文摘

目前,钢管混凝土结构已广泛应用于各种实际的项目。由于核心混凝土的抗拉强度低的圆钢管混凝土(钢管)标本,钢管混凝土标本的轴向拉伸性能远优于其抗压性能。然而,在实际项目中,钢管混凝土成员轴承拉伸载荷经常出现。为了研究钢管的轴向拉伸性能标本,5钢管的轴向拉伸测试标本和1纯钢管标本进行了钢管直径和混凝土强度作为变化参数。结果表明,钢管混凝土承载力的标本相比还是增加了7.5% - -16.3%的纯钢管横截面积相同的标本,主要是因为核心混凝土极限外层钢管的周向收缩。钢管混凝土标本的横截面积越大,承载力越高。摘要应力-应变关系和钢管张力下成员的整体失效模式进行了研究,变形特性和钢管和核心混凝土的应力进行了分析,预计将提供一个参考钢管标本在实际工程的应用。

1。介绍

钢管混凝土的本质(钢管)组件是抑制外钢管对核心混凝土的影响,产生一个优秀的两种材料之间的组合效应,因此表现出很多优点。由于混凝土材料的抗压能力远远高于其抗拉能力,主要用于压缩成员在实际项目中,很少用于张力成员,也有相关的研究相对较少。然而,当它被用作底层边柱的高层建筑在风荷载或地震荷载下,大型的基地和支架结构在水平风荷载下,和拉杆的桁架结构,成员处于紧张状态。同时,钢管混凝土的应力模式成员偏心拉伸压缩弯曲成员的相似。12个成员的拉伸弯曲性能研究具有一定的参考意义对我们了解钢管混凝土的压缩弯曲性能。轴向拉伸和偏心拉伸性能的钢管混凝土(钢管)的一个最基本的力学性能。自该研究小组还将开展碳纤维增强塑料钢管混凝土的抗拉性能测试(钢管)在以后的阶段,普通钢管的轴向拉伸性能的研究也为以后的研究打下基础的一系列相关属性碳纤维增强塑料钢管混凝土(钢管)。因此,它是非常重要的研究钢管组件在拉伸载荷下的力学性能。与先前的研究相比,本文发现,钢管的承载力将会提高,延性将减少。

汉(1)做了一个关于钢管混凝土结构理论的系统研究。一些学者研究了钢管混凝土的轴向拉伸性能标本,和作者的2)的拉伸性能进行了试验研究钢管混凝土方形钢管和提出改进的抗拉刚度综合有限刚度效应和抗拉刚度效应的结果。的设计公式和分析模型提出的圆形钢管混凝土在轴向拉力徐et al。3]。华et al。4),应(5王),et al。6),汉族et al。7)进行了详细的研究和分析钢管混凝土轴向拉伸性能的成员通过实验研究和有限元分析。材料特性的影响,钢铁内容、横断面形式,混凝土收缩和碳纤维增强塑料(CFRP)加固标本的轴向拉伸性能进行了讨论。李等人。8]研究了钢管混凝土钢管的性能受到偏心紧张。王等人。9)做了一些研究碳纤维增强塑料外部钢筋圆形钢管混凝土构件的行为在张力和弯曲相结合。实验研究和有限元分析进行了轴向拉力和tension-bending性能的中空夹层钢管混凝土和钢筋钢管混凝土,并相应的提出了承载力和刚度的计算方法(10,11]。你们et al。12)评估抗拉强度的变化,研究了圆形钢管混凝土的拉伸性能成员小缺口。汉et al。13和周et al。2]研究了钢管混凝土的力学行为钢管(钢管混凝土在轴向拉力,建立了有限元模型钢管混凝土的轴向拉力,并进行了力学分析和参数研究。陈等人。14)进行了一系列的轴向拉伸测试钢管混凝土与钢筋或角钢。的性质和强度钢管混凝土与钢筋或角钢在轴向拉力进行了研究。周et al。15]研究了圆形钢管混凝土的力学行为(CCFTS)在轴向拉力。抗拉强度的试验结果表明,CCFTS大约是10.2%比空心管。这应该考虑刚度和强度增强在典型的静态和动态结构使用CCFT成员受到张力的分析提供更准确的结果。乔et al。16]研究了抗震性能的特殊形状的钢管混凝土管(旅客列有多个轴向拉力或轴向压缩下蛀牙。结果表明,compression-flexure试样显示下屈服破坏,承载力较高,优越的抗震性能相对于tension-flexure试样。汉et al。1318]进行轴向拉伸试验研究钢管混凝土标本,建立了相应的有限元分析模型,然后深入分析了钢管混凝土构件的轴向张力机制,并总结了轴的承载力计算公式与钢率。 在哪里轴向拉力的能力,是钢的内容,是钢管的屈服强度,是钢管的横截面积。

