横截面宽高比的影响在矩形FRP-Concrete-Steel双层管状列下轴向压缩

文摘

混合FRP-concrete-steel双层管状列(混合DSTCs)小说空心列组成的外部FRP管,内钢管和混凝土之间的两个管子。混合DSTCs具有重要的优势,比如优秀的耐蚀性以及卓越的耐震性。然而,现有的研究主要集中在混合DSTCs圆形截面或正方形截面。列时不同荷载水平在两个水平方向,一个矩形柱是首选的,因为它可以提供不同的抗弯刚度和能力在两个轴的对称。提出了一个实验性研究矩形DSTCs主要侧重于横截面宽高比的影响(即。宽度的比值,矩形截面的宽度)。横截面的形状的影响内心的钢管(即。,both elliptical and rectangular inner steel tubes were used) and the effect of FRP tube thickness were also investigated experimentally. Experimental results show that a larger aspect ratio will have no negative effect on the confinement effect in rectangular DSTCs; a rectangular DSTC with a larger aspect ratio generally has a larger ultimate axial strain and a higher axial stress at the ultimate axial strain; rectangular DSTCs with an elliptical steel tube generally have better performance than corresponding specimens with a rectangular steel tube. An existing model, which was developed based on a model for rectangular FRP-confined concrete columns and a model for circular DSTCs, is verified using the test results of the present study. The model generally provides close predictions for the peak axial stress of the confined concrete but yields conservative predictions for the ultimate axial strain for rectangular DSTCs.

1。介绍

在土木工程领域,玻璃钢复合材料已经发现越来越多的应用程序对现有结构的改造和建设的新结构1- - - - - -3]。玻璃钢复合材料尤其具有吸引力结合使用传统建筑材料(即。、混凝土、钢铁和木材)来创建新型混合结构(4]。混合FRP-concrete-steel双层管状列(混合DSTCs)小说空心柱结合混凝土、钢材、玻璃钢一起以一种最优的方式(5]。混合DSTCs外FRP管,钢管,一层混凝土之间的两个管(图1)。内钢管是主要的纵向钢筋,而外层FRP管混凝土提供了监禁。两个管可以作为混凝土浇灌的原位模板,从而节约建设成本,推进施工进度。混合DSTCs非常适合结构成员在严酷的环境下由于其优良的耐腐蚀、由外的使用使FRP管。混合DSTCs也特别有吸引力用于地震地区由于其优良的能量耗散能力在地震荷载下(6,7]。

腾et al。5]提出了首次试验研究混合DSTCs下轴向压缩的原理来解释混合DSTCs和展示他们的优势。汉et al。8)评论说,这个新成员形式”相结合的优点三个组成材料和结构形式的双层管状列。“莉(9]介绍了这种新形式的混合成员详细评审论文和评论说,“相对容易构造和高度耐腐蚀和地震。“近年来,混合DSTCs已经得到广泛研究的关注。现有的研究主要集中在加载条件下混合DSTCs如下:(1)单调轴向压缩(5,10- - - - - -12],也证实了混凝土是在有效地由钢管和FRP管,导致韧性行为;(2)循环轴向压缩(13,14),这表明,加载历史的累积效应对应力-应变响应反复卸载/重新加载周期;(3)偏心压缩(15,16),这表明,轴向负荷能力随荷载偏心率的增加;(4)结合轴向压缩和循环横向荷载(6,7),这表明混合DSTCs循环横向载荷下具有良好的延性;和(5)冲击荷载17,18),这显示了混合DSTCs优秀的能量耗散能力。然而,现有的研究大多集中在混合DSTCs圆形截面(即。外FRP管的横截面是圆形);(5,8- - - - - -18)和混合DSTCs方形截面(即。,the cross section of the outer FRP tube is square) [6,19- - - - - -22]。虽然圆形广场列和列是有吸引力的桥墩,矩形列优先如果这样列不同荷载水平在两个水平方向(图1)。矩形DSTCs设计成可以提供不同的抗弯刚度和时刻能力两个轴的对称根据工程要求(23]。矩形FRP-confined混凝土柱得到了广泛研究的关注在过去十年(24- - - - - -30.),但实验研究矩形DSTCs相当罕见。作者最好的知识,只有一个矩形DSTCs受到轴向压缩试验研究。卡维尔和Yu的(31日)研究的影响矩形截面的长宽比不调查。所有矩形DSTCs宽度185毫米,宽度105毫米,高370毫米,两个圆形钢管用于每个标本。卡维尔和Yu (31日)证实了混凝土矩形DSTCs有效地限制了FRP管和钢管,导致一个非常韧性的回应。

