钢管高强混凝土构件截面弯矩_曲率全曲线研究(1)

钢管高强混凝土由于钢管对混凝土的良好约束 ,使混凝 土轴心受压的峰值应力和极限变形能力都有大幅度的提高 , 特别适合用于承受轴压力为主的构件 ,如高层建筑和工业厂 房的柱 。钢管高强混凝土一般不用于受弯构件 。但是 ,结构 计算分析时 ,尤其是高层建筑结构的静 、 动力弹塑性计算时 , 钢管混凝土构件的弹性弯曲刚度 、 屈服后的弯曲刚度以及受 弯承载力等抗弯性能 ,是不可缺少的参数 。国内外学者对钢 管混凝土构件的受弯性能有一些研究 ,但对钢管高强混凝土 构件的受弯研究不多 [1 ] 。本文通过 12 根钢管高强混凝土构 件的抗弯试验 ,研究钢管高强混凝土构件的受弯性能 , 提出 了用弯曲刚度表示的钢管高强混凝土构件截面弯矩 - 曲率 全曲线方程以及截面受弯承载力的计算公式 。
) 曲线 图4 弯矩 ( M) - 跨中竖向位移 (δ
314 开裂弯矩和受弯承载力
表 2 为钢管内混凝土的开裂弯矩 、 开裂时的跨中挠度和 ε- 为 钢管边缘应变 。表中 , M c 为开裂弯矩 ,δ c 为跨中挠度 , 钢管受压区边缘压应变 ,ε+ 为钢管受拉区边缘拉应变 。 表2 钢管内混凝土开裂时的弯矩 、 跨中挠度和 钢管边缘应变
LΠ 50 ( 即 3312mm) 时对应的弯矩值 ; M y4 为纯弯段在跨中产生
图3 弯矩 - 钢管纵向 、 环向应变关系曲线
图 2 表明 :1) 纵向应变片 1 、 2 受压 ,而环向应变片 1 、 2受 拉 ,纵向应变片 3 、 4、 5 受拉 ,而环向应变片 3 、 4、 5 受压 , 截面 的中和轴在应变片 2 、 3 之间 , 截面受压区的钢管环向受拉 , 钢管高强混凝土构件截面弯矩 - 曲率全曲线研究 — — — 钱稼茹 ,等
α = 01312 f tp
f tp = 0126 f tp
2Π 3 fcu
(2b) (2c)
表3 试件的实测承载力
编号
CSB1 CSB3 CSB4 CSB5 CSB7 CSB11 CSB12 CSB14 CSB17 CSB18 CSB20 CSB22
kN・ m
M y4 Mm
ε ft t 式中 , X = ε , Y = ;ε t 和ε tp 分别为约束混凝土的拉应变和 峰值拉应变 ; f t 和 f tp 分别为约束混凝土的拉应力和峰值拉应 力 ;α为常数 。 部分试件计算得到的截面弯矩 - 曲率全曲线与试验结 果的对比示于图 5 。图中的虚线为计算结果 ,粗线为实测曲 线 ,实测曲线的曲率由位移引伸仪量测的纵向位移计算得 到 。12 根试件的计算曲线与试验曲线都符合较好 。
CSB14 在纯弯段靠近左加载点附近 , 顶部钢管出现了鼓包 。
圆圈表示试件纯弯段在跨中产生的位移 ( 即试验所测的跨中挠 度减去试验所测的三分点挠度) 达到纯弯段跨度的 1Π 100 ( 即
LΠ 300 = 5153mm 或 10mm)
两端没有用钢板封堵的试件 CSB3 的钢管与混凝土之间没有 产生滑移 。图 2 为部分试件破坏后的照片 。
编号 图2 部分试件破坏后的照片
(kN・ M cΠ m) 2136 2177 3186 5141 4157 9169 10171 1213 11102 10192 10157 1013
δ mm cΠ
0152 0180 014 0178 0154 0147 0152 0151 1106 015 0152 1108
( A c f c ) , A s 为钢 抗压强度 ,取 018 f cu ;θ为套箍指标 ,θ = A s f yΠ
管截面面积 , A c 为核芯混凝土截面面积 。 70 Industrial Construction Vol134 ,No18 ,2004
工业建筑 2004 年第 34 卷第 8 期
θ
0177 0173 0162 0158 0178 0147 0150 0160 0153 0191 0191 0174
试件长度Π
mm 1860 1860 1860 1860 1860 1860 1860 1860 3010 1860 1860 3005
