被根据标本的设计,和矩形孔切在对称的位置上盖板。铁锈被撤矩形钢管、钢网,切割后和盖板表面;然后,这些组件(参见图焊接在一起4(一)和4 (b))。h型的钢柱与矩形钢管法兰被放置在振动平台上,并通过矩形孔混凝土倒。大会振实,直到洪水浆出现时,它是证明了列完全填充和压实。最后,混凝土表面压和夷为平地。三个标准立方块(150×150×150毫米)也将为每个混凝土混合料抗压强度测试。这些块demolded之后,他们保持在同等条件下在实验室标本。最终的图像样本如图所示4 (c)。
(一)
(b)
(c)
2.3。材料机械性能
2.3.1。钢
标本合理设计依照有关规定(32]。实验包含6种钢材厚度(1.7,2.3,3.8,6、8和12毫米),为每个厚度和三个相同的样品进行测试,即。,18个样本。表1列出了测量平均拉伸试样的屈服强度(fyf和fyw)。
2.3.2。混凝土
四种类型的混凝土(A, B, C, D)准备了不同的优势33]。表2列表之间的比例混合水泥、细和粗骨料(p . o . 42.5硅酸盐水泥、河沙和砾石,分别)和相应的平均立方抗压强度(f铜)。
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请注意。包装材料=减水剂;科幻小说=硅灰。 |
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2.4。加载方案和测量
所有标本进行轴向压缩测试使用一个压力测试(见图四列5)重点实验室的防灾减灾工程与防护工程的黑龙江省。标本放置在压力试验机和统治者SHEFFIELD-S078009夷为平地的水平。
自动double-controlled加载。预加载和卸载期间进行预压阶段。正常加载预压后开始0.5 kN / s的速度在初始阶段。当垂直荷载达到峰值负载预测的50%,加载模式改为位移加载的加载速率0.02毫米/秒。轴向载荷和位移是使用电脑软件在整个加载过程中自动收集。电阻应变计(显示)放在标本的中央部分法兰和网,和DH3818Y静态电阻应变设备被用来收集钢菌株。图6显示了残余应变仪(显示)布局在不同高度的标本。
(一)
(b)
(c)
(d)
3所示。测试结果和分析
3.1。测试现象和失效模式
图7显示了16个具体失效模式短柱受轴向压缩。故障发展过程基本上是类似的测试参数。(我)在初始加载、垂直载荷很小,所有标本表面没有明显变化。钢应变线性增加,荷载位移(l- - - - - -D)和载荷应变(l- - - - - -年代)曲线线性增加。(2)增加垂直荷载,对钢管表面逐渐脱落,和一个舵滑对角线上形成钢管的外表面。轻微的向外凸出的出现W和E双方(见图5)两端的一些标本。标本开始出现非线性特征,l- - - - - -D曲线逐渐偏离原来的线性轨迹。当负载达到峰值负载的80%,轻微隆起中间出现的一些标本。进一步增加的垂直位移、肿胀中间的标本逐渐增加,伴随着混凝土开裂的声音。(3)当标本达到极限承载力时,竖向荷载逐渐减少,标本显示良好的延性。的N和W凸起的一些标本逐渐增加,年代和N两侧的多个凸起发生在上面,中间,和较低的部分竖向荷载降低。双方的法兰的标本逐渐向外弯曲,网缩小,蜂窝孔逐渐演变成椭圆形。垂直位移的进一步增加,逐渐隆起的法兰连接形成整体膨胀节。(iv)所有标本钢管法兰显示剪切破坏的特征。(v)比较网络失效模式的标本,370和470毫米标本显示网络发达沿着相同的平面变形的蜂窝,没有局部屈曲和蜂窝逐渐成为椭圆。然而,对于270毫米长度标本,web变形不仅发达沿同一平面蜂窝的双方,但似乎也稍微向外扣。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
(k)
(左)
(m)
(n)
(o)
(p)
3.2。荷载位移曲线
图8显示了l- - - - - -D曲线的16个标本。看到的是曲线可以大致分为四个阶段。阶段1:弹性变形(OA)。的l- - - - - -D曲线基本不变的前提下增加线性斜率。标本STHCC-14-STHCC-16,非线性出现在最初的阶段l- - - - - -D曲线,这主要是由于装载装置之间的差压实和标本。这个错误没有影响整个流程分析标本。阶段2:弹塑性变形(AB)。钢管进入弹塑性状态,抑制混凝土显示明显的非线性。l- - - - - -D曲线明显偏离线性增加的斜坡。最后,标本达到极限荷载,即。峰值承载力(点B)。阶段3:减负荷(BC)。峰值负载后,加载的l- - - - - -D曲线降低还原速度是非常缓慢的。所有标本显示良好的可塑性和良好的位移延性。后通过拐点(C点)l- - - - - -D从凸对凹曲线变化。阶段4:残余变形(CD)。试样变形增加,和膨胀钢管连接在一起,而核心钢管混凝土仍克制,和标本保留重要的承载能力。最后,标本被摧毁。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
(k)