本研究扩展了现有的工作与一个特定的矩形DSTCs受到轴向压缩关注长宽比的影响,这是宽度的比值(长边)的宽度(短边)矩形截面。横截面的形状的影响内心的钢管(即。,both rectangular and elliptical inner steel tubes were used) and the effect of the FRP tube thickness are also investigated experimentally. Rectangular FRP-confined solid concrete columns are fabricated and tested for comparison with rectangular DSTCs.

2。实验程序

2.1。样品的细节

在目前的研究中,矩形标本与四种代表性的纵横比制造和测试。这些标本都有高度600毫米和圆角半径30 mm的外矩形截面。总结在表标本细节1如图,横断面的配置2。所有标本,广度外的矩形截面是300毫米,宽度是300毫米,250毫米,200毫米,150毫米,导致四个不同横截面高宽比吗 (即。,1.0,1.2,1.5,or 2.0). These specimens with an aspect ratio 1.0平方DTSCs。如表所示1和图2,这些标本可以分为三个组根据横断面配置:(1)组1,长方形DSTCs椭圆内的钢管(称为RE-DSTCs);(2)组2,矩形DSTCs矩形内钢管(称为RR-DSTCs);和(3)组3,矩形FRP-confined坚实的混凝土柱(称为R-CFFTs)。在组1 RE-DSTCs四种椭圆钢管被使用,同样的主轴(即。,204年 mm), but four different minor axes(即。,204年 mm, 170 mm, 136 mm, and 102 mm) (Table2和数字2和3)。组2 RR-DSTCs,使用四种类型的矩形钢管,有同样的角落20毫米半径和相同的宽度钢矩形截面(即。180毫米),但四个不同的宽度(即。,180年 mm, 150 mm, 120 mm, and 90 mm) (Table3和数字2和4)。与R-CFFTs相比,矩形DSTCs可以节省混凝土明显由于内心的空虚,这可能是由孔隙面积比(即表示。,具体的比例空白区域的面积总矩形混凝土部分)。这些矩形DSTCs设计相同的空白面积比为0.46,从而节约46%左右混凝土矩形R-CFFTs相比目前的研究。

如表所示1,每个标本被赋予一个名称为便于参考:(1)“RC1,”“RC2,”“RC3,”和“RC4”是用来表示横截面长宽比是“1.0”“1.2”“1.5”和“2.0”分别;(2)“欧共体”或“钢筋混凝土”是用来表示内心的钢管的横截面为椭圆或矩形,后跟一个数字来表示钢管的类型如表所示2和3;(3)字母“F”和一个数字代表FRP管的纤维薄层。每一层纤维薄板的公称厚度是0.35毫米,导致两个FRP管厚度(即目前研究。,3 - layer FRP管公称厚度为1.05毫米,6-layer玻璃钢管道的公称厚度2.10毫米)(表1)。为每个矩形DSTC矩形钢管内部,有一个对应的矩形DSTC椭圆内钢管相比之下,有同样的FRP管厚度和相同的空白面积比前一个(例如,RC2-rc2-F6和RC2-ec2-F6一对矩形DSTCs比较)。本研究中所有钢管(即有相同的厚度。,4.5毫米)。所有标本的FRP管是由包装连续单向玻璃/环氧复合材料在硬化混凝土表面的纤维取向方向箍。对于每个FRP管,有一个重叠的区域生成的周向距离大约150毫米沿着长边的矩形截面(图5)。额外的FRP条带的宽度40毫米的两端附近提供标本,以防止过早失效。一层薄薄的高强度石膏用于限制实现平端压前测试。

