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关于方钢管自密实混凝土纯弯力学性能研究的理工论文
摘要：通过对6根方钢管自密实混凝土纯弯试件的试验研究，考察了方钢管自密实混凝土的纯弯力学性能。采用数值计算的方法对方钢管自密实混凝土纯弯试件进行了受力全过程分析，并和实验结果进行了对比。最后将设计规程ACI(1999)，AISC-LRFD(1999),AIJ(1997),BS5400(1979)和DBJ13-51-2003(2003)对抗弯承载力和抗弯刚度的计算结果与方钢管自密实混凝土试验结果进行了对比。
关键词：自密实混凝土 方钢管混凝土 纯弯 初始抗弯刚度 使用阶段抗弯刚度
1. 前言
钢管混凝土具有承载力高，塑性和韧性好的特点，所以在工程实践中得到了越来越广泛的运用。自密实高性能混凝土在少振捣或不振捣的情况下就能自密实成型，对方便施工、减少噪音污染具有重要的意义。随着钢管混凝土结构在工程实践中的大量应用,对钢管混凝土结构的研究也越来越多,但是对钢管混凝土纯弯试件的研究仍然相对比较少。文献[5]对钢管混凝土抗弯性能方面的有关研究成果进行了总结。但目前对于方钢管自密实混凝土纯弯力学性能的研究还未见报导。
本文拟通过对6根方钢管自密实混凝土纯弯试件的试验研究，考察方钢管自密实混凝土纯弯力学性能，并将现有规程DBJ13-51-2003[3],，AISC-LRFD(1999)[6],AIJ(1997)[7],BS5400(1979)[8]和ACI(1999)[9]对抗弯承载力和抗弯刚度的计算结果与方钢管自密实混凝土的试验结果进行对比。
2. 试验概况
试验的6根方钢管自密实混凝土试件的参数，B为试件截面高度，t为钢管厚度，Lo为计算长度，实际试件长度L=1500mm。试件的剪跨比为3.5和1.75。在进行试件加工时，钢管由四块钢板拼焊而成，采用坡口焊形式，并保证焊缝质量。钢材强度由标准拉伸实验确定。平均屈服强度、抗拉强度、弹性模量及泊松比分别是282MPa、358.3MPa、2.015×105 MPa和0.263。自密实混凝土水灰比为0.293，配合比按重量比，单位为kg用料如下：水泥：粉煤灰：砂：石：水=350：220：815：815：166.8原料采用炼石牌42.5普通硅酸盐水泥；河砂，细度模数可在2.5-2.8之间，不应小于2.5；碎石，石子粒径5-15mm；矿物细掺料：采用福建华能电厂Ⅱ级粉煤灰；普通自来水。UNF-5早强型减水剂掺量为1%；混凝土的塌落度为270mm，铺展度600mm，流动速度19.3米/秒。浇捣混凝土时的室内温度24.2度，测得混凝土的温度26.5度。混凝土28天时的立方体抗压强度为fcu=76.7MPa,实验时fcu=81.3MPa、弹性模量Ec＝4.26×104 MPa。
混凝土浇灌时先将钢管竖立，使未焊盖板的一端位于顶部，然后从开口处灌入混凝土。采用了二种混凝土浇灌方式：1，常规的分层灌入法，用ф50振捣棒伸入钢管内部进行完全振捣，在试件的底部及外部同时用振捣棒侧振；2，混凝土自密实，未采取任何振捣。试件核心混凝土顶部与钢管上截面抹平，并在试件自然养护两周后用高强水泥砂浆修补混凝土表面与钢管表面的不平整处，然后焊上另一盖板。试验采用四分点加载方法，在每个试件中截面四个面的中部纵向及横向各贴一片电阻应变计测量应变。在支座及四分点位置各设置一个机电百分表，在跨中位置设置大行程的位移计测量试件变形。同时在试件底部还设置两个曲率仪。试验的加载及测量装置图和曲率仪示意图参见文献[2]。
3. 试验结果分析及数值计算
