文摘

椭圆钢管混凝土(钢管混凝土柱是一种新型的钢管混凝土柱,外部椭圆管填充混凝土组成。尽管椭圆钢管混凝土的力学性能研究成员收到越来越多的关注,他们一直局限于静态行为。在此背景下,一个实验性研究椭圆组合下钢管混凝土柱进行了轴向压缩和循环侧向加载。失效模式、滞回曲线、骨架曲线、负荷能力,可变形性、刚度退化和耗能能力获得和讨论。测试结果表明,椭圆钢管混凝土柱具有良好的抗震性能和延性。提供了有价值的实验数据的制定理论椭圆钢管混凝土柱的滞回模型。

1。介绍

钢管混凝土(钢管)列已广泛应用于现代建筑因其高强度、高延性和易于施工(1]。在过去的几十年里,大量的研究对钢管的性能和设计成员在各种加载条件下(2)已经出版。作为一种新型截面形式的钢管,椭圆钢管(图1)吸引了国内外许多学者的关注。近年来,研究进行了椭圆钢管混凝土的力学性能和设计方法。


图1
横截面的椭圆钢管。

试验研究椭圆钢管混凝土短柱与不同厚度和混凝土强度受到轴向载荷进行了杨et al。3),赵和封隔器4),Jamaluddin et al。5),陈等人。6],Cai et al。7]。他们证明了椭圆形钢管混凝土短柱的优点,但是所有的标本测试具有相同的纵横比(一个/b= 2.0)。随着制造技术的发展,各种纵横比的椭圆钢管是在施工实践。因此,椭圆形钢管混凝土短柱与长宽比从1.0到2.5被查等测试。8],Uenaka [9),易建联和年轻10),刘等人。11许,et al。12]。所有测试结果证实,约束效应与增加比例明显下降。同时,反常地压缩列也研究了希恩et al。13),咋et al。14),任et al。15],邱[16杨,et al。17]。另一方面,系统的有限元分析[18- - - - - -22)进行了模拟椭圆钢管混凝土柱受同心和偏心轴向压缩。然而,这些研究主要集中在静态行为,并对其抗震性能的研究非常有限,这可能会阻碍椭圆钢管的应用地震地区的成员。最好的作者的知识,pseudostatic测试标本的长宽比2.0 5日由马(23]证明了混凝土立方体强度和轴向压缩比的影响在椭圆钢管混凝土柱的抗震性能。方等。24]进一步考虑椭圆钢管的厚度、轴压比、水平加载的加载方向;然而,标本的长宽比也局限于2.0。因此,研究椭圆钢管混凝土柱的抗震性能与更广泛的长宽比是急需的。

在这项研究中,13个椭圆检测钢管混凝土柱在轴压和循环侧向加载相结合,破坏模式、承载力、变形能力、滞回曲线、耗能能力的标本进行了较为详细的试验研究。实验结果可以提供参考的分析和应用椭圆钢管混凝土柱在地震区域。

2。实验程序

2.1。试样

总共有13个样本测试恒定轴压和循环横向载荷作用下通过长或短轴。关键参数是长宽比a / b、混凝土立方体强度f铜、轴向压缩比n,长细比λsc,这是表示为列高度h。如图2每个标本,包括一个椭圆形钢管混凝土柱,一个顶级终极20毫米的厚度,一系列的加强剂10毫米的厚度焊接到终极和列,和一个30毫米厚底终极。焊接的高度hf= 6毫米。根据这份情况、滚动支持纵杰克不是很平滑的滑动。不习惯如此,加劲肋形式实现一个等效计算长度列基地到悬臂组件。


图2
标本的细节。

表1提供的细节13标本,一个半长轴的长度,b是半短轴的长度,t钢管的厚度,h是样品的高度。标本被关键参数如下:方面ratio-concrete立方体strength-axial比率。这些信件米和l添加最后表示介质(2050毫米)和最长的列(2550毫米)b在大轴弯曲。最后如果没有字母,这意味着1300毫米高度和短轴弯曲。轴向比率是由方程(1),Nd不断受到轴向压缩的标本,一个c和一个年代是钢铁和水泥的横断面测量区域,分别和f有限公司和fy气缸的强度,从测量混凝土立方体强度转换(25的混凝土和钢的屈服强度。

表1
标本的测量信息。

椭圆钢管冷弯焊接圆管(图3)。钢管的材料试验是根据(26),和屈服应力fy和弹性模量E年代从拉伸优惠券获得钢管的测试(图4),如表中给出1。C60混凝土标号C45, C75, C100使用,混合比例和立方体强度测试表2和表1,分别。


图3
冷成型过程(陈等。(6])。

图4
椭圆钢管的应力-应变关系。
表2
混凝土的混合比例(公斤/米3)。
2.2。仪器和加载过程

如图5,样本被放置在反应测试和测试框架。一个垂直的轴向载荷应用液压千斤顶在水平方向移动。水平电液伺服机构的负载能力1000 kN和中风的200毫米被用来应用水平载荷。推动方向被定义为正方向。