2.2。材料特性

2.2.1。混凝土

为了保证铸件质量的混凝土、自密实混凝土(SCC)是采用目前的研究。素混凝土圆柱体高度为300毫米,直径150毫米测试后ASTM C39 / C39M [32]。位移控制加载速率为0.18毫米/分钟的测试采用混凝土圆柱体。的弹性模量 ,峰值应力 ,在峰值应力与轴向应变从这些混凝土缸测试33.6的绩点,平均50.4 MPa,和0.26%,分别。

2.2.2。玻璃钢

拉伸测试后进行持平优惠券ASTM D3039 [33)获得FRP管的材料特性。玻璃钢优惠券,这包含两层纤维床单,制造使用相同的wet-layup技术作为矩形DSTCs FRP管。的弹性模量 ,极限强度和极限应变从这些玻璃钢平坦的优惠券是80.1的绩点,平均1836.2 MPa,和2.29%,分别。

2.2.3。钢管

如表所示2和3,有四种类型的椭圆钢管和矩形钢管在当下研究的四种类型。矩形钢管都使用同一批次的原材料制造,而椭圆钢管都是使用另一个生产批原材料。所有这些钢管生产以下四个步骤:(1)切削平面钢板设计尺寸;(2)弯曲平面钢板形成一半钢管的一部分;(3)焊接两个相同的一半部分由两个纵向焊缝;和(4)铣削每个钢管的两端实现平面垂直于轴的结束。

钢抗拉测试优惠券后进行了BS 18 (34为椭圆和矩形钢管,钢管。测试结果显示,这些钢的拉伸应力-应变曲线优惠券长期收益率高原然后硬化分支之前最后破裂。的平均弹性模量 ,平均屈服应力 ,,平均极限抗拉强度如表所示2和3分别为椭圆和矩形钢管。此外,对于每种类型的这些钢管,两个空心钢管,有同样的高度与矩形DSTCs(即使用。600毫米),测试下单调轴向压缩。四个线性安装测量整体每个钢管的轴向缩短。失败后钢管轴向压缩试验和轴向stress-axial应变曲线如图3和4,轴向应变是线性。所有钢管轴向压缩试验后遭受了严重的失稳。

2.3。实验装置和仪器

图5显示了所有的实验装置和仪器标本。安装了6个线性测量每个样品的轴向变形。的六个线性、4(即。,LVDT-300) were used to measure the shortening of the 300 mm midheight region, while the other two (i.e., LVDT-600) were used to measure the total shortening of the specimens. For the outer FRP tube, four hoop strain gauges and four axial strain gauges (gauge length = 20 mm) were installed at the midpoint on each side of the rectangular cross section, while two additional hoop strain gauges were attached at the corner of the rectangular FRP tube. At the midheight of the inner steel tube, four hoop strain gauges and four axial strain gauges with a gauge length of 10 mm were installed and distributed evenly as shown in Figure5。一大列测试设备的最大容量10000 kN与位移控制进行轴向压缩测试使用0.36毫米/分钟。所有的测试数据,包括压力、载荷、位移,同时记录数据获取系统。

3所示。测试结果和讨论

3.1。一般

在加载的初始阶段测试、阅读的四个轴向压力FRP管很均匀,没有明显的现象在FRP管。当轴向应变读数超过0.30%左右,一声巨响发出标本和大量负载降低/波动同时发生,表明混凝土发生严重破坏,这主要是由于矩形FRP管所提供的约束不足。随着加载过程的进行,两个应变仪的箍应变读数FRP管角增加速度通常与其他箍应变仪相比,表明FRP管提供了更有效的监禁在拐角处的FRP管。明显损害被观察到在FRP管的外表面,这通常是在拐角处或接近矩形截面的角落。在加载测试的最后阶段,进步折断的声音纤维被注意到。最后,FRP管爆炸破裂的发生与大断裂的声音。

测试后,损伤的FRP管和钢管内仔细检查(图6)。FRP管的破坏,这主要是由于箍张力引起的内部混凝土的膨胀,通常被局限于矩形截面的角落。正如所料,混凝土也遭受了严重的破碎在玻璃钢断裂的位置。严重的向内变形和局部屈曲,通常接近FRP管的局部破裂,观察对椭圆和矩形钢管。

