冻融循环作用后大口径不锈钢管混凝土短柱性能研究

为研究冻融作用对大口径不锈钢管混凝土结构的影响,以大口径不锈钢管截面类型及冻融循环次数为参数对冻融循环作用后大口径不锈钢管混凝土短柱的力学性能进行了试验研究。研究表明:冻融作用对大口径不锈钢管混凝土短柱的力学性能如极限承载力、位移延性以及约束系数等有重大的影响,主要表现为在冻融循环后,不锈钢方管混凝土短柱极限承载力及约束系数随着冻融次数增加而减小,而不锈钢圆管混凝土短柱的极限承载力及约束系数随着冻融次数的增加而变大;此外,在实验范围内,不锈钢方管混凝土短柱的延性随着冻融次数的增大先减小后增大,而圆大口径不锈钢管混凝的延性相对于冻融次数而言较为离散。相比之下,圆大口径不锈钢管混凝土相对于方大口径不锈钢管混凝土而言具有更好的抗冻性、更髙的承载能力以及更好的约束性能,因此,在实际工程应用中,圆大口径不锈钢管混凝土构件可优先被考虑作为承载构件。

目前,不镑钢管混凝土结构由于其强度高、维护费用低、耗材少和耐火性能好等优点而被广泛地应用于工程结构领域。此外,由于大口径不锈钢管混凝土结构具有抗冻性能好、耐腐蚀性好的特点,因此大口径不锈钢管混凝土结构被考虑用于海港工程、桥梁工程及海上工程等易受到冻融影响的领域。

对于不镑钢管混凝土结构,国内外学者都展开了研究,并取到了一定的成果。文献对设肋方矩形不镑钢管混凝土轴压短柱的力学性能进行了研究,并进行了有限元模拟。文献对用封闭插销连接不镑钢管混凝土柱与碳素钢梁的可行性进行了研究,并分析了不同的因素对该结构节点的破坏模式、初始刚度、抗弯强度以及转动能力的影响。文献[3]研究了海水海砂混凝土填充的GFRP和不镑钢管的力学性能。文献进行了18根焊接不镑钢方管混凝土短柱的轴压性能试验,分析了试件的混凝土强度、高宽比及宽厚比对试件承载力的影响。文献[5]进行了17个热成型不锈钢圆管混凝土短柱的轴压性能试验研究,分析了试件的混凝土强度、大口径不锈钢管壁厚及高径比对热成型不锈钢圆管混凝土短柱的轴压性能的影响。文献进行了12大口径不锈钢管再生混凝土试件和2大口径不锈钢管普通混凝土试件对比试验研究,比较了两种试件的弯曲性能。此外,更多关于不镑钢管混凝土结构的研究也在进行中。

冻融作为一种严重的自然灾害,其对于工程领域的混凝土结构有着极为恶劣的影响,因此许多学者研究了不同混凝土结构受冻融的影响。文献进行了15个方钢管混凝土短柱及15个圆钢管混凝土短柱的冻融试验后的力学性能研究,分析了试件的冻融次数及管壁厚度对冻融后试件承载力的影响。文献进行了冻融循环作用下CFRP加固混凝土结构的耐久性研究。文献进行了冻融循环作用下玄武岩纤维混凝土性能试验研究。文献进行了冻融循环作用下玻璃纤维布加固混凝土梁受力性能研究。

然而,不镑钢管混凝土结构在冻融循环作用下的性能研究尚未见报道,为填补这一空白,本文研究了冻融作用下大口径不锈钢管混凝土短柱的轴压性能,主要包括大口径不锈钢管混凝土短柱的截面类型及冻融循环次数对大口径不锈钢管混凝土短柱冻融循环后的力学性能的影响。

1试件概况

1.1试件设计

为分析冻融循环次数对不镑钢管混凝土结构的影响,本试验共设计10个试件,分别为4个不镑钢方管混凝土短柱,4个不镑钢圆管混凝土短柱以及1个方空管短柱和1个圆空管短柱。试验采用C30混凝土,水泥强度等级为32.5R,标准条件养护下,实测混凝土立方体标准试块(150mmx150mmx150mm),抗压强度35.4MPa。管材均米用201奥氏体不锈钢,其中不锈钢方空管的边长为80mm,不锈钢圆空管的直径为89mm,试件高度均为300mm,壁厚均为1.5mm。试件编号与具体参数见表1,C/S代表试件截面类型是圆型/方型,N0代表冻融循环次数为0次,如C-N50代表不锈钢圆管混凝土试件,冻融循环次数为50。其中SHT代表方空管短柱,CHT代表圆空管短柱。

2试验过程

混凝土浇筑完毕,经标准条件下养护28d后,进行冻融试验。由于各国均没有颁布有关于大口径不锈钢管混凝土结构的冻融试验方法,因此本试验在参考《普通混凝土长期性能和耐久试验方法》(GB/T50082-2009)及中华人民共和国建筑工业行业标准《混凝土抗冻试验设备》(JG/T243-2009)的基础上,根据实际情况,提出了适用于本试验中的大口径不锈钢管混凝土结构的冻融试验方法,具体内容如下:①每次冻融循环在4~6h内完成,冻与融之间转换所需的时间不应超过20min。此外,在冻融过程中,由于混凝土被大口径不锈钢管约束而处于相对密实状态,因此未考虑其动弹性模量及质量损失,且每25次循环完成后,试件都经擦拭及振捣后换向重新放入冻融机中。当有试件被取出时,预制的混凝土试块被放入冻融箱中以保证冻融实验设备处于满载状态。冻融试验完成后,不锈钢方管混凝土试件外层大口径不锈钢管有轻微的弯曲变形,而不锈钢圆管混凝土试件无明显现象。