图5
测试设置和仪表。

八个线性被用来测量临界位移。1 - 2被用来测量线性平移运动的基础梁、线性3 - 4被用来测量底部终极的旋转。5 - 6被用来测量线性列缩短在200毫米范围内结束。7 - 8被用来测量平动位移线性顶部的列。

加载过程包括三个步骤。设计的垂直负载30%的第一次加载检查测试系统。然后,设计垂直负载应用和保持不变。最后,应用水平载荷quasistatically JGJ / T标准加载协议后(JGJ / T 101 - 2015) (27),如图所示6。第一个三个的振幅(0.25水平 ,0.5 ,和0.75 )是只重复一个周期,其次是三个周期在其余的振幅水平(1 ,2 ,4 ,6 ,8 …)。加载过程停止时,水平荷载退化到85%的峰值负载。


图6
水平加载过程。

3所示。测试结果和讨论

3.1。失效模式

两种典型失效模式的观察实验结果,即终极底部附近的局部屈曲和钢管的骨折(表3和图7)。局部屈曲破坏模式,向外凸起被观察到在大约45毫米距离终极底部。凸起越来越明显,水平荷载的增加幅度。最后,失效机理形成“象足”。断裂失效模式,断裂发生在焊接钢管,但不。主要引起的应力集中与焊缝的热影响区。缺乏加强剂导致钢管底部的巨大张力,它可能断裂的另一个原因。需要更多的实验或有限元分析,揭示了说服的理由。

表3
失效模式的标本。
(一)
(一)
(b)
(b)
图7
典型的失效模式标本。(一)局部屈曲。(b)钢管的骨折。

为了进一步研究混凝土的破坏条件,结束后钢管的一部分被切断实验,如图8。混凝土被两边的加载方向,和几个小裂缝观察。


图8
典型的混凝土的破坏模式。
3.2。滞回曲线和骨架

的水平力-位移响应ECFST梁柱标本图所示9。测试结果表明,滞回曲线是丰腴没有捏,这揭示了高能耗散能力。滞后仍然稳定随着振幅的增加,和三个磁滞回路相同的振幅在早期阶段几乎是相同的。当外加负载达到最终的水平力Pu,退化滞后现象开始出现,在这种情况下,循环成为小随着周期数的增加。

(一)
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(c)
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(e)
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(f)
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(我)
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(j)
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(k)
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(左)
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(m)
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图9
水平力-位移响应的测试标本。(一)e1.0 - c45 - 0.2。(b) e1.3 c45 - 0.2。(c) e1.8 c45 - 0.2。(d) e2.3 c45 - 0.2。(e) e1.8 c45 - 0.1。(f) e1.8 c45 - 0.3。(g) e1.8 c45 - 0.2 b。(h) e1.8 c45 - 0.3 b。(我)e1.8 - c45 - 0.2米。 (j) E1.8-c45-0.2l. (k) E1.8-c60-0.2. (l) E1.8-c75-0.2. (m) E1.8-c100-0.2.

骨架曲线如图10被跟踪的最大负载构造在不同振幅。骨架曲线包括三个阶段,即初始弹性提升阶段,非线性弹塑性提升阶段,postpeak下行阶段。正如所料,混凝土强度和轴向压缩比有一个小影响初始刚度,提高混凝土强度会增加极限载荷和加速恶化进展,并增加轴向压缩比有可能降低极限载荷和加速退化的进步。初始刚度和极限荷载随长宽比和长细比的增加,和负载下降速度随着宽高比的增加和细长减少。主轴弯曲导致较大的初始刚度和极限载荷比短轴弯曲,但它导致更突然恶化。

(一)
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(b)
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(c)
(c)
(d)
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(e)
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图10
骨骼测试标本的治疗。(一)长宽比的变化。(b)轴压比的变化。(c)的变化轴弯曲。(d)长细比的变化。(e)混凝土强度的变化。
3.3。承载力和延性

梁柱的延性通常被认为是变形的能力被定义为能力维持塑料变形前失败。最常用的参数是延性指数 并且可以表示为 在哪里 和 分别是最终的位移和屈服位移, 作为位移减少15%极限荷载(28),而 计算使用的平均计算从骨架曲线几何图解法,等效弹塑性能量法,r .公园方法(29日),三种常见方法用于定义屈服强度/负载和屈服位移/漂移。的极限载荷Pu,极限位移 从骨架曲线获得,屈服载荷计算Py、屈服位移 给出了在表4。

表4
试样的承载能力和延性。

下表4,大多数标本的延性指数大于3.0,表明高延性性能。延性指数随长宽比的增加,轴压比、长细比、混凝土强度。主轴弯曲试件的延性比短轴弯曲的标本。高宽比似乎对延性指数温和的影响。

3.4。刚度退化

作为引导JGJ / T代码(JGJ / T 101 - 2015, 2015),平均刚度可以从水平荷载位移滞回曲线,获得可以表示为 在哪里K我平均刚度的标本我th振幅, 的最大负载吗jth周期的我th振幅, 的最大位移jth周期的我th振幅,(+)和(−)指的是积极和消极的位置,分别。

