低周反复荷载作用下钢管自应力钢渣混凝土柱弯矩-曲率关系数值分析.docx

    低周反复荷载作用下钢管自应力钢渣混凝土柱弯矩-曲率关系数值分析*    于 峰 陈 昊 姚 弛 秦 尹 方 圆 卜双双(安徽工业大学建筑工程学院, 安徽马鞍山 243002)钢管混凝土结构在受压时会产生“套箍效应”[1-2],内部混凝土呈现三向受力状态,进而使结构整体得到较高的承载力和稳定性然而,工程实践表明:核心混凝土在硬化过程中将产生体积收缩,致使外部钢管与混凝土存在脱空现象,[3-4]对钢管混凝土组合结构的各项性能都产生很大折减针对钢管混凝土结构的脱空问题,有学者采用膨胀混凝土作为核心混凝土,形成“钢管自应力混凝土结构”[5-6]由于钢管的约束性,核心混凝土硬化膨胀后会产生结构预应力,提前进入三向受压状态,弥补传统钢管混凝土内部收缩与脱空的缺陷但市场上现有的膨胀剂存在膨胀率小、掺量大、成本高等缺点,[7-8]限制了钢管自应力混凝土结构的应用钢渣作为钢铁生产的工业废渣,成分以钙、镁、铁等元素的氧化物为主[9-10]可将钢渣用于替代传统混凝土集料,制备的钢渣混凝土具备高强度和高耐久的优点[11-12]同时,由于其本身富含游离的MgO和CaO,水化时易产生体积膨胀,[13]国内外学者对钢渣混凝土的膨胀性能开展了相关研究。

于峰制备了全钢渣砂混凝土,并对其膨胀率和基本性能展开研究,研究[14]表明:钢渣混凝土具有良好的和易性和抗压强度,可以实现钢渣混凝土膨胀率的合理控制因此,利用钢渣混凝土代替原成本较高的自应力混凝土,不仅能实现工业废弃物再利用,保护环境和自然资源,降低工程造价,还为普通钢管混凝土的脱空缺陷提供了合理的解决方案,进而实现钢管与自应力钢渣混凝土的有机结合Yu等开展10根钢管自应力钢渣混凝土短柱轴压性能试验研究,结果[15]表明:钢管自应力钢渣混凝土短柱在轴压作用下均呈现鼓曲状压弯破坏;随着钢渣混凝土膨胀率的增加,试件的承载力得到提高Noureddine开展矩形钢渣混凝土柱静力性能试验研究,结果[16]表明:随着试件长度和偏心距的增加,承载力显著降低,钢管产生鼓曲环,试件整体产生局部屈曲破坏综上所述,国内外对钢管自应力钢渣混凝土柱已经有了一定的研究,包括其轴压性能、偏压性能以及钢渣混凝土膨胀率等方面,但对钢管自应力钢渣混凝土柱抗震性能方面的研究甚少为此,在抗震性能试验[17]的基础上,开展钢管自应力钢渣混凝土柱弯矩-曲率关系全过程分析,分析轴压比、混凝土抗压强度、钢材屈服强度等参数对弯矩-曲率骨架曲线的影响,通过编制的MATLAB非线性分析程序得到计算值,且与试验值进行比较。

1 试验概况试验设计了10根钢管自应力钢渣混凝土柱和4根钢管钢渣混凝土柱,考虑了试件的轴压比、径厚比、剪跨比、钢渣混凝土膨胀率参数影响,试件参数如表1所示试件总高为1 600 mm,柱头和基础尺寸分别为400 mm×400 mm×400 mm,1 500 mm×400 mm×400 mm,柱区间段净高分别为400,600,800 mm试件钢管采用外径219 mm的Q235直焊缝钢管,壁厚为2.85,3.73,4.88 mm钢管底端焊接10 mm厚钢板,顶端焊接10 mm厚的开孔钢板试验中钢管内的核心钢渣混凝土采用C35自应力钢渣混凝土和C35普通钢渣混凝土,基础和柱头采用C35普通商品混凝土,混凝土配合比及力学性能和膨胀性能如表2所示此外,通过对25 d混凝土膨胀率的测量,得到普通钢渣混凝土和商品混凝土的膨胀率为-3.4×10-4,而自应力钢渣混凝土的膨胀率为1.11×10-3试件尺寸和配筋如图1所示,其中纵向受力钢筋采用HRB400筋,箍筋采用HPB300筋表1 钢管自应力钢渣混凝土柱试件参数[17]Table 1 Experimental parameters of self-stressing steel-slag-concrete-filled steel tube columns表2 混凝土配合比及力学性能试验值[17]Table 2 Mix proportions and mechanical properties of concrete in testsa—柱头顶部剖面; b—柱头侧剖面; c—基础侧剖面; d—基础底部剖面; e—试件尺寸。

