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圆钢管混凝土纯弯性能研究

Manojkumar V. Chitawadagi , Mattur C. Narasimhan

（Department of Civil Engineering, National Institute of Technology Karnataka, Surathkal, Mangalore-575025, India）

摘要：提出了不同等级混凝土填充的圆形钢管在挠曲下的强度变形行为。研究了钢管厚度，混凝土横截面面积，填充混凝土的强度以及混凝土的密闭度对钢管混凝土（CFT）的弯矩承载力和曲率的影响。将测得的抗弯强度与EC4-1994和LRFD-AISC-1999规范中预测的值进行比较。用20、30和40 N / mm2特性强度以及D / t比为22.3至50.8的混凝土填充物测试了总共九十九个标本（均为一米长）。基于实验结果，建立了一个相互作用模型来预测CFT样品的弯矩和曲率。

关键词：钢管混凝土梁； 圆管； 弯曲强度； 弯曲刚度

1.前言

由填充有混凝土的圆形或矩形钢管组成的复合构件已广泛用于涉及施加力矩很大的结构中，特别是在地震危险性高的区域中。混凝土填充管（CFT）已用作支撑和非支撑框架结构中的柱和梁柱[1].与传统的结构钢型材和钢筋混凝土相比，填充有混凝土的钢制空心型材具有更高的强度和更大的刚度[2].尽管对CFT柱和梁柱的性能进行了大量研究；关于空心混凝土结构钢梁抗弯性能的研究报道较少[3].CFT的结构行为受构件强度支配，这反映了以下事实：负载阻力不仅取决于材料特性，还取决于整个构件的几何特性[4].

Bridge对CFT的测试[4]表明，在纯弯曲作用下，混凝土芯仅提供大约7.5％的构件承载力。卢和肯尼迪[5）对十二个混凝土方形钢管和矩形空心截面梁进行了测试，以检验不同的纵横比和不同的剪切跨度对深度的影响。试验表明，复合梁的极限抗弯强度根据钢和混凝土的相对比例，比裸钢截面增加了约10％–30％。Uy [6]报告了对混凝土填充梁SHS进行的五次测试。选择测试样本以检查不同的宽度与壁厚之比（从40到100）和不同的混凝土圆柱强度（38和50 MPa）的影响。测试表明，CFT梁构件具有明显的屈服平稳期，并具有足够的延展性。Elchalakani et al[1]提出了圆形混凝土钢管 (D / t = 12–110)承受大变形的纯弯曲。已经发现，通常钢管的混凝土填充增强了强度，延展性和能量吸收，特别是对于较薄的部分。韩[3]提出了一种力学模型，该模型可以预测空心混凝土结构截面的行为。A. Elremaily和A. Azizinamini [7]从他们的实验研究中得出结论，AISC-LRFD [8]计算CFT梁柱容量的规定非常保守。

显然，了解CFT截面在挠曲下的复合结构行为的关键问题是混凝土芯与钢管之间的相互作用。在本文中，对弯曲下的圆形CFT进行了广泛的实验研究，并进行了报道。具有三种不同直径的CFT，每种具有三种不同的壁厚（表格1）（D / t =22.3-50.8）。考虑了三种不同等级的混凝土填充物。努力寻找钢管和承压混凝土芯对挠曲下CFT的弯矩承载力和曲率的相对贡献。基于实验结果，提出了一个简单的回归模型和一个相互作用模型来计算纯弯曲下CFT的弯矩承载力和相应的曲率。

命名

A_c 混凝土芯的截面积

A_s 钢管的截面积

D 钢管外径

d 钢管内径

G 填充混凝土的立方强度

f_ck 混凝土的抗压强度

f_y 屈服强度

f_y 钢的屈服应力

M_ue 最大测试力矩

M 力矩

M_pred 预测力矩

t 钢管壁厚

W_scm 组合梁的截面模量

Phi;_ue 测试样品的极限曲率

Phi;_pred 极限曲率预测

xi; 限制因子

1. 试验概况

2.1混凝土

在本研究中，使用当地可买到的波特兰火山灰水泥（PPC）设计的混凝土，其特征强度分别为20、30和40 MPa，压碎的花岗岩（下降12毫米）和河砂。这三个等级的混凝土的配合比设计是根据IS 10262-1978 [9].三种等级混凝土的混合比例和实验室确定的28天立方体强度如表2所示，由于钢管的开口尺寸很小，为了确保适当的压实，混凝土混合物采用了较高的可加工性，即塌落度为80–100 mm。这是通过使用硅粉和高效增塑剂作为混合物来实现的。使用标准的100毫米实心立方体来测试混凝土的抗压强度。

