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  • 凍融循環作用后大口徑不銹鋼管混凝土短柱性能研究

    為研究凍融作用對大口徑不銹鋼管混凝土結構的影響,以大口徑不銹鋼管截面類型及凍融循環次數為參數對凍融循環作用后大口徑不銹鋼管混凝土短柱的力學性能進行了試驗研究。研究表明:凍融作用對大口徑不銹鋼管混凝土短柱的力學性能如極限承載力、位移延性以及約束系數等有重大的影響,主要表現為在凍融循環后,不銹鋼方管混凝土短柱極限承載力及約束系數隨著凍融次數增加而減小,而不銹鋼圓管混凝土短柱的極限承載力及約束系數隨著凍融次數的增加而變大;此外,在實驗范圍內,不銹鋼方管混凝土短柱的延性隨著凍融次數的增大先減小后增大,而圓大口徑不銹鋼管混凝的延性相對于凍融次數而言較為離散。相比之下,圓大口徑不銹鋼管混凝土相對于方大口徑不銹鋼管混凝土而言具有更好的抗凍性、更髙的承載能力以及更好的約束性能,因此,在實際工程應用中,圓大口徑不銹鋼管混凝土構件可優先被考慮作為承載構件。

    目前,不鎊鋼管混凝土結構由于其強度高、維護費用低、耗材少和耐火性能好等優點而被廣泛地應用于工程結構領域。此外,由于大口徑不銹鋼管混凝土結構具有抗凍性能好、耐腐蝕性好的特點,因此大口徑不銹鋼管混凝土結構被考慮用于海港工程、橋梁工程及海上工程等易受到凍融影響的領域。

    對于不鎊鋼管混凝土結構,國內外學者都展開了研究,并取到了一定的成果。文獻對設肋方矩形不鎊鋼管混凝土軸壓短柱的力學性能進行了研究,并進行了有限元模擬。文獻對用封閉插銷連接不鎊鋼管混凝土柱與碳素鋼梁的可行性進行了研究,并分析了不同的因素對該結構節點的破壞模式、初始剛度、抗彎強度以及轉動能力的影響。文獻[3]研究了海水海砂混凝土填充的GFRP和不鎊鋼管的力學性能。文獻進行了18根焊接不鎊鋼方管混凝土短柱的軸壓性能試驗,分析了試件的混凝土強度、高寬比及寬厚比對試件承載力的影響。文獻[5]進行了17個熱成型不銹鋼圓管混凝土短柱的軸壓性能試驗研究,分析了試件的混凝土強度、大口徑不銹鋼管壁厚及高徑比對熱成型不銹鋼圓管混凝土短柱的軸壓性能的影響。文獻進行了12大口徑不銹鋼管再生混凝土試件和2大口徑不銹鋼管普通混凝土試件對比試驗研究,比較了兩種試件的彎曲性能。此外,更多關于不鎊鋼管混凝土結構的研究也在進行中。

    凍融作為一種嚴重的自然災害,其對于工程領域的混凝土結構有著極為惡劣的影響,因此許多學者研究了不同混凝土結構受凍融的影響。文獻進行了15個方鋼管混凝土短柱及15個圓鋼管混凝土短柱的凍融試驗后的力學性能研究,分析了試件的凍融次數及管壁厚度對凍融后試件承載力的影響。文獻進行了凍融循環作用下CFRP加固混凝土結構的耐久性研究。文獻進行了凍融循環作用下玄武巖纖維混凝土性能試驗研究。文獻進行了凍融循環作用下玻璃纖維布加固混凝土梁受力性能研究。

    然而,不鎊鋼管混凝土結構在凍融循環作用下的性能研究尚未見報道,為填補這一空白,本文研究了凍融作用下大口徑不銹鋼管混凝土短柱的軸壓性能,主要包括大口徑不銹鋼管混凝土短柱的截面類型及凍融循環次數對大口徑不銹鋼管混凝土短柱凍融循環后的力學性能的影響。