图1 试件尺寸和配筋[17] mmFig.1 Dimensions and reinforcement of specimens2 试验结果2.1 试件破坏形态通过观察加载过程和试验结果,所有试件的破坏过程和现象大致相同,试件的受力过程经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段以试件C1为例,在弹性阶段,试件的卸载和加载过程未产生残余变形,试件外观均无明显现象;当试件的水平位移达到10 mm时,钢管发生屈服,试件进入弹塑性阶段,荷载增长速度放缓,且呈非线性增长当水平位移达到20 mm后,可听到密集的闷响声;当荷载接近试件峰值承载力时,试件进入破坏阶段试件整体呈现压弯破坏,柱底200 mm范围内钢管表面形成微鼓区,并逐渐发展成双向鼓曲环试验结束后,将外层钢管剥离,可以观察到核心钢渣混凝土的破坏特征为:柱底50 mm范围内核心钢渣混凝土被压碎与非自应力试件相比,自应力钢渣混凝土表面产生的裂缝宽度和深度均较小,自应力试件完整性较好试件典型破坏形式如图2所示a—试件整体破坏形态; b—试件整体破坏面; c—钢渣混凝土破坏面; d—钢渣混凝土破坏形态图2 试件破坏形态[17]Fig.2 Typical failure models of specimens2.2 试验曲线2.2.1弯矩-曲率骨架曲线特征各试件的弯矩M-曲率κ骨架曲线的发展趋势基本相似,分为上升段和稳定段。

以试件C1为例,弯矩-曲率骨架试验曲线如图3所示,在上升段,弯矩-曲率骨架曲线整体呈线性增长,曲线斜率较大,且随着弯矩增加,试件的曲率发展较慢在弹性阶段末期,水平位移持续增加,当试件弯矩达到极限弯矩的61%～73%,试件屈服此时,试件弯矩增长速度减小,曲线出现明显拐点,曲线斜率开始减小,试件刚度降低试件屈服后,进入稳定段随着弯矩继续增加,曲率迅速发展,直至弯矩-曲率骨架曲线斜率为零,随后试件弯矩基本不变,试件发生破坏图3 试件弯矩-曲率骨架曲线Fig.3 Moment-curvature skeleton curves of specimens2.2.2影响因素分析1)轴压比的影响图4为轴压比对试件弯矩-曲率骨架曲线的影响从中可以看出:在上升段,随着轴压比增加,试件弯矩-曲率骨架曲线斜率微增,屈服弯矩增加,屈服曲率减小,试件处于弹性工作状态这是因为随着轴压比增加,核心钢渣混凝土受到外钢管的约束效应增加,抵抗外部弯矩的能力增强,而此时试件曲率较小,附加弯矩影响不明显在稳定段,随着轴压比增加,试件弯矩-曲率骨架曲线弯矩斜率增加,弯矩增长速度增加,极限弯矩增加,极限曲率减小这是因为随轴压比增加,核心钢渣混凝土受到外钢管的约束效应增强,试件抵抗弯矩的能力增加,极限弯矩增加。

且由于轴压比增加,试件承担轴压力引起的附加弯矩增加,试件破坏速度增加,极限曲率减小,变形能力减弱a—径厚比为76.84; b—径厚比为58.71; c—径厚比为4.88; d—剪跨比为1.37; e—剪跨比为0.91; f—钢渣混凝土膨胀率为-3.4×10-4图4 轴压比的影响Fig.4 Effects of axial compression ratios2)剪跨比的影响图5为剪跨比对试件弯矩-曲率骨架曲线的影响从中可以看出:在试件受力各阶段,随着剪跨比增加,试件极限曲率增加,抗弯承载力无明显影响这是因为抗弯刚度只与试件的截面惯性矩及弹性模量有关,与试件高度无关因此,在曲率相同时,试件各阶段抗弯承载力基本相同随着剪跨比减小,试件的有效高度减小,试件破坏过程越急促,变形越不充分,极限曲率减小a—轴压比为0.2; b—轴压比为0.4; c—钢渣混凝土膨胀率为-3.4×10-4图5 剪跨比的影响Fig.5 Effects of ratios of shear spans to effective depths3)径厚比的影响图6为径厚比对试件弯矩-曲率骨架曲线的影响,从中可以看出:在上升段,试件处于弹性工作状态,随着径厚比的减小,骨架曲线斜率增加,初始刚度增加,屈服弯矩增加。

