鋼管混凝土抗彎力學性能要求對比研究

鋼管混凝土抗彎力學性能要求對比研究

1.鋼管混凝土抗彎性能管道混凝土結構充分利用了管道和混凝土的結合。管道對混凝土的限制使混凝土材料得到改善?；炷恋拇嬖谘舆t了管道的局部彎曲，表現(xiàn)出良好的強度、伸長率、塑料薄膜、變形和能量消耗能力。它在各種工程結構中得到了廣泛應用，尤其是近十年來，在多地震地區(qū)的建筑工地結構中的應用越來越廣泛。在結構的抗震設計和計算中,結構的變形能力是一個重要的指標,其變形能力的計算必然涉及到鋼管混凝土的抗彎剛度。同時,鋼管混凝土梁柱在罕遇地震作用下往往處于大偏心受壓的受力狀態(tài),其受力性能更多地接近于鋼管混凝土彎曲的力學性能,對鋼管混凝土彎曲力學性能的深入研究也有助于更好地了解其大偏心受力的性能。各國有關鋼管混凝土的規(guī)范中都有鋼管混凝土抗彎剛度和承載力的計算公式,但不同規(guī)范的計算結果仍有較大的差別。因此,對鋼管混凝土的抗彎力學性能進行深入的研究,探討其抗彎承載力及抗彎剛度的合理計算方法是十分必要的。本文通過24個有不同截面尺寸、截面形式、剪跨比和加載方式的圓形及方形鋼管混凝土構件抗彎力學性能的試驗研究結果,以及有關文獻中鋼管混凝土抗彎試驗研究的結果,將鋼管混凝土構件的抗彎承載力、初始剛度和使用階段剛度與相關規(guī)范AISC-LRFD、EC4、AIJ、BS5400和DBJ13-51的計算結果進行了對比,分析了各規(guī)范在計算這些抗彎力學性能指標的適用性和準確性。2.試驗材料及方法本批鋼管混凝土彎曲構件的試驗研究共有24個構件,試件的具體參數(shù)詳見表1。其中,D和B分別為圓形試件的直徑和方形試件的截面高度,L0為試件的計算長度,a為試件的剪跨,a/D(B)為試件的剪跨比,fy和fcu分別為鋼材的屈服強度和混凝土立方體抗壓強度。試件所采用的混凝土為自密實混凝土。兩批自密實混凝土的每立方混凝土的材料重量比分別為水泥:粉煤灰:砂:石:水:減水劑=380:170:817:831:165:19.8及380:170:817:831:172.5:19.8。第二批混凝土土應用于○140×3的試件,其余的試件采用第一批混凝土。自密實混凝土的流動性及其測量方法詳見文獻.混凝土力學性能的測試按照《普通混凝土力學性能試驗方法》(GBJ81-85)要求進行,試驗結果為第一批混凝土的28天立方體強度fcu=61.6(MPa),彈性模量Ec=3.520×104(MPa);第二批混凝土的28天立方體強度fcu=51.5(MPa)。鋼材的材料性能試驗按《金屬室溫拉伸試驗方法》(GB228-02)要求進行,試驗結果為鋼材的屈服強度fy=235.0(MPa)、抗拉強度fy=327.8(MPa)、彈性模量Es=2.001×105(MPa)。試件的制作、試驗的加載裝置、加載方法及應變、位移和曲率等測量系統(tǒng)詳見文獻。所有試件的抗彎承載力、初始剛度和使用階段剛度見表1。3.鋼管混凝土的設置本文采用文獻對鋼管混凝土抗彎承載力的定義方法,鋼管受拉區(qū)最外緣纖維應變達到10000με時對應的彎矩作為抗彎承載力。同時,以M=0.2Mu時的割線剛度作為試件的初始抗彎剛度(Ki),以M=0.6Mu時的割線剛度作為試件的使用階段抗彎剛度(Kse)。國內外目前有關鋼管混凝土的設計規(guī)范中,均有鋼管混凝土抗彎剛度和抗彎承載力的計算方法,這些規(guī)范包括AISC-LRFD(1999)、EC4(1994)、AIJ(1997)、BS5400(1979)和DBJ13-51(2003)。本節(jié)將將上述試驗結果以及引用文獻中有關試驗結果與各國規(guī)范的計算結果進行對比。3.1鋼管混凝土抗彎承載力表2列出了試件抗彎承載力試驗值與AISC-LRFD(1999)、EC4(1994)、AIJ(1997)、BS5400(1979)和DBJ13-51(2003)等規(guī)范計算結果的對比。表格最后對各規(guī)范計算結果Mc與試驗結果Mue的比值Mc/Mue進行了統(tǒng)計,得出了對應于不同規(guī)范的Mc/Mue的平均值和均方差。從中可以看出,AISC-LRFD(1999)和AIJ(1997)的計算結果與試驗結果平均相差在31%左右,BS5400(1979)計算結果與試驗結果平均相差接近于21%,EC4(1994)計算結果與試驗結果平均相差接近于16%,均方差為0.0973,DBJ13-51(2003)計算結果與試驗結果平均相差接近于14%,均方差為0.1178。所以,EC4(1994)和DBJ13-51(2003)的計算結果與試驗結果最為接近,其計算結果比試驗結果小14%～16%,都可以有效地計算鋼管混凝土的抗彎承載力。