钢管高强混凝土纯弯曲构件力学性能及承载力的研究

目前, 国内外有关学者对高强混凝土基本性能的研究已取得了一些成果, 也有人研究 钢筋套箍约束高强混凝土的性能和强度计[ 1] 。对于钢管高强混凝土的研究主要集中在轴 压、弯曲和压弯构件[ 3～10] , 且以试验为主, 不利于从机理方面深入认识这类结构的力学性 能。
在文献[ 11] 中, 作者在合理确定组成钢管高强混凝土的钢材和核心高强混凝土的应 力- 应变关系模型的基础上, 利用数值分析方法对钢管高强混凝土在轴心压力作用下的 荷载- 变形关系进行了全过程分析, 并得到大量试验结果的验证。理论分析和试验结果都 表明, 钢管高强混凝土轴压力学性能和钢管普通强度混凝土的轴压力学性能有所差 异[ 11 ] 。利用对轴压问题的分析结果, 本文对纯弯构件的荷载- 变形关系曲线进行了全过程 分析, 较深入地认识了这类构件的工作机理和力学性能。基于全过程分析结果, 提供了钢
截面形心轴生合。在压区因高强混 凝土处于
低应力状态, 泊松比 &c 小于钢材的泊松比&s, 可以认为两种材料单向受压。在拉区, 钢管处 于单向受拉状态。
( 2) 弹塑性段( A B) 随着荷载的增加, 截面中和轴将逐渐向 压区移动, 同时靠近外边缘的受压高强混凝
图 6 程序运行框图
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哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报
在纯弯状态下的
M
/
W
scM -
max 关系曲线,
其中
W
M sc
=
3%2D 3( D 为钢管外直径) 为管钢高强
混凝土截面的抗弯模量。
图
9 纯弯
M/
W
M sc
-
max关系
由图 9 可见, 在 max 很大时, 弯矩仍可继续增加, 钢管高强混凝土受弯构件表现出良
第1期
韩林海: 钢管高 强混凝土纯弯曲构件力学性能及承载力的研究
0 前言
高强混凝土( 一般指立方试块强度 f cu≥50M Pa 的混凝土[ 1] ) 具有优点, 因而经济效果显著。我国近年来已开始采 用强度指标为 C50～C80 的高强混凝土。然而, 高强混凝土的缺点是脆性大, 这就大大地 阻碍了其在实际工程中的应用。如果将高强混凝土灌入钢管中形成钢管高强混凝土, 高强 混凝土受到钢管的有效约束, 在复杂应力状态下, 钢管具有很强的抗剪和抗扭能力, 从而 可以防止高强混凝土发生脆性破坏, 使钢管高强混凝土具有良好的延性, 也使得高强混凝 土的实际工程应用得以实现, 经济效果得以充分发挥。国外已有不少实际工程中采用钢管 高强混凝土的事例[ 2] 。
力学性能及承载力的研究
韩林海
( 博士后流动站)
摘 要 利用数值分析方法计 算了钢管高 强混凝土 纯弯曲构件 的荷- 载变 形全过程
关系曲线, 计算结果与试验结果吻合程度令人满意。基 于全过程分析结果, 推导了钢混管凝土 抗弯强度和抗弯刚度的简化计算公式, 可供工程设计时参考。
关键词 高强混凝土; 钢管混凝土; 全过程分析; 抗弯承载力; 抗弯刚度。 分类号 T U 398. 9
0
0
( ≥ 1. 12)
c=
0( c )
1
0 !( c - 1) 2 + ( c )
0
0
( < 1. 12)
c> 0
( 1b)
式中:
0=
f ck[ 1.
194+
(
13 f ck
)
( 0. 45
-
0. 07485
2+
0. 5789
) ];
0=
cc+
[ 1400+
800( f
ck20
20
)
]
0. 2; cc= 1300+ 14. 93f ck; A = 2- K ; B = 1- K ; K = 0. 1 0. 745 ; q = K / ( 0. 2+ 0. 1 ) ; != ( 2.
36×10-
)5 [ 0. 25+
(
-
f 0. 5) 7]
2 ck
(
5.