备注
封堵 不封堵 封堵 封堵 封堵 封堵 封堵 封堵 封堵 封堵 封堵 封堵
试件的跨中和三分点 , 各用一个位移计量测竖向挠度 ; 在试 件的顶部 、 底部和几何中心的位置 ,各安装一个位移引伸仪 , 量测跨中 20cm 长的范围内的变形 ; 用力传感器量测力的大 小 。加载装置示意图及测点位置见图 1 。
而截面受拉区的钢管环向受压 。钢管混凝土构件受弯时的 应力状态非常复杂 。2 ) 构件底部的纵向拉应变大于顶部的 纵向压应变 ,而顶部的环向拉应变大于底部的环向压应变 。
钢管高强混凝土构件截面弯矩 - 曲率全曲线研究
钱稼茹 王 刚 赵作周 康 钊
( 清华大学 北京 100084)
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摘 要 : 通过 12 根钢管高强混凝土构件的抗弯试验 ,研究了钢管高强混凝土构件的受弯性能 。采用条 带法计算了钢管高强混凝土构件截面弯矩 - 曲率全曲线 : 根据试验结果 ,将截面弯矩 - 曲率全曲线简化为三 折线 ,给出了截面弯曲刚度的三折线方程和钢管高强混凝土构件截面受弯承载力的计算公式 。 关键词 : 钢管高强混凝土 弯矩 - 曲率关系曲线 受弯承载力
1 试验概况 12 根钢管高强混凝土受弯试件的钢管采用 Q235 直立缝
试件 编号
CSBBaidu Nhomakorabea CSB3 CSB4 CSB5 CSB7 CSBll CSBl2 CSBl4 CSBl7 CSBl8 CSB20 CSB22 mm 140 140 165 165 165 219 219 219 219 219 219 219 mm 3156 3156 3133 3133 4120 3190 3190 5105 5105 5140 5140 5140
312 弯矩 - 应变关系
图 3 所示为试件 CSB7 的弯矩 - 纵向 、 环向应变关系曲 线 ,应变片的编号见图 1 。其他试件的弯矩 - 应变关系曲线 类似
[2 ]
。
试件的实测承载力列于表 3 。表中 , M y 为试件的受弯承
a - 纵向应变 ;b - 环向应变
载力 , Mm 为试验停止时试件达到的最大弯矩值 。用三种方 法确定 M y : M y1 为钢管底部的纵向拉应变为 0101 时对应的 弯矩值 [3 ] ; M y2 为经过弹塑性阶段后中和轴位置基本不变或 刚开始反向移动时对应的弯矩值 ; M y3 为试件跨中挠度达到
2 加载装置及量测方法
试件水平放置 ,两端支座为滚轴 ,均可自由滑动 ,用一个 千斤顶施加荷载 , 通过分配梁将力施加在试件的三分点位 置 ,使试件跨中三分之一为纯弯 。 在试件的跨中 ,8 个电阻应变片沿截面高度均匀布置 ,量 测钢管的纵向应变 ,5 个电阻应变片量测钢管的环向应变 ; 在
3 北京市自然科学基金 (8002012) 、 教育部博士点基金 (2000000345) 。 第一作者 : 钱稼茹 男 1946 年 9 月出生 教授 收稿日期 :2004 - 04 - 07
焊接钢管 ,有 3 种不同直径和 5 种不同壁厚 ; 试件的混凝土 均为立式浇灌 ;11 个试件的两端用钢板封堵 ,试件 CSB3 的两 端没有用钢板封堵 ,观察受弯时钢管和混凝土之间有无滑移 现象 。试件的基本数据列于表 1 。表中 , f cu 为实测混凝土立 方体强度 ; f y 为实测钢管材料的屈服强度 ; f c 为混凝土轴心
ε- Π 10 - 6
- 128 - 49 - 101 - 179 - 145 - 141 - 161 - 158 - 133 - 136 - 87 - 115
ε+ Π 10 - 6
129 81 148 242 157 190 181 290 120 126 103 126
CSB1 CSB3 CSB4 CSB5 CSB7 CSB11 CSB12 CSB14 CSB17 CSB18 CSB20 CSB22
表1 试件参数
管径Π 壁厚Π f cuΠ
MPa 62 66 62 66 62 66 62 66 75 62 62 75