(左)
(m)
(n)
(o)
(p)
3.3。钢管法兰载荷应变曲线
由于对称的横截面STHCC标本,变形为左和右法兰趋势基本上是一致的。图9只显示了纵向和横向载荷应变((l- - - - - -年代正确的法兰(见图)曲线9(一个1- p1)和(2- p2分别)。
(一)
(b)
初始加载l- - - - - -年代所有标本的曲线是线性的。随着负载增加,斜率逐渐减小,钢管进入弹塑性阶段。峰值负载后,钢管应变速率逐渐加快,和膨胀钢管在很多地方被连接在一起。的l- - - - - -年代曲线的钢管成为接近水平,和钢管进入完全塑性状态。
3.4。钢网载荷应变曲线
图10纵向和横向l- - - - - -年代钢网的曲线。web应变相对复杂和小与法兰的压力相比,即。、网络变形小于负载下的法兰;因此,局部屈曲的网不发生在加载期间,保持稳定的垂直压缩变形。矩形钢管法兰主要承担STHCCs负载,而蜂窝网主要连接两个法兰的四肢。网络本身没有影响改善这种组合短柱的承载力。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
3.5。标本力机制
当标本受到纵向轴向压力,P纵向应变,ε3将生成的钢管和混凝土。钢管和混凝土的横向变形(ε1年代和ε1c分别)生成可以表示为 在哪里μ年代和μc是钢铁和混凝土的泊松比,分别。
最初,μc低于μ年代钢管法兰。当钢纵向压应力达到其比例极限,也就是说,δ3≈fp,μc≈μ年代。作为P增加,钢应力超过比例极限,也就是说,δ3>fp,μc>μ年代。从(1)和(2),相应的混凝土应变超过了钢铁,也就是说,ε1c>ε1年代,扩张钢管混凝土核心超过;因此,钢管混凝土核心是克制的,和它的横向膨胀受阻。图(11日)显示了钢管和混凝土之间的相互作用力产生的核心。钢管和核心混凝土处于三向应力(见图11 (b))。自下向外钢管膨胀混凝土和钢交互(见图12(一个)力大大降低),呼啦圈的钢管(参见图的边缘(13日))。周向剪切应力(τ)和正常压力指向web蜂窝也当钢网受到生产P,如图13 (b)。钢管法兰的稳定性提高了由于混凝土核心提供的支持,允许钢屈服强度充分的利用。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
峰值负载后,标本凸起在许多地方和凸起连接在一起,当位移增加,如图12 (b)。蜂窝状钢网连接两个矩形钢管混凝土柱作为一个整体;因此,网防止法兰两边弯曲,这是类似于桁架斜桅杆的影响系统,从而大大提高组合短柱的极限承载力。
4所示。参数分析
4.1。箍系数
图14显示l- - - - - -D曲线不同的标本ξ和表3列出了极限承载力( )与不同的ξ。存根列延性通常使用延性系数表示,在较大的系数意味着提高延性,反之亦然。本文分析了STHCC试件延性使用位移延性系数: Δ在哪里y和Δu收益率和极限位移得到的是什么l- - - - - -D曲线的标本。能量等效的方法(34用于确定等效屈服点,如图15。我们可以获得点一个和B通过区域(OAO)= (ABCA),也就是说,年代OAO=年代ABCA。
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上的投影点B到x轴相交的l- - - - - -D曲线点E,这是等价的屈服点。相应的载荷和位移是屈服载荷(Py)和屈服位移(Δy),分别。最终的位移(Δu)是相对应的位移载荷下降到额定负载范围,我们认为85%的极限载荷是名义极限载荷。表3列表μ与不同的标本ξ。
当ξ从0.60增加到0.88,STHCC-3分别增加了22.4%和16.6%(图14和表3),而STHCC-1 STHCC-2。当ξ从0.88增加到1.60,STHCC-4 STHCC-5STHCC-3高出35.4%和36.7%,分别。当ξ从0.60增加到1.60,标本μ大幅增加从2.47到5.66。提高极限承载力和延性,ξ可以适当增加条件下的钢比列满足STHCC列的设计要求。
4.2。混凝土立方体抗压强度
图16显示l- - - - - -D曲线4标本不同f铜和表4列出了相应的和μ。标本增加23.5%,f铜增加从49.50到53.17 MPa, 9.9%f铜增加从53.17到65.60 MPa,而μ从3.36降低到1.90f铜从49.50增加到65.60。因此,提高混凝土强度可以提高组合短柱的极限承载力,同时降低延性。
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4.3。钢网厚度
图17显示l- - - - - -D曲线与不同的标本t2和表5列出了相应的和μ。标本从706.12和741.21增加到763.17 kN(分别为8.1%和3.0%)t2增加从6到8毫米。然而,标本增加从763.17到798.26 kN(4.6%),和μ增加从2.47到5.84 (136.4%)t2增加从6到12毫米。因此,越来越多的web厚度可以有效改善复合存根列延性,而对提高承载力的贡献并不重要。因此,适当增加web厚度将提高组合短柱的稳定性和纵向抗震性能。
