混凝土的密实度对矩形钢管混凝土柱强度的影响

1、混凝土的密实度对矩形钢管混凝土柱强度的影响摘要钢管混凝土柱比钢结构柱，混凝土柱有更好的结构性能。在过去的几十年，方形钢管和矩形钢管混凝土柱已经被广泛应用。然而，钢管混凝土柱的强度很容易收到混凝土密实度的影响。就预计而言，混凝土的密实度对钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱的影响是不同的。对于钢筋混凝土柱，混凝土的密实度仅仅影响混凝土的力学性能。但是，对于钢管混凝土柱而言，情况是不同的。因为钢管和混凝土的相互作用才是我们理解这种类型柱子的关键所在。混凝土的密实度不仅仅影响着核心混凝土的性能，也可能影响着核心混凝土与钢管之间的相互作用，从而影响组合柱的性能。本文旨在研究混凝土的密实度对矩形钢管混凝土柱的影响

2、。本实验利用35个矩形钢管混凝土柱来研究混凝土的密实度对组合柱性能的影响，主要的参数为：（1）柱截面的长宽比，从1到2；（2）钢管截面长度与管壁厚的比，从34到136；（3）荷载的偏心距，从0到31；（4）柱子的长细比，从21到62；该试验的目的有两个，第一，记录不同密实度条件下组合柱的实验数据；第二，研究混凝土密实度对组合柱性能的主要影响。将以得到的柱子强度的实验数据与预计的柱子的强度进行了对比，结果发现，混凝土的密实度越好，矩形钢管混凝土柱的强度越高。关键词：组合柱 混凝土 混凝土密实度 试件性能 组合行为 1. 引言在现代的建筑结构中，在矩形钢管，方形和圆形钢管中填满混凝土组成组合柱，这

3、种组合柱优点众多，如：承载力高，安装速度快，截面较小，防火性能好。然而，这种柱的性能又易于受到混凝土密实度的影响就预计而言，混凝土的密实度对钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱的影响是不同的。对于钢筋混凝土柱，混凝土的密实度仅仅影响混凝土的力学性能。但是，对于钢管混凝土柱而言，情况是不同的。因为钢管和混凝土的相互作用才是我们理解这种类型柱子的关键所在。混凝土的密实度不仅仅影响着核心混凝土的性能，也可能影响着核心混凝土与钢管之间的相互作用，从而影响组合柱的性能。术语B 矩形钢管的宽D 矩形钢管截面的长度e 荷载沿y-y轴方向的荷载偏心长度e/r 荷载沿y-y轴方向的荷载偏心率Ec 混凝土的弹性模量Es 钢

4、材的弹性模量fsy 钢材的屈服强度fcu 28天龄期混凝土立方体标准强度L 弯矩作用平面内柱子的有效屈曲长度 Nu 环境条件下组合柱的极限强度Nuc 预测极限强度Nue 实验极限强度SLI 强度损失值t 钢管的壁厚 矩形钢管截面的长宽比 长细比最近几十年，对于钢管和核心混凝土之间的粘结强度的研究已经取得很大的进步。对于不同条件下制造的混凝土试样进行了研究，如下所示：1. 骨料与水泥的比为5.0，干燥处理，利用插入式振捣器压实。2. 骨料与水泥的比为5.0，湿润处理，利用插入式振捣器压实。3. 骨料与水泥的比为5.5，湿润处理，利用插入式振捣器压实。4. 骨料与水泥的比为5.5，湿润处理，利用插

5、入式振捣器未压实。5. 骨料与水泥的比为5.5，湿润处理，利用手来压实。6. 骨料与水泥的比为5.5，湿润处理，利用手未压实。 实验结果表明，机械振动压实下的试样比手动压实的试件有更高的粘结强度，且密实度越高则矩形钢管混凝土构件以及截面的整体性能更好。 本实验的主要目的是研究混凝土的密实度是否会影响钢管混凝土柱的性能，该试验利用了35个矩形钢管混凝土柱来研究混凝土的密实度对组合柱的性能的影响。主要的参数为：（1）柱截面的长宽比，从1到2；（2）钢管截面长度与管壁厚的比，从34到136；（3）荷载的偏心距，从0到31；（4）柱子的长细比，从21到62；该试验的目的有两个，第一，记录不同密实度条件