通过以上文献研究,相比之下,其他12个成员的机械性能,很少有研究在其轴向拉伸性能,和钢材的本构关系曲线用于有限元模拟不同于关系曲线得到的实际张力钢管。钢含量的计算公式(1)是复杂的。因此,在现有研究的基础上,详细分析的变形和应力特征外钢管和核心混凝土在测试期间,调整现有的钢筋本构关系的基础上的实际拉伸曲线钢管,并采用有限元法进行参数分析。最后,一个轴心受拉承载力的简化计算公式与壁厚和外径比。预计为快速计算承载力提供参考工程实践的这种类型的成员。

2。测试概述

2.1。样本设计

在这个实验中,共有1纯钢管和5圆形钢管混凝土构件的设计和制造。试样的具体参数如表所示1,在那里α是钢的内容,它可以根据公式计算(2)。试样的长度是460毫米。结束的详细尺寸盘子和加强剂的试样如图1。前面数字的序列号是钢管的外径,后面的数字代表的核心混凝土的强度等级标本C30、C40,网,0代表数量的样品是一个纯钢管标本。 在哪里一个_年代是钢的横截面积,一个_c混凝土的横截面积。

2.2。材料特性实验

2.2.1。钢的性能

模型中使用的钢铁生产试样的Q235根据有关规定在“金属材料拉伸试验第1部分:室温测试方法“GB / T 228.1 [17]。三个试样切割钢试样中使用。拉伸标本检测的材料属性钢铁、测量及相关材料性能的钢表2。在表中,f_y屈服强度,f_u是最终的力量,E_年代弹性模量,是泊松比,δ′伸长。拉伸试样如图2(一个)和2 (b)。

根据有关规定在“标准测试方法的物理和机械性能的混凝土“GB / T50081 [18),标准混凝土试块的抗压强度测试,测量和三个强度混凝土的抗压强度。的弹性模量可以通过公式计算(3)和泊松比是0.2。混凝土的相关材料属性可以从表了3。 在哪里f_c是标准的混凝土柱的抗压强度,可根据文献。

2.2.2。混凝土性能

为了防止内部应变仪脱落,手工混合使用的方法在混合过程中,也就是说,将一个振动器内浇注混凝土时,和锤击外钢管用皮锤,和混合比例如表所示4。在表中,C是42.5级普通硅酸盐水泥,G是天然中砂,细度模数为2.5,S是砾石粗骨料的最大粒径25毫米,W是自来水,SP羟基酸减水剂。三个强度混凝土的水灰比为0.487,0.395,和0.349,分别。

本文共有10个标准混凝土试块,3块测试配置对于每个混凝土的强度,和另一个测试块C40强度等级的。测试的配置块如图3(一个)。试样脱模后,测试块被放置在相同的环境中钢管混凝土,也就是说,测试块浇水,和相同的浇水频率用于固化测试进行之前,媒体是用来测试每一个测试块。

混凝土试块抗压强度测试,如图3 (b)。现在,每个试样的抗压强度是列在表中5。自测试后立即进行了28 d混凝土养护期,之前的混凝土强度测试没有测量。28 d混凝土的相关数据表5可以直接使用。

2.3。试样生产

把钢管、终板和加劲肋设计试样的大小。首先,完成焊接钢管和终板越低,粘贴上的水平和垂直应变仪的钢管内壁的位置1/3L上端口。钻一个洞5毫米之间的肋骨连接应变仪。连接电线。内部应变仪治疗如图4。在混凝土倒后,端口是地面平坦,和高端板和加劲肋焊接。一个小孔的半径15毫米保留的中心的高端板注水养护的混凝土。