f yΠ f cΠ
MPa 348 348 355 355 351 326 326 320 320 421 421 421
MPa 49 53 49 53 49 53 49 53 60 49 49 60
RESEARCH ON SECTION MOMENT2CURVATURE RELATIONSHIP CURVES OF STEEL TUBE CONFINED HIGH 2STRENGTH CONCRETE MEMBERS
Qian Jiaru Wang Gang Zhao Zuozhou Kang Zhao ( Tsinghua University Beijing 100084) Abstract : Bending tests of twelve steel tube confined high strength concrete elements have been carried out. Flexural behavior of the steel tube confined high strength concrete element was investigated. The strip method was adopted to calculate the section moment2curvature relationship curves of the specimens. Based on the test results the moment2curvature relationship curve was simplified to a trip2linear model. The equation of the model was expressed with section bending stiffness and the formula of calculating the flexural capacity of steel tube confined high strength concrete element was given. Keywords : steel tube confined high strength concrete moment2curvature relationship curve flexural capacity
的位移 ( 即试验所测的跨中挠度减去三分点挠度 ) 达到纯弯
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段跨度的 1Π 100 ( 即 LΠ 300 = 5153mm 或 10mm) 时对应的弯矩 值 。CSB1 和 CSB3 用四种方法得到的 M y i 接近 , 其他试件的
M y2 、 M y3 和 M y4 大于 M y1 。
tp
313 弯矩 - 跨中竖向位移关系 )关 图 4 所示为试件的跨中弯矩 ( M) - 跨中竖向位移 (δ
系曲线 。试件的受力过程可分为四个阶段 : 开裂前的弹性阶 段 ,带裂缝工作阶段 , 弹塑性阶段和强化阶段 。开裂前的弹 性阶段很短 ; 相同直径的试件 , 其弹塑性阶段前的弯矩 - 挠 度曲线几乎重合 ; 进入强化段后 ,试件的刚度已经很小 ,承载 力提高十分缓慢 。试件的延性很好 , 屈服后变形不断增长 ,
图1 加载装置示意及测点布置 mm
而承载力保持不变或略有增长 , 试验结束时 , 承载力还没有 下降 。
3 试验结果及分析 311 破坏过程
试验采用单调连续加载 。加载到 10kN 左右时 , 听到试
)关 件内有噼啪的声响 ,实测的跨中弯矩 ( M ) - 竖向位移 (δ
系曲线有明显的拐点 , 试件的刚度降低 。混凝土开裂后 , 随 荷载增大 ,噼啪声不断 ,裂缝发展 ,新的裂缝产生 。当钢管底 部纵向应变达到 01002 左右时 ,试件挠度开始明显增大 ,且增 大速度也加快 ,同时荷载增加速度变缓 。跨中位移达到位移 计的 量 程 时 , 试 验 停 止 , 此 时 , 荷 载 尚 未 达 到 最 大 。试 件