帶約束鉆進(jìn)l形鋼管混凝土偏壓短柱試驗(yàn)研究

帶約束鉆進(jìn)l形鋼管混凝土偏壓短柱試驗(yàn)研究

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼筋混凝土的研究主要集中在圓形、矩形和矩形管混凝土上，對(duì)l型等異形鋼管混凝土的研究較少。根據(jù)以往的研究，在板中固定具有約束力的水平鋼管混凝土短柱，可以有效地改善管道對(duì)核混凝土的限制，避免局部彎曲，提高管道混凝土短柱的支撐和延長(zhǎng)。在這項(xiàng)工作中，我們研究了八個(gè)帶的限制桿式鋼筋混凝土的壓縮性，并研究了限制桿對(duì)l形鋼筋混凝土構(gòu)件壓縮性的影響。1材料強(qiáng)度及加載試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了8個(gè)帶約束拉桿L形鋼管混凝土短柱試件.主要變化參數(shù)為拉桿最小水平間距及拉桿直徑、初始偏心率(eˉ0=e0/b1)(eˉ0=e0/b1)和荷載角α.各參數(shù)及試件尺寸見(jiàn)表1和圖1.鋼管采用Q345低合金鋼,鋼管內(nèi)采用C60混凝土一次澆注完成.實(shí)測(cè)的材料強(qiáng)度列于表1.加載及測(cè)量裝置如圖2所示,加載點(diǎn)在截面上的位置如圖3所示.采用15MN長(zhǎng)柱壓力機(jī)施加荷載,開(kāi)始階段采用荷載控制的加載方式,加載速度為2kN/s;當(dāng)荷載-位移曲線由直線變?yōu)榍€以后改為位移控制的加載方式,加載速度控制為5μm/s.荷載由壓力機(jī)自帶的壓力傳感器直接讀取.在試件4個(gè)側(cè)邊對(duì)應(yīng)于截面形心軸位置各設(shè)置2個(gè)位移計(jì),用于測(cè)定試件各側(cè)邊的兩端豎向相對(duì)位移.在試件遠(yuǎn)力側(cè)設(shè)置5個(gè)水平放置的位移計(jì)(荷載角為315°的試件共設(shè)10個(gè)),分別在柱頭、柱腳、柱中以及四分點(diǎn)處,用于測(cè)定試件的撓曲變形(見(jiàn)圖2).在試件高度中間位置、靠近柱頭處的各個(gè)側(cè)面沿縱向、橫向,以及試件高度中間位置的約束拉桿上布置電阻應(yīng)變片,以測(cè)定相應(yīng)部位的鋼管壁應(yīng)變以及約束拉桿的應(yīng)變.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1鋼板鼓曲試驗(yàn)整個(gè)加載過(guò)程中,試件均沒(méi)有發(fā)生整體失穩(wěn)破壞,撓曲曲線發(fā)展上下基本對(duì)稱,接近極限荷載時(shí),彎曲變形較明顯.試件的變形包括整體的彎曲變形和鋼板的局部屈曲.鋼板的局部屈曲模態(tài)受到拉桿設(shè)置的影響,其特點(diǎn)如下.雙向偏壓試件(荷載角為0°和180°)達(dá)到極限荷載前,近力側(cè)大部分測(cè)點(diǎn)的鋼板應(yīng)變達(dá)到屈服,而達(dá)到極限承載力后柱頭及柱中的部分鋼板發(fā)生局部屈曲.無(wú)論是單列還是雙列拉桿的試件,各短邊的屈曲位置隨機(jī)分布.荷載角為0°的單列拉桿試件,在陰角邊a2(見(jiàn)圖3,下同)內(nèi)側(cè)的2排拉桿高度之間至肢端的范圍內(nèi)發(fā)生帶狀鼓曲,或在靠近受壓邊緣的板邊到拉桿的范圍內(nèi)隨機(jī)發(fā)生屈曲;陽(yáng)角邊a1在靠近受壓邊緣的拉桿到板邊的范圍內(nèi)隨機(jī)發(fā)生屈曲,或在2排拉桿高度之間的范圍內(nèi)從近力側(cè)到遠(yuǎn)力側(cè)發(fā)生屈曲;陰角邊b2只在2排拉桿高度之間的范圍內(nèi)發(fā)生屈曲.對(duì)于荷載角為180°的單列拉桿試件,陽(yáng)角邊b1在拉桿到板邊之間范圍內(nèi)屈曲,或在2排拉桿高度之間的范圍內(nèi)屈曲;陰角邊a2,b2只在2排拉桿高度之間的范圍內(nèi)發(fā)生屈曲;陽(yáng)角邊a1的屈曲形態(tài)與荷載角為0°的試件情況相同.荷載角為0°的雙列拉桿試件,在各陰角邊與陽(yáng)角邊均只在2排拉桿高度之間發(fā)生帶狀鼓曲,鼓曲范圍較單列拉桿試件小.