冻融试验完成后,所有试件包括两空管均置于1000kN液压万能试验机上进行压力试验,试验装置如图1。试验之前,所有试件的端部均由打磨机磨平,以最大程度上保证试件处于轴压状态;试验过程采取分级加载的方式,加载速度控制在0.5kN/s,以减少加载速度过快而引起的冲击产生的误差。对于不锈钢方管混凝土试件,其承载力达到峰值后,承载力急剧下降,机器自动停止;而对于不锈钢圆管混凝土试件,其承载力接近某一值时,承载力上升幅度十分小,但此时纵向位移急剧增加,因此,在圆型试件压力试验中,当纵向位移达到25mm时,认为该试件已经破坏,此时停止加载。

2试验结果及分析

2.1试件破坏模式及现象

冻融对不锈钢方管混凝土短柱的破坏现象及模式无明显影响,其破坏现象均表现为:在其承载力达到峰值前,其外部大口径不锈钢管端部的边缘开始发生褶皱弯曲变形,并随着荷载的增加,其变形愈来愈明显,最终导致试件角部开裂而破坏,其破坏模式均为端部屈曲开裂,见图2

冻融对不锈钢圆管混凝土短柱的破坏现象及模式也无明显影响,其破坏现象均表现为:当承载力达到一定值时,试件中部开始产生褶皱现象,而随着荷载增加,其承载力上升幅度愈来愈小,但其纵向位移急剧变大,此时试件中部的褶皱现象愈来愈明显,且向两端扩散,最终表现为以中部为基点的细微弯曲变形,其破坏模式表现为中部弯曲且褶皱,并沿两边扩散,见图3

对比两种不同截面类型大口径不锈钢管混凝土试件,冻融对其破坏模式及现象均无明显影响。当荷载达到一定值时,不锈钢方管混凝土试件最终发生角部破裂,导致承载力基本完全丧失,而不锈钢圆管混凝土试件虽产生褶皱现象,但承载力在接近峰值时,仅纵向位移会急剧变化,而承载力保持一段时间。相比之下,冻融前后的不锈钢圆管混凝土试件的延性及约束性能均比不锈钢方管混凝土试件好。

2.2荷载一位移曲线

试件试验结果见表2,其中由于不锈钢圆管混凝土试件的承载力在位移急剧增加时变化十分小,因此取20mm为不锈钢圆管混凝土试件的破坏位移,对应的荷载称为其极限承载力,而屈服极限及屈服位移均由割线刚度法确定。为更好表示冻融循环次数对大口径不锈钢管混凝土短柱的荷载-位移曲线的的影响,在荷载一位移曲线中,将冻融试件的荷载与未经冻融试件的极限承载力作比,得到两者比值,称其为冻融影响因子,并将其作为荷载一位移曲线的纵坐标,见图4。而对于冻融对试件极限承载力的影响,在此用不同试件的极限承载力与未经冻融试件的极限承载力做比值,从而得到冻融影响因数以及冻融影响因数与冻融次数的关系,见图5

在冻融前后,不锈钢圆管混凝土试件的延性系数均相对高于不锈钢方管混凝土试件2倍左右,对于不锈钢方管混凝土试件,其延性系数随着冻融次数增加先变小后增加,而对于不锈钢圆管混凝土试件,其延性系数变化趋势较为不明显,表现出较大的离散型。由图4可知,在本试验范围内,冻融次数为75次的不锈钢方管混凝土试件的初始刚度最大,而其他冻融试件的初始刚度较未冻融试件均小,而对于不锈钢圆管混凝土试件,冻融对其初始刚度影响较小。由图5及表2,可得知随着冻融次数的增加,不锈钢方管混凝土试件的极限承载力逐渐减小,且冻融循环次数越大,试件承载力下降幅度愈明显;而对于不锈钢圆管混凝土试件,其极限承载力随冻融次数增加而变大,且基本呈现直线上升趋势,相比之下,不锈钢圆管混凝土试件的极限承载力较不锈钢方管混凝土试件高,延性较不锈钢方管混凝土试件好。

冻融次数相同时,不锈钢圆管混凝土试件的约束系数比不锈钢方管混凝土试件大;对于不锈钢圆管混凝土试件,其约束系数随着冻融循环次数增加而变大,且上升趋势接近直线,而对于不锈钢方管混凝土试件,其约束系数随冻融次数增加而变小,且冻融循环次数越大,降低趋势越明显。

3结语

①冻融对大口径不锈钢管混凝土短柱的破坏现象没有明显的影响,其中不锈钢方管混凝土短柱的破坏模式均表现为端部屈曲且破裂,而不锈钢圆管混凝土短柱的破坏模式表现为中部權皱且弯曲。

②冻融循环对大口径不锈钢管混凝土短柱的极限承载力有重大的影响,其中具体表现为不锈钢方管混凝土短柱的极限承载力随冻融次数的增加而减小,且冻融次数越大,影响越明显,而对于不锈钢圆管混凝土短柱,其极限承载力随冻融次数增加而变大,且基本呈直线上升趋势。不锈钢方管混凝土试件的延性系数随冻融次数的增加先减小后增加,而不锈钢圆管混凝土试件的延性系数受冻融次数影响较为离散。相比之下,不锈钢圆管混凝土试件的极限承载力比不锈钢方管混凝土试件大,且延性比不锈钢方管混凝土试件好。

大口径不锈钢管混凝土短柱的约束系数受冻融影响较大,具体表现为:不锈钢方管混凝土试件的约束系数随冻融循环次数的增加而减小,而不锈钢圆管混凝土试件的约束系数随冻融循环次数的增加而变大,且在相同冻融循环次数下,不锈钢圆管混凝土试件的约束系数较不锈钢方管混凝土试件的约束系数高。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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