试样后,为了防止钢管的腐蚀,试样的外面画。在测试前,为了解决无效现象引起的端板的收缩混凝土、混凝土养护期后,环氧注入的高端的喷水孔板树脂填充混凝土收缩和终板之间的差距。样品在装货前图所示5。

2.4。测试设备和测量

3000 kN的测试进行了电液伺服短柱偏心压缩试验机的结构工程实验室,辽宁科技大学,和设备的生产商吉林锦鲤测试科技有限公司,有限公司在测试期间,将试样在试验机的操作平台,并使中心的上下端盘子的质心测试设备基础和力传感器,并将其垂直,确保螺栓孔是一致的。上下端板连接的试验机通过8∗12.9级高强度螺栓。边界条件近似完全固定,测试加载装置如图6。

为了精确测量试样的变形,3测量点排列在中跨部分的间隔120°。每个测点粘贴两个水平和垂直方向的应变仪。钢管在一个位置1/3L从上下端盘子。两个计量点设置在外墙,和每个测点粘贴两个水平和垂直应变仪测量应变1/3L试样。为了研究不同菌株在同一点钢管的内外表面粘贴两个水平和垂直应变仪的内壁1/3L部分。最后,粘贴两个水平和垂直扶强材两端上的应变仪研究加劲肋的应变。应变仪的布局图所示7。

轴向力测量的力传感器。的整体位移测量试样的100毫米范围顶针在加载端板位移计。两个尺寸现场焊接的上下1/3L试样在测试之前。这是一个20毫米×40毫米的钢板(点焊只有固定的钢板,钢管上的影响可以忽略不计),和两个顶针型位移米射程50 mm的排列在两个钢板,分别测量的中间1/3L试样。容积式流量计的布局图所示8(一个)。

2.5。采集系统和加载系统

采用位移加载测试与加载速率为1毫米/分钟。在测试期间,张力是由一个辐条力传感器测量范围3000 kN,应力,应变,和位移同时收集的DH3816H静态应力应变测试仪由东华测试公司,如图8 (b)。使用相同的采集设备采集实验数据可以确保在同一时间不同的数据收集和维护一种一一对应的关系。数据采集频率设置为1赫兹。

3所示。分析测试结果

3.1。测试现象和失效模式

开始加载,标本是弹性范围内,试样的变形很小,所以实验现象不明显。随着轴向力的增加,试样有轻微的“抓拍”声音,和喷漆的一些区域外表面撕裂。当轴向拉伸力达到极限承载力的80%的标本(114 - 40标本达到37.1吨,和试件的极限承载力为47.6 t),标本位移的增长速度加快,标本进入弹塑性阶段。加速变形导致裂缝的AB胶的外表面应变计。随着负载的增加,试样进入强化阶段,和试样的纵向变形很大,和外钢管横向收缩,导致一些应变仪脱落。当标本损坏,裂缝出现在一个点的外钢管和承载力降低,裂缝逐渐沿着圆周方向扩展。最后,标本骨折和测试结束。损伤后的标本测试如图9。

通过比较分析,得出的结论是,有三种类型的标本的失败:1。中跨部分损害赔偿(114 - 0)。由于没有核心混凝土的约束效应,明显的中跨部分标本展览直径收缩,然后伤害发生。2。加劲肋的顶部之间的连接和钢管受损(139 - 40)。由于管径但同样的壁厚的增加,应力集中在这个位置比较明显,和外面的钢管部分弱是由于焊接,所以损害发生。3所示。损害部分1/3L附近部分(89 - 114 - 30,114 - 40,114 - 50)。由于试样的横向变形约束核心混凝土,裂缝的位置应与混凝土的损伤位置,混凝土出现裂缝后,和裂纹的位置不再提供箍约束,导致外层钢管的应力集中在这个位置和随后的失败。