處于彎矩作用平面內(nèi)的鋼板,近力側(cè)的屈曲半徑和鼓曲程度均比遠(yuǎn)力側(cè)大.對(duì)于荷載角為0°的偏心率較小試件,鋼板鼓曲發(fā)生順序?yàn)殛幗沁卆2的近力側(cè)、陽(yáng)角邊a1的近力側(cè)與短邊a3、陰角邊b2;荷載角0°的偏心率較大試件的鋼板發(fā)生屈曲的順序與偏心率較小的試件相似,但陰角邊b2不發(fā)生鼓曲;對(duì)于荷載角為180°的試件,鋼板鼓曲發(fā)生順序?yàn)殛?yáng)角邊b1以及陽(yáng)角邊a1的近力側(cè)、短邊b3以及陰角邊b2,其中短邊b3的鼓曲程度較小.單向偏壓試件(荷載角為315°)達(dá)到極限荷載前,近力側(cè)大部分測(cè)點(diǎn)的鋼板應(yīng)變達(dá)到屈服,隨后柱頭及柱中的部分鋼板發(fā)生鼓曲.鋼板鼓曲沿截面以及高度的分布特點(diǎn)與0°雙向偏壓試件相似.鼓曲發(fā)生順序?yàn)殛幗沁卆2和b2、陽(yáng)角邊a1和b1的近力側(cè)以及短邊a3和b3.圖4為典型試件的破壞模態(tài).試驗(yàn)后用焰火切割開(kāi)鋼管,發(fā)現(xiàn)所有試件的近力側(cè)混凝土被壓碎.偏心率較大的試件,其遠(yuǎn)力側(cè)混凝土出現(xiàn)橫向裂紋;而偏心率較小的試件,其遠(yuǎn)力側(cè)混凝土沒(méi)出現(xiàn)橫向裂紋.2.2拉拔試驗(yàn)結(jié)果的極限彎矩分析圖5給出了各試件的彎矩(M)與曲率(?)曲線,表1列出了各試件實(shí)測(cè)極限承載力Nue、極限彎矩Mue、峰值曲率?u以及荷載下降至85%極限承載力時(shí)的曲率?85.其中曲率試驗(yàn)值由試件近力、遠(yuǎn)力側(cè)的兩端位移計(jì)實(shí)測(cè)值計(jì)算得到.隨著拉桿的水平間距減小,試件極限承載力提高,峰值曲率及極限曲率分別增大,曲線下降段也趨于更平緩.荷載角為315°的試件L-BE8的承載力比試件L-BE7的承載力提高11%;荷載角為0°的試件L-E5的承載力比試件L-E1的承載力提高5%,承載力提高幅度比荷載角為315°時(shí)小.拉桿對(duì)荷載角為315°時(shí)的影響比荷載角為0°時(shí)大,這是由于荷載角為315°時(shí),有2個(gè)加載肢受到拉桿的約束作用,而荷載角為0°時(shí)只有1個(gè),約束作用較小.這表明約束拉桿的設(shè)置能提高試件的承載力及延性.在本試驗(yàn)的偏心率變化范圍內(nèi),隨著初始偏心率的增大,試件的極限承載力減小,極限彎矩增大,峰值曲率及極限曲率增大.增大拉桿直徑對(duì)極限承載力及峰值曲率的提高有一定作用,但在本試驗(yàn)的參數(shù)范圍內(nèi)作用不明顯.在其他參數(shù)相同的條件下,荷載角為180°的試件L-E6承載力分別為荷載角為0°試件L-E1及荷載角為315°試件L-BE7的1.04和1.16倍;荷載角為315°試件的峰值曲率及極限曲率最大,下降段曲線更平緩;荷載角為180°試件的峰值曲率及極限曲率比荷載角為0°的試件大.圖5中還給出了各試件鋼板發(fā)生較明顯局部屈曲時(shí)對(duì)應(yīng)的彎矩-曲率值點(diǎn)B.單向偏壓試件的近力側(cè)鋼板(陰角邊a2和b2)的寬厚比較大,且受到平面外的壓彎作用,比雙向偏壓情況下更容易發(fā)生屈曲.故單向偏壓試件均在荷載達(dá)到極限承載力前發(fā)生鋼板屈曲,而雙向偏壓試件均在荷載達(dá)到極限承載力后才發(fā)生鋼板屈曲.鋼板在發(fā)生屈曲后,單向偏壓試件的曲線斜率減小,直至加載結(jié)束沒(méi)有拐點(diǎn)出現(xiàn),下降段較為平緩;雙向偏壓試件的荷載發(fā)生不同程度的突降,彎矩-曲率曲線有拐點(diǎn),之后發(fā)展較平緩.表1中給出了采用帶約束拉桿L形鋼管混凝土的核心混凝土本構(gòu)關(guān)系,并給出了利用纖維模型法計(jì)算所得的各試件的極限承載力Nuc和試驗(yàn)結(jié)果Nue的比較.結(jié)果表明,Nue/Nuc的平均值為1.0,標(biāo)準(zhǔn)差為6×10-2,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.2.3下彎管截面高度圖6給出了各級(jí)荷載作用下試件高度中間位置截面的實(shí)測(cè)縱向應(yīng)變(ε)沿截面高度(h)的變化特點(diǎn).