對方形和圓形鋼管混凝土抗彎承載力的分別統(tǒng)計也是以EC4(1994)和DBJ13-51(2003)的計算結果與試驗結果最為接近,方鋼管混凝土抗彎承載力與EC4(1994)、DBJ13-51(2003)計算結果的吻合程度好于圓鋼管混土。表3列出了文獻在統(tǒng)計了相關文獻中51個圓形、方形和矩形鋼管混凝土構件抗彎承載力得出的比較結果,從中可以看出EC4(1994)、DBJ13-51(2003)的計算結果比試驗值平均小10%,與試驗結果的吻合程度好于其它的規(guī)范,和本文的試驗數(shù)據(jù)具有相同的趨勢。3.2混凝土抗彎剛度上述的規(guī)范均有鋼管混凝土剛度的計算公式,在這些計算公式中都不同程度的考慮了混凝土開裂對鋼管混凝土抗彎剛度的影響。不同規(guī)范抗彎剛度的具體計算公式為:K=EsIs+αEcIc(1)(1)混凝土彈模ecα=0.2,鋼材的彈模Es=205800(MPa),混凝土的彈模Ec=21000√f′c/19.6(ΜΡa)Ec=21000f′c/19.6???????√(MPa)。(2)bs54001979α=1.0,Es=206000(MPa),混凝土的彈模Ec=450fcu(MPa)。(3)ec41994α=0.6,Es=206000(MPa),混凝土的彈模Ec=9500(fck+8)1/3(MPa)。(4)aiec-lftd1999α=0.8,Es=199000(MPa),混凝土的彈模Ec=4733√f′c(ΜΡa)Ec=4733f′c??√(MPa)。(5)初始剛度與試驗結果的比較對于圓鋼管混凝土α=0.8,對于方、矩形鋼管混凝土α=0.6;Es,Ec分別按現(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》GBJ17-88和《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002的規(guī)定確定。采用上述規(guī)范的計算公式計算的鋼管混凝土的剛度與鋼管混凝土試件的初始剛度Ki和使用階段剛度Kse的比較見表4和表6。從表4的鋼管混凝土初始剛度的數(shù)據(jù)對比可以看到,對于圓鋼管混凝土構件AISC-LRFD(1999)、EC4(1994)和BS5400(1979)的計算結果和試驗值的比值誤差為最小,分別為1.052、0.999和1.051,均方差分別為0.06050.068和0.0562,其中以EC4(1994)的計算結果與試驗結果吻合最好。而DBJ13-51(2003)和AIJ(1997)的計算結果分別平均比試驗結果大12%和小27%。而對于方鋼管混凝土AIJ(1997)的計算結果比試驗結果小7%,均方差為0.0589,和試驗結果吻合最好。而DBJ13-51(2003)、AISC-LRFD(1999)、EC4(1994)和BS5400(1979)的計算結果和試驗值相比分別為大27%、36%、28%和38%。表5為文獻中統(tǒng)計的6個圓鋼管混凝土和28個方、矩形鋼管混凝土的初始剛度與不同規(guī)范的比較,其中圓鋼管混凝土的初始剛度以AISC-LRFD(1999)和EC4(1994)的計算結果吻合程度良好,與AISC-LRFD(1999)的計算結果最為接近;方鋼管混凝土初始剛度的試驗結果與AIJ(1997)的吻合程度為最好,和本文的數(shù)據(jù)具有相同的趨勢。從表6的鋼管混凝土使用階段剛度的數(shù)據(jù)對比可以看到,對于圓鋼管混凝土構件所有規(guī)程的計算結果與試驗結果均有較大的偏差,其中AIJ(1997)分別比試驗結果小18%,DBJ13-51(2003)、AISC-LRFD(1999)、EC4(1994)和BS5400(1979)的計算結果分別比試驗值大26%、18.5%、12.5%和18.5%,以EC4(1994)計算結果與試驗值最為吻合,比試驗值大12.5%,均方差為0.086。而對于方鋼管混凝土AIJ(1997)的計算結果比試驗結果大7%,均方差為0.0772,和試驗結果吻合最好。而DBJ13-51(2003)、AISC-LRFD(1999)、EC4(1994)和BS5400(1979)的計算結果和試驗值相比分別為大46%、56%、47%和58%。表7為文獻中統(tǒng)計的6個圓鋼管混凝土和16個方、矩形鋼管混凝土的使用階段剛度與不同規(guī)范的比較,其中圓鋼管混凝土的使用階段剛度與EC4(1994)的計算結果吻合程度良好;方鋼管混凝土使用階段剛度的試驗結果與AIJ(1997)的吻合程度為最好,和本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結論是一致的。4.結果對比與試驗結果的比對根據(jù)上述的研究,在所研究的參數(shù)范圍內,可以得出如下的結論:⑴同規(guī)范鋼管混凝土抗彎承載力計算結果對比表明,EC4(1994)、DBJ13-51(2003