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4.4。长细比
图18显示l- - - - - -D曲线与不同的标本λ年代和表6列出了相应的和μ。标本减少了11.3%λ年代增加从9.35到16.28(图(18日)),从781.37到716.92 kN (8.3%)λ年代增加从9.35到16.28(图18 (b)),从1261.72下降到1076.86 kN时(14.6%)λ年代增加从9.35到16.28(图18 (c))。因此,试件极限承载力随长细比增大而减小。表6和图19还表明,标本μ增加相应的增加λ年代。
(一)
(b)
(c)
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5。STHCC极限承载力
STHCC组合短柱受轴向载荷可以从测试结果获得16 STHCC标本与不同的参数。考虑的影响ξ,f铜,t2,λ年代组合短柱的极限承载力,分析表达式( )由叠加矩形钢管混凝土柱的承载力和网基于普通矩形钢管混凝土柱的承载力的表达式: 在哪里 , , , , ,λ年代是单一的长细比钢管法兰为标本,一个sc横截面积,ξ箍系数,fck是标准的混凝土轴心抗压强度,fyf钢法兰屈服强度,fyw是钢的屈服强度,α是钢的内容,ky网的换算系数计算根据张(34]。
表7列表计算极限承载力( )和实验值( )复合短列。展览由叠加法计算与实验值相比误差较大;因此,简单的叠加得到的承载力较低而保守。考虑耦合效应的钢管法兰和蜂窝网,本研究提出了一种解析表达式通过引入修正函数(ω)和影响因素(η)和修改(4)如下:
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实验数据(表中列出7)表明,η成正比ξ和nth的力量f铜,而成反比λ年代,也就是说, 在哪里n= 1,2,3,…,8。
图20.显示拟合曲线ω和η当n是1,2,…,8。拟合曲线与实验一致点的时候n是6、7和8。从图20.错误并不重要n> 6。因此,n决心是8:
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
用方程(12)方程(10),STHCC极限承载力(Nu)表示为
表7列出了计算STHCC短柱极限承载力( )从方程(13)。图21比较前后的实验和计算结果修正。之间有相对较小的误差计算和试验极限承载力,为实际工程就足够了。因此,改进的表达式(方程(13)更为合理计算STHCC短柱极限承载力比经典的叠加的方法。
(一)
(b)
6。结论
轴向压缩16 STHCC存根标本实验调查关于箍系数(ξ),混凝土立方抗压强度(f铜),web厚度(t2),和长细比参数(λ年代)。实验现象,失效模式,l- - - - - -D曲线,法兰和网络l- - - - - -年代曲线。力机制是明确定义的标本。
舵滑对角线形式外表面的标本。钢管法兰为所有标本显示剪切破坏特征,逐渐向外法兰弯曲;与此同时,网收缩,导致蜂窝圆孔逐渐演变成椭圆形。的l- - - - - -D曲线16标本可以大致分为四个阶段:弹性变形、弹塑性变形、减负荷和残余变形。的l- - - - - -年代曲线表明,该法兰主要承担STHCCs负载,而蜂窝网主要连接两个法兰的四肢。当核心混凝土的横向应变超过钢管,钢管和核心混凝土处于三向应力;因此,相互作用力是钢管和核心混凝土之间产生。
的影响参数对极限承载力和延性都系统地调查。结果表明,增加ξ、极限承载力和延性的标本也相应提高。随着f铜相应地,标本的极限承载力提高;相反,延性逐渐减少。的增加t2,延性提高显著,而极限承载力略有增加。的增加λ年代,标本的极限承载力逐渐降低;相反,延性相应增加。
通过引入修正函数(ω)和影响因素(η),一个解析表达式计算STHCC短柱极限承载力,具有良好的协议与实验结果。
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。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢金融支持的重点实验室开放基金收到教育部结构灾害和控制哈尔滨理工学院(批准号HITCE201908),中国国家自然科学基金(批准号51178087),黑龙江省自然科学基金(批准号LH2020E018),工程力学研究所的科研基金,中国地震局(批准号2020 d07),东北石油大学引导创新基金(批准号2020 ydl-02)。作者感谢国际科学编辑(http://www.internationalscienceediting.com)编辑这个手稿。
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