無(wú)論是單向還是雙向偏壓,臨近或達(dá)到極限荷載前應(yīng)變沿截面高度變化基本符合平截面假定.由此可見(jiàn),普通鋼筋混凝土的壓彎計(jì)算理論也同樣適用于帶約束拉桿L形鋼管混凝土柱.2.4遠(yuǎn)力側(cè)橫向應(yīng)變圖7為試件L-E1近力、遠(yuǎn)力側(cè)測(cè)點(diǎn)無(wú)量綱荷載(N/Νue)與橫向應(yīng)變(εh)關(guān)系曲線.近力側(cè)橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變發(fā)展較快,在達(dá)到極限承載力時(shí)達(dá)到屈服,表明近力側(cè)混凝土的側(cè)向膨脹明顯,相應(yīng)鋼板對(duì)混凝土的橫向約束作用較大.直到加載結(jié)束,遠(yuǎn)力側(cè)橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變均很小,表明遠(yuǎn)力側(cè)鋼板在加載過(guò)程中基本沒(méi)有受到混凝土的側(cè)向膨脹影響,相應(yīng)鋼板對(duì)混凝土的橫向約束作用小.2.5加載姿拉拔特性對(duì)核心混凝土約束作用圖8給出了試件的無(wú)量綱荷載(N/Nue)和試件高度中間位置的約束拉桿應(yīng)變(εs)曲線圖.圖8(a)、(b)分別為雙向偏壓試件L-E1,L-E3,L-E4中位于非加載肢與加載肢處的拉桿N/Nue-εs曲線.圖8(a)的結(jié)果顯示,隨著荷載增加,處于非加載肢的拉桿應(yīng)變變化較小,直到試件破壞時(shí)仍處于彈性狀態(tài).這是由于非加載肢上的陰角邊b鋼板在達(dá)到極限承載力后才發(fā)生屈曲,此時(shí)拉桿應(yīng)變有所發(fā)展,但最終應(yīng)變不大,表明非加載肢拉桿對(duì)核心混凝土的約束作用有限.圖8(b)的結(jié)果顯示,處于加載肢的拉桿應(yīng)變?cè)谶_(dá)到極限荷載前均沒(méi)達(dá)到屈服.L-E3的拉桿應(yīng)變?cè)谶_(dá)到極限荷載后發(fā)展較快,最后達(dá)到屈服,而L-E1和L-E4的拉桿直到試件破壞時(shí)均未達(dá)到屈服,但極限應(yīng)變?nèi)员确羌虞d肢的大.這表明:對(duì)于雙向偏壓的單列拉桿試件,加載肢拉桿對(duì)核心混凝土的約束作用在試件達(dá)到極限承載力以前不明顯,在加載后期約束作用增大;偏心率越大,加載肢拉桿對(duì)核心混凝土的約束作用越大.另外,無(wú)論是處于加載肢還是非加載肢的拉桿,試件L-E4的拉桿直徑較小,故拉桿峰值應(yīng)變比相同偏心率的試件L-E1大.圖8(c)為單向偏壓試件L-BE7與L-BE8中拉桿的N/Nue-εs曲線,其中L-BE8內(nèi)和L-BE7內(nèi)代表靠近肢內(nèi)側(cè)的拉桿,L-BE8外代表靠近肢端的拉桿.在達(dá)到極限承載力時(shí),2個(gè)試件的拉桿應(yīng)變均未達(dá)到屈服,其中L-BE8外的峰值應(yīng)變較大,而L-BE8內(nèi)與L-BE7內(nèi)的峰值應(yīng)變幾乎相同.L-BE7內(nèi)在達(dá)到極限承載力后應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展,最后達(dá)到屈服,而L-BE8內(nèi)直到加載結(jié)束沒(méi)達(dá)到屈服應(yīng)變.這表明,對(duì)于單向偏壓試件,雙列拉桿試件的肢端拉桿約束作用明顯,肢內(nèi)拉桿的作用較小;單列拉桿試件的肢內(nèi)拉桿在加載后期才發(fā)揮約束作用.3混凝土變形管及其受力分析1)約束拉桿的存在改變了鋼板的屈曲模態(tài),有助于改善L形鋼管混凝土偏壓短柱的力學(xué)性能.隨著約束拉桿間距的減小,短柱的偏壓極限承載力提高,延性改善明顯.2)各試件的撓曲曲線發(fā)展上下基本對(duì)稱,截面應(yīng)變符合平截面假設(shè).采用帶約束拉桿L形鋼管約束的管內(nèi)核心混凝土