6、下组合柱的实验数据；第二，研究混凝土密实度对组合柱性能的主要影响。将以得到的柱子强度的实验数据与预计的柱子的强度进行了对比，结果发现，混凝土的密实度越好，矩形钢管混凝土柱的强度越高。2. 实验过程在轴心荷载和偏心荷载作用下对35个柱子进行实验。该试验的目的不仅用来确定试样的最大承载力，而且用来研究超过极限荷载时试样的力学行为。图1为焊接的矩形钢管的横截面，B与D代表矩形钢管的宽和长，t为钢管的壁厚，所有的钢管都由低碳钢板制造，这四块钢板从同一薄钢板上取下，然后焊接为一矩形形状，最后在转角处进行单面斜口焊接。按照国标GB2975，对钢管壁进行拉伸实验，并从钢管的每个面上取三组试样，从这些数据得出

7、钢管的屈服强度为340.1MPa，弹性模量为207000MPa。搅拌混凝土的28天龄期的立方体抗压强度大约为22MPa，按照国标GBJ81-85测得混凝土的弹性模量值为25306MPa，混合的比例如下：水泥： 403 kg/m水： 153 kg/m砂： 561 kg/m粗骨料; 1283 kg/m本实验的平均立方体强度为23.1MPa。在所有的搅拌混凝土中，细骨料为硅基砂，粗骨料为中国南方城市福州市的碳酸钙。本次试验试样采用在不同条件下加工制造而成：预处理，插入式振捣棒压实或经手压实。值得注意的是，推荐的经手压实和插入式振捣棒压实的方法在实际结构中有时并不可行，特别是对长细的组合柱。本文的目的

8、并不是为实际工程的矩形钢管混凝土柱介绍一种混凝土的压实方法，而是研究混凝土的密实度对钢管混凝土的性能的影响，并且说明混凝土的密实度对组合柱的重要性。切除钢管的两端加工成所需要的长度，并用钢丝刷将钢管内部的灰尘和松散碎片除去，同时除去附在钢管壁上的油脂沉积物。每个钢管都焊接成壁厚为10mm的矩形钢管。在实验开始前，将试样放置在干燥的环境中，在处理的过程中，柱子的顶部将会发生0.4-0.7mm的纵向收缩，用高强环氧树脂来填充纵向空隙，使混凝土表面与钢管顶部保持齐平。柱子横截面的尺寸以及其它的特性见表1，L代表试样的长度。在表格中，M开头的混凝土用插入式振捣器压实，H开头的混凝土用手来压实。所有的实

9、验都是在5000KN的压力机下进行的，在实验之前，利用打磨机将钢管混凝土的顶表面打磨平整，以及保证荷载能够均匀的施加在横截面上，并且同时作用于钢材和混凝土上。在钢管的顶部焊接一个刚度很大的钢板，并在钢板上开一个6mm深的槽以此来施加偏心荷载，对于轴心受压的柱子，槽正好开在板的中间。端板的刚度要足够大，厚度约为30mm，轴心荷载施加在厚板上，厚板附带一个三角形铰链，允许试样转动以模拟铰接支座。底板和顶板都是由刚度很大和强度很高的钢材制造而成。具体的实验装置见图2所示。在试件的中部都贴有8个应变片以此来测量试件的纵向和横向应变。用两个位移计来测量轴向变形，用三个传感器来测量侧向变形。荷载采用分级加