试验得到的试件跨中弯矩(M)－跨中挠度(um)，跨中弯矩(M)－曲率()和弯矩(M)－应变(ε)的关系曲线，可以看出：试件的受力经历了弹性变形、弹塑性变形和塑性强化三个阶段。试件跨中挠度达到L/20时，作用在试件上的外荷载还能增加，表明试件具有很好的延性。试件破坏时受压区钢管均出现数处局部外凸的现象，钢管外凸部位较均匀的分布在试件四分点与跨中之间，部分试件受拉区钢管破坏时出现撕裂。
数值计算采用文献[1]中方钢管混凝土的钢材和混凝土的应力－应变关系及数值计算方法，对试件进行了受力全过程分析。从数值计算结果与试验结果的比较可见数值计算结果总体上低于试验结果。除弯矩—应变的关系曲线，由于试件宽厚比较大，钢管较早出现局部屈曲，使曲线在塑性强化段有所偏差，其余的曲线二者总体上较为吻合。由此可见文献[1]中应力－应变关系不但适用于方钢管普通混凝土，也适用于方钢管自密实混凝土的全过程数值模拟。
4. 实用计算方法比较
为了便于分析方钢管自密实混凝土纯弯试件承载力的变化规律，将试件的试验实测承载力和设计规范(规程)DBJ13-51-2003 [3],AISC-LRFD[6],AIJ[7],BS5400[8],ACI[9]的计算结果以及数值计算的结果进行了比较，结果见表1，其中Me为试验实测承载力，Mu为计算获得的承载力，极限弯矩取受拉区最大应变达到10000με时的弯矩。由表1极限承载力计算值Mu和试验实测值Me的比值的比较可以看出，五本规范(规程)的计算值与试验实测值相比都偏于安全。其中以DBJ13-51-2003[3]计算值与实测值最为接近。BS5400[8]和ACI[9]计算值比实验值低10-15%左右，而AISC-LRFD[6]和AIJ[7]计算值比实测值低30%以上。
根据弯矩—曲率曲线可以确定试件的刚度。一般比较认同在弯矩M=0.2Mu时的抗弯刚度作为试件的初始弹性刚度，文献[2 4]采用试件在M=0.6Mu时的抗弯刚度作为构件的使用阶段刚度，因为此时试件受力通常处于各种外荷载组合作用下的正常使用受力状态，因此取M=0.6Mu作为试件的使用阶段抗弯刚度是合理的。为此本文取试件在M=0.2Mu和M=0.6Mu时的割线刚度作为试件初始弹性刚度和使用阶段刚度。
表2、3列出0.2Mu和0.6Mu时试件抗弯刚度K0.2和K0.6，并与DBJ13-51-2003[4],AISC-LRFD[5], AIJ[6] BS5400 [7],ACI[8]及数值计算和简化模型的计算结果比较。这些规范(规程)中抗弯刚度计算方法基本是分别考虑钢管和混凝土对刚度的贡献，不同的是对混凝土对刚度贡献程度的不同考虑。简化模型计算方法见文献[1]。
由表3可以看出：使用阶段刚度以AIJ[7]和ACI[9]的计算值与试验实测值最为接近，平均值为0.96和0.97，均方差都为0.010。从表2和表3可看到，数值计算和简化模型的计算结果也与试验实测值吻合良好，这进一步说明，文献[1]提出的数值计算模型适用于方钢管自密实混凝土的数值计算。
5. 结论
通过上述探讨，在本文试验参数范围内，可得出如下结论：
(1) 方钢管自密实混凝土纯弯试件具有良好的截面曲率延性和后期承载力。
(2) 文献[1]提出的钢管混凝土数值计算模型适用于方钢管自密实混凝土的受力全过程数值模拟。
(3) DBJ13-51-2003[3],AISC-LRFD[6],AIJ[7],BS5400[8]ACI[9]计算方钢管自密实混凝土承载力时以DBJ13-51-2003[3]的计算值与试验值最为接近。
(4) DBJ13-51-2003[3],AISC-LRFD[6],AIJ[7],BS5400[8]ACI [9]计算方钢管自密实混凝土初始弹性抗弯刚度时，以DBJ13-51-2003[3] 的计算值与试验值最为接近，而在计算使用阶段抗弯刚度时以AIJ[7]和ACI [9]的计算值与试验值最为接近。
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