3.2。轴向Load-Axial应变曲线

随着轴向应变仪对FRP管的外表面或内钢管,其数据可能不密切反映约束混凝土的应变状态,特别是在重要的发展对FRP管局部损伤。获得的轴向应变的线性覆盖完整的标本的高度(即。,LVDT-600) may not reflect the strain state of the confined concrete, especially at the early stage of the axial compression as there may be initial gaps between the loading plates and the two ends of the specimen. In this paper, the axial strain found from LVDT-300, which reflects the average axial strain of the midheight 300 mm region, is used to represent the axial strain of these specimens.

轴向load-axial应变曲线的所有标本在图所示7在三组。如图7 (c)R-CFFTs的轴向load-axial应变曲线有一个初始线性提升分支然后严重的轴向载荷的轴向应变下降0.30%左右,其次是一个提升分支,直到最后的失败。对于RR-DSTCs(图7 (b)),轴向载荷下降0.30%左右的轴向应变远小于相应的R-CFFTs,而相应的RE-DSTCs只有小轴向载荷波动(图7(一))。突然轴向载荷下降/波动是由于矩形FRP管约束不足。内在的存在在矩形钢管DSTCs突然减轻了轴向载荷下降随着混凝土封闭的管,钢管也直接有助于矩形DSTCs的轴向载荷。

3.3。关键测试结果

R-CFFTs,发现约束混凝土的平均轴向应力随着负载的抵抗混凝土除以横截面积的混凝土。如前所述,FRP管只面向纤维箍方向。因此,直接加载所有标本的FRP管被忽视的贡献。对于矩形DSTCs,直接加载内钢管应考虑的贡献。负载抵制的混凝土矩形DSTCs假定等于负载遭到抵制的负载的标本减去内钢管在同一轴向应变。负载由内钢管被认为是一样的空心钢管在轴向压缩下数据3和4。试样的轴向负荷,混凝土和钢管是典型的矩形DSTCs图说明8。上面的方法可能会引入一些错误的轴向应力约束混凝土矩形DSTCs,之前被认为是小内钢管的严重弯曲。

所有标本的关键测试结果总结在表4。在这个表中,试样的轴向载荷峰值;约束混凝土的轴向应力峰值;是最终的轴向应变的标本时FRP管破裂;是FRP管的断裂应变平均外箍应变仪的重叠区;和 和 是强度增强率和应变增强约束混凝土的比例。

3.4。横截面宽高比的影响

如图9三组标本的轴向应力-应变曲线比较横截面宽高比的影响进行评估。如图9 (c),所有R-CFFTs展览轴向应力-应变曲线与一个提升分支和突然的轴向应变应力降0.30%左右,其次是一个提升分支,直到最后的失败。轴向应力极限轴向应变是,然而,远低于轴向应力轴向应变的0.30%左右。显示在表4,平均强度增强比例 这四种标本在图9 (c)几乎是相同的(即。,1.3), while specimen RC1-F6 had the largest strain enhancement ratio 。虽然这些标本在图9 (c)有不同的横截面高宽比、轴向应力-应变曲线相互R-CFFTs展示一个好的协议。如图9 (b),类似于R-FCSCs RR-DSTCs展出一个线性提升分支和紧随其后的是轴向应变的应力下降0.30%左右。轴向压力对标本RC1-rc1-F6那么稳定和RC2-rc2-F6。相比之下,标本的轴向应力RC3-rc3-F6 RC4-rc4-F6恢复和一个提升曲线直到最终失败。显示在表4,平均强度增强比例 这四种标本在图9 (b)大约是1.2,略小于相应的R-CFFTs。如图9(一个)RE-DSTCs显示类似的轴向应变的应力降0.30%左右。标本RC3-ec3-F6 RC4-ec4-F6有较高的轴向应力和极限轴向应变比标本RC1-ec1-F6 RC4-ec4-F6。显示在表4、标本RC3-ec3-F6和RC4-ec4-F6也有更高的强度增强比例 和应变增强比例 比标本RC1-ec1-F6 RC4-ec4-F6。很明显,一个更大的比例不会有负面影响在矩形DSTCs约束效应。相反,一个矩形DSTC与更大的长宽比通常更大的极限轴向应变和更高的轴向应力极限应变。这个观察是不符合的测试观察矩形FRP-confined混凝土柱在[28,29日),矩形FRP管约束效应随长宽比的增加而减小。如图5长宽比的增加,该地区混凝土下更有效的限制是由于当地限制效应提供的钢管和FRP管,导致更高的强度增强。