10、载，每一级的荷载小于预估荷载的1/10，每级荷载维持2-3min，在每一级加载期间都要对应变和形变作相应的记录，实验以试件被压坏而告终，在实验过程中，在30min左右时，达到荷载最大值，1.5小时左右时间被压坏，图示3展示了整个实验装置的布置。3. 实验结果和试件行为所有的试件都表现出了韧性且整个实验都以一种平稳的，可控制的方式进行。在受拉区的混凝土产生大量裂缝以及受压区的钢材屈曲后，试件破坏，且破坏主要为受拉区的钢材破坏，破坏位置在试件的中部。实验表明，用插入振捣棒振动密实的试件破坏特点与用手压实的试件是不同的。对于手压的试件，由于混凝土的密实度不够高，自身的屈曲影响就会十分重要，并且与振捣

11、式压实的试件相比，手压的试件的钢管屈曲出现的时间更早且表现的更加明显，钢管屈曲模态的改变将会对试件极限强度产生十分重要的影响。实验结果表明，密实度高的混凝土试件的屈曲荷载值更高，用振捣棒压实的混凝土结构性能得到提高是由于钢管和核心混凝土之间的完全组合效应的影响。图4展示了一系列振捣式混凝土试件和手压试件的破坏模态。图示5展示了轴向压力与极限受压，受拉应变之间的关系。荷载与组合柱的位移曲线展示在图6，其中位移是柱中间的位移。图示5，6表明，密实度高的试件具有更大的刚度。然而，对于一些大位移的实验，手压试件与机械压实试件相比，具有初始刚度。在初始阶段，混凝土的泊松比小于钢材的泊松比，在钢管和核心混

12、凝土之间并没有产生组合效应。钢管与核心混凝土都是独自承受荷载。这样，混凝土的压实方法在这个阶段将会对组合柱的力学行为产生一定的影响。表1总结了实验中各个试件的最大荷载值，数据表明，振捣式试件与手压试件相比有更高的极限强度，同时振捣式的短柱的极限强度比手压式的柱的极限强度高3-30%，振捣式长柱的极限强度比手压式的长柱极限强度高20-27%。图示7说明，在两种不同混凝土压实情况下，试件的极限强度是不同的，为了比较的方便性，利用振捣器压实的试件表述为MC，而利用手压实的混凝土试件则表述为HC。4. 实验结果分析和讨论通过定义以下的强度损失指数来衡量由于核心混凝土未密实而带来的组合柱试件的强度损失。

13、通过计算，表1列出了试件强度损失指数。计算试件的截面尺寸为1951302.65，图示8是通过变化长细比来计算试件的强度损失指数。图示9则是通过变化荷载偏心率。从图示8，9可以得出，强度损失指数是随着长细比与荷载偏心率的增大而增大的。通过对实验结果的仔细研究可以得到一个很明显的现象：试件的截面尺寸越大，强度损失指数越高。因为截面尺寸越大意味着核心混凝土的尺寸越大，混凝土对组合柱的承载力的贡献值就越高。正是因为如此，大截面试件的混凝土的密实度对组合柱强度的影响就会比小截面试件更加明显，从而导致强度损失值更高。通过以下的四种设计方法以及实验中得到的实验结果来比较试件的承载力。在所有的设计计算中，统一

14、设置了材料的局部安全因素。表2列出了不同方法下的截面预测承载力与实验承载力的比较结果。表3列出了不同设计方法下的平均值以及标准偏差值。表格中，振捣式密实混凝土表述为MC，手压式密实混凝土表述为HC。表中的结果清楚地表明：LRFD,AIJ,EC4得到的数据是保守的。因为他们给出的承载力比实验得到的低了8-12%。根据国标GTB4142-2000制定的实验方法，预测的数据比实验值稍高。总之，根据国标制定的实验方法是最高的预测方法，其给出的平均值为1.017，偏差为0.0669.然而，对于手压式密实的试件得到的预测值都是不安全的。通过比较可以得到，混凝土的密实方法对矩形钢管混凝土试件的强度的影响是十