0 × 10-
4) ;
f
ck 为混 凝土标准强度;
套箍系
=
Asf Acf
y ck
=
∀ff
y,
ck
∀
(
=
A A
s c
)
为含钢率, f
y
为钢材的屈服强度, A s
和 Ac
分别为钢管
和核心高强混凝土的横截
面积。
钢材在复杂应力状态下的应力强度和应变强度的关系见图 1, 此即所谓的二次流塑
根据上述定义, 计算了不同强度的钢材、不同等级的 混凝土及不同含钢率情况下钢管高强混凝土构件的抗弯
强度 Mu。大量计算分析表明, M u 和构件截面抗弯模量
W scM、套箍系数
及组合抗压强度标准值
f
y sc
[
12]
有关。令
∋m =
M
u
/
W
M sc
f
scy , 则可则绘出
∋m -
关系, 见图 10。
经回归分析, 系数 ∋m 的数学表达式为:
cA A c)
c
=
1 (1+
∀) ( ∀ sl +
c)
( 3)
则压区钢管的纵向应力为;
-
sl = [ ( 1 + ∀) - c] / ∀
( 4)
根据基本假设( 1) , 受拉区钢管的纵向应力按钢材单向受力时图 1 所示的应力- 应变
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韩林海: 钢管高 强混凝土纯弯曲构件力学性能及承载力的研究
流弹性塑性应力- 应变关系, 各阶段应力和应变关系的数学表达式及其推导过程及图 1
中各参数的确定方法等见文献[ 12] 。图 1 所示的应力- 应变关系同样适用于简单受力情 况。
在合理地确定钢材和核心高强混凝土应力- 应变关系模型的基础上, 文献[ 11] 利用
数值分析方法准确地计算出了钢管高强混凝土在轴压荷载 N 作用下名义纵向平均应力 -
图 10 ∋m- 关系
∋m′= - 0. 4047 + 1. 7629
从而可得抗弯承载力的计算公式为:
Mu =
1 钢管高强混凝土纯弯曲构件荷载-变形关系的全过程分析
文献[ 13] 建议的钢管高强混凝土在轴压荷载作用下, 其核心高强混凝土纵向应力与纵 向应变的数学关系可表示如下:
c = 0 [ A c - B ( c ) 2] ( c ≤ 0 )
0
0
( 1a)
0( 1 - q) +
( )c ( 0. 1 )
由此可得内弯矩 M in 为:
n
Min = 2
slid A
x ci
si
+
cidA ci x ci
i= 1
轴力 N in 为:
n
N in = 2 ( slidA si +
i= 1
由于是纯弯曲状态, 故应保证轴力 N in = 0 的
ci dA ci )
条件。
( 10) ( 11)
计算钢管高强混凝土纯弯构件荷载- 变
第 30 卷 第 1 期 1997 年 2 月
哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报 Jour nal o f Harbin U niv ersit y o f C. E. & A rchitectur e
V o l. 30 No . 1 F eb. 1997
钢管高强混凝土纯弯曲构件
收稿日期: 1996- 08- 23 韩林海 男 研究员/ 哈尔滨建筑大学建工程筑学院 ( 150008) 霍英东教育基金项目
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韩林海: 钢管高 强混凝土纯弯曲构件力学性能及承载力的研究
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管高强混凝土抗弯承载力和抗弯刚度计算公式, 计算结果与试验结果吻合良好。 众所周知, 钢管混凝土最突出优点是由于钢管和混凝土横向变形性能的差异, 钢管对
第 30 卷
土的横向变形大于钢材的横向变形, 并将产生紧箍力。 拉区的钢管纤维处最大拉应力超过屈服极限。
( 3) 强化段( B C) 随着外荷载的继续增加, 将首先使拉区最外缘的钢 管进入塑性状态。由于钢材边缘达到屈服, 截面内力发 生重分布, 截面塑性区域不断向内发展。当内部钢材也
发展到屈服极限时, 最外纤维的应力已可能进入应变强 化阶段。同时弯矩在曲率不断增加的情况下非常缓慢地 增加。分析表明, M- ∃关系在此阶段基本上呈线性。 图 7 纯 弯曲型 M - ∃( max) 关系
( = N / A sc= N / ( A s + A c) ) 和纵向应变 之间的全过程关系曲线, 曲线根据 值的不同分
为有下降段和无下降段两种情况, 见图 2。
钢管高强混凝土构件受弯矩作用时, 应力沿截面分布不均匀, 因此钢管和高强混凝土 之间的相互作用沿截面亦为非均匀分布。图 3 所示为纯弯构件变形曲线; 图 4 所示为截面
图 8 为计算曲线和试验曲线的对比情况, 可见二者符合较好。
图 8 纯弯理论结果和试验结果对比
由以上的分析结果可以看出, 钢管高强混凝土纯弯力学性能与钢管普通强度混凝土 的情况十分类似[ 12] 。
2 抗弯承载力的计算
图 9 所示为 C60 混凝土, 不同等级的钢材及不同套箍系数情况下的钢管高强混凝土
∃=
%2 L2
um
( 6)
将截面划分为 2n 等分, 每一段对应的圆心角为 d#= 2%/ 2n= %/ n( 如图 4 所示) 。
#i = id#
( 7)
dA si = ( rc + t / 2) t d#
( 8)
dA Ci = r 2ccos2 #i d#