3.2。测量曲线的分析

3.2.1之上。荷载位移曲线

图10显示了load-overall位移曲线的标本114 - 0和114 - 40。从图可以看出,由于核心混凝土的存在,钢管混凝土试件的承载力增加与纯钢管标本相同的横截面尺寸,和初始刚度更大。然而,整个试件的延性是低于纯钢管标本。这是因为核心混凝土的作用下,钢管的柱头行为被延迟,导致韧性的降低。

图11显示了load-relative位移曲线的比较不同外直径的钢管混凝土标本和混凝土的优势。从图可以看出,外直径越大,试件的承载力越高,初始刚度越大。随着混凝土强度的变化,曲线基本一致。可以看出,混凝土强度有小影响标本的轴向拉伸性能,可以忽略。

3.2.2。平截面假设

图12是横向和纵向应变值之间的关系曲线(ε_x和ε_y)和轴向力(N)在不同测点的跨中截面试样。从图可以看出,纵向应变值是积极和横向应变值是负的。strain-load曲线在同一方向不同的计量点基本一致,表明试件的变形符合平截面假定,和变形在每个点的标本在同一横截面是一致的。从图可以看出,添加混凝土之后,在相同的轴向力,标本的横向变形远小于纵向变形。可以看出,混凝土阻碍了圆周外层钢管的变形。

3.2.3。压力钢管内外壁的比较

图13显示了应变比较钢管的内外壁的典型标本139 - 40。从图可以看出,应变值在钢管的内壁1/3L远离上板的标本是略小于外表面的标本。原因是钢管的外径大于钢管的内径,外层钢管导致更大的压力。

3.2.4。比较中间部分和1/3L部分的变形

图14显示了纵向应变的比值之间的关系(ε_y)的中间部分的典型标本114 - 0 - 114 - 30 -纵向应变(ε_Uy和ε_Dy)的上下1/3L部分同轴负载(N)曲线。从图可以看出(14日)这两条曲线的形状基本相同,大部分地区的横坐标值都大于1,表明变形的试样的上下1/3L部分基本上是相同的。纵向应变很大,标本是破碎的中间部分。如图14 (b)纵向应变的比值,中间部分的纵向应变上1/3L大于1,与纵向应变的比值降低1/3L部分小于1,表明大大上1/3L变形的样品,所以样品失败发生在上层1/3L部分。剩下的测试不会重复。

3.2.5。变形的加劲肋

图15展示了纵向应变之间的关系曲线和负载的加劲肋一些标本。由于在加劲肋的位置刚度大,变形小,导致不规则的应变数据的一些标本。因此,只有常规标本的关系曲线在图中列出。可以看出,最大纵向加劲肋的只有400με,这是远小于整个试样的纵向应变值,所以加劲肋的变形是基本上可以忽略不计。

3.3。承载力分析

姚(19,汉族1),和李et al。8)定义的方法计算钢管混凝土的轴向拉伸承载力标本。轴向拉伸载荷N_u10000年钢管混凝土试件的纵向应变达到10000με作为轴向拉伸试件的承载力。与此同时,根据计算公式(1)钢管混凝土构件的轴向拉伸承载力在文献[7),这个试样的承载力计算和实测承载力和公式计算承载力表中列出6并分析了这两种方法之间的误差。

从表中可以看出,实测承载力大于公式计算出的值,误差是14.9% - -33%之间。可以看出,公式的计算结果(1)具有较高的安全储备价值。从表中可以看到,外直径越小,误差越大承载力测量和计算承载力,并与混凝土强度的变化,承载力的错误是基本稳定在17%左右。

4所示。有限元分析

4.1。选择本构关系

钢材的本构关系主要是由汉提出的5段二次塑性流动模型(1]。然而,它可以看到相关的测试曲线的期刊论文应(5和徐20.)以及试件的荷载位移曲线在图114 - 08本文,钢管的拉伸应力-应变曲线没有出现明显的屈服平台,直接和材料在弹性阶段结束后进入强化阶段。因此,为了更接近真正的钢管的材料属性,二次塑性流动模型曲线相应调整如图16。

删除后屈服阶段(bc)在图中,曲线直接进入强化阶段(cd)。修改后,本构关系曲线变成了4段(0 abde),哪个更符合管道的轴向拉伸的材料属性。钢的4段本构关系的表达公式所示(4)。其中,ε_e= 0.8f_y/E_年代,ε_e1= 1.5ε_e,ε_e2= 100ε_e1和其他参数符合钢二次塑性流动模型的计算方法,请参考引用值。