图11显示的平均刚度和水平位移的关系;它说明了刚度退化与增加侧向位移,与混凝土裂缝发展高度相关。在所有测试标本,刚度退化前位移达到具有重要意义 ;随着位移继续增加,继续以较低的刚度退化和不断降低利率。高宽比、轴压比和混凝土强度刚度退化的影响不大。标本时的刚度降低更快更苗条,和短轴弯曲试件的刚度退化率低于大轴弯曲试样。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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(e)
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图11
刚度的测试标本。(一)长宽比的变化。(b)轴压比的变化。(c)的变化轴弯曲。(d)长细比的变化。(e)混凝土强度的变化。
3.5。能量耗散能力

每个循环,能量耗散E我,每个滞后环面积包围的24,30.,31日]。图12显示了累积能量耗散 的13个测试标本。从表中可以看到,微不足道的能量耗散是观察标本前达到屈服点,之前的标本维持有限的塑性变形。能量耗散与累积塑性变形开始积累。最终的累积能量耗散的能量耗散性能反映了测试标本。如图12标本,较小的长宽比,降低混凝土强度、较小的轴向压缩比,和小长细比拥有更好的能量耗散能力,和大轴弯曲标本对能量耗散品质更好的性能比短轴弯曲的标本。

(一)
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(b)
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(c)
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(e)
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图12
积累的能量耗散的测试标本。(一)长宽比的变化。(b)轴压比的变化。(c)的变化轴弯曲。(d)长细比的变化。(e)混凝土强度的变化。

4所示。力-位移滞回曲线的简化模型

4.1。简化模型的介绍

一种三线性模型是由汉族和杨32和汉2为了简化水平载荷P与水平位移 滞后的关系。简化的示意图如图力-位移滞回关系13。模型的关键参数列出如下。(1)弹性刚度Ke是由 在这里,l0有效长度,Ec混凝土的弹性模量,表示为 (33),而我年代和我c是外层钢横截面的惯性矩和内部混凝土截面。(2)最终的强度Pu和相应的位移 可以由 在这里, 是钢约束因素,fck是混凝土的棱柱体抗压强度25), 是钢比,r=λsc/ 40,年代=fy/ 345。(3)刚度的下降阶段KT是由 在哪里c=f铜/ 60。


图13
简化的力-位移关系。
4.2。比较测试曲线的简化模型

核实上述公式的有效性,力-位移滞回关系计算与简化模型比较与那些从实验中,获得如图14。这是证明了简化模型预测力-位移滞回关系合理的准确性。但也存在差异;的主要区别可能是由于残余应力和缺乏加强剂;因此,需要更多的实验和有限元研究建立更精确的力-位移滞回关系的公式。

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(左)
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(m)
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图14
的比较简单P- - - - - - 与测试的关系P- - - - - - 的关系。(一)e1.0 - c45 - 0.2。(b) e1.3 c45 - 0.2。(c) e1.8 c45 - 0.2。(d) e2.3 c45 - 0.2。(e) e1.8 c45 - 0.1。(f) e1.8 c45 - 0.3。(g) e1.8 c45 - 0.2 b。(h) e1.8 c45 - 0.3 b。(我)e1.8 - c45 - 0.2米。 (j) E1.8-c45-0.2l. (k) E1.8-c60-0.2. (l) E1.8-c75-0.2. (m) E1.8-c100-0.2.

5。结论

本研究集中在抗震性能下的椭圆钢管混凝土梁柱组合轴向压缩和循环横向荷载。主要结论概括如下:(1)在局部屈曲的大部分标本失败,但有个别失败的标本在钢管的突然断裂,这揭示了加强剂必须使用列基地。(2)水平荷载和位移滞回曲线的标本丰腴没有明显的挤压。几乎所有的标本显示良好的塑性变形能力和耗能性能,这表明,椭圆钢管混凝土框架结构具有良好的抗震性能,可以应用在地震区域。(3)最终负载的增加,提高混凝土强度,但减少比例增加,轴压比和长细比。主轴弯曲试件的极限荷载明显大于短轴弯曲的标本。(4)延性指数随混凝土强度增加,轴压比和长细比。主轴弯曲试件的延性指数明显大于短轴弯曲的标本。长宽比似乎没有对载体对延性的影响指数。(5)能量耗散能力方面比增加而减小,混凝土强度、轴压比和长细比。主轴弯曲试件的耗能能力明显大于短轴弯曲的标本。(6)汉提出的简化的三线性力-位移模型(2,32]对矩形和圆形钢管混凝土梁柱也适合预测椭圆钢管混凝土梁柱的力-位移滞回关系。(7)进一步研究椭圆钢管应进行抗震性能的设计和工程实践,包括残余应力的影响,修改后的力-位移模型,详细的参数分析。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究为衢州经济基础研究基金支持的大学(BSYJ202012)和浙江省自然科学基金(LY18E080014)。