2.2钢管

在本研究中，使用了屈服强度为250 MPa，长为1000 mm的冷弯低碳钢管。这些管是焊接的，并且管的边缘已磨平。钢管的外表面涂有油漆以避免腐蚀。管子的内部用钢丝刷擦，以除去任何锈蚀和松散的碎屑。清除油脂中的沉积物。空心钢管允许D / t比小于欧洲规范4（EC4）-1994 [10]以避免CFT标本过早屈曲失败。

2.3 试件制作

将钢管直立放置在专门用于浇铸样品的支架上。钢管的底端用聚乙烯板紧密覆盖，并从顶部浇注混凝土。在钢管中大约四分之一处（250毫米）填充混凝土，并敲打钢管25次将每一层压实。用抹刀修整混凝土的顶部，并保持钢管不受干扰，直到24小时后将其从支架中取出，以保持水分固化。

表1

试件

表2

混凝土配合比

2.4 试验装置和加载方案

标本的测试天数为28天。挠曲测试样本在200 kN的负载框架中进行测试。在测试中每个负载点和样品支撑架上安装一个轮子，以允许其自由旋转。因此，在简单的支撑条件下对梁样本进行测试。沿两条线施加载荷，两条线之间的有效跨距为任一支撑的三分之一。试样的轴线与装置的轴线对齐。线性可变位移传感器（LVDT）放置在中跨和两个加载点。装满混凝土的试样的端部不封盖，以允许混凝土和钢管之间滑动。尽管可能会认为这不是很有利，但这被认为是最坏的情况。在实际测试之前，应施加并释放1–3 kN的负载水平，以确保LVDT显示稳定。逐渐增加载荷，直到试样破坏，记录试验过程中施加在试样上的最大载荷，并计算出相应的极限力矩。LVDT读数以适当的载荷增量进行记录，并使用LVDT数据计算经受纯弯曲的测试梁中间部分的横向挠度，如下所述。

delta;1和delta;2是梁上施加点荷载作用下的挠度，delta;m是测试梁跨中的挠度。然后，测试梁的纯弯曲段的净变形（delta;n）由下式给出：

1. 试验结果分析

3.1 力矩和曲率的预测（实验设计方法）

考虑到节省实验时间和材料成本，需要较少数量的实验。因此，旨在介绍田口方法[11]找到合适的工艺条件组合，并通过最少的实验分析结果。本工作旨在借助实验设计（DOE）方法研究三个水平上的三个参数（管径，壁厚和混凝土等级）对CFT梁的弯矩承载力和曲率的影响。正交数组有助于确定需要进行多少次试验以及每个试验中每个参数的因子水平。选择了一个L9正交阵列，该阵列减少到9个实验评估（表3），然后从MINITAB-14获得一组级别的组合。因此，最初根据组合跨度对有效跨度为850 mm的CFT梁进行了9个实验，相应的实验结果如图5所示。表3.在按照L9正交阵列进行实验之后，绘制了力矩和曲率的主要效果图。主要影响是参数对响应或因变量的直接影响。图1和图2中显示了圆形CFT梁相对于极限弯矩和相关曲率的参数的主要效果图。通过考虑每个参数级别的响应方式来绘制它们，如图表4所示。还使用变异性分析（ANOVA）技术对实验结果进行了分析[11].从图1和图2，可以注意到，任何直径或壁厚的增加都会增加力矩的承载能力。钢管直径对极限弯矩承载力影响最大，而混凝土的强度证明是影响CFT曲率的最重要参数。为了评估每个参数的等级，计算所有因子的每个水平的均值的差值，并显示在表4。Delta表示最大均值减去最小均值。影响最大的因素是排名第一的因素。这已通过使用ANOVA技术的结果得到了证实。表5.较大的F值表明，直径是影响CFT弯矩承载力的其他因素中最重要的因素。