具体分为两种压缩本构关系和紧张。压缩本构关系定义为汉提出的本构关系模型(1),和紧张本构定义的断裂能量(-)模块由王21]。通过这种方式,核心混凝土的拉伸性能的影响钢管成员不是忽视,和模型不容易计算错误计算过程中由于收敛问题。

4.2。模型建立

为了提高计算精度,使计算结果更接近试验结果,在本文中,使用有限元软件ABAQUS模拟试样,由C3D8R单位和所有组件的建模。和使用网每个部分的扫描方法。为了避免失真的单元网格在计算过程中,所有组件的网格划分为六面体单元,和必要的部分分区。

联系方法的选择是指相关方法杂志写的汉(1钢管和混凝土之间的联系是由地对地接触。正常的方向是“硬接触,”切向方向上被定义为“点球,”和摩擦系数μ是0.6。剩下的联系人都是相连”的领带。“参考点和终板由联轴器连接在一起。

边界条件的选择符合实验的实际边界条件;也就是说,完全是一端固定,另一端与位移加载。在图所示的边界条件17。

4.3。模型验证

使用上面的建模方法和本构关系,模拟计算进行了6日测试标本。图18显示了比较测试的每个标本与模拟曲线的相关曲线。从图可以看出,曲线有很好的一致性。结果表明,模型计算结果能够准确地反映实际的标本,可以用于进一步的失败失败机制。

4.4。参数分析

为了深入理解各种参数对钢管混凝土构件的轴向拉伸性能,在此基础上验证的有限元模型,模拟钢管混凝土轴向拉伸试样的变量参数。总共7轴向拉力已经建立了有限元模型。模型的基本参数如表所示7。所有的模型在表的外径7是120毫米,试样的长度是460毫米。在仿真过程中,终板设置刚性板,尺寸是200 mm×200 mm×25毫米。为了简化计算,模型不提供加强剂。

图(19日)是N- - - - - -ε曲线的标本与不同的钢的内容。可以看出,增加钢的内容,组件的承载能力和弹性阶段的斜率显著增加,试件的早期刚度是改善。图19 (b)显示负载之间的比较N_u10000年和屈服载荷N_sy同一断面尺寸的钢管的名义拉伸应变与不同的标本α是10000με。可以看出,当α是0.07,承载能力增加了24.6%,当钢内容是0.19,承载能力增加了20.9%。可以看出,钢含量越小,钢管壁薄,混凝土的约束效应越明显,组合的效果就越好。在表中,A, B, C用于区分f_铜?k值,第二个阿拉伯数字1、2和3是用来区分f_y值,最后一个数字是壁厚t_年代钢管。

图20(一个)显示了N-ε不同的钢强度曲线标本。可以看出,钢铁就越高f_y值越大,试件的承载力。测试的早期阶段的曲线基本重合,表明改变f_y钢的价值并不影响标本的早期刚度。的f_y值从234 MPa提高到420 MPa,组件N_u10000年值从369.2 kN增加到627.9 kN,比上年增长70.07%。图20 (b)显示了N-ε曲线不同混凝土强度的标本。可以看出,仿真结果与测试结果相同;也就是说,三条曲线基本重合。这表明混凝土不影响钢管的轴向拉伸性能的主要因素。

4.5。承载力的简化计算

目前,国内外规范的计算公式不考虑混凝土的影响,只有钢的抗拉强度的基础上引入相关系数部分。国外标准降低钢的抗拉强度部分,而国内标准系数改进增加1.1倍。公式(1)本质上增加了改善系数钢铁相关内容。本文总共25轴向拉力标本包括测试标本模拟和计算。所有标本的相关参数如表所示8。

的基础上大量的有限元计算,轴向拉伸承载力计算公式与壁厚之比钢管的直径(t_年代/D)提出,t_年代/D被定义为“λ”,指的是通过公式(公式5)如下:

可以看出,承载力N_u和“λ“是线性函数。通过将上面的公式,这个公式(6)方法如下: 在哪里轴向拉力的能力,一个_年代钢管的横截面积,是钢管的屈服强度,B一阶函数的斜率,λ是钢管壁厚度直径的比值。

拟合后的承载力,如图21,斜率和截距值8.09和5.549,分别。从安全的角度来看,拦截可以省略,最后承载力计算公式如下:

自从钢有限元标本用于拟合的内容在0.041和0.19之间,这个公式只适用于钢管成员与钢的内容在0.041和0.19之间。

4.6。验证的轴向张力公式

公式(7)用于计算5钢管混凝土的承载力测试标本。数据(22日)和22 (b)显示的比较这两个的承载力。公式的计算表明,计算结果是10000με。承载力的误差在1.3% - -3.8%之间,和极限承载力的误差测量的测试是在15.1%和24.7%之间。因此,公式的计算精度高,而且具有较高的安全储备价值。

比较N_u10000年测试值6典型的钢管混凝土轴向拉伸试样与王在文档中公式的计算结果(21,汉族1王],[22),华et al。4]。比较图所示23。可以看出,这两个值基本上是相同的。钢管的外径越小,误差越小。和承载力值略小于的公式计算出的价值N_u10000年在实验测量,误差在9.1% - -13.1%之间。可以看出,承载力计算公式(6)是准确和可靠的。

5。结论

(我)的失败部分纯钢管标本出现在跨中截面的位置,而失败的位置附近的钢管混凝土试件发生1/3L节,加劲肋的顶部接触钢管。(2)增加的原因钢管混凝土试件的承载力是核心混凝土极限外层钢管的周向收缩,增加是在7.5%和16.3%之间。然而,12个标本的延性是略比纯钢管标本。(3)相比之下,钢管和钢板的拉伸应力-应变曲线,没有屈服平台,所以5段二次塑性流动模型调整。调整钢材本构关系的模拟计算结果与试验结果有很好的一致性。(iv)通过分析试验和有限元方法的参数,钢含量越高,试样的早期刚度越大,承载力越高,但更糟的影响钢管和混凝土的组合。钢强度的增加并不改变标本。初始刚度可以有效地提高承载力;混凝土并非主要因素影响钢管混凝土标本的轴向拉伸性能。(v)轴心受拉承载力的简化计算公式有关t_年代/D建议。误差公式的计算结果与测量值N_u10000年在1.3%和3.8%之间,15.1% -24.7与实测极限承载力。安全储备值可以为快速计算承载力提供参考实际工程中这种类型的成员。(vi)当混凝土和钢墙之间的连接失败,混凝土和外层钢管之间的摩擦会产生在张力下,和轴向拉力将传播核心混凝土通过摩擦。混凝土达到极限抗拉应力时,混凝土拉(1/3L),在完成两个位置之间的摩擦消失,径向支撑钢管核心混凝土的影响消失,这里的钢管的脖子,直到损坏。然而,仍有外层钢管和核心混凝土之间的摩擦的位置,和混凝土内部支持仍然扮演的角色。(七)由于种种原因,本文只进行钢管的轴向拉力测试标本,但12个成员的偏心拉伸试验没有进行。因此,建议进行偏心拉伸试验,试验结果与理论结果进行比较。目前,有相对较少的实验研究反常地张拉钢管混凝土成员,和系统仍不完善。因此,有必要进行相关的偏心拉伸实验研究。(八)在严酷的环境中,它也会导致腐蚀钢管钢管外成员,所以有必要研究腐蚀钢管混凝土的拉伸性能。同时,为了研究了钢管混凝土的拉伸性能,建议研究钢管混凝土试样的拉伸性能在不同的加固方法,如碳纤维增强塑料筋和包层钢筋。(第九)为了更好地解决这一问题的分离外钢管混凝土养护期间,建议使用microexpansive混凝土,如添加氧化镁粉膨胀剂,研究了钢管和混凝土之间的结合力的影响钢管轴向拉伸性能的标本。

数据可用性

数据支持当前的研究可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的部分中国自然科学基金一般项目(批准号51678542)和振兴辽宁人才的项目(批准号XLYC1902009)。