3.5。玻璃钢厚度的影响

如图10六双矩形DSTCs,有相同的长宽比和孔隙比相同但不同FRP管厚度,比较研究FRP管厚度的影响。FRP-confined混凝土柱的轴向约束混凝土的应力-应变行为影响极大的约束刚度和呼啦圈断裂应变FRP管(27,35,36]。如表所示4,强度增强比例 和应变增强比例 的矩形DSTCs 6-layer FRP管远高于相应的标本3 - layer FRP管。如图10,厚FRP管通常会导致更大的轴向应力-应变曲线的刚度为第二个分支,一个更大的强度增强比率,和一个更大的延性增强比例。

3.6。内钢管截面的影响

六双矩形DSTCs比较图11评估的横截面形状的影响内心的钢管。轴向应力-应变曲线的R-CFFTs也包括在图中11进行比较。很明显,轴向stress-axial R-CFFTs应变曲线的初始线性提升分支然后严重的轴向应力降的轴向应变约为0.30%,紧随其后的是一个提升分支,直到最后的失败。这一现象的观察是一致的30.),这被认为是与监禁时的混凝土的脆性性质是不够的。RE-DSTCs,轴向应力-应变曲线有一个初始提升分支,然后下降波动/轴向压力,其次是第二个提升分支。相比之下,RR-DSTCs突然下降轴向应力在过渡点开始在他们的轴向应力-应变曲线。的轴向压力骤降RR-DSTCs小于相应R-CFFTs但比相应的RE-DSTCs大得多。因此,RR-DSTCs的约束效果比RE-DSTCs的效率较低。RE-DSTCs,他们的横截面可以被视为两个弧由于椭圆钢管的存在。电弧效应可能存在的横截面RE-DSTCs当混凝土层受到轴向压缩和约束下的FRP管,比RR-DSTCs导致更好的性能。很明显,内钢管的横截面形状有很大影响的轴向应力-应变行为约束混凝土矩形DSTCs。如图11和表4,矩形DSTCs椭圆钢管通常有更好的延性比相应的矩形钢管的标本。

4所示。与应力-应变模型的比较

林和腾35]发达循环FRP-confined混凝土柱的应力-应变模型,在许多重要的问题包括实际的呼啦圈断裂应变,环刚度的影响,和充足的FRP管是经过细心挑选。基于圆形FRP-confined混凝土柱模型,林和腾27)进一步发展矩形FRP-confined混凝土柱的应力-应变模型,在矩形截面的长宽比被认为是。2009年,邓et al。36精制Lam和邓的35)循环FRP-confined混凝土柱模型,更准确的最终的轴向应变和抗压强度的表达式被雇佣。根据邓et al。(36圆形FRP-confined混凝土模型,Yu et al。10)提出了一个简单的约束混凝土应力-应变模型与一个圆形循环DSTCs内心的钢管。内心空虚的影响在圆形DSTCs被认为是最终使用孔隙比混凝土的轴向应变 ,这被定义为钢管直径的比值的外直径圆形混凝土部分。2013年,余和腾19)进行了一项试验研究混合DSTCs广场外FRP管和圆形内钢管。基于实验结果Yu和腾19),混凝土的应力-应变模型在广场DSTCs提出了结合Lam和邓的27Yu)模型矩形FRP-confined混凝土和et al。(10)模型与一个圆形循环DSTCs内心的钢管。这个模型还采用Lam和邓的27)方程的影响考虑矩形截面的长宽比。