这是因为,随着径厚比减小,试件含钢率增加,核心钢渣混凝土受到外钢管的约束效应增加,试件抵抗弯矩能力增强,抗弯承载力增加,屈服弯矩增加在稳定阶段,随着径厚比减小,试件弯矩-曲率骨架曲线斜率基本一致,极限弯矩增加,极限曲率无明显影响这是因为在弹塑性阶段及塑性阶段,外钢管逐渐屈服,核心钢渣混凝土承担的弯矩增加在此阶段,随着径厚比减小,外钢管的约束效果逐渐接近,对核心钢渣混凝土裂缝发展影响较小,试件弯矩-曲率骨架曲线斜率基本一致,极限曲率无明显影响a—轴压比为0.2; b—轴压比为0.4图6 径厚比的影响Fig.6 Effects of diameter-thickness ratios4)钢渣混凝土膨胀率的影响图7为钢渣混凝土膨胀率对试件弯矩-曲率骨架曲线的影响试件弯矩-曲率骨架曲线在上升阶段呈线性增长,试件处于弹性阶段随着钢渣混凝土膨胀率增加,试件弯矩-曲率骨架曲线斜率增加,屈服弯矩增加,屈服曲率无明显影响在稳定段,随着钢渣混凝土膨胀率增加,弯矩-曲率骨架曲线斜率增加,试件抗弯承载力增加,极限曲率微增这是因为随着钢渣混凝土膨胀率增加,钢管的约束效应增强,试件抵抗弯矩的能力增加,抗弯承载力增加。

极限曲率微增是因为随着钢渣混凝土膨胀率增加,核心钢渣混凝土对钢管的侧压力增加,使得钢管也处于三向应力状态,有效防止外部钢管过早发生局部屈曲,使得延性提高,极限曲率微增与非自应力试件相比,自应力试件的抗弯承载力提高范围是5.2%～16.8%,平均提高13.3%a—剪跨比为1.83; b—剪跨比为1.37; c—剪跨比为0.91; d—轴压比为0.4图7 钢渣混凝土膨胀率的影响Fig.7 Effects of expansivity of steel slag concrete3 数值分析3.1 基本假定为简化计算,作如下假定:1)截面符合平截面假定2)忽略受拉区自应力钢渣混凝土的抗拉作用3)假设钢管与核心自应力钢渣混凝土无相对滑移4)不考虑剪力对试件变形影响5)钢管本构模型:采用韩林海提出的钢管本构关系模型[1],其数学表达式如式(1)所示fyp=ψfy(1)式中:fyp为钢管等效强度;ψ为钢管强度利用系数;fy为钢管的屈服抗拉强度基于试验研究,结合文献[18]进行分析,可知:钢管强度利用率随着轴压比和钢渣混凝土膨胀率的增加而增加,随着径厚比的增加而减小各影响因素与钢管强度利用系数大致呈线性关系。

因此,通过对钢管强度利用系数进行多元线性回归分析,可得钢管强度利用系数拟合式,如式(2)所示:ψ=0.737n+1.376η-0.000 67D/ts+1.166(2)式中:η为核心钢渣混凝土自应力水平,取η=σ0/(0.67fcu),其中σ0为初始自应力,fcu为钢渣混凝土立方体抗压强度;考虑到轴压比的参数设计范围,取n=0～0.4;D/ts为钢管径厚比6)核心自应力钢渣混凝土本构模型:自应力钢渣混凝土凝结硬化期间微观结构的改变力学性能较普通混凝土好,且在加载初期就已经处于三向应力状态在韩林海提出的核心混凝土的本构模型[1]基础上,引入自应力增强系数μ[19],建立适宜于自应力钢渣混凝土的本构关系模型,其数学表达式如下εpo=1 300+14.93μfco+β=(2.36×10-6)[0.25+(ξ-0.5)7](μfco)2×。