图1.主要影响因素—极限弯矩

图2.主要影响因素-极限曲率

进行了最初的9个实验后，开发了回归模型（表6).这些模型用于预测实验程序中所有其他CFT样品的极限力矩承载能力和相关曲率。为了验证最终力矩承载能力和相关曲率的这种预测的准确性，现在进行实际的弯曲测试，并将实际实验值与预测值进行比较（表7).结果发现，回归模型可以很好地且合理地预测圆形CFT的弯矩承载力（表7).还对空心样品进行了测试，以确定混凝土填充对弯矩承载力和相关曲率的优势。

表3

L9 —采用正交阵列和实验结果

表4

表示三个要素（力矩和曲率）的平均值

表5

ANOVA分析表——极限弯矩和极限曲率

表6

针对九个试件的直径，壁厚和立方强度方面的极限力矩和曲率的回归分析模型。

表7

分析回归模型的准确性来预测极限力矩和相应的曲率，并与实验值进行比较

3.2 不同参数对极限弯矩的影响

弯曲的CFT梁由于混凝土的填充和一般的测试而以平稳且可控的方式表现出相对易延展的性能。实验期间获得的典型弯矩曲率曲线（图3）清楚地显示出空心和CFT单元的弹性和后期屈服行为。CFT样品显示出明显的产量平台。

从实验结果可以看出，由于空心部分的混凝土填充，弯矩承载力显著增加，但是由于从M20到M40填充的混凝土强度的增加，弯矩阻力没有明显增加。 填充混凝土有助于提高复合截面的截面模量。填充有空隙的混凝土通过承受由于压缩区域中的弯曲而引起的压缩应力，从而增加了截面的抗弯矩。这称为强度增加因子的参数

现在引入（SIF）来说明由于CFT梁中的复合作用而提高的弯矩能力

其中Mc定义为混凝土的理论弯矩能力

·f_cr d为钢管内径，f_cr为混凝土中的容许弯曲应力 [12] f_cr=0.7；为混凝土特征强度；M_Hollow是空心梁钢管样品的试验弯矩承载力；M_CFT是CFT样品的试验弯矩承载力。

从图4 可以看出，在CFT中，D / t与混凝土对复合作用的贡献之间存在非线性变化。但是，与填充了M20和M40等级的CFT样品相比，对于具有M30混凝土的CFT样品，对于给定的D / t比，SIF更高。因此，在挠曲下，将高强度混凝土用作CFT的填充料似乎没有太大优势。这与WM Gho，Liu Dalin[2]和Lu和Kennedy [5]获得的测试结果一致。

该比值(M _CFT / M _Hollow )表明了钢管混凝土的优越性（表8）发现对于壁厚最小的管子，用中等强度的混凝土填充，可以获得最大的填充优势（M _CFT / M _Hollow ）。力矩阻力的显着增加主要是由于与较厚的部分相比，较薄的部分更容易受到局部弯曲的影响。用混凝土填充这种薄截面有助于延迟局部屈曲，因此提高了承载力（图5).

在给定壁厚和混凝土等级的情况下，钢管直径的增加，由于钢管面积的增加和钢筋的增加，有助于增加极限弯矩承载力附加混凝土的存在有助于延迟局部屈曲（图6).

图3.CFT样品的典型弯矩曲率关系

图4.强度增长系数随D / t的变化曲线

图5. D / t下的CFT的抗弯性能

图6.钢管横截面积的弯矩-曲率关系变化

表8

混凝土填充对钢管弯矩承载力的影响

3.3混凝土的限制作用

钢管内部的混凝土是受限制的，这种受限制情况下的混凝土强度取决于其自身的特征强度和钢管的厚度。韩林海提出的约束因子xi;和抗弯强度指数gamma;（FSI）[3]用于解释限制作用下的效果。

其中A_s

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