Yu和邓的19)模型由抛物线的第一部分和第二部分线性约束混凝土的应力-应变曲线混合DSTCs: 在哪里和轴向应力和约束混凝土的轴向应变,分别;由线性应力轴的拦截第二部分,这是 ; 约束混凝土的初始弹性模量;直线的斜率是第二部分的应力-应变曲线;是最终的约束混凝土的轴向应变;和是平稳过渡点的轴向应变抛物线第一满足线性部分第二部分。

抛物线第一部分和第二部分线性与平稳过渡的转型压力 :

的斜率线性应力-应变曲线的第二部分是由 在哪里约束混凝土的抗压强度。

抗压强度和最终的轴向应变在混凝土方程所示(4)和(5)。的影响矩形截面的长宽比是考虑和使用横截面形状系数的强度提高的横截面形状系数和应变的提高 。空白面积比(即。,the ratio of the concrete void area to the area of the gross rectangular concrete section), rather than the void ratio(即。,the ratio of the steel tube diameter to the outer diameter of the circular concrete section), was used in Yu and Teng’s [19模型: 在哪里和抗压强度和轴向应变在无侧限混凝土轴向应力峰值,分别;的孔隙比与一个圆形循环DSTCs内钢管,这被定义为钢管直径比圆形混凝土部分的外径;是正方形和长方形DSTCs的空白面积比,这被定义为混凝土空隙面积的比值总值混凝土截面的面积;和是约束刚度比和压力比,分别;无侧限混凝土割线模量;是玻璃钢箍方向的弹性模量;FRP管的厚度;和是玻璃钢的箍应变破裂的管箍拉伸应力。

横断面形状因素和矩形FRP-confined混凝土柱Lam和邓的27]给出的模型方程(10)和(11)。对混合DSTCs方形截面,和是一样的用于Yu和邓的19)模型。在接下来的预测,和从林和邓的27模型是用来考虑横截面宽高比的影响: 在哪里和宽度(短边)和广度(长边)的矩形截面,分别;外半径的圆截面的混凝土圆形DSTCs,当作是哪一个本研究为矩形DSTCs; 是长方形的有效约束面积比FRP-confined混凝土柱;矩形柱部分的总面积;和是纵向钢筋的截面积比。

从目前的测试结果研究相比于和邓的19)模型数据11和12。由于存在轴向轴向应变的应力降0.30%左右,Yu和邓的19)模式无法捕捉的复杂形状的矩形DSTCs的轴向应力-应变曲线。然而,Yu和邓的19)模式通常提供接近预测的轴向应力峰值约束混凝土矩形DSTCs(图12(一个))。如数据所示11和12 (b)Yu,邓的19)模式产量保守预测最终的轴向应变的约束混凝土矩形DSTCs。Yu和邓的19)模型,它最初是基于Lam和邓的27Yu)模型矩形FRP-confined混凝土和et al。(10)模型与一个圆形循环DSTCs内钢管,不考虑这类矩形DSTCs复杂机制。还需要进一步的研究发展的一个更可靠的约束混凝土应力-应变模型在直角DSTCs当更多的测试数据是可用的。这样的应力-应变模型应该考虑由于各种因素,包括横截面长宽比、孔隙面积比,钢管的厚度,内钢管的横截面的形状。

5。结论

提出了一个实验性研究矩形DSTCs下轴向压缩。测试结果和讨论允许可以得出以下结论:(1)更大的长宽比没有负面影响在矩形DSTCs约束效应。一个矩形DSTC与更大的横截面长宽比通常更大的极限轴向应变和更高的轴向应力在最终的轴向应变。(2)矩形DSTCs椭圆钢管表现出更好的性能比相应的矩形钢管的标本。(3)用厚矩形DSTCs FRP管通常有一个更大的刚度第二分支的轴向应力-应变曲线,更大的力量增强率和延性增强比例。(4)Yu和邓的模型通常提供约束混凝土轴向应力峰值的预测但收益率保守预测最终的轴向应变的约束混凝土矩形DSTCs。

数据可用性

所有测试都由作者。Resuests数据,12个月后发表的这篇文章中,将会被相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢金融支持来自中国的国家自然科学基金(批准号51978332和51978332)和江苏省自然科学基金(批准号BK20160998)。

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