    1試件概況

    1.1試件設計

    為分析凍融循環次數對不鎊鋼管混凝土結構的影響,本試驗共設計10個試件,分別為4個不鎊鋼方管混凝土短柱,4個不鎊鋼圓管混凝土短柱以及1個方空管短柱和1個圓空管短柱。試驗采用C30混凝土,水泥強度等級為32.5R,標準條件養護下,實測混凝土立方體標準試塊(150mmx150mmx150mm),抗壓強度35.4MPa。管材均米用201奧氏體不銹鋼,其中不銹鋼方空管的邊長為80mm,不銹鋼圓空管的直徑為89mm,試件高度均為300mm,壁厚均為1.5mm。試件編號與具體參數見表1,C/S代表試件截面類型是圓型/方型,N0代表凍融循環次數為0次,如C-N50代表不銹鋼圓管混凝土試件,凍融循環次數為50。其中SHT代表方空管短柱,CHT代表圓空管短柱。

    2試驗過程

    混凝土澆筑完畢,經標準條件下養護28d后,進行凍融試驗。由于各國均沒有頒布有關于大口徑不銹鋼管混凝土結構的凍融試驗方法,因此本試驗在參考《普通混凝土長期性能和耐久試驗方法》(GB/T50082-2009)及中華人民共和國建筑工業行業標準《混凝土抗凍試驗設備》(JG/T243-2009)的基礎上,根據實際情況,提出了適用于本試驗中的大口徑不銹鋼管混凝土結構的凍融試驗方法,具體內容如下:①每次凍融循環在4~6h內完成,凍與融之間轉換所需的時間不應超過20min。此外,在凍融過程中,由于混凝土被大口徑不銹鋼管約束而處于相對密實狀態,因此未考慮其動彈性模量及質量損失,且每25次循環完成后,試件都經擦拭及振搗后換向重新放入凍融機中。當有試件被取出時,預制的混凝土試塊被放入凍融箱中以保證凍融實驗設備處于滿載狀態。凍融試驗完成后,不銹鋼方管混凝土試件外層大口徑不銹鋼管有輕微的彎曲變形,而不銹鋼圓管混凝土試件無明顯現象。

    凍融試驗完成后,所有試件包括兩空管均置于1000kN液壓萬能試驗機上進行壓力試驗,試驗裝置如圖1。試驗之前,所有試件的端部均由打磨機磨平,以最大程度上保證試件處于軸壓狀態;試驗過程采取分級加載的方式,加載速度控制在0.5kN/s,以減少加載速度過快而引起的沖擊產生的誤差。對于不銹鋼方管混凝土試件,其承載力達到峰值后,承載力急劇下降,機器自動停止;而對于不銹鋼圓管混凝土試件,其承載力接近某一值時,承載力上升幅度十分小,但此時縱向位移急劇增加,因此,在圓型試件壓力試驗中,當縱向位移達到25mm時,認為該試件已經破壞,此時停止加載。

    2試驗結果及分析

    2.1試件破壞模式及現象

    凍融對不銹鋼方管混凝土短柱的破壞現象及模式無明顯影響,其破壞現象均表現為:在其承載力達到峰值前,其外部大口徑不銹鋼管端部的邊緣開始發生褶皺彎曲變形,并隨著荷載的增加,其變形愈來愈明顯,最終導致試件角部開裂而破壞,其破壞模式均為端部屈曲開裂,見圖2。

    凍融對不銹鋼圓管混凝土短柱的破壞現象及模式也無明顯影響,其破壞現象均表現為:當承載力達到一定值時,試件中部開始產生褶皺現象,而隨著荷載增加,其承載力上升幅度愈來愈小,但其縱向位移急劇變大,此時試件中部的褶皺現象愈來愈明顯,且向兩端擴散,最終表現為以中部為基點的細微彎曲變形,其破壞模式表現為中部彎曲且褶皺,并沿兩邊擴散,見圖3。

    對比兩種不同截面類型大口徑不銹鋼管混凝土試件,凍融對其破壞模式及現象均無明顯影響。當荷載達到一定值時,不銹鋼方管混凝土試件最終發生角部破裂,導致承載力基本完全喪失,而不銹鋼圓管混凝土試件雖產生褶皺現象,但承載力在接近峰值時,僅縱向位移會急劇變化,而承載力保持一段時間。相比之下,凍融前后的不銹鋼圓管混凝土試件的延性及約束性能均比不銹鋼方管混凝土試件好。

    2.2荷載一位移曲線

    試件試驗結果見表2,其中由于不銹鋼圓管混凝土試件的承載力在位移急劇增加時變化十分小,因此取20mm為不銹鋼圓管混凝土試件的破壞位移,對應的荷載稱為其極限承載力,而屈服極限及屈服位移均由割線剛度法確定。為更好表示凍融循環次數對大口徑不銹鋼管混凝土短柱的荷載-位移曲線的的影響,在荷載一位移曲線中,將凍融試件的荷載與未經凍融試件的極限承載力作比,得到兩者比值,稱其為凍融影響因子,并將其作為荷載一位移曲線的縱坐標,見圖4。而對于凍融對試件極限承載力的影響,在此用不同試件的極限承載力與未經凍融試件的極限承載力做比值,從而得到凍融影響因數以及凍融影響因數與凍融次數的關系,見圖5。

    在凍融前后,不銹鋼圓管混凝土試件的延性系數均相對高于不銹鋼方管混凝土試件2倍左右,對于不銹鋼方管混凝土試件,其延性系數隨著凍融次數增加先變小后增加,而對于不銹鋼圓管混凝土試件,其延性系數變化趨勢較為不明顯,表現出較大的離散型。由圖4可知,在本試驗范圍內,凍融次數為75次的不銹鋼方管混凝土試件的初始剛度最大,而其他凍融試件的初始剛度較未凍融試件均小,而對于不銹鋼圓管混凝土試件,凍融對其初始剛度影響較小。由圖5及表2,可得知隨著凍融次數的增加,不銹鋼方管混凝土試件的極限承載力逐漸減小,且凍融循環次數越大,試件承載力下降幅度愈明顯;而對于不銹鋼圓管混凝土試件,其極限承載力隨凍融次數增加而變大,且基本呈現直線上升趨勢,相比之下,不銹鋼圓管混凝土試件的極限承載力較不銹鋼方管混凝土試件高,延性較不銹鋼方管混凝土試件好。

    凍融次數相同時,不銹鋼圓管混凝土試件的約束系數比不銹鋼方管混凝土試件大;對于不銹鋼圓管混凝土試件,其約束系數隨著凍融循環次數增加而變大,且上升趨勢接近直線,而對于不銹鋼方管混凝土試件,其約束系數隨凍融次數增加而變小,且凍融循環次數越大,降低趨勢越明顯。

    3結語

    ①凍融對大口徑不銹鋼管混凝土短柱的破壞現象沒有明顯的影響,其中不銹鋼方管混凝土短柱的破壞模式均表現為端部屈曲且破裂,而不銹鋼圓管混凝土短柱的破壞模式表現為中部權皺且彎曲。

    ②凍融循環對大口徑不銹鋼管混凝土短柱的極限承載力有重大的影響,其中具體表現為不銹鋼方管混凝土短柱的極限承載力隨凍融次數的增加而減小,且凍融次數越大,影響越明顯,而對于不銹鋼圓管混凝土短柱,其極限承載力隨凍融次數增加而變大,且基本呈直線上升趨勢。不銹鋼方管混凝土試件的延性系數隨凍融次數的增加先減小后增加,而不銹鋼圓管混凝土試件的延性系數受凍融次數影響較為離散。相比之下,不銹鋼圓管混凝土試件的極限承載力比不銹鋼方管混凝土試件大,且延性比不銹鋼方管混凝土試件好。

    大口徑不銹鋼管混凝土短柱的約束系數受凍融影響較大,具體表現為:不銹鋼方管混凝土試件的約束系數隨凍融循環次數的增加而減小,而不銹鋼圓管混凝土試件的約束系數隨凍融循環次數的增加而變大,且在相同凍融循環次數下,不銹鋼圓管混凝土試件的約束系數較不銹鋼方管混